книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности
.pdfVII. Заключение
В данном разделе приведены расчетные формулы, в которые входят как измеряемые, так и рассчитываемые параметры. Эти формулы позволяют определить длину сушилки, входную мощность, выходную мощность и к. п. д. сушилки. Рассмотрены примеры применения этих формул при проектировании сушильных установок с на гревом в поле бегущей волны.
Дана общая характеристика современного состояния в области СВЧ-сушилок с нагревом в поле бегущей вол ны. Прогнозируются некоторые направления дальней шего развития..
Обозначения
№— энергия, дж;
О— поглощенная мощность, вт/м8;
АТ/сИ — скорость |
изменения температуры, град/сек; |
Л — глубина |
проникновения, м\ |
к — 5,561 • 10"11; |
|
/ — частота, |
гц; |
Е — напряженность поля, в/м\
с— удельная теплоемкость;
р— плотность, кг/л13;
X — длина волны в свободном пространстве, м\
е= е0(е' — /е*) — комплексная диэлектрическая проницаемость;
=е"/е';
V — скорость материала в сушилке, м/сек;
а м — постоянная |
максимального |
затухания, неп[м\ |
а 1— постоянная |
затухания при |
г = /; |
ат — минимально достижимая постоянная затухания, т. е. постоянная затухания линии с полностью высушенным обрабатываемым материалом;
у(г) — постоянная распространения; а(г) — постоянная затухания;
Р(г) — фазовая постоянная; У(г) — полная характеристическая проводимость, омГ1', Рдх — входная мощность, вш\
Р(?) — мощность при г = г; |
|
|
|
|||||||
|
Р1— мощность при г = 1\ |
|
|
|
||||||
|
Ртр — мощность, требуемая для испарения воды, вво |
|||||||||
|
|
димой в установку. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|||
1. О к г е з з Д, |
С., |
В г о \у п №. С., М о г е п о Т„ О о и Ь а и О., |
||||||||
|
Н е е г п а п |
N. I., |
С е о г е е Д. Н., М1сгэ\уауе рэ\уег еп^шееппд, |
|||||||
|
1 Е Е Е Зрес1гит , |
1, рр. 76—100 (ОсГоЬег 1964). |
|
ргосез- |
||||||
2. М о г |
1 п С., |
МиШтоЛе сауШез Гог шЛизЫа! т1сго\уауе |
||||||||
3. |
5|‘пб, |
Е1еЫ гоп. С о т т и т с а (о г , I, р. 15 (Лапиагу 1966). |
|
|
||||||
ТаЬ1е$ оГ сИе!ес1г1с (Нзрегзюп Ла1а Гог риге Пяшёз ап(1 ёПи!е зо- |
||||||||||
|
1и11опз, ЫВ5, С|*гс., 589, 1958. |
СиЫеЛ №ауез, №\У Уогк, |
||||||||
4. С о 1 11 п Д. Е., |
Р1еЫ ТЬеогу оГ |
|||||||||
5. |
МсОга^-НШ, 1960, р. 9. |
№ауез ш |
ЬауегеЛ Ме(11а, Ие\у Уогк, |
|||||||
В г е к 11о V 5 к |
1 |
к И |
Ь., |
|||||||
|
АсаЛегтнс Ргезз, |
1960, р. 79 ГГ. Есть |
русский перевод: |
Брехов* |
||||||
|
ских |
Л. М., Волны в |
слоистых средах, Изд-во АН |
СССР, М., |
||||||
6. |
1957. |
|
|
|
N.. |
ТЬе |
№ауеби1с!е НапЛЪоок, Ыеуг |
Уогк, |
||
М а г с и \ у П г |
|
|||||||||
|
Мс(Зга\у-НП1, 1951. Есть русский перевод: «Справочник |
по вол |
||||||||
7. |
новодам», изд-во «Советское радио», |
1952. |
|
О. Н., |
||||||
В 1е-а с к 1е у |
№. Л., В а г п е з |
Л. С., Р е г к 1 п з |
||||||||
|
А пн’сгояуауе йгуег Гог рЬо!оцгарЫс рппГз. А Ш С (Н п11. |
Лев. |
С оип - |
|||||||
|
с И ) Ви11. РасИ о |
Е1ес. Е п § . Шо., 15, р. 28 (Ли1у—5ер1етЬег 1965). |
||||||||
8. В 1 е а с к 1 е у |
№. Л., В а г п е з |
Л. С.р Р е г к I п з |
О. Н., |
|||||||
|
А т1сго\уаУе Лгуег Гог рЬо1оегарЫс рпп(з, С а п . У. Р к о 1 . |
(Мау— |
||||||||
9. |
Липе 1966). |
Н. С., А ргоГоГуре ечШртеп! Гог шЛизГпа! ппего- |
||||||||
№ а г п е г |
||||||||||
|
\уауе аррПсаИопз, Е1еЫ гоп. С о т т и т с а 1 о г , 1, р. 8 (1966). |
|
||||||||
|
|
|
5.1.17. ЛЕСОМАТЕРИАЛЫ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
В о с с и С а п п л и .I |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
I. Введение |
|
|
||
|
Двумя основными требованиями расширяющегося про |
изводства лесоматериалов являются сокращение времени сушки и выдержки, а также усиленный контроль качест ва. Как указывалось [11, контроль качества окончатель но высушенной фанеры должен производиться независимо от изменения условий получения сырья. Равномерно низ кое контролируемое содержание влаги требуется для ка-
чественного склеивания, обеспечения прочного затверде вания и предотвращения потерь материала. Последнее особенно существенно по экономическим соображениям.
В данном разделе СВЧ-энергия рассматривается в ка честве регулируемого источника тепла, используемого в совокупности с традиционными методами сушки. Благода ря физическим свойствам многих естественных диэлек триков при высоких частотах управление качеством, об суждавшееся выше, становится реализуемым при про цессе СВЧ-сушки. До 90% и даже большую долю СВЧэнергии, генерируемой системой, можно преобразовать в тепло именно во влажной части древесины при низком общем содержании влаги, что достигается в результате имеющих место процессов самоограничения и саморегу лировки. Существуют и другие преимущества, состоящие в том, что частота системы остается постоянной для лю бых нагрузок и что ширина материала существенно не ограничивается. С этой точки зрения СВЧ-методы сущест венно отличаются от методов, использующих радиоча стоты (1—30 Мгц). При сушке естественных материалов
скорость, с которой влага, находящаяся внутри мате риала, эффективно переносится к поверхности, опреде ляет время сушки. В большинстве случаев необходимо сделать эту скорость в точности соответствующей ско рости, с которой влага удаляется с поверхности. При этом условии не происходит повреждения структуры материа ла. Регулировка испарения с поверхности сама по себе не представляет проблемы, однако глубокий эффектив ный прогрев, требуемый для того, чтобы вызывать нужное изменение давления пара в материале, порождает необ ходимость решения целого ряда задач в различных об ластях промышленности.
В обычных сушильных печах, например, поверхност ному испарению препятствует относительно высокая влаж ность в горячей атмосфере, необходимая для обеспечения проникновения тепла в толщу материала. Этот процесс протекает медленно и неэкономично вследствие низкой теплопроводности древесины и трудности регулировки. Это относится также к пшенице, волокнам и другим ма териалам. В случае обработки дерева быстрое удаление влаги с поверхности также приводит к напряжениям, ко
торые могут вызвать структурные разрушения на боль ших площадях (закаливание и поверхностное растрески вание [2]). Если материалы нагреваются неравномерно, то правильная максимальная скорость сушки может быть установлена для каждого частного случая путем подбора температуры воздуха и относительной влажности. Выход влаги зависит от градиента влагосодержания (от дерева к воздуху) и коэффициента диффузии. Последний сущест венно растет с ростом температуры материала. Величины коэффициента диффузии для дерева приведены в ра боте [3].
В относительно широком частотном диапазоне можно глубоко прогревать влажные материалы без нагревания окружающего воздуха, используя так называемую ди электрическую или ВЧ-технику нагрева. В диапазоне 1—30 Мгц в большинстве волокнистых материалов в
первую очередь поглощает мощность вода. В работах [4, 5] исследован высокочастотный нагрев древесины и сделан вывод о том, что три метода, а именно кипячение, метод температурного градиента и высокотемпературные методы, являются неэкономичными, за исключением не которых специальных случаев, когда обработке подвер гаются небольшие куски пористой древесины. Техника СВЧ с успехом применялась для конечного склеивания фанеры — случай, когда требуется большая селективность распределения мощности между деревом и материалом, подлежащим нагреву. Первая работа [6], относящаяся к этой и родственным областям, проиллюстрировала мно гие технические приемы, которые применимы в специаль ных случаях. Однако патент [7], в котором описывается метод понижения температуры дерева, подлежащего склеиванию для уменьшения поглощаемой деревом мощ ности, раскрывает характер задач, которые приходится решать. Тот факт, что в последнее время обращаются к высоким частотам (30—300 Мгц), указывает на расту
щий интерес к этой форме сушки. Ряд авторов в обсужде нии «электронной сушки» таких специфических предметов, как ружейных лож, ракеток для гольфа и т. д., исходят из того, что преимущества, достигаемые за счет управле ния качеством процесса (улучшенная прочность на срез, увеличенное сопротивление растрескиванию и т. д.),
являются весьма значительными сами по себе и сущест венно сокращают время изготовления продукции. Погло щение мощности водой, содержащейся в волокнистых ма териалах, быстро растет на частотах выше 300 Мгц\ максимум достигается в диапазоне 20 Ггц. В этом диапа
зоне возможен значительно более качественный контроль нагрева влажных материалов, а конструирование элек тродных систем облегчается с увеличением частоты. Ча стота, наиболее подходящая для нагрева влажного ма териала, должна выбираться из компромисса между поглощением мощности и глубиной ее проникновения. Эффекты в мягких породах дерева, так же как и во мно гих других материалах, являются сложными функциями содержания влаги, температуры и структуры. В диапа зоне 0,3— 10 Ггц поглощение мощности критично не только
к влажности, но, еще более, и к температуре в данном участке материала; это дает возможность полностью ре гулировать желательную глубину проникновения. Один из разделов данной работы содержит рассмотрение этих факторов, а также их связь с конструкцией и экономикой больших систем с комбинированным нагревом (СВЧэнергией и горячим воздухом), использующихся в дере вообрабатывающей промышленности. Основными обла стями, представляющими промышленный интерес, яв ляются следующие:
1)повторная сушка шпона и окончательная сушка фанеры;
2)быстрая естественная сушка твердых пород древе сины без дефектов;
3)выдержка и сушка слоев краски и покрытий на по верхности клееной фанеры, а также на искусственных подложках (фибра и картон);
4) выравнивание уровня остаточной влаги в бумаге и подобных материалах1).
II» Резонаторные системы и поглощение мощности
Для всех применений, изложенных выше, наиболее приемлемы хорошо изученные волноводные системы типа «меандр». Последние описаны многими авторами, вклю-
х) Этим вопросам посвящен разд. 5.1.18.
чая Харвея [81. Промышленная система на 50 кет вместе
с возможными элементами подвода мощности показана на фиг. 1 и 2. Однако в отдельных случаях специальных применений в качестве источника объемного нагрева мо жет быть с успехом использован многовидовый большой резонатор, оформленный в виде сушильной печи. В обоих случаях при правильной конструкции более 90% генери руемой мощности СВЧ может быть использовано для нагревания материала. Напряженность электрического
.поля в обоих типах устройств мала по сравнению с пробив ной напряженностью, так что последняя не представляет проблемы в данном случае.
Поглощенная и преобразованная в тепло СВЧ-мощ- ность в диэлектрическом материале с потерями может быть рассчитана с учетом диэлектрической постоянной, кото рая выражается в виде комплексной величины
8, = е0 (в'—/е") = е^' (1 —/ |
«). |
где е' — диэлектрическая постоянная и |
— коэффи |
циент диэлектрических потерь. Для плоской волны, рас пространяющейся в среде с характеристическим сопро тивлением т)0 (фиг. 3, а), плотность падающей мощности, переносимой волной, связана с напряженностью электри ческого поля соотношением
р«
Р -г- пад
паД ‘ 2По *
При достижении границы материала часть .мощности отражается обратно к источнику. Оставшаяся часть мощ ности передается материалу, при этом электрическое поле затухает по экспоненте е~аг, где а — постоянная затуха
ния материала. Можно показать, что плотность мощности, переносимой волной, .уменьшается до 0,37 РпроШ (1/е от
величины мощности у поверхности материала) на рас стоянии [9]
л |
1 . |
25*о |
Г |
2 |
11/2 _ |
|
|
2« |
я / е |
[(1 + |
1§2&),/2 — |
| ] |
* - |
|
Водянаянагрузка |
|
|
Источник |
(поглотитель неисполь |
Волновод |
|
зованноймощности) |
|||
СВЧ-мощности |
|||
|
|
||
Движение |
Конвейерная |
|
|
материалов |
лента |
|
/
^
Прямоугольныймеандровыйволновод
а
Источник 1(согласная ивстречнаясхемы)
I |
1 |
г>. |
, •1 |
|1 |
, |
1 |
1 |
|
Источник2(согласишл схема)
1 |
2 |
^ 3 |
г \ |
Г ' /• |
Г |
— Т |
_1_ |
г Ь |
и |
Всппреч*ШЯсхелпа |
|
г
Фи г . 2. Возможные способы подачи мощности на сбалансированную волноводную [меандровую систему применительно к обработке лесоматериалов.
« — схема волноводной ’ системы; б — поперечное сечение по А — А\ в, г — другие способы сбалансированного подведения энергии для достижения однородности нагрева листовых и слоистых материалов.
где й — глубина проникновения; / — частота, ец |
в |
|||||
уравнении предполагается, что отсутствуют пот,п - |
||||||
ности |
в металлических |
стенках. |
мощ’ |
|||
Е |
Ро1ео |
|
яшшт0,37РГ |
|
||
|
|
|
|
|
прои |
|
Н |
Рпад' |
э |
|
|
|
|
|
|
прош |
|
|
||
а |
|
Ротр |
|
|
|
|
|
М| |
|
Диэлвтрик спотерями |
|
||
|
7 //////уШ//Л 2=0 |
|
|
|
|
|
|
<227&У//&/////<х |
|
|
№ |
|
|
|
р0'ео |
Н |
|
|
||
|
Р п ад |
Рррош1 |
|
|
|
|
|
|
|
Рпрош 2 |
|
||
|
|
|
|
|
К согласованной |
|
|
|
Ротр\ |
|
Ротр2 |
нагрузке |
|
|
У Л 77/7//////7I |
|
|
7777777777777777779, |
|
Ф и г. 3. Прохождение ТЕМ-еолны черев диэлектрический материал с потерями.
Соотношения для поглощенной, отраженной и пере данной мощностей для общего случая диэлектрика с по терями толщиной ^ [101 (фиг. 3, б) являются комплекс
ными, и вывод их представляет большие трудности, в част ности для случая, когда ес зависит от температуры. Одна ко для случая малого а/ ( Е ППош постоянно) поглощенную мощность можно представить в виде
РП0ГЛ= 55,6- 10“МДрош/е' 5 вт/см*. |
(2) |
Поскольку 1 ет = 0,239 кал, температура материала
будет расти со скоростью
= 0,239 град!сек, (3)
где с — теплоемкость материала, кал/г-град, и р — плот ность материала, г/см3. Уравнения (2) и (3) являются
приемлемыми приближениями для расчета нагрева влаж ных материалов, если известны величины е' и е" в виде функции содержания влаги и температуры. Во всех нагре вательных СВЧ-системах глубина проникновения поля обратно пропорциональна частоте. При заданной степени нагрева напряженность электрического поля необходимо уменьшить с увеличением частоты.
Если согласованную нагрузку, показанную на фиг. 3, б, заменить отражающей металлической стенкой, расположенной за материалом, то теоретически возможно поглощение в материале всей мощности; непроизводитель ные потери могут иметь место лишь в металлических стен ках. Это пример квазирезонансной структуры. На прак тике более приемлемым является метод достижения тех же условий при использовании многовидовых резонаторов. Если оптимизировать размеры резонатора 1111, то мощ ность будет равномерно распределяться по всем поверх ностям материала. Уравнение (1) можно использовать для расчета глубины проникновения, а нарастание тем пературы выразится тогда в виде
|
— ■яг 0,239 |
град/сек, |
(*) |
где ьа — вес |
материала и |
Р^— общая |
СВЧ-мощность, |
подведенная |
к материалу. |
|
|
Для секции волновода типа «меандр», изображенной на фиг. 2, в работе 112] показано, что среднее температур ное распределение вдоль материала может быть записано
в виде |
|
|
Т ~ т 0 |
1). |
(5) |
Приведенное выражение является аппроксимацией ну левого порядка при условии ограничения в* < Ьг'/па