книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности
.pdfрительно высушенное на воздухе (ПВ), имеющее меньшую влажность, чем лес на корню.
И в соответствии с этой градацией могла быть опреде лена степень влияния наиболее важных параметров при
Ф и г . 14. Кривые сушки красного дерева с высоким содер жанием влаги.
Время выдержки 56.9 мин при среднем уровне мощности 5,21 кет [281.
СВЧ-сушке (е \ е", т и р). Как указано в [28], СВЧ-нагрев
идет очень быстро, и поэтому использовался импульсный режим (метод, который, по-видимому, не дает удовлетво рительных результатов на низких радиочастотах). Как показано в табл. 3, период СВЧ-нагрева составляет от У4 до 3/ 4 общего^периода сушки. Два из перечисленных методов сушки иллюстрируются фиг. 13 и 14. Правиль
ная последовательность принудительной подачи горячего воздуха для удаления воды, мигрирующей к поверхности, помогла уменьшить время обработки.
В проведенных экспериментах контрольные образцы были высушены в сушильных печах и сравнительные экспе рименты на прочность (А5ТМ стандарт 143-52) были сделаны на 120 парах образцовою чистого дерева, отре занных от брусков, высушенныхГв сушильных печах, и от брусков, высушенных с помощью СВЧ-нагрева. Средние величины прочности составили 117 кг-см для сушильных печей и 124 кг*см для СВЧ-сушки; все образцы^имели
остаточную “влажность порядка 7,5%. ~ }; л Сравнение данных табл. 3 с типичным ходом процесса
вАсушильной печи, для красного дерева показывает, что количество энергии, требуемое для испарения 1 кг воды,
уменьшается при использовании СВЧ-мощности д о ^ /з нормальной величины. Дефекты разрушения уменьша ются; в тех случаях, когда наблюдалось растрескивание (локальное расщепление волокон), как показано в [22], это происходило вследствие слишком большого давления пара внутри породы в отличие от обычной причины— усадочного напряжения. При^сушке^леса с помощью СВЧ-нагрева случаи «закалочных» дефектов не наблю
дались, поскольку температура |
поддерживалась ниже |
82 °С. |
красного дерева .близки |
Диэлектрические ^параметры |
к параметрам мягких пород. Однако уравнение* (5) для подсчета распределения температуры вдоль секций_меандрового волновода допустимо использовать лишь при низ ком содержании влаги. Машинный же расчет, очевидно, возможен и в более общих случаях. Практически для пере дачи материалу 90% мощности с начала нагрева (предпо лагается, • что содержание влаги в доске "толщиной 2,5 см
достаточно высокое) требуется установка, состоящая из пятиметровых секций меандрового волновода, заканчи вающегося согласованной нагрузкой. При меньшей влаж ности требуется большая общая длина меандра. В про изводственных установках могут применяться варианты устройств, подводящих СВЧ-энергию, аналогичные пока занным на фиг. 2, в; конкретная геометрия их определяется
в зависимости от выбранного способа подвода СВЧ-
энергии и от используемого импульсного режима. Как и в других применениях (см. разд. VI), необходимо предотвращатьщерегрев направляющих кондов материала вдоль меандра"вследствие экспоненциального характера повы шения температуры со временем и расстоянием. Как и в случае фанеры мягкой породы, в болыпинстве^практических схем в качестве источника нагрева ниже точки на сыщения волокон используется энергия СВЧ-колебаний, распространяющихся в многомеандровых секциях, а так же регулируемый поток горячего воздуха, пропускаемый через волноводные секции и между ними.
Б. Фанеры твердых пород. Многие фанеры твердых пород (береза, вяз, гикори (американский орех), орехо вое дерево) имеют тенденцию изгибаться при^ конвейер ной сушке. Эти эффекты обсуждаются в работе [291. Пока еще отсутствуют положительные результаты по СВЧ-сушке, однако и в этой области может появиться широкая сфера применения СВЧ-энергии.
VI. Покрытия, пластики
Производство искусственных покрытии (под тик, орех, вишню и т. д.) на подложках из твердого дерева или много слойной фанеры является важной и быстроразвивающейся отраслью деревообрабатывающей промышленности. Почти 25% многослойной фанеры, производимой в настоя щее время, имеет пластиковое покрытие. Для производст ва таких тонких листов (розничные цены на которые на ходятся в пределах 1,5—30 долл, за 1 м 2) используется
различная технология.
Как шлифованная фанера, так и доски твердых пород, взятые в качестве подложки, шпаклюются, покрываются слоем наполнителя, после чего наносится основное по крытие. Поверхность затем высушивают, прежде чем про пускать через валик для нанесения краски, на‘котором выгравирован требуемый рельеф волокон. Точная реп родукция оригинального расположения волокон полу чается на валике методом фототравления. При этом на валике образуется околр 4000 «лунок» (заполняемых крас кой) на 1 см2; длина окружности валика берется равной
ширине панели. Один или два слоя прозрачного поверх-
постного покрытия (как правило, катализируемый лак) наносятся другим валиком и выдерживаются до отверж дения.
В большинстве случаев для выдержки и сушки покры тий используются инфракрасные лампы, расположенные над лентой конвейера. Диапазон толщин одинарного по крытия составляет 0,025—0,075 мм.
Впоследнее время федеральные и местные власти на стаивают на принятии мер по уменьшению загрязнения воздуха, что требует использования водной основы для всех покрытий, где это только возможно.
Вкрупных производствах высокая токсичность паров
растворов (толуол, ксилол, метилэтилкетон, бутилкетон и т. д.) представляет опасность для операторов. С точки зрения^применения СВЧ-нагрева имеющаяся тенденция к использованию покрытий на водной основе является важным положительным фактором.
Производство покрытий ставит ряд задач; так, неко торые долговечные обшивки, использующие толстые по крытия, производятся в основном таким же образом, как
ибыло описано выше. В этих и в ряде других применений между подложкой и поверхностным покрытием может использоваться пропитанная клеем бумага (как с основ ным подслоем, так и без него). В большинстве случаев предпочтение отдается катализированным внешним по крытиям, и некоторые из них были совершенствованы Американской ассоциацией по производству фанеры. Во всех этих случаях, необходим жесткий контроль качества панелей с точки зрения адгезии красителей и их стой кости при неблагоприятных условиях. В современном строительстве очень широко используются декоративные породы древесины. Простого взгляда на потолки, панели
иограды достаточно, чтобьГубедиться в том, сколь ши роко применяется древесина в современном строительстве
вдекоративных целях.
^Инфракрасные системы поверхностной сушки и от верждения имеют большие габариты и относительно мало эффективны; что же касается СВЧ-систем, то они потреб ляют примерно лишь 1Д, гидроэлектроэнергии и сущест венно экономят производственные площади. Таким обра зом, в настоящее время с экономической точки зрения
оказывается выгодным использовать СВЧ-системы для некоторых покрытий. В следующих разделах рассматри ваются многие факторы, сопутствующие процессам СВЧсушки и отверждения.
Вследствие того что подложки имеют определенную толщину, в большинстве случаев необходимо использо вать СВЧ-мощность относительно низкой частоты. Во время прохождения материала через балансные меандровые секции волноводной системы большая часть тепла поглощается подложкой. Быстрое нагревание основания и покрытия приводит к выравниванию уровней влажно сти. Большинство водных покрытий в твердом состоя нии являются материалами с низкими диэлектрическими потерями. Вода быстро диффундирует из матернала "под ложки внутрь покрытия и затем удаляется из последнего. В результате отвердевший слой покрытия остается плот но прилегающим к основе. Хорошее сцепление шпаклевки’и"основных*слоев покрытия получено на подложке из многослойной фанеры.4 Конвейер сушки, работающий со скоростью 36 м1мину с сбалансированной 50-киловаттной
СВЧ-системой показан на фиг. 1. Он позволяет’'пропу скать панели шириной -—/120 см. При этих скоростях
конвейера необходимо обеспечить зазоры между панеля ми порядкап60 см. Длина зазора и тип панели определяют
необходимую геометрию меандровой системы. На под ложках из твердой породы сцепление не получается до статочно хорошим. Последнее, возможно, вызвано более слабо выраженным эффектом выравнивания уровня влаж ности, чем можно было ожидать, судя по известным пара метрам материала. Не’исключено также, что используемая техника измерений полного затухания на СВЧ не обеспе чивала достоверного" определения7параметров материала (см. разд. III. Б, В).
При использовании покрытий из катализируемых ла ков (прозрачных лаков) имеются взможности получения быстрой нетепловой выдержки. Однако с материалами, которые имеют в настоящее время разумную стоимость» такие эффекты не наблюдались.
Катализируемая краска должна иметь желательные для сушкиТСВЧ-свойства: высокие потери во влажном состоянии и переход к низким диэлектрическим потерям
по мере выдержки~при низкой^температуре Также важен состав поверхностных покрытий в зависимости от исполь зуемых растворителей и их собственных свойств. Пред метом текущих исследований выдержки^являются добав ление неорганических солей для ускорения процесса ди электрического нагрева (как и в случае поливинилхлоридацетата [30]), а также проведение ускоренной, опти мальной выдержки с органическими присадками (метод, успешно разработанный для вулканизированной ре зины [31]). Не существует серьезных сомнений в том, что с развитием химии СВЧ появятся более приемлемые ма териалы. В настоящее время достигнуты удовлетвори тельные результаты по выдержке для некоторых покры тий на конвейере с СВЧ-мощностыо 50'кет, позволяющем пропускать панели шириной 1,2 м при скорости порядка 38 м1мин. Следует, однако, помнить, что все более, и бо
лее высокие скорости выдержки достигаются при помощи инфракрасного облучения и что в обоих случаях основ ная часть мощности используется для нагревания под ложки, которая изолирована от поверхностного слоя по крытия выдержанным (затвердевшим) слоем, прилегаю щим к основанию.
Процесс оценки СВЧ-свойств красок лучше всего проводить на высоком уровне мощности; для того^чтобы получить • достоверные^ результаты, необходимо [пол ностью воспроизвести действительные условия по на пряженности электрического поля, распределению плот ности^ мощности и скорости конвейера.
Некоторую информацию можно получить из свойств растворителей, катализаторов и присадок поглощать СВЧ-мощность, используя технику нагрева малых ко личеств жидкости и образцов пленок в резонаторных ка мерах. Подходящим методом является использование стекла (типа пирекс)^с низкими потерями в качестве основания для исследования свойств красок независимо от реального материала подложки, помещаемой в волно вод.
Другой важной областью применения СВЧ-мощности является производство пропитанных бумаг и пластиков. Некоторые фенольные смолы имеют влажность 60% (по весу). СВЧ-свойства бумаги и эффекты выравнивания уров
ня влажности, как обсуждалось в работах [32—34], показывают, что имеет смысл строить системы, использую щие более высокие частоты, в частности 2450 Мгц. Одна
из промышленных СВЧ-систем работает в Англии [35]. До этого использование любых форм высокочастотной энергии в целлюлозно-бумажной промышленности было ограничено. В настоящее время наибольший интерес представляет исследование выравнивания уровня влаж ности и освоение СВЧ-процессов в изготовлении листовых диэлектриков, свертываемых в рулоны.
Когда речь идет о листовых диэлектриках, то, как и в случаях покрытий, сваривания пластиков или склеива ния, проблема создания требуемых характеристик элек тромагнитного поля в волноводном резонаторе существен но усложняется. Задачу всегда можно решить путем при ближений, выполняемых на счетной машине, при условии, что известны значения диэлектрических параметров.
При этом надо иметь в виду, что обычная методика измерения общего затухания может^ввести в_заблуждение. В основном методы возмущения, описанные^в разделе по оценке материалов и технике измерений, можно считать приемлемыми. Величина отношения /г/а (фиг. 2) для тон ких слоев может быть меньше 0,1, и тогда получается, что каждому слою диэлектрика будут соответствовать свое время выдержки и своя^постоянная затухания а т>
зависящая от температуры и пропорциональная величине (Н'/а)№,&\п2пх1/а. Однако распределение поля по сечению
волновода зависит от е', и в области, где е' велико (линии склеивания и т. д.), концентрируется большая часть сило вых линий поля, что эквивалентно росту А/а. Таким об разом, вначале само основание может потреблять малую энергию, но если в слое уменьшается содержание влаги или изменяется его состояние, то в основание проникает все большая и большая напряженность поля, которая приводит к более быстрому увеличению температуры. Та ким образрм, если даже придерживаться теории возмуще ний, то атф а0 + а5 + ас, если не выполняется условие ес = е5. В случае расположения водного слоя на поверх
ности подложки (или между слоями подложки с низкими диэлектрическими потерями) эффективная толщина вод ного слоя приблизительно в 9 раз превышает ее истинную
величину в диапазоне СВЧ. Этот эффект, который осно ван на концепции выравнивания уровня влажности для случая, когда количество слоев > 2 , можно продемонстри ровать при наблюдении изменения поглощения, когда лужица воды впитывается в высушенное дерево. Всегда
необходимо измерять |
комбинированные параметры а 8 + |
+ ас и оценивать их |
на различных стадиях процесса. |
Это можно сделать, имея систему низкого уровня мощности для измерения затухания, связанную с основным волно водом установки с помощью волноводного переключа теля. При этом требуются дополнительные меры защиты, чтобы предохранить маломощный кристаллический детек тор в мосте измерения затухания. Только таким образом можно получить однородный процесс в многослойных материалах.
VII. Заключение
В работах [27—34] оценены стоимости СВЧ-систем. В настоящем и будущем для больших масштабов произ водства амортизационная стоимость 25-киловаттных ламп, используемых в настоящее время для приготовления хру стящего картофеля, для сушки покрытий и в некоторых других областях промышленности, вдвое превышает стои мость эксплуатации систем. Ожидается большая эконо мичность при эксплуатации мегаваттных систем. Экономи ческие оценки должны базироваться на контролируемом по качеству выходе готовой продукции, получаемой из различных категорий сырых материалов, а также на уче те увеличивающихся скоростей конвейеров и случаев, когда нагрев данным способом наиболее эффективен. Картофелеобрабатывающая промышленность является классическим примером всех трех моментов (разд. 5.1.5). То же самое, можно полагать, будет верно и для первой и повторной сушек фанеры, хотя при этом соотношения между отмеченными выше факторами уже иные. Так, следует отметить уменьшение расхода клея и красок при более высокой средней влажности подложек, более корот кое время сушки и уменьшение потерь из-за поверхност ных дефектов даже в случае низкокачественного сырьяВсе эти преимущества достигаются за счет эффекта вы
равнивания уровня влажности, обусловленного физиче скими процессами при СВЧ-нагреве влажных материалов.
Предстоит еще исследовать другие аспекты. В преды дущих разделах этой книги обсуждалось воздействие СВЧ-колебаний на сухую гниль и на древесных насеко мых; одинаково важным является изучение действия СВЧ-колебаний на природные защитные средства— изо мерные изотропилтрополоны (а-, 0- и у-туяплицины), растворимые в воде фенолы, дигидрокоэрцитин^ и т. д. — и другие вещества, извлекаемые из древесины/Если боль шинство компонентов древесины — целлюлоза, полуцел-
люлоза и лигнин — остаются |
относительно постоянными |
в количественном отношении |
от типа” к типу "древесин, |
то, как показано в [36], содержание предохраняющих* ве ществ и других компонентов изменяется в широких пре делах; их концентрации в определенных породах древе сины влияют на стойкость, рыхлость и окраску.
Обозначения
|
а — постоянная затухания; |
|
|
||
а \ р', у' — постоянные; |
|
|
|
||
|
е — диэлектрическая постоянная; |
постоянная; |
|||
|
ес — комплексная |
диэлектрическая |
|||
|
е0 — диэлектрическая постоянная свободного про |
||||
|
странства; |
|
вс; ес = |
е0(е' — /е"); |
|
е" — составляющие |
|||||
ет , ев — комплексные |
диэлектрические |
постоянные |
|||
|
соответственно смеси |
и воды; |
|
||
|
6 — угол диэлектрических |
потерь; |
|
||
|
р — плотность; |
|
|
|
|
|
К0 — длина волны в свободном пространстве; |
||||
а, |
Ъ —"размеры |
волновода (а |
X Ъ)\ |
|
|
а', |
Ь' —’постоянные; |
|
|
|
|
с, |
С0 — удельные |
теплоемкости; |
|
||
|
О — коэффициент диффузии; |
|
|||
|
сI — глубина |
проникновения; |
|
||
|
Е — напряженность электрического |
поля; |
|||
|
^ — частота, гц\ |
|
|
|
|
|
Н — толщина |
материала; |
|
|
пг — содержание влаги, % (от веса высушенного дерева);
Р — мощность, плотность мощности;
^— время;
{— параметр толщины;
Т— температура, °С;^
|
VI) — скорость света в'свободном |
пространстве; |
|||||||||||||
|
до — вес; |
|
|
|
|
дерева; |
|
|
|
|
|||||
|
до0 — вес |
высушенного |
|
|
|
|
|||||||||
х, у , 2 |
— координаты. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|
|
|||||
1. |
В а г 1 е1 з |
Н. Н., |
С^иаШу Соп(го1 Ргобгатз ш Ре1аНоп {о |
||||||||||||
|
Уеппег Бгутб, |
Рогез! Кез. ЬаЬ., Оге§оп ЗЫ е |
1Гту., СогуаШз, |
||||||||||||
2. |
Огебоп, |
БесешЬег |
1958. |
|
|
Р. УЛ, |
ТЬе КПп Игушб |
||||||||
3 е п к |
1 п з |
,1. Н., |
О и е г п з е у |
||||||||||||
|
о! ВгШзЬ Со1ишЫа ЬишЬег, СШа\уа, Сапаёа, рр. 34—51, Оер4. |
||||||||||||||
3. |
оГ ИогШегп АГГа1*гз апс! N811. Кезоигсез, 1954. |
|
|
||||||||||||
В г о \у п |
Н. Р., |
Р а п з Ь 1п |
А. ,1., Р о г з а I 4Ь С. С., Тех*- |
||||||||||||
|
Ьоок о? АУоос! ТесЬпоЬбУ* |
|
Уогк, МсОга\у-НШ, |
1952, Уо1. |
|||||||||||
4. |
2, рр. 86—89. |
|
АррИсаПоп о! сПе1ес1пс ЬеаНпб 4о 1Ье зеазо- |
||||||||||||
М I 1 I е г |
О. О., |
||||||||||||||
|
Л1П6 оГ угооб, |
Р оге81 РгоЛисЬз Р е з е а г с к 8 о с . |
Р г о с ., 2, |
рр. 235— |
|||||||||||
5. |
241 (1948). |
О. |
С., |
Ра<Но Ггечиепсу 1ишЬег йгушб: теШобз, |
|||||||||||
М I 11е г |
|
||||||||||||||
|
ечшртеп! |
апб соз4з, С а п . Г о гез* 1 п й ., 86 (6), |
рр. 53—57 ^ипе |
||||||||||||
6. |
1966). |
|
|
|
|
|
1. |
В., Рго]ес1шб М1сго\уауез !ог 1п(1из1г1а1 |
|||||||
С и п п 1 п б Ь а т |
|
||||||||||||||
7. |
Неаипб, |
СауИгоп |
Е1ес4гоп., |
Ые\урог1 ВеасЬ, СаШогша, 1965. |
|||||||||||
N а и I V 1 11е V., |
пат. США 2617752, ЫоуешЬег 1952. |
||||||||||||||
8. |
Н а г у е у |
А. Р., |
М1сго\уауе Еп&теегшб, |
Ые\у Уогк, Асаёе- |
|||||||||||
|
гтс Ргезз, 1963, рр. 233—279, 976—979. Есть русский перевод: |
||||||||||||||
|
Х а р в е й |
|
А., Техника сверхвысоких частот, т. 1,2, изд-во |
||||||||||||
|
«Советское радио», |
1965. |
|
|
|
|
|
апс1 АррИсаиопз, |
|||||||
Э . У о п |
Ы I р р е 1 |
А., |
01е1ес*г1с Ма4епа1з |
||||||||||||
|
Ъопйоп, СЬаршап апд^НаИ, рр. 33, 361, 1954; Есть русский |
||||||||||||||
|
перевод: |
Х и п п е л ь ; А. Р., |
Диелектрики и их применение, |
||||||||||||
10. |
М.—Л., 1959. |
|
|
|
|
|
|
|
ЭаГа, Иеш Уогк, Оо- |
||||||
М о г"е п о |
Т., М1сго\уауе Тгапзпиззюп |
||||||||||||||
11. |
уег, рр. 198, 189, 1958. |
|
АУ., V о з з |
УЛ А. О., |
8оше Гас- |
||||||||||
^ а ш е з |
С. К., |
Т I п |
|||||||||||||
|
4огз аНесНпз епегбсопуегзюп ш а писгоигауе сауИу, /. АГГсго- |
||||||||||||||
12. |
ш аое Р о ж г , 1, рр. 97—107 фесетЬег 1966). |
|
|
||||||||||||
V о з 5 |
УЛ А. О., |
1 а ш е $ |
С. К., |
5оте ТетрегаГиге РипсН- |
|||||||||||
|
опз т |
а |
Б1е1ес4пс |
Неа4е<1 |
Ьу |
М1сго\уауе |
Ротуег, ТесЬ.'; Рер{, |
МР06, Цш*У. о! А1Ьег4а, Е8шоп4ор, 5ер1ешЬрг 1966.