книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

ния» поля, или «мешалки». Мешалки работают совместно с устройствами связи и как возмущающие элементы. Ка­ чание частоты нескольких одновременно действующих ге­ нераторов в допустимой полосе частот также позволяет возбуждать множество видов колебаний и получать мак­ симальное количество точек нагрева по всему нагревае­ мому объему. Асинхронного режима можно достичь и при помощи перестраиваемых по случайному закону фа­ зовращателей, если установить их в нескольких линиях,

360° Крэпучетс рассмотрел, кроме того, влияние под­ вижного облучателя на равномерность нагрева. Чтобы получить меняющуюся величину связи и фазу возбужде­ ния нескольких видов колебаний, элемент связи переме­ щался относительно полей.

Различные устройства связи описаны в следующих разделах. В их функции входят изменение и оптимизация фазовых соотношений и распределение энергии между отдельными видами колебаний. Устройство связи уста­ навливает фазовые соотношения между полями в процес­ се их последующего распространения. Затем в получен­ ное распределение вводится дополнительный фазовый сдвиг с целью повышения равномерности нагрева.

В. Стандартизация рабочих частот для СВЧ-печей. В качестве рабочей частоты конструируемой СВЧ-печи стремятся выбрать такую, на которой длина волны X име­

ет такой же порядок величины, что и нагреваемый объект. В конструкциях СВЧ-печей общего класса для приго­ товления пищевых продуктов с успехом можно исполь­ зовать диапазоны 915 или 2450 Мгц. В настоящее время

выбор частоты, по-видимому, в большей степени зависит от возможности создания эффективных генераторов и пе­ чей с удовлетворительной передачей энергии, чем от фи­ зических особенностей, присущих работе на той или иной частоте. В специальных случаях, например в плитах для приготовления мясных блюд в кафетериях и закусочных, предпочтение можно отдать более низкой частоте, так как энергия будет проникать на большую глубину. Среди СВЧ-плит общего назначения большее внимание уделя-

лось конструкциям, использующим более высокую часто­ ту, но каких-либо серьезных причин против использова­ ния диапазона 915 Мгц нет.

При рассмотрении процесса взаимодействия в первом приближении проникновение электромагнитной энергии в материалы характеризуют уровнями, на которых энер­ гия ослабляется из-за ее поглощения до некоторой задан­ ной величины. Обычно для этой цели берут уровни ослаб­ ления энергии до 37 или 50%. Обе эти цифры будут обсуж­ даться в связи с определением величины проникновения как функции частоты. Имеющаяся в нашем распоряжении информация не позволяет использовать величину проник­ новения (и связанные с ней эффекты неоднородности нагре­ ва) как основу для выбора наиболее подходящей частоты. Конечно, часть данных о диэлектрических потерях, ко­ торые нужны для выполнения расчетов, известна, а дру­ гую часть нетрудно определить. Так, например, исследуя пределы взаимодействия на двух частотах и рассматривая поглощение СВЧ как функцию температуры и функцию изменения содержания влаги в материале, вполне возмож­ но установить существенные различия между этими часто­ тами. Но эти различия более важны при разработке обо­ рудования для промышленных процессов, а не кухонных плит СВЧ.

Ослабление энергии электрического поля Е 0 в обраба­

т. е. величина Е ъе раз меньше Е0. Это уровень, на кото­

ром лишь 63% начальной энергии электромагнитной вол­ ны поглотилось в материале и превратилось в тепло.

Величину к можно определить из уравнений Максвел­

ла, в которых-в качестве поглощающей среды рассматри-. вается пищевой продукт. Приближенно эта величина свя­ зана с частотой и потерями выражением

Чтобы отразить фазовые различия, существующие на СВЧ между моментом возбуждения поля и поляризацией среды, вводится крмплексная диэлектрическая прони­ цаемость

где е' — действительная, а /е" — мнимая составляющие.

Знак минус показывает,"что изменения в поляризующемся материале происходят с некоторой задержкой по отно­

Аналогично магнитную проницаемость р можно представить как произведение проницаемости в вакууме и относительной магнитной проницаемости

В этом выражении еот„ — это диэлектрическая прони­ цаемость, которая для воды в рассматриваемом диапазоне частот равна 70 или 80, а е^т,, — коэффициент диэлектри­ ческих потерь.

Тангенс угла диэлектрических потерь

для расчета глубины проникновения на заданной частоте можно найти в литературе, например в работе [4].*

но для льда эта величина возрастает до 1,2 м. На частоте

Пока^еще^не удалось точно определить, каким образом можно с выгодой использовать такие большие глубины проникновения и вместе с тем сохранить равномерное распределение поля и умеренные размеры резонансной камеры СВЧ-плиты. Длина волны на частоте 3 • 108 гц равна 100 см» Сторонники использования для СВЧ-нагре-

ва более высоких частот могут справедливо отметить, что проникновение СВЧ-энергии в продукт, помещенный в печь, происходит со всех сторон, благодаря чему глубина проникновения Р эффективно увеличивается.

Уровень, на котором начальная энергия электромаг­ нитной волны ослабляется в два раза (уровень половинно­

Если уровень половинного поглощения находится на глу­ бине 1 см, то ниже его мощность волны составляет менее

*/2 мощности волны на поверхности, а на глубине более 2 см остается только начальной мощности.

Г. Материалы для СВЧ-печей. Внутренние поверхно­ сти СВЧ-печи должны не только удовлетворять санитар­ ным требованиям к материалам, которые находятся в кон­ такте с пищевыми продуктами, но, кроме того, должны обладать достаточно хорошей электропроводностью. Очень хорошими качествами в первом отношении обладает нер­ жавеющая сталь; немагнитные сорта таких сталей имеют сравнительно хорошую электропроводность. Можно ис­ пользовать и алюминий, хотя до сих пор не доказано, что он обладает достаточной коррозионной стойкостью и дол­ говечностью. Известны конструкции, в которых исполь­ зовались эмалированная сталь и неблагородные металлы, плакированные нержавеющими материалами. В приме­ няемое покрытие могут быть введены добавки, повышаю­ щие его электропроводность.

Внутри резонансной камеры печи стойки, подставки и защитные элементы могут быть сделаны из фторопласта (тефлона), стекла «пирекс» или других материалов, обла­ дающих малыми потерями. Эти детали для энергии СВЧ более или менее прозрачны (если их поверхности чистые), и действительными границами резонатора являются его металлические стенки.

Правильно сконструированная дверца СВЧ-печи с первого же взгляда привлекает своей оригинальностью. В оборудовании СВЧ-энергетики немного узлов, к кото­ рым предъявлялись бы такие специфические требования, как к дверце СВЧ-печи. Обрабатываемый продукт должен быть виден через дверцу во время нагрева, вместе с тем дверца должна быть безопасной и долговечной и препят­ ствовать утечке паразитного излучения из резонансной камеры. Последнему требованию удовлетворяет плотный и герметичный контакт двух металлических поверхностей. Дверца должна фиксироваться в закрытом состоянии с помощью долговечных пружинных навесок или сколь­ зить по направляющим. Места, где возможно возникнове­ ние коронного разряда, будут подвергаться изъязвлению и потенциально представлять опасность с точки зрения

поражения электрическим током, и возникновения по­ жара.

Одним из оригинальных решений проблемы контактов являются четвертьволновые щели. Такое соединение эф­ фективно в том случае, когда в точке контакта значение тока минимально. Данный способ выполнения контактов применен в нескольких конструкциях СВЧ-печей и опи­ сан в работе (5]. Недостатками этого способа является необходимость регулировок для сохранения ВЧ-дроссе- лей в рабочем состоянии и трудности поддержания щелей в требуемом санитарном состоянии. Одна из фирм-изгото- вителей (фирма «Амперекс» [61) предложила заполнить щели подходящим диэлектриком с малыми потерями. Ис­ пользование подобной конструкции для дверцы подъемно­ го типа позволяет предотвратить попадание пищевых про­ дуктов в пазы дросселей.

Д. Управление СВЧ-печью. Обычно включение СВЧпечи производится с помощью двух ручек управления. Это ^е вызывает возражений, поскольку у большинства обыч­ ных электрических плит, кроме тумблера, которым они включаются, имеется регулятор установки температуры. У СВЧ-печи вместо температурного регулятора исполь­ зуется регулятор выдержки времени. Второй ручкой включают генератор. Необходимость предотвратить воз* можность работы генератора без нагрузки заставляет кон­ структора отказаться от стремления оставить на плите только одну ручку управления. Однако в торговых авто­ матах с СВЧ-плитами одиокнопочное управление обяза­ тельно. В полуавтоматических СВЧ-плитах оператор на­ жимает кнопку, соответствующую выбранному виду про­ дукта. Тем самым обеспечивается некоторая защита гене­ ратора от включения без нагрузки. Защиту генератора можно также обеспечить с помощью устройств поглоще­ ния энергии. Имеющиеся внутри резонаторной камеры лоток или перегородки, предохраняющие «мешалку» от повреждений, наилучшим образом защищают генератор от работы без нагрузки. Потери в стенках и энергия, вос­ принимаемая электрорезистивными нагревателями, иг­ рают также роль в защите генератора, но эти потери сни­ жают к. п. д. СВЧ-печи.

скорости движения ленты конвейера, технолог задает тем самым различные режимы обработки продукции. Вся установка поставляется изготовителем в виде двух сек­ ций. При желании заказчик может повысить общую мощ­ ность установки до 20 кет, включив в середину, две до­ полнительные секции по 5 кет. Торцевые отверстия 127 X 305 мм с обоих концов печи закрыты полипропи­

леновыми панелями, по которым пропускается вода для

установках дверцы имеют гидравлический привод, а их плотное закрытие и хороший контакт обеспечивают соле­ ноидные защелки. В первой из установок модуль питания расположен под камерой, а во второй — над камерой.

В последующих разделах данной главы описаны более мощные установки (60 и 130 кет), предназначенные для

проведения операций окончательной сушки хрустящего картофеля и приготовления кулинарных изделий из до­ машней птицы. Конструкция таких конвейерных печей показана на фиг. 13.

IV. СВЧ-установки большой мощности

Установка, показанная на фиг. 2 в разд. 5.1.8 и пред­ назначенная для проведения завершающей операции суш­ ки хрустящего картофеля на частоте 915 Мгц, имеет мощ­ ность 50 кет (два магнетрона по 25 кет). СВЧ-энергия от

каждого из магнетронов подается по волноводу к сушиль­ ной камере и распределяется по длине сушилки (фиг. 14). Стойки с источниками СВЧ-энергии можно-расположить на некотором удалении, в удобном месте. На входе и выходе этой конвейерной сушилки так же, как и у более высокочастотных установок, имеются водяные ловушки. Но на этой частоте входные и выходные отверстия могут иметь большие размеры [9]. Размеры ловушек рассчитаны таким образом, что допускается работа установки вхоло­ стую (без нагрузки) и при этом обеспечивается защита магнетронов и предотвращается недопустимое излучение.