Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ В СВЧ ПЕЧИ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы 4
по курсу «Электротермические установки и системы»
для студентов специальности 180500
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2006
Цель работы: экспериментально изучить технологию обработки материалов в СВЧ печи, измерить потребляемую мощность СВЧ печи в момент работы.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
С помощью традиционных методов тепловой обработки все труднее достичь существенного ускорения процессов производства, поскольку возможности этих методов зачастую уже исчерпаны. В то же время применение СВЧ нагрева и перспективы его развития в условиях интенсификации производства стимулируются рядом причин:
- интенсификация процесса термообработки за счет объемного нагрева изделия из-за проникновения электромагнитной волны в его глубину;
- высоким качеством нагрева как за счет большой равномерности тепловыделения, так и вследствие быстроты процесса, отсутствия загрязнения изделия в процессе тепловой обработки;
- высокой точностью управления технологическим процессом благодаря возможности точного дозирования СВЧ энергии;
- уменьшением вредного воздействия на окружающую среду и улучшением условий труда обслуживающего персонала.
При этом надо иметь в виду, что электроэнергия при нынешнем топливно-энергетическом балансе является наиболее перспективным энергоносителем для промышленного нагрева.
Высокочастотным, диэлектрическим или сверхвысокочастотным называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, действует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте.
В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, и молекула приобретает некоторый электрический момент.
Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля.
Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации диэлектрика. На СВЧ наибольший удельный вес имеют дипольная и структурная поляризации, так что выделение тепла возможно даже в отсутствии тока проводимости.
СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных международными соотношениями [1]. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450) МГц [2].
Поскольку технологический процесс происходит в рабочей камере, этот элемент СВЧ устройств представляет наибольший интерес. Различные виды рабочих камер представлены на рис. 1.
Рис. 1. Рабочие камеры СВЧ электротермических установок:
а) лучевая камера с неограниченным объемом;
б, в) лучевые камеры с ограниченным объемом;
г) камера со стоячей волной на резонаторе;
д, е) камеры с бегущей волной
Методика эксперимента
Для экспериментального изучения технологии обработки сыпучих материалов в СВЧ печи, измерения потребляемой мощности печи используется следующее оборудование:
- СВЧ печь «Электроника С», магнетрон которой работает на частоте 2450 МГц при мощности 700 Вт, сама СВЧ печь питается от сети промышленной частоты 50 Гц с напряжением 220 В.
-устройство для измерения потребляемой мощности лабораторной печи;
-весы для взвешивания сыпучего материала;
-ртутный термометр;
-часы.
Для измерения потребляемой мощности необходимо осуществить подключение электропечи сопротивления инфракрасного нагрева и устройства измерения потребляемой мощности так, как показано на рис. 2, в следующей последовательности:
- подключить электропечи сопротивления инфракрасного нагрева к устройству измерения потребляемой мощности, для чего вилку шнура питания печи вставить в розетку на корпусе устройства;
- подключить вилку шнура питания устройства, измеряющего потребляемую мощность, к сети питания (220 В, 550 Гц);
- включить кнопку «СЕТЬ»; установить любое значение времени обработки в указанном интервале ручкой установки времени СВЧ обработки (0..25 мин); нажать кнопку «СВЧ».
После снятия показаний потребляемой мощности произвести отключение в обратной последовательности.
Рассмотрим принцип лабораторной работы по обработке сыпучего материала в СВЧ печи. Для начала выбирается материал обработки (древесные опилки, силикагель и т.п.). Выбранный сыпучий материал предварительно увлажняется, после чего производится его взвешивание на весах и замер начальной температуры.
Далее выбранный материал помещается в радиопрозрачную кювету и устанавливается в печи на предметном столе для сушки. Вместе с материалом обработки помещают и емкость с балластной нагрузкой (250 мл водопроводной воды).
Рис. 2. Измерение мощности СВЧ печи:
а) структурная схема; б) общий вид
СВЧ печь внешне представляет собой прямоугольный металлический короб, на лицевой части которого имеется прозрачная дверца, обеспечивающая загрузку и выгрузку материала, а также позволяет наблюдать за ходом процесса обработки. В правой части лицевой панели расположены кнопка «СЕТЬ», ручка установки времени СВЧ обработки (0..25 мин), кнопка «СВЧ». Внутри печного пространства, внизу, размещается радиопрозрачная подставка круглой формы, которая в процессе работы печи приводится во вращение приводом. Такая особенность конструкции СВЧ печи позволяет более равномерно обрабатывать материал в СВЧ электромагнитном поле.
После того как материал и балластная нагрузка помещены в СВЧ печь на круглой подставке, подключают шнур питания СВЧ печи к сети, включают кнопку «СЕТЬ». Ручкой установки времени обработки устанавливают N минут, включают кнопку «СВЧ», после чего включается привод, который приводит во вращение подставку с материалом и балластной нагрузкой, материал начинает подвергаться СВЧ обработке. При истечении отведенных N минут СВЧ обработки, ручка установки времени обработки встанет на 0, прозвучит звуковой сигнал, и подача СВЧ энергии прекратится, вместе с ней произойдет автоматическая остановка привода. После чего открывается дверца печи, производится замер температуры материала и взвешивание. Во время проведения данной лабораторной работы необходимо следить за балластной нагрузкой, периодически ее менять.