НЕРЕЗОНАНСНЫЕ СИСТЕМЫ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ СРЕД С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОТЕРЯМИ

January 31, 2013 by admin Комментировать »

Демьянчук Б. А. Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова ул. Довженко, 7а, г. Одесса, 65058, Украина тел.: 38 0482 494011, e-mail: badem@rambler.ru

Аннотация – Изложены принципы построения новых, нерезонансных, микроволновых систем с равномерной по объему обработкой продукции производственного и бытового назначения и предельно малым уровнем фоновых излучений. Приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальных измерений.

I.                                       Введение

Традиционная микроволновая обработка диэлектрических материалов органического и неорганического происхождения отличается интенсивностью, объемностью и гибкостью управления. Однако, недостатки таких систем (неравномерный по объему продукта нагрев и фоновые излучения) привели в последние годы к падению спроса на это оборудование.

Фоновые излучения известного микроволнового оборудования практически исключают обработку продукции на потоке из-за опасности для оператора. Нагрев продукции в закрытой металлической, т. е. резонансной, камере также порождает труднопреодолимые проблемы, несмотря на меры, предпринятые в последние десятилетия. «Стоячие» волны во всем объеме камеры не способствуют равномерности нагрева, а механические перемещения нагреваемого продукта принципиально не в состоянии искпючить его локальные перегревы и недогре- вы, имеющие случайное распределение в объеме камеры. Щадящий нагрев позволяет разрешить проблему неравномерности за счет теплопередачи в обрабатываемом продукте, но тогда теряется важное преимущество микроволновой обработки – ее высокая интенсивность во всем объеме продукта [1,2].

К. п. д. такой системы заметно падает, если загрузка камеры отличается от номинальной. В этой ситуации (из-за неизбежной взаимной расстройки частот камеры и СВЧ-генератора) последний работает на несогласованную нагрузку, которая зависит от вида загружаемой продукции и продолжительности ее обработки.

Наконец, мощные поверхностные токи по металлу внутри такой камеры порождают фоновые излучения через шлюзы и окна камеры. Применение подобного оборудования нарушает работу средств связи и телевидения, вызывает сбои в работе компьютерных систем и воздействует на внутренние органы человека.

Все эти проблемы являются серьезным препятствием для реализации потенциальных возможностей технологий микроволновой обработки 1.

Предлагаемое нами оборудование является, на наш взгляд, альтернативой известному и позволит не только улучшить качество обработки, но и свести фоновые излучения прктически до нулевого уровня, а новые радиоматериалы, применяемые нами для модернизации, будут способствовать разрешению экологической проблемы мобильных массовых средств связи и телепередатчиков.

II.                              Основная часть

Наши усилия в последние годы позволили найти и реализовать на практике физико-технические решения на стыке наук: радиофизики, физики твердого тела и микро -электродинамики, что способствует устранению отмеченных недостатков систем традиционной микроволновой обработки.

Принципы построения и применения новых систем обработки, удовлетворяющих требованиям: равномерности поля в камере; безопасности уровня фоновых излучений камеры; независимости к. п. д. системы от уровня загрузки камеры; эксплуатационной надежности в результате исключения самоперегре- вов генератора, формулируются нами в следующем виде [3].

Резонансные свойства камеры целесообразно нейтрализовать с помощью композитного преобразователя балластной энергии электромагнитного поля в тепловую.

Электромагнитную энергию, вводимую в камеру, необходимо концентрировать в объеме обрабатываемого продукта с помощью направленного излучателя.

Половинные размеры камеры должны быть согласованы с соответствующими среднестатистическими размерами обрабатываемых образцов продукции.

Продольный размер обрабатываемых образцов продукции целесообразно согласовывать с глубиной проникновения электромагнитного поля в эти образцы.

Электромагнитную балластную энергию, падающую на преобразователь этой энергии в тепловую, необходимо утилизировать с помощью теплообменника и использовать ее для интенсификации процесса обработки.

Раскрыв направленного излучателя дол- жен быть удален от потока (образца) обрабатываемой продукции на расстояние, большее, чем расстояние до ближней границы дальней зоны распространения электромагнитных колебаний в микроволновой камере.

Требуемое качество новой, нерезонансной, системы микроволновой обработки может быть достигнуто, при условии введения в состав традиционной системы одновременно всех трех ее новых функциональных узлов: блока согласованной концентрации электромагнитного поля; преобразователя балластной энергии поля в тепловую; теплообменника утилизатора балластной тепловой энергии.

Материал композита-преобразователя энергии поля в тепловую должен удовлетворять ряду специфических требований. Он должен иметь: малые значения коэффициентов отражения и прохождения поля; высокую термо- и влагостойкость; неток- сичность при нагреве; высокие адгезионные свойства.

Указанные принципы построения запатентованы нами в нескольких изобретениях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований возможностей и свойств новых систем микроволновой обработки изложены в монографии [3].

Экспериментальные исследования нерезонансных систем микроволновой обработки включали два направления: модернизацию бытовых микроволновых печей японского, корейского, итальянского и украинского производства; изготовление установки производственного назначения в виде микроволновой сушилки продукции с полезной мощностью 35 кВт и камерой объемом 60 куб. м.

Удельный расход энергии в подобной системе на сушку примерно в два раза ниже, чем в известных и в

6  раз ниже, чем в конвективных. В новых, нерезонансных, системах с равномерным точно дозированным воздействием влагоудаление осуществляется в условиях идеального совпадения (изнутри продукта – наружу) направлений градиентов: температуры, давления паров и влажности. Это дает выигрыш и в интенсивности обработки, и в расходе энергии. В традиционных же микроволновых системах из-за «стоячей» волны, следовательно, местных недогревов- перегревов, это совпадение часто невозможно, а в конвективных всегда невозможно.

Для новых бытовых камер показатель локальной неравномерности уменьшается практически до нулевого значения, а интегральной – в (1,5 – 2,0) раза. При загрузке камеры, отличной от номинальной, относительное увеличение к. п. д. составляет 28 %, а величина ухода к. п. д. от его среднего значения при изменении уровня загрузки камеры уменьшается на 70 %. Фоновые излучения уменьшаются более чем в десять раз.

Отметим здесь также возможности реализации в предлагаемых системах с равномерной (!) по объему обработкой новых микроволновых технологий: термохимического синтеза новых материалов; микроволнового вспенивания полимеров, напр., полистирола; пространственного плазмообразования; малотемпературной пастеризации и др. Нами установлено, что при применении короткоимпульсного воздействия на среду неоднородного состава, напр., при стерилизации среды, реализуется избирательный нагрев компонентов, при котором отношение температур нагрева микроорганизмов, подлежащих уничтожению, и среды пропорционально отношению удельных электропроводностей компонентов и обратнопропорционально отношению их теплоемкостей, плотностей и квадратов диэлектрических проницаемостей.

III.                                  Заключение

1.         Внедрение сформулированых и экспериментально проверенных принципов построения новых, нерезонансных, систем микроволновой обработки может существенно улучшить качественные харак- тиристики технологии микроволновой обработки продукции. Это позволяет надеяться на успешное разрешение на практике проблемы реализации потенциальных возможностей этой технологии, широко применяемой уже более полувека.

2.         Результаты экспериментального сравнения технических характеристик известных и новых систем микро- волновой обработки по основным показателям качества подтверждают возможности развития на базе предлагаемых камер с равномерным полем новых микроволновых технологий, не существовавших ранее.

[1] Кингстон Г. М., Джесси Л. Б. Пробоподготовка в микроволновых печах. М. «Мир», 1991. 333 с.

[2] Княжевская Г. С. и др. Высокочастотный нагрев диэлек- три- ческих материалов. Л.«Машиностроение»,1989.

33 с.

[3] Демьянчук Б. А. Принципы и применения микроволнового нагрева. Одесса. «Черноморье», 2004. 520 с.

NONRESONANCE SYSTEMS FOR MICROWAVE HEATING OF DIELECTRIC MATERIALS

Demiyanchuk B. A.

Odessa State National University 7a, Dowzhenko Str, Odessa, 65058, Ukraine

Ph.: 38 (0482) 494011, e-mail: badem@rambler.ru

Abstract – The principles of building and application of the original systems of microwave heating of industrial and domestic assignment are considered. They are distinguished from well-known by the absence of: local unevenness of heating; the background radiation; the dependence of energy effectiveness ofthe chamber from the level of its loading.

I.                                        Introduction

The advantages of known microwave heaters in the comparison with thermal ones by the influence in the volume ofthe product and by the flexibility of the operations, unfortunately, are compensated by the uneven heating, owe to the reflection or «standing waves» in the chamber; by the background radiation, because of the surface reflection of the waves in the chamber; by the energy losses, owe to the mutual detuning of the own frequencies of the chamber and of the generator when the level of filling ofthe chamber differs from the nominal one.

II.                                       Main Part

The principles of building and application ofthe original systems of the microwave heating are formulated in the following way:

–        Neutralization of the resonant property of the microwave chamber with the help of the converter of the ballast energy into thermal,

–        The concentration of electromagnetic energy in the chambers in the capacity ofthe heating product,

–        The coordination ofthe size ofthe chamber with the sizes of one ofthe samples ofthe heating product,

–        The coordination of the lengthwise size of the sample of the heating product with the depth of the penetration of the electromagnetic field into the sample

–        The utilization ofthe thermal ballast energy,

–        The disposition ofthe sample ofthe product in the distant zone of radiation in the chamber.

All these principles allow removing the lacks of known microwave heaters ofthe industrial and domestic assignment.

The results of theoretical and experimental researches are illustrated by the following examples of the improvement of the quality coefficients:

a.      The evenness of heating has increased 1.5 – 2 times,

b.      The background radiation has weakened 10 times.

III.                                      Conclusion

The proposed chambers allow realizing potential resources of famous microwave equipment. New principals are conductive to the creation of technologies, which were absent before.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты