Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности - Технология - Скачать бесплатно
Государственный Комитет Российской Федерации
По Высшему Образованию
Государственная Академия Управления имени Серго Орджоникидзе
Курсовая работа
по курсу
Естественно-научные основы современных технологий
Кафедра техники и технологии в машиностроении
на тему
Энергетика СВЧ в народном хозяйстве:
Применение СВЧ - нагрева в пищевой промышленности.
Выполнил(а):
студент(ка) курса группы
факультета ИМ МАШ
.
Проверил: .
Москва, 1995 год.
Задание
на курсовой проект по дисциплине
«Естественно-научные основы современных технологий»
1. Студенту курса
группы .
.
2. Тема проекта
.
.
3. В проекте привести
.
.
.
.
4. В проекте дать расчет
.
.
.
.
5. Плакатный материал два листа формата A1 (594x841 мм)
.
.
6. Срок сдачи студентом законченного проекта
.
.
Руководитель курсового проекта
.
.
Введение
Предлагаемая курсовая работа ставит задачу дать физические
представления о работе электронных приборов СВЧ и их применении в различных
отраслях народного хозяйства, в частности, в пищевой промышленности, а
также дать расчетные данные по волновым приборам, нагреву и сушки
материалов с помощью СВЧ энергии.
Если в 40-х — 50-х годах электроника СВЧ в основном служила
потребностям радиолокации и связи, то в последние годы она все шире
применяется во многих отраслях хозяйства, ускоряя научно-технический
прогресс, повышая эффективность и качество производства.
Появлению новых областей применения мощной СВЧ электроники
способствует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний этого
диапазона частот, которые позволяют создать неосуществимые ранее
технологические процессы или значительно их улучшить. К ним относятся,
например: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур;
возможность серийного изготовления простых по конструкции и удобных в
эксплуатации мощных генераторов СВЧ энергии, с помощью которых могут
осуществляться полимеризация и упрочнение различных изделий и материалов, в
частности шин и лакокрасочных покрытий, упрочнение металлов, стабилизация
параметров полупроводников и т.д.; все более широкое применение получают
нагрев и сушка с помощью СВЧ различных материалов, в частности
приготовление пищи, пастеризация молока и т.п.
Познакомить с возможностями СВЧ электроники в области народного
хозяйства — одна из главных задач этой работы. При работе были использованы
материалы книги Ю. Н. Пчельникова и В. Т. Свиридова Электроника
сверхвысоких частот, научно-технических статей, опубликованных в журналах
«Электронная техника», «Радио» и др.
Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний
Для радиоэлектронных устройств, предназначенных для использования в
промышленности и сельском хозяйстве (т.е. народном хозяйстве), выделены
диапазоны частот, приведенные в таблице 1.
Таблица 1.
Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний
|f, МГц |Страны |Основные |Диапазоны |
| | |применения |частот |
|0,06 - 0,08 |Россия |Индукционный |НЧ |
| | |нагрев | |
|13,56±0,00678 |Все страны | |ВЧ |
|27,16±0,16 |Все страны | |ВЧ |
|40,68±0,02 |Все страны | |ОВЧ |
|433,92±0,87 |Австрия, ФРГ, | |УВЧ |
| |Португалия | | |
|866 |Англия | |УВЧ |
|915±25 |Все страны, кроме | |УВЧ |
| |Англии, Испании | | |
|2375±50 |Все социалистические |СВЧ нагрев |УВЧ |
| |страны | | |
|2450±50 |Все страны, кроме | |УВЧ |
| |социалистических стан | | |
|5800±75 |Все страны | |СВЧ |
|22125±125 |Все страны | |СВЧ |
Особенности нагрева диэлектриков в диапазонах УВЧ и СВЧ
В подавляющем большинстве случаев нагрев каких — либо физических тел
производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет
теплопроводности.
На СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер,
где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить
относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность
преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо
пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического
поля. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к
любому участку нагреваемого тела.
Важное преимущество СВЧ нагрева — тепловая безынерционность, т.е.
возможность практически мгновенного включения и выключения теплового
воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки
процесса нагрева и его воспроизводимость.
Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД
преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел.
Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в
подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер
остаются практически холодными, что создает комфортные условия для
обслуживающего персонала.
Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и
практического применения новых необычных видов нагрева, например
избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.
Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от
длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь d как
функции длины волны l . При этом в многокомпонентной смеси диэлектриков
будут нагреваться только те части, где высокий tg d.
Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет
конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный
градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший,
чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой
градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих
случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева
поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов
является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью
СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему,
но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому
при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда
технологических процессов.
Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с
помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию
можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их
твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения
практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал
в откачанный объем или инертный газ, можно устранить окисление его
поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ
энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании
большой СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.
Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество
получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев
высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что
тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например,
дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в
процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только
в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная
влажность.
Получение СВЧ энергии большой мощности
Чтобы применение СВЧ энергии было экономически оправдано, необходимо
выбирать такие СВЧ приборы, которые имели бы в сочетании следующие
характеристики: высокий КПД преобразования энергии промышленной частоты в
СВЧ энергию (не менее 50%, а лучше 70% — 90%) ; высокий уровень выходной
мощности в непрерывном режиме (около 1 кВт и более); простые и дешевые
источники питания (желательно питать СВЧ прибор, непосредственно подключая
его к вторичной обмотке силового трансформатора промышленной электросети
без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность, большой
срок службы (не менее 2 — 5 тысяч часов); возможность эффективной работы
при переменной нагрузке.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют магнетроны, пролетные
многорезонаторные клистроны и амплитроны.
Наибольшее распространение в качестве источника СВЧ энергии получили
магнетроны. Относительная простота конструкции малые размеры и высокий КПД
делают их наиболее пригодными для использования во многих областях СВЧ
энергетики. Опыт применения магнетронов и исследования их свойств привели к
тому, что в настоящее время они почти исключительно применяются в
промышленных СВЧ установках. Однако в перспективе им могут составить
серьезную конкуренцию пролетные многорезонаторные клистроны. В начале
семидесятых годов благодаря оптимизации параметров с помощью ЭВМ был
получен КПД пролетных клистронов выше 70%. Такой высокий КПД в сочетании с
электростатической фокусировкой и непосредственным питанием через
повышающий трансформатор от сети промышленной частоты позволит заменить
магнетроны в ряде применений.
Амплитроны имеют КПД 60% — 70%, а иногда и 80%. Однако принципиально
амплитроны схожи с магнетронами и имеют в основном те же недостатки: катод
находится в пространстве взаимодействия, отработанные электроны
бомбардируют волноведущую систему и т.д.
Рассмотрим подробнее работу магнетрона непрерывного действия в
качестве источника СВЧ энергии для промышленного применения.
Применение последовательного электромагнита. Создание магнитного поля
магнетрона с помощью электромагнита, включенного последовательно в анодную
цепь прибора, позволяет упростить схему питания, понизить стоимость
установки, повысить устойчивость работы магнетрона при колебаниях
напряжения в сети и изменениях параметров высокочастотной нагрузки (ее
модуля и фазы). Кроме того, применение последовательного электромагнита
открывает возможность простой регулировки выходной мощности в довольно
широких пределах.
Упрощение схемы питания достигается рациональным выбором параметров
электромагнита, в результате чего магнетрон может работать при
непосредственном включении в последовательно соединенных анодной цепи
магнетрона и обмотки электромагнита в цепь вторичной обмотки силового
трансформатора по схеме двухполупериодного выпрямления. Если индуктивность
электромагнита недостаточна, то для сглаживания пульсаций анодного тока
дополнительно последовательно с электромагнитом может быть включен
дроссель. Суммарная индуктивность должна составлять 10 — 30 Гн. Эта схема
наиболее проста и удобна, когда в установке работают два магнетрона, а
через обмотки электромагнита протекает слегка пульсирующий постоянный
анодный ток поочередно генерирующих магнетронов (рис. 1). Переменная
составляющая анодного тока может быть в достаточной степени уменьшена за
счет увеличения индуктивности дросселя и электромагнитов.
[pic]
Рис. 1. Схема безвыпрямительного питания магнетронов с
последовательными электромагнитами от сети переменного тока промышленной
частоты:
1 — магнетрон; 2 — электромагнит; 3 — высоковольтный трансформатор.
При работе двух магнетронов открываются новые возможности для
улучшения использования СВЧ энергии. Так, например, если генерируемые
частоты несколько отличны друг от друга, то можно получить более
равномерное распределение плотности СВЧ энергии по объему, в котором
происходит тот или иной технологический процесс.
Рассмотренная схема питания используется в СВЧ печах, разработанных
отечественной промышленностью.
В качестве примера приведем характеристики магнетрона для
промышленного применения типа M571. Его основные параметры следующие:
рабочая частота 2375 ±50 МГц; выходная мощность 2,5 кВт в непрерывном
режиме при Kстv < 1,1; анодное напряжение 3,6 кВт; анодный ток 1,1 A;
мощность накала 300 Вт; магнитная индукция 0,135 T; Kстv нагрузки,
допустимой в любой фазе, при питании от стабилизированного выпрямителя до
3,5.
Рабочими характеристиками магнетронов называют зависимости анодного
напряжения Uа и выходной мощности Pвых от анодного тока Iа. Зависимость
Uа=f(Iа) называют также вольт-амперной характеристикой.
Если сравнить рабочие характеристики магнетрона М571 при работе с
постоянным магнитом и с последовательным электромагнитом при питании его от
выпрямителя со сглаживающим фильтром, то можно отметить следующее.
Применение электромагнита позволяет более плавно регулировать выходную
мощность, меняя Uа, причем КПД h остается достаточно высоким (более 46%)
при изменении Pвых от 2,5 (h = 60%) до 0,5 кВт (h = 46%).
Нагрузочными характеристиками магнетрона называют зависимости Iа и
Pвых от модуля и фазы комплексной нагрузки. Сравнение нагрузочных
характеристик при тех же условиях, при которых рассматривались рабочие
характеристики, показывает, что применение последовательного электромагнита
позволило существенно уменьшить изменение анодного тока и выходной мощности
при изменении фазы нагрузки. А это, в свою очередь, не только улучшает
использование СВЧ энергии, но и положительно сказывается на долговечности
магнетрона.
Рабочая и нагрузочная характеристики при безвыпрямительном питании
магнетрона с применением дросселя и последовательного электромагнита по
схеме, изображенной на рис. 1, практически не отличаются от характеристик
магнетрона при строго постоянном анодном напряжении.
Уменьшение пульсаций магнитного поля. Современные магнетроны имеют
металлокерамическую конструкцию, причем стенки корпуса анодного блока,
выполненные из меди, достигают по толщине 9 — 10 мм. Эта особенность
конструкции оказалась весьма полезной для уменьшения пульсаций магнитного
поля в пространстве взаимодействия за счет поверхностного эффекта на
частоте 100 Гц, т.е. на частоте пульсаций в однофазных двухпериодных схемах
выпрямления. Толщина поверхностного слоя для меди на частоте 100 Гц d = 6,7
мм. При этом переменная составляющая магнитного поля в пространстве
взаимодействия H2 будет составлять всего лишь 0,2 переменной составляющей
магнитного поля вне корпуса анодного блока H1(H2/H1=e[pic]@ 0,2).
Поэтому если амплитуда пульсаций анодного тока 20% среднего значения,
то амплитуда пульсаций напряженности магнитного поля в пространстве
взаимодействия для магнетрона M571 — всего 2% — 3%. Это, в свою очередь,
позволяет считать магнитное поле в пространстве взаимодействия постоянным,
и требования к стабилизации источников питания для создания постоянного
магнитного поля могут быть существенно снижены.
Сравнение электромагнитов и постоянных магнитов. Современные
конструкции электромагнитов по размеру и массе не превышают постоянных
магнитов с теми же параметрами. Электромагнит для магнетрона M571 является
малогабаритным (210x130x110 мм), его масса - около 4 кг. Благодаря
секционированию обмоток и наличию ребер электромагнит не требует
принудительного охлаждения, так как тепловые потери обмоток невелики сами
по себе. Расход энергии на питание электромагнита значительно перекрывается
улучшением электронного КПД магнетрона и увеличением его СВЧ мощности.
Кроме того, при использовании электромагнитов уменьшается стоимость
эксплуатации установок. При замене магнетрона электромагнит остается, в то
время как пакетированный магнетрон заменяется вместе с постоянным магнитом.
Резонаторные камеры для установок СВЧ нагрева диэлектриков
|
