Энергетика СВЧ в народном хозяйстве

Это дополнительно уменьшает опасность пробоя по сравнению со случаем, когда в ЗС был бы режим стоячей волны. Таким образом, обрабатываемое изделие протягивается в области сильного высокочастотного электрического поля замедленной бегущей вдоль ЗС волны и занимает значительную часть поперечного сечения, в пределах которого расположено электромагнитное поле этой волны. Кроме того, благодаря замедлению волны длина камеры получается существенно меньше, чем в случае применения волноводов или коаксиальных линий. Отметим также, что направление движения изделия и бегущей электромагнитной волны могут совпадать (режим прямотока или прямоточная сушилка), а могут быть и противоположными (режим противотока). В режиме прямотока наибольшая подводимая к сушилке СВЧ мощность приходится на влажные части обрабатываемого диэлектрика, а в режиме противотока — на почти сухие. Важно еще отметить, что при проектировании подобных сушилок необходимо учитывать не только поглощение изделием СВЧ энергии, но и конвективный теплообмен с окружающим пространством.

     Обеспечение равномерности нагрева по толщине. Для тонких лент (бумаги, стеклоткани и т.п.) проблемы неравномерности нагрева по толщине не возникает, поскольку толщина лент меньше (обычно в 200 — 500 раз) рабочей длины волны и нагревающее электрическое СВЧ поле практически не меняется по толщине материала. Иное дело для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, сосисочный фарш и пр.), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны (скажем, более 0,1l), особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам. Тогда электрическое СВЧ поле, а следовательно, и нагрев по сечению могут быть крайне неравномерны. Ели не добиться равномерности выделения тепла по сечению, то выравнивание температуры будет происходить за счет теплопроводности и тогда, чтобы не перегреть области с сильным полем, придется снижать мощность СВЧ нагрева и удлинять время обработки. В результате преимущества СВЧ нагрева могут быть сведены к нулю.

     Рассмотрим конкретный пример. В первых установках для нагрева стержней круглого поперечного сечения применялся круглый волновод с волнами типа E0i, вдоль продольной оси которого по кварцевой трубке пропускалось нагреваемое вещество (рис. 4). При больших значениях e обрабатываемого диэлектрика, равных 20 — 50 и более, распределение тепла по радиусу получается очень неравномерным: вблизи оси - максимум нагрева, а затем с увеличением r все более быстрый спад почти до нуля, причем спад тем более быстрый, чем больше e (рис. 5).

     Рис. 4. СВЧ нагреватель для диэлектрического стержня в виде круглого волновода:

1 — волновод; 2 — нагреваемый диэлектрик; 3 — кварцевая трубка.

     Обозначим через g1=  радикальную постоянную для области, занимаемой диэлектриком. Здесь k=2p/l — волновое число, а b=2p/lв — постоянная распространения волны вдоль продольной оси в объеме обрабатываемого диэлектрика.

     Рис. 5. Распределение мощности источников тепла P(r)/P(0) в зависимости от r/rд для различных значений e1 в нагревателе, изображенном на рис. 4 (rд=1 см; R=5 см; l=12,6 см).

     Теоретический анализ показывает, что мощность источников тепла P(r) в зависимости g1r изменяется волнообразно, а перемещать максимумы и минимумы по направлению r можно изменяя g1. Поэтому для получения равномерного распределения источников по r необходимо подобрать соответствующие значения g1. Как видно из формулы для g1, при заданных значениях e1 и k=2p/l это равноценно подбору соответствующего значения b=2p/lв=w/vф, т.е. фазовой скорости волны vф вдоль продольной оси волноведущей системы.

     Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум функции P(r)=f(g1r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика при некотором значении 0<r0<rд, а минимум этой функции, в отличие от графиков, приведенных на рис. 5, будет расположен вне диэлектрика т.е. при r0>rд. Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение функции P(r)=f(g1r) от равномерной имеет место при r0/rд=0,5 и не превышает ±7% своего значения на оси.

     Для конкретного случая: rд=1 см; e1=35; l=12,6 см; т.е. k=2p/l=0,5 1/см (e1=35 соответствует диэлектрической постоянной обрабатываемого материала, который при термообработке на СВЧ требует равномерного распределения температуры по радиусу). Постоянная распространения волны b получается по расчету равной 1,56 1/см и lв=2p/b=4 см, т.е. длина волны в волноводе получилась меньше длины волны в свободном пространстве l=12,6 см. Это значит, что для получения равномерного нагрева по радиусу следует применить замедляющую систему осесимметричного типа с замедлением, равным 2 — 3 . Это сравнительно небольшое замедление характерно для ЗС типа цепочки связанных резонаторов или диафрагмированного волновода. Именно такая ЗС и применяется в установке для термообработки, например сосисочного фарша, схематически показанной на рис. 6.

     Рис. 6. Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша:

1 — ЗС типа «диафрагмированный волновод»; 2 — кварцевая трубка, заполненная фаршем; 3 — коаксиально-волноводный переход; 4 — дрехдецибельный мост для деления мощности СВЧ генератора пополам; 5 — короткозамыкающие поршни в прямоугольном волноводе; 6 — согласующие секции диафрагмированного волновода.

     Теперь, когда известны диаметр диэлектрика 2r0 и его диэлектрическая проницаемость e1, рабочая длина волны l и замедление m, при котором имеет место равномерное распределение тепловых источников по поперечному сечению, и тип ЗС, необходимо так подобрать ее геометрические размеры, чтобы, кроме требуемого значения m (т.е. b), дисперсия вблизи рабочей длины волны была как можно меньше. Тогда легче добиться согласования ЗС с прямоугольным волноводом по которому подается СВЧ энергия. Увеличивается также полоса частот, в которой замедление постоянно и становятся в менее жесткими допуски на размеры конструктивных элементов ЗС.

     Одно и тоже замедление, но при разной крутизне дисперсионной характеристики при рабочей длине волны, можно получить при разных сочетаниях размеров b и c (см. рис. 6). Наименьшая дисперсия получается при b=1,35 см и c=4,3 см.

     Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной на рис. 6. Во-первых, СВЧ энергия от генератора разветвляется на две равные части в трехдецибельном волноводном мосте и подается с обоих концов ЗС типа цепочки связанных резонаторов (диафрагмированного волновода) навстречу друг другу через коаксиально-волноводные переходы. В этом случае получается более «мягкий» нагрев обрабатываемого материала, а генератор предохраняется от отражений в периоды отсутствия сырья. Длина рабочей части ЗС выбрана такой, чтобы встречные волны при заполнении центральной части ЗС фаршем, т.е. диэлектриком с большими потерями, затухали немного дальше середины волновода. Диаметр d выбирают таким, чтобы в пределах этого отрезка коаксиальной линии не было высших типов волн, а могла распространяться только волна типа ТЕМ. Согласование прямоугольного волновода с ЗС осуществляется экспериментально путем подбора положения короткозамыкающих поршней диаметра внешнего проводника первой секции ЗС и формы утолщения центрального проводника в коаксиально-волноводном переходе.

     Сравнительные измерения показали, что при применении ЗС типа цепочки связанных резонаторов перепад температуры составляет 6°C (от

64°C на оси до 70°C при r=rд), а в круглом волноводе 37°C (от 68°C на оси до 31°C у стенки кварцевой трубки).

Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны) и их применение

     Свойства электронно-ионной плазмы. Плазма — это состояние вещества, находящегося в газообразном состоянии, в котором большое количество атомов и молекул ионизированно; атомы стали ионами, т.е. электрически заряженными частицами, потеряв один или несколько электронов. Кроме ионов в плазме имеются и свободные электроны. Если их заряд приблизительно равен заряду ионов, то такая плазма называется квазинейтральной, т.е. в целом ее электрический заряд равен нулю.

     Для понимания физики взаимодействия плазмы с СВЧ колебаниями необходимо отметить следующие обстоятельства.

     Электрические и магнитные поля на СВЧ во времени меняются столь быстро, что за время нарастания амплитуды электрического поля до максимума (четверть периода СВЧ колебаний) электроны смещаются на очень небольшие расстояния x: x @ 2eE/(wm), где e и m — соответственно заряд и масса электрона. Важно обратить внимание, что x пропорционально E и обратно пропорционально квадрату угловой частоты сигнала w. При амплитуде E=Em=100 В/см и l=10 см (w=2p*3*10рад/с) x=0,01 мм. При Em=10 кВ/см x=1 мм.

     Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего лишь 10 или 10 мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только движение электронов.

     Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в единице объема; e —  относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле

e = 1 - Ne / (wme0) = 1 - wп / w,

где wп =  — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10 A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется нулю (при w=wп) или, переходя к плазменной частоте fп в герцах и подставляя численные значения e, m и e0, можно получить fп=wп/2p=8980 Гц, т.е. однозначно определяется концентрацией заряженных частиц в единице объема N. Из этого выражения видно, что при концентрации заряженных частиц в единице объема от 10 до 10 1/см плазменные частоты будут соответствовать СВЧ диапазону.

     Физически представить плазменную частоту можно следующим образом. Предположим, что в квазинейтральной плазме мы отклонили один из электронов от положения равновесия и отпустили. Кулоновские силы, притягивающие электроны к ионам,  будут возвращать его к положению равновесия (ионы из-за большой массы неподвижны!). Набрав определенную скорость, электрон проскочит положение равновесия (конечно, с затуханием). Эта частота качаний электронов около положения равновесия и равна fп.

     Активную проводимость плазмы s, а значит, и затухание СВЧ колебаний в ней определяет параметр v, который частотой соударений — это количество соударений заряженных частиц с нейтральными в единицу времени. Максимальное значение s получается при w=v, а v тем больше, чем больше давление газа p.

     Важным для практического применения плазмы параметром является ее температура T, которая характеризуется некоторой средней скоростью движения свободных электронов к ней. Температура плазмы при СВЧ разряде обычно 6000 — 7000K. С другой стороны, и электропроводимость плазмы s, и ее диэлектрическая проницаемость e являются функциями температуры T.

     Принцип устройства СВЧ плазмотронов заключается в передаче СВЧ энергии веществу, находящемуся в газообразном состоянии, с целью перевода его в плазму. Обычно газ подается под определенным давлением (может быть выше, ниже или равным атмосферному) по диэлектрической, чаще всего кварцевой или керамической трубке, которая должна быть помещена в область максимальной напряженности электрического поля СВЧ колебаний. В стационарном состоянии выход тепла из плазмы полностью компенсируется поступлением в плазму СВЧ энергии, т.е. плазма является активной нагрузкой для генератора СВЧ.

     При расчете плазмотронов основные параметры плазмы, такие, как s, e, T, длина волны СВЧ сигнала l, считаются постоянными, поэтому плазму рассматривают как диэлектрик с потерями и задача расчета заключается в оптимизации передачи СВЧ энергии в этот диэлектрик при одновременном снижении отраженной энергии.

     Одним из наиболее простых по конструкции является плазмотрон волноводного типа, схематически изображенный на рис. 7. Разрядная диэлектрическая трубка пропущена через середины широких стенок прямоугольного волновода и перпендикулярно им. Вне волновода разрядная трубка окружена экранирующими металлическими трубками, являющимися запредельными волноводами для СВЧ сигнала, возбуждающего плазму.

     Рис. 7. Схема устройства плазмотрона волноводного типа:

1 — прямоугольный волновод (b — размер узкой стенки); 2 — экранирующие запредельные трубки; 3 — разрядная диэлектрическая трубка; 4 — плазменный шнур; 5 — согласованная нагрузка.

     Плазма имеет вид шнура или цилиндра с диаметром dпл, на 2 — 3 см меньшим внутреннего диаметра разрядной трубки D, и длиной, лишь немного превышающей размер узкой стенки прямоугольного волновода b. Плазменный шнур ограничен по длине в тех точках запредельных экранных трубок, где СВЧ мощность уже недостаточна для поддержания разряда, т.е. горения плазмы.

     Одним концом плазмотрон волноводного типа присоединен к СВЧ генератору, а другим — к согласованной нагрузке или к замкнутому на конце отрезку прямоугольного волновода (короткозамыкателю). Одна часть СВЧ энергии поглощается в плазме, а оставшаяся доля частично проходит за разряд и частично отражается от него.

     Для компенсации отраженной волны между генератором и разрядной трубкой включают различные подстраивающие элементы, что эквивалентно подключению разрядной области через трансформатор связи. Плазмотроны с трансформаторами связи принято называть плазмотронами резонаторного типа.

     Более однородные по радиусу характеристики плазмы имеют место в плазмотроне на основе радиальной линии, представляющей собой два параллельно расположенных диска, в центре которых перпендикулярно дискам проходит разрядная трубка. В такой радиальной линии должна быть возбуждена радиальная ТЕМ волна, сходящаяся равномерно со всех сторон к плазменному шнуру, находящемуся на оси системы.

     Примеры плазмотронов волноводного типа. Изображенный на рис. 7 плазмотрон представляет собой волноводно-коаксиальный переход, причем внутренним проводником коаксиальной линии служит плазменный шнур, а внешним — экранирующие металлические трубки. В данном плазмотроне необходимо учитывать активные потери в плазменном шнуре.

     При выбранных геометрических размерах плазмотрона и рабочей частоте СВЧ генератора главным расчетным параметром является температура плазмы. Однако для построения обобщенных характеристик плазмотронов, не зависящих от свойств и термодинамического состояния плазмообразующего газа, а также для удобства математических расчетов оказалось удобнее вместо температуры использовать в качестве основного расчетного параметра отношение радиуса плазменного шнура rпл к глубине поверхностного слоя на плазменном образовании s. При расчете s учитываются свойства и термодинамическое состояние газа, в котором будет образована плазма.

     На рис. 8 приведены расчетные кривые Kстv в подводящем волноводе axb=72x34 мм с волной H10 и коэффициента передачи СВЧ энергии в разряд h для плазмотрона с согласованной нагрузкой (пунктирные линии). Рабочая длина волны 12,6 см; внутренний диаметр экранирующих трубок 2R=22 мм; диаметр плазменного шнура 2 rпл =7 мм. Отношение rпл /R в расчетные формулы входит под знаком логарифма, поэтому оно мало влияет на характеристики плазмотрона. В качестве плазмообразующего газа использовался азот при атмосферном давлении.

     На рис. 8 приведены также кривые отношения мощности Pпад, подводимой к плазмотрону, к удельной мощности Pпл, поглощаемой в единице длины плазменного столба, находящегося в центре широкой стенки волновода. Эти кривые имеют минимум, в котором потребляемая от СВЧ генератора мощность минимальна. Правые ветви этих кривых соответствуют устойчивым режимам разряда.

1	2	3	4	5	6