CC BY
134
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.365.5.
Ю.С. Архангельский, С.Г. Калганова РАБОЧАЯ КАМЕРА СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН
Рассмотрены особенности расчета рабочей камеры при проектировании СВЧ электротехнологической установки модифицирующего воздействия на полимерные волокна. Показаны варианты компоновки СВЧрабо-чей камеры для разных технологических схем модификации волокон.
Yu.S. Arkhangelskiy, S.G. Kalganova THE WORKING CHAMBER OF THE MICROWAVE ELECTROTECHNOLOGICAL INSTALLATION FOR UPDATING POLYMERIC FIBRES
This paper concentrates on the specific features of calculation of the working chamber at designing the MICROWAVE of electrotechnological installation of modifying influence on polymeric fibres. The variants of configuration of the MICROWAVE of the working chamber for different technological circuits of fibres modification are demonstrated.
Установлено наличие нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на ряд полимерных материалов разного технического назначения, в том числе на химические волокна, имеющие большое практическое значение при производстве таких технических средств, как изоляционные, пленочные материалы, фильтрующие ткани, медицинские принадлежности, бумага, а также в создании текстильных и композиционных материалов, которые превратились в самостоятельный класс материалов с широкой сферой применения. Так, например, кратковременное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на волокнистый поликапроамид (ПКА), не вызывающее повышения температуры объекта, приводит к модификации его физико-механических свойств, что может быть использовано в практических целях [1].
Рабочая камера СВЧ электротехнологической установки для обработки тонких пластин или волокон должна удовлетворять следующим требованиям:
- камера должна обеспечивать наиболее эффективное взаимодействие объекта обработки с СВЧ электромагнитной волной: вектор напряженности электрического поля должен лежать в плоскости пластины или пучка нитей;
- распределение напряженности электрического поля Е по объему объекта должно быть равномерным;
- объект должен размещаться в зоне максимальной напряженности электрического поля Е.
При проектировании рабочей камеры СВЧ электротехнологической установки для модификации полимерных волокон задаются: длина волны X СВЧ генератора, на которой обнаружено модифицирующее воздействие (обычно речь идёт об одной из частот, разрешённых к применению в СВЧ электротехнологических установках - 2450, 915 или 433 МГц), амплитуда напряжённости электрического поля Е0 электромагнитной волны, при которой наблюдается максимально благоприятное изменение контролируемого технологического параметра, допустимое отклонение ±ДЕ0 от Е0, при котором не превышается допустимое отклонение значения контролируемого параметра от его максимального значения, время т0 пребывания обрабатываемого материала в СВЧ электромагнитном поле и допустимые отклонения ±Дт0 от него, ориентация обрабатываемого материала относительно вектора Е электромагнитного поля (для волокна, например, по направлению вектора Е), производительность G0 установки (например в м/с).
Рабочая камера для модификации нити может быть собрана на отрезке стандартного прямоугольного волновода, работающего на волне Н10, сечением ахb, соответствующего заданной длине волны СВЧ генератора (рис. 1). Волокно через волновод протягивается параллельно узким стенкам рабочей камеры через щели, прорезанные в серединах широких стенок вдоль оси волновода. Тонкая нить практически не искажает волну Н10, находится в пучности электрического поля этой волны и перемещается по направлению Е.
Рис. 1. Варианты компоновки рабочей камеры для модификации полимерных волокон
Для обеспечения Е0 к входному фланцу камеры от СВЧ генератора должна быть подана СВЧ мощность, равная [2]
ab ,
Р = V Е 0
4
1 -
V 2 a J
(1)
где £0, ц0 — диэлектрическая и магнитная проницаемость (постоянные) вакуума.
8
0
Если а, Ь, X в см, Ео в В/м, Р в кВт, то (1) примет вид
Р
кЕ0 Ь
(2)
где к=665-10 1оа
( X ^
1 -
12 а У
Время пребывания нити в волноводе равно т=Ь/00. Если т>то+Дто, то время пребывания в волноводе может быть уменьшено за счет уменьшения ширины Ь узкой стенки волновода. Уменьшение Ь согласно (2) потребует уменьшения мощности Р СВЧ генератора, то есть в источнике питания СВЧ генератора должна быть предусмотрена регулировка СВЧ мощности. При этом не следует опасаться СВЧ пробоя волновода, так как Е0<Епроб, где Епроб=3-106 В/м - амплитуда напряжённости электрического поля, при которой наступает пробой волновода, заполненного воздухом, а потому при любых Ь Р<Рпроб, где Рпроб - пробивная мощность при волне Н10. Для согласования волновода рабочей камеры с СВЧ генератором в этом случае потребуется на её входе поставить четвертьволновой согласующий переход.
Если т<т0-Дт0, то требуется увеличить время пребывания нити в СВЧ электромагнитном поле. Это можно обеспечить, протягивая нить сквозь те же щели в волноводе п раз, используя направляющие ролики (рис. 1,а), причём п определяется из условия т0=п т, то есть
п =
Т0 Ср
Ь
Длина щели в этом случае определяется по соотношению
и
\д,
(3)
(4)
где й - диаметр нити.
Разумеется, на длине I из-за затухания электромагнитной волны амплитуда напряжённости Е уменьшается, то есть
Е = Еп
где коэффициент затухания а равен [3]
а =
(я ]
1 -
12 а У
(5)
(6)
2 а X.
Здесь е' и 8 - диэлектрические параметры материала волокна.
т ^ ЛЕ0
Тогда из (5) при
<<1
Бп
1
I = - 1п — а Е
Ег
о
А Ег
1
= - 1п
а
Ґ
1 +
А Е о
Е
о У
А Е р аЕ
(7)
Если рассчитанные по (4) и (7) 1о и I соотносятся, как 1>1о,, то схема протягивания нити через рабочую камеру, показанная на рис. 1,а, возможна. При 1>1о необходима другая схема. Если соединить N отрезков волноводов меандром (рис. 1,б), подобно тому, как это делается в СВЧ сушилках [3], то, пренебрегая толщиной стенки волновода, общей между секциями, можно обеспечить заданное время обработки то при числе секций
N = ^ . (8)
Ь
2
2
Общая длина СВЧ тракта в N секциях, на которой происходит затухание электромагнитной волны, равна L=N I, тогда по аналогии с (7) с учётом (8) получим
Л Е0 Л Е0 Ь
I =------— =--------------- . (9)
а N Е 0 а т 0 О 0 й Е 0
Через щель длиной I можно пропустить плоский пучок п нитей, причём с учётом (9)
I Л Е0 Ь
п = - =--------0---- . (10)
й а т 0 О0 й Е0
Так как через рабочую камеру протягивается одновременно п нитей, то общая производительность установки будет О=п О0.
Однако расчеты показывают, что при больших О0 число секций, рассчитанное по (8), велико, и длина установки по направлению протягивания нити может достичь нескольких десятков метров. При этом длина щели камеры I, определяемая по (9), оказывается столь малой, что 1<й.
Задачу можно решить, используя рабочую камеру, схема которой показана на рис. 1,в. Расчет такой камеры можно провести следующим образом.
1. По соотношению (3) определяется число п протяжек нити через щель камеры при транспортировке нити по схеме рис. 1 ,а.
2. По соотношению (7) определяется допустимая длина I щели в первой секции рабочей камеры.
3. По соотношению щ=Ш определяется число протяжек нити через щель в первой секции.
4. Находится число протяжек п2=п-п1, которые надо осуществить во второй секции.
5. Если п2<п1, то в рабочей камере будет две секции, если п2>п1, то количество секций будет равно N=n / п1 с округлением в сторону большего числа секций.
6. Находится дополнительная мощность Рдоп, которую необходимо подать на вход второй секции, чтобы в ней амплитуда напряжённости Е была в пределах от Е0 до (Е0-ДЕ0)
Р = Р
доп
(1 - е - 2 а 1 )е~0’23с
1 + е
- 0,23К
(11)
где С, К - переходное затухание и направленность ответвления.
Проиллюстрируем применение приведённых соотношений для расчета рабочей камеры для модификации полимерной нити при следующих условиях: й=0,1 см; е'=5; tg 8=0,01; Я=12,24 см (ахе=9х4,5см), А Е0/Е0=0,01; т0=5 с; Дт0=0,5 с; 00=500 см/с.
-3
В этом случае время протягивания нити в волноводе т=в/00=9-10 с, что меньше т0-Дт0=4,5 с, то есть нить надо протягивать в первой секции волновода п раз, причём по (3) п=560. Тогда по (4) 10=56 см. По (6) а=3-10-4 1/см, а по (7) допустимая длина щели 1=33 см, то есть 10>1, и рабочую камеру необходимо строить по схеме, указанной на рис. 1,в. Число протяжек в первой секции п1=330, тогда во второй секции их должно быть п2=230. Так как п2<п1, в рабочей камере достаточно двух секций, причём от дополнительного СВЧ генератора нужно подать мощность, рассчитываемую по (11) с учётом заданного Е0.
-2
Если же при всех тех же условиях 00=100 см/с, то т=4,5-10 с, то есть меньше 4,5 с, а потому нить надо протягивать в первой секции п раз, причём п=112, то есть /0=11,2 см, а так как по-прежнему 1=33см, то 1>10, и рабочая камера состоит из одной секции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калганова С.Г., Морозова М.Ю., Слепцова С.К. Влияние СВЧ электромагнитных колебаний на свойства поликапроамидных нитей // Электромеханика, электротехнологии и
электроматериаловедение: Труды V Междунар. конф. МКЭЭЭ-2оо3. Крым. Алушта, 2оо3. Ч.1. С.62-66.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ: В 3 т. М.: Высшая школа, 197о. Т.1. 2о8 с.
3. Архангельский Ю.С. СВЧ-электротермия. Саратов: СГТУ, 1998. 4о8 с.
Архангельский Юрий Сергеевич -
заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета
Калганова Светлана Г еннадьевна -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университетаУДК 621.314.58
