Расчет установки для свч обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.365.5

Е.М. Гришина

РАСЧЕТ УСТАНОВКИ ДЛЯ СВЧ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Приведены соотношения для расчета установки для СВЧ обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами.

СВЧ электротехнологическая установка, модификация, полимеры,

энергетическая эффективность, согласующий элемент

E.M. Grishina

CALCULATION OF THE INSTALLATION FOR MICROWAVE FREQUENCY PROCESSING MATERIAL WITH DIFFERENT DIELECTRICS

CHARACTERISTIC

Broughted correlations for calculation of the installation for SVCH processing material with different dielectrics characteristic.

Microwave frequency electrotehnological installation, modification, polymers, energy efficiency, matching element

СВЧ электротехнологические установки (СВЧ ЭТУ), в которых с помощью энергии СВЧ электромагнитных колебаний осуществляется модификация диэлектриков, могут быть теплового действия (СВЧ ЭТУ ТД) и нетеплового действия (СВЧ ЭТУ НД).

СВЧ ЭТУ ТД предназначены для термообработки диэлектриков [1, 2].

СВЧ ЭТУ НД представляют собой принципиально новый класс СВЧ ЭТУ, в которых обрабатываемые диэлектрики приобретают новые свойства уже при кратковременном пребывании в СВЧ электромагнитном поле, при котором отсутствует заметный нагрев диэлектриков [3].

При нетепловой модификации объект практически не нагревается из-за малого тангенса диэлектрических потерь tgS и малого времени СВЧ воздействия. По этой причине для СВЧ ЭТУ НД приходится решать задачу рассеяния нерастраченной СВЧ энергии электромагнитных колебаний. Так, прошедшую через модифицируемый объект энергию СВЧ электромагнитных волны можно рассеять в калориметрической согласованной нагрузке, включенной на выходе приемного рупора, расположенного за модифицируемым объектом. Как правило, нагретая в калориметрической нагрузке проточная вода, каким-либо способом не используется. В таком случае энергетический КПД СВЧ ЭТУ НД крайне мал. Увеличения энергетической эффективности такой установки можно достичь, если вместо калориметрической нагрузки приемного рупора использовать рабочую камеру, которая реализует другой технологический процесс - термообработку диэлектрика. Такие установки в [4] принято называть комбинированными СВЧ ЭТУ для обработки различных материалов.

Комбинированная СВЧ ЭТУ (рис. 1) содержит источники СВЧ-энергии и соединенную с ними через линии передачи и излучатели СВЧ-энергии камеру с размещенным в ней блоком загрузки-выгрузки материала, предназначенную для модифицирующей СВЧ-обработки полимерного материала с низким тангенсом угла диэлектрических потерь. Через приемные рупоры СВЧ-энергии, установленные напротив излучателей СВЧ-энергии линии передачи, СВЧ-энергия поступает в дополнительную камеру, снабженную блоком загрузки-выгрузки, установленную параллельно основной камере и предназначенную для термообработки материалов с большим тангенсом угла диэлектрических потерь.

Недостатками установки являются отсутствие согласующего элемента между излучателями СВЧ-энергии и материалом с малым тангенсом угла диэлектрических потерь, устраняющего отражение в сторону источников СВЧ-энергии части СВЧ-мощности, поступающей в камеру, и тем самым увеличивающего энергетическую эффективность, а также высокая металлоемкость и значительные габариты за счет использования дополнительной камеры.

Для устранения вышеперечисленных недостатков [5] предложен следующий вариант компоновки установки (рис. 2).

В установке для СВЧ-обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами содержится один источник СВЧ энергии, излучатель СВЧ-энергии, связанный с источником СВЧ-энергии посредством линии передачи, СВЧ-камера с размещенными в ней двумя блоками загрузки-выгрузки обрабатываемых материалов, связанная с излучателем СВЧ-энергии, содержит один дополнительный блок загрузки-выгрузки обрабатываемого материала, расположенный в рабочей камере, согласующий элемент, выполненный в виде ра-диопрозрачного диэлектрика, расположенного в рабочей камере между излучателем СВЧ-энергии и первым по направлению распространения СВЧ-волны блоком загрузки-выгрузки обрабатываемого материала, при этом блоки загрузки-выгрузки обрабатываемого материала расположены перпендикулярно направлению распространения СВЧ-волны.

Расчет установки включает определение входных сопротивлений линий передач с помощью теории длинных линий [6], а также нахождение диэлектрической проницаемости диэлектрика, из которого сделан согласующий элемент, его длину.

Рис.1. Комбинированная СВЧ электротехнологическая установка:

1 - рабочая камера для тепловой модификации; 2, 5 - рупорные антенны; 3, 6 - линии передач; 8 - блок загрузки-выгрузки материалов;

10, 11 - обрабатываемый материал

Рис. 2. Установка для СВЧ-обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами: 1 - источник энергии;

2 - линии передачи; 3 - излучатели; 4 - рабочая камера;

5 - согласующий элемент; 6, 8 - блоки загрузки-выгрузки;

7 - модифицируемый полимерный материал с малым тангенсом угла диэлектрических потерь; 9 - диэлектрический материал с большим тангенсом угла диэлектрических потерь

Традиционно в СВЧ электротермии принято считать, что от излучателя к обрабатываемому диэлектрику распространяется плоская электромагнитная волна. Обычно рупорный излучатель хорошо согласован с линией передачи, связывающей его с СВЧ генератором источника энергии СВЧ ЭТУ и с воздушным пространством с характеристическим сопротивлением ^ов, падая на обрабатываемый диэлектрик с диэлектрическими свойствами е'д и tg^д и характеристическим сопротивлением Z0д равным

Z О,,,

(1)

'ОВ1

Входное сопротивление отрезка длинной линии, представляющий собой слой воздуха толщиной /в, короткозамкнутый на конце, равно

'ВХ.В1

В1

(2)

2п

где в = - фазовая постоянная коэффициента распространения в слое воздуха; Я - длина

волны СВЧ генератора; 1В1- толщина воздушного слоя.

Это сопротивление является нагрузкой для отрезка длинной линии, представляющей собой подложку (транспортную систему). Тогда входное сопротивление этого отрезка, если, как обычно, подложка без потерь, равно

Z = Z

Z вх тл1 Z 0 тл1

вх в1 + 0 тл1^Ал11

тл1

где

Z =

Z 0 тл1

0 тл1 + вх в1

377

‘8Ртл11

тл1

(3)

(4)

тл1

£'тл1- относительная диэлектрическая проницаемость материала подложк; Zвх в1 определяется по (2); втл1 - фазовая постоянная коэффициента распространения в подложке:

2пл/^тл1

втл1

л

(5)

где 1тл1 - толщина слоя подложки.

1

1

В свою очередь, 2вх тл1 является нагрузкой отрезка длинной линии, представляющей собой обрабатываемый диэлектрик. На входе этого слоя

7 _ 7 2вх тл1 + ]20 д2й2 _ _ + Х

2н‘ _ 20 й г + а лТТ ~ Кн1 +]Х(6)

2 0 д2 + ]2 вх тл1т/2 и 2

где

2 _ 377

2 0 д2 I-Тл--V 2* \ ’ (7)

Л/^д2 (1 ]^8 ^д2 )

^2 и tgSд2 - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь второго модифицируемого объекта; у2 _ а2 + ]в2 - постоянная распространения во втором модифицированном объекте; а2 - постоянная затухания:

-Пл&л/^(а/1 + ^2§д2 -1)

в2 - фазовая постоянная:

а2 _^л'£дд^2 1+tg2^д2 -1), (8)

в, _ , (9)

и 2- толщина слоя второго модифицированного объекта; 2 вх тл1 определяется соотношением (3), Лн1 и X н1 - активная и реактивная составляющие 2 н1.

На расстоянии I от поверхности первого обрабатываемого объекта входное сопротивление на входе воздуха для плоской волны, идущей от рупорного излучателя, равно

2вх х1 _ 20 в1 2н1 +^2° в^в _ йе 2вх ,1 + ] 1т 2вх ,1, (10)

2 0 в1 + ]2н1^Р1в1

Далее аналогично (3) рассчитываем входное сопротивление на входе во вторую транспортную ленту 2 вх тл2 и сопротивление нагрузки 2 н2

2 _ 2 2вх в1 + •]20тл2tgвтл2lтл2 /л

2 вх тл2 _ 2 0 тл2 2 + 2 ~в I ’ ^ )

2 0тл2 + ]2 вх в1tgPтл2l

2_

20тл2 _

тл2

377

л/^тл

тл2

7 _ 2 2вх тл2 + ]20 Л21^?2и2 _ „ + Х

2н2- _ 20 д2- 2 + 2 лТТ ~ Кн2 + ]Хн- • (12)

2 0 д2 + ]2 вх тл21П12 и 2

Поскольку согласующий слой используется для согласования чисто активных сопротивлений, рассчитаем отрезок линии, заполненный воздухом, на входе которого входное сопротивление чисто активное, т.е. Xн _ 0, Ян Ф 377 Ом

2вх л2 _ 20 х 2н1 +1% ++2°хХв1' _ Ке2вХ л + 1т 2„ л, (13)

2 0 х + ] (2 н1 + 2 н2 № к

где 20 х _ 377 Ом.

Варьируя значением 1п, подбираем её так, чтобы 1т 2вх л _ 0 .

Входное сопротивление в четвертьволновом слое рассчитывается по формуле

20у _ л/20 х2вх л , (14)

где 20 х _ 377 Ом> 2вх л _ Ке 2вх л .

Но в (14) 2 х/ равно

/4

377

2«^4 _-!?■ <15)

Тогда из (15) с учетом (14) диэлектрическая проницаемость согласующего слоя равна

377

є. =

377

при этом длина 1п равна

VZ0 х Re Zвх л ”\

Re Z„

" 4 4Є'

где Є. определяется по (1б).

Коэффициент отражения Л определяется по соотношению

(1б)

(17)

л =

Re Z вх х Z 0 в

Re Z„„ „ + Zn

(1S)

в

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Ю.С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки: учебное пособие / Ю.С. Архангельский. - Саратов: СГТУ, 2003. - 344 с.

2. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С. Архангельский. - Саратов: СГТУ, 1998. - 408 с.

3. Гришина Е.М. Рабочая камера СВЧ ЭТУ для нетепловой модификации тканей с полимерной нитью / Е.М. Гришина, С.Г. Калганова // Вестник СГТУ. - 2006. - № 4(19). -Вып.4. - С. 125-129.

4. Комбинированная установка для СВЧ обработки различных материалов: пат. 86373 Рос. Федерация: МПК(2006.01) Н 05 В 6/64 / Ю.С. Архангельский [и др.]. - № 2009100389/22; заявл. 11.01.2009; опубл. 27.08.2009, Бюл. №24.

5. Установка для СВЧ-обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами. / Ю.С. Архангельский, Е.М. Гришина. Патент на полезную модель (РФ)110891. Приоритет от 16 июня 2011г.

6. Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке [и др.]. - 4-е изд., перераб. -М.: Энергия, 1975. - 752 с.

Гришина Екатерина Михайловна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Г агарина

Ekaterina M. Grishina -

Ph. D., Associate Professor

Department of Automated Electrical-Technological

Plants and Systems,

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 14.05.12, принята к опубликованию 13.06.12