CC BY
90
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
УДК 621.385.6 в. П. КИСМЕРЕШКИН
Г. Н. ЛОБОВА Н. А. КОСТОЧКИНА
Омский государственный технический университет
УСТАНОВКА
ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ОБЪЕКТОВ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕМ______________________
Предложена конструкция СВЧ-установки для концентрации энергии на поверхности нагреваемого объекта. В установке использована вибраторная решетка на основе поверхностного волновода, расположенная внутри рефлектора в виде зеркального параболического проводящего цилиндра. В область концентрации СВЧ-энергии размещают нагреваемый объект.
Ключевые слова: поверхностный волновод, СВЧ-излучение, нагрев.
Во многих отраслях производственной деятельности используют СВЧ-излучение. Среди задач применения СВЧ-излучения крайне важным является обеспечение объекта концентрацией СВЧ-излучения на его поверхности. Решение такой задачи является крайне актуальным для деревообрабатывающей и нефтеобрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и других отраслей.
В деревообрабатывающей промышленности решение задачи качественной, быстрой и малозатратной сушки древесины остается актуальной, несмотря на достигнутые результаты. В последнее время усилился интерес к СВЧ-сушке древесины твердых пород. В содержании работы [ 1 ] для сушки древесины в установке предложено использовать комбинированный принцип действия, включающий конвективный и диэлектрический нагрев.
В работе [2] предложена СВЧ-вакуумная сушка, позволяющая высушивать оцилиндрованные бревна с начальной влажностью 80 % до конечной влажности 15 % с уменьшением энергозатрат. СВЧ-излуче-ние, воздействуя на влажную древесину, приводит к закипанию влаги, которая создает избыточное давление. Такое давление приводит к выдавливанию из капилляров мелких капель влаги и образованию пара. Образовавшаяся влага выносится за пределы древесины диффузионным потоком. Горячий пар, выходящий из древесины, создает тепловую завесу, которая препятствует снижению температуры дерева.
В малогабаритной сушилке [3], позволяющей при значительной скорости сушки добиться высококачественного высушенного материала используют рабочую камеру, содержащую блок магнетронов и систему распределения энергии электромагнитного поля в диапазоне СВЧ по длине камеры.
Применяемые устройства для СВЧ-сушки древесины характеризуются трудностями концентрации мощности генераторов и распределения плотности энергии вдоль камеры, в которой происходит облучение объекта.
В настоящее время для СВЧ-сушки предложена установка, в основе которой лежит использование поверхностного волновода [4]. В такой установке нагреваемый объект размещают в поле поверхностного
волновода. Применение для СВЧ-сушки поверхностного волновода по сравнению с традиционными способами имеет следующие преимущества:
— в достижении минимальных значений металлоемкости установки, излучаемой мощности и мощности, которую требуется утилизировать;
— обеспечение равномерного нагрева длинномерных объектов сушки;
— значительное снижение стоимости установки для сушки древесины.
Применение поверхностного волновода позволяет разработать новые устройства СВЧ-сушки. В нашем случае речь идет об установке СВЧ-излучения, в которой используется вибраторная решетка на основе поверхностного волновода, расположенная внутри рефлектора в виде зеркального параболического проводящего цилиндра. Такая вибраторная решетка позволит получить равномерное распределение СВЧ-энергии на площади (поверхности).
Известна вибраторная решетка [5, 6], содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и вибраторную решетку, образованную размещением вибраторов коллинеарно проводу однопроводной линии передачи (ОЛП) поверхностной волны.
При возбуждении однопроводной линии передачи устанавливается соответствующая поверхностной волне структура волны электромагнитного поля типа Е00, содержащая радиальную и продольную составляющие электрического поля, и соответствующую составляющую магнитного поля [7, 8]. Вибраторы решетки выполнены в виде цилиндров, надетых на провод, и установлены на проводе вдоль продольной линии напряженности электрического поля, радиальная составляющая поля не наводит электрического тока, т.к. направление радиальной составляющей напряженности электрического поля перпендикулярно оси вибратора. На рис. 1 показана схема расположения двух продольных вибраторов (фрагмент антенной решетки), которые надеты на провод ОЛП и возбуждаются под действием напряженности электрического поля волны Е00, распространяющейся в ОЛП.
Достижение равномерного распределения СВЧ-энергии для сушки объекта обеспечивается тем, что
Рис. 1. Схема расположения вибраторов антенной решетки (фрагмент) и составляющих напряженности электрического поля в ОЛП
вибраторная решетка, содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны с размещенными соосно проводу вибраторами, расположена внутри зеркального параболического проводящего цилиндра на фокальной оси. В сечении, перпендикулярном фокальной оси расположена парабола с точкой фокуса, поэтому распределение поля, излученного антенной решеткой, в ортогональном оси решетки направлении близко к равномерному.
На рис. 2 изображена схема установки на основе поверхностного волновода для сушки объекта.
На рис. 2а схематично показан ход лучей, идущих от элемента антенной решетки. Из рис. 2б видно, что установка включает вибраторную решетку 1, состоящую из вибраторов 2, провод однопроводной линии передачи (ОЛП) 3, устройства возбуждения поверхностной волны 4, согласованную нагрузку 5, генератора СВЧ-колебаний 6 и зеркальный параболический проводящий цилиндр 7 (рефлектор).
Устройство возбуждения поверхностной волны [7] является трансформатором волн со структурой Т- в волну Е-типа.
Коллинеарная антенная решетка 1 расположена внутри зеркального параболического проводящего цилиндра 7. Антенная решетка, входящая в установку, состоит из одинаковых вибраторов 2, представляющих собой объемные тела с проводящими цилиндрическими поверхностями, надетыми на диэлектрическую поверхность провода 3 однопроводной линии передачи (линия Губо [8]). ОЛП оканчивается согласованной нагрузкой 5. Генератор СВЧ-колебаний (6), расположенный вне зеркального параболического проводящего цилиндра (на рис.2 не показан), соединен с узлом возбуждения поверхностной волны 4.
Установка для концентрации энергии на поверхности функционирует следующим образом.
Сигнал с генератора СВЧ-колебаний 6 с помощью устройства возбуждения 4 возбуждает в проводе 3 поверхностную волну Е00. В находящихся на проводе вибраторах 2 антенной решетки 1 под действием продольной составляющей напряженности электрического поля волны Е00 наводится электрический ток, в результате чего происходит излучение СВЧ-энергии.
Излучение, порождаемое вибраторами 2, распространяясь внутри объема параболического цилиндра, выходит параллельным пучком лучей (рис. 2). Следовательно, энергия, приходящаяся на единицу площади раскрыва зеркального параболического цилиндра (плотность энергии), будет одинаковой.
Степень возбуждения вибраторов определяется коэффициентом связи «К» поверхностной волны из расчета достижения равномерного по длине Ь распределения энергии переизлучаемого поля Т-типа, осуществляемого под действием продольной составляющей напряженности электрического поля:
К =-
Р
а) б)
Рис. 2. Схема установки для концентрированного равномерного нагрева объектов СВЧ-излучением, а) ход лучей в раскрыве параболического цилиндра, б) структурная схема установки, где 1 — вибраторная решетка, 2 — вибратор, 3 — провод однопроводной линии передачи, 4 — устройство возбуждения,
5 — согласованная нагрузка, 6 — генератор, 7 — рефлектор
где Р — мощность энергии СВЧ, переносимая поверхностной волной;
Р1 — мощность энергии СВЧ, образованная поверхностной волной в 1-том вибраторе рассматриваемой коллинеарной антенной решетки под действием продольной составляющей напряженности электрического поля [9].
Излучение коллинеарной антенной решетки, распространяясь внутри зеркального параболического цилиндра, отражается от поверхности параболоида и равномерно концентрируется на площади раскрыва параболического цилиндра 5. Вибраторы, возбуждаясь под действием продольной составляющей напряженности электрического поля поверхностной волны Е00, в дальнейшем сами переизлучают электромагнитную энергию Т-структуры. Вся переизлученная СВЧ-энергия вибраторной решетки сосредоточена на площади раскрыва параболического цилиндра 5, а оставшаяся (не переизлучённая) СВЧ-энергия поступает на согласованную нагрузку 5.
Таким образом, вибраторная решетка, равномерно излучает СВЧ-энергию по всей длине Ь коллинеарной антенной решетки в ортогональной ОЛП плоскости, обеспечивая, концентрацию потока СВЧ-из-лучения на площади раскрыва зеркального параболического цилиндра 5р (рис. 2):
5 = В Ь,
р
где В — диаметр раскрыва зеркального параболического проводящего цилиндра (рефлектора), Ь — длина коллинеарной антенной решетки.
Объект для поверхностного нагрева размещают в установке в области концентрации потока СВЧ-излучения.
Преимуществами установки на основе вибраторной решетки, размещенной на проводе поверхностного волновода и обеспечивающей концентрацию энергии СВЧ-излучения на поверхности (площади) объекта, являются:
— во-первых, достигается равномерное распределение плотности СВЧ-излучения в раскрыве зеркального параболического проводящего цилиндра, которая обусловлена размещением на фокальной оси коллинеарной антенной решетки излучателей;
— во-вторых, частичная электрическая замкнутость объема зеркального параболического проводящего цилиндра обеспечивает частичное экранирование процессов в объектах, находящихся внутри зеркального параболического цилиндра;
— в-третьих, происходит увеличение концентрации СВЧ-энергии на заданной поверхности (площади) 50;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
303
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
— в-четвертых, минимальные металлоемкость и стоимость установки.
Предложенная конструкция установки может быть использована не только для сушки древесины в деревообрабатывающем производстве, но и в сельском хозяйстве, а также для СВЧ-нагрева объектов, используемых в различных отраслях промышленности.
Первоначально оценим энергозатраты на сушку заданного объема конкретной древесины (ель), имеющей определенную начальную влажность Шн, которую надо довести до конечной влажности Шк в течение определенного времени 1. Учитывая сложную зависимость энергозатрат от количества влаги диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и затухания энергии с глубиной, сначала следует ограничиться решением статической задачи. В дальнейшем, учитывая особенности установки, внесем соответствующие коррективы.
Найдем связь между подводимой мощностью Р0, временем экспозиции 1 и начальной влажностью древесины Шн. Прежде всего, определимся с частотой генератора, типом древесины, начальной и конечной влажностью.
Итак, подводимая мощность Р0 подается на устройство возбуждения поверхностной волны в проводе, связанном определенным образом с коллинеар-ной антенной решеткой. Допустим, потери мощности составят 5 %. Учитывая, что большая часть установки экранирована, можно допустить, что потери малы и ими можно пренебречь. Тогда поток мощности в рас-крыве параболического цилиндра будет
0,95 Р0 0,95Р0
р
£ • Ь '
где В — раскрыв параболы, Ь — длина антенной решетки.
Нагреваемый объект имеет площадь, на которую падает поток I П , равную Б0. Поэтому на объект пада-
, = 0,95 ро 5 о
ет поток в О Ь/Бр раз меньший, т.е. I 1о “ ^ ^)2 .
Поток | П| 0 порождает в объекте напряженность электрического поля Е0, равную
лИ 0= Е с
и в объекте выделяется мощность, равная
Рд » ЫддеУ Ер2,
где ю — круговая частота, V — объем объекта, е — относительная диэлектрическая проницаемость, £д5 — тангенс угла диэлектрических процесс, Ер — напряженность электрического поля в объекте.
Выделяемая в объекте мощность приводит к тепловыделению О, которое связано с теплоемкостью с, массой объекта т и разностью между начальной и конечной температурой нагрева АТ. Поэтому имеет место равенство
РД
О = — = стАТ £
Таким образом, уравнение
( V
0,95Р0 ІюідЬгУк
сшАГ - і
Рис. 3. Схема алгоритма процесса сушки объекта
связывает электродинамические и физические параметры с энергетикой и временем экспозиции. Что касается влажности, она в неявном виде скрыта в диэлектрической проницаемости и тангенсе угла диэлектрических потерь в виде несложных выражений.
Представленное уравнение параметрическое, т.к. £дд, е, Z зависят от времени экспозиции и характер зависимости считать линейным нельзя. Указанные явления предстоит дополнительно исследовать теоретически и экспериментально.
Для примера проведем расчет требуемой мощности СВЧ генератора для нагрева древесины типа «ель» на АТ=60 оС за время, равное 4 час. Частота колебаний /=915 МГц. Объем древесины V= (0,2х0,9х хЭ)м3. Начальная влажность ^ =40 %, конечная №н = = 8 %. Положим, что относительная диэлектрическая проницаемость сухой древесины е = 4,2, а влажной е = (8^10), соответственно, удельная проводимость сухой древесины а = 10-3См/м, а влажной а = 10-2См/м. Удельная теплоемкость с= 1,7кДж/кг К.
стАТ
А =
Р0=Аі, где
0,95Zwtgдeh
где е^дё = а — удельная проводимость,
Z — волновое сопротивление облучаемого объекта,
Z =
120р
125
Ом.
Р0 » 10,5 104 1
Таким образом, при времени нагрева 4 часа доведение массы объекта до разности температур АТ= = 60 оС потребуется Р0= 7,5 кВт.
Далее потребуется испарить влагу в количестве, определяемой начальной и конечной влажностью. Теплота парообразования Оп=1т. Соответственно, требуемая мощность источника нагрева составит Оп/£1. Так как тепловыделение Рд поддерживается постоянно, то затраченное время определяется формулой
Ог
Ог
ак
р
0,95Р0 Z
Итак, проведенный расчет показывает, что энергетические затраты мало зависят от способа реализации сушки. Вместе с тем резервы экономии энергии есть. Они заключены в организации процесса сушки по некоторому критерию, который вводится в систему авторегулирования мощности и времени завершения сушки. Алгоритм сушки может быть записан в виде (рис. 3).
Процесс сушки завершается достижением конечного значения требуемой влажности Шк.
0
3
2
Р
0
0
Дальнейшей задачей исследования является проведение натурного эксперимента на установке, в основе которой лежит предложенная конструкция.
Библиографический список
1. CBЧ плюс вакуум: от сложного к простому [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.svch-tecnologii.ru/HTML/ lesprom04-10.pdf (дата обращения: 07.10.2011).
2. Технологии сушки древесины [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: //www.get-ground.ru/articles/Lphp (дата обращения: 07.10.2011).
3. Малогабаритная CBЧ сушилка для леса мод. «МC-2» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: //www.kodosagregat.ru/ z12st4.htm (дата обращения: 19.08.2011).
4. Дударев, А. В. Разработка опытной установки CBЧ-cушки древесины / А. В. Дударев, Д. В. Риттер [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: //conf.omgtu.ru/node/20 (дата обращения: 09.09.2011).
5. Пат. 2118874 Российская федерация, МПK Н 01 О 21/00. Вибраторная решетка [Текст] / Kиcмepeшкин В. П., Лобова Г. Н. ; заявитель и патентообладатель Опытно-конструкторское бюро «Иртыш». — № 94020606/09 ; заявл. 02.06.1994 ; опубл. 10.09.1998, Бюл. № 25. — 6 с.
6. Kиcмepeшкин, В. П. Об использовании открытых линий передачи в антенной технике / В. П. Kиcмepeшкин, Г. Н. Лобова // Антенно-фидерные устройства, системы и средства
радиосвязи : сб. тр. 3-й Межд. науч.-техн. конф. — Воронеж, 1997. - Т. 2. - С. 290-300.
7. Пат. 2144720 Российская федерация, МПК Н 01 О 9/00, Н 01 О 9/44. Устройство возбуждения поверхностной волны [Текст] / Кисмерешкин В. П., Лобова Г. Н. — № 98118738/09 ; заявл. 12.10.1998 ; опубл. 20.01.2000, Бюл. № 2. — 12 с.
8. Ефимов, И. Е. Радиочастотные линии передачи / И. Е. Ефимов. — М. : Сов. Радио, 1964. — 600 с.
9. Кисмерешкин, В. П. Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи / В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова // Приборы и техника эксперимента. — 1996. — № 5. — С. 85 — 86.
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
ЛОБОВА Галина Николаевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
КОСТОЧКИНА Надежда Анатольевна, аспирантка кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
Адрес для переписки: 1оЬоуа_да1іпа@шаі1.т
Статья поступила в редакцию 10.11.2011 г.
© В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова, Н. А. Косточкина
Книжная полка
Справочник по вакуумной технике и технологиям / Под ред. Д. Хоффман, Б.Сингха, Дж.Томаса III : пер. с англ. - М. : Техносфера, 2011. - 736 с. - 1БВЫ 978-5-94836-294-6.
Предлагаемый справочник по вакуумной технике и технологиям является переводом книги, созданной американскими специалистами. В справочнике приведены фундаментальные положения технологии вакуума и физики поверхности, рассмотрены конструкции различных типов насосов и средств измерения вакуума и течеискания. Подробно описаны различные вакуумные системы и технологии. Приведены примеры применения вакуумной техники. Большое внимание в справочнике уделено описанию технологии получения и поддержания безмасляного вакуума. Справочник содержит значительный объем экспериментальных данных, необходимых при проектировании и эксплуатации специального вакуумного технологического оборудования. Справочник является прекрасным дополнением к отечественным изданиям и будет полезен для инженерно-технических работников и специалистов, занимающихся конструированием, изготовлением и эксплуатацией вакуумных систем, а также для студентов и аспирантов технических вузов.
Торопкин, М. В. Как создать ламповый усилитель своими руками : Руководство / М. В. Торопкин, Д. А. Андреев. - М. : Наука и техника, 2012. - 288 с. - 1БВЫ 978-5-94387-856-5.
Книга поможет читателю собрать свой первый Н1-Б1 ламповый усилитель. Начальные главы являются современным справочником по электронным лампам, применяемым в аппаратуре высококачественного звукоусиления. Это подробное руководство по конструированию усилительных каскадов, сопровождаемое обзором наиболее интересных схемотехнических решений. Интересны методики расчета и создания готовых конструкций выходных трансформаторов. Ряд трансформаторов разработан и воплощен в опытных образцах с последующим тестированием специально для читателей этой книги (публикуется впервые)! Тем, кто решил приобрести готовый усилитель или сравнить характеристики моделей заводского изготовления, будет интересен обзор рынка ламповых Н1-Б1 усилителей. Материал поможет сделать правильный выбор при покупке. А «Обзор ресурсов Интернет по ламповой Н1-Б1 усилительной технике» позволит существенно расширить кругозор читателей в области ламповой схемотехники и помочь в поиске специальной информации в сети Интернет. Книга предназначена для широкого круга радиолюбителей.
621.317.7/4-46 Чередов, А. И. Первичные измерительные преобразователи : учеб. пособие / А. И. 4ередов, А. В. Щелка-нов ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 90 с. - 1БВЫ 978-5-8149-0989-3.
Рассмотрены основные характеристики, физические основы некоторых видов первичных измерительных преобразователей различных физических величин (ПИП). Приведены основные характеристики некоторых отечественных и зарубежных ПИП.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
