20.2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА

20.2.1. Применяемые методы

Было разработано много методов нагрева на базе использования диэлектрических потерь, происходящих в большинстве веществ на частотах дециметрового и сантиметрового диапазонов [46, 64, 69, 85, 113]. Характерным преимуществом нагрева диэлектрика является возможность произвести быстрый и равномерный прогрев всего объема вещества. Общая энергия, поглощаемая диэлектриком, равна

и поэтому для увеличения скорости нагрева данного вещества необходимо увеличить напряженность или частоту приложенного поля. Напряженность поля удобно регулировать, но она не может быть увеличена выше предела, определяемого образованием дугового разряда между электродами и нагреваемым изделием. Этот предел сильно зависит от вида материала; в веществах, дискретных по природе, концентрация поля в местах контактов приводит к локальному выгоранию при сравнительно малых уровнях мощности.

Уравнение (20.1) показывает, что при постоянной мощности нагрев пропорционален частоте, которую поэтому по возможности следует увеличивать. Для многих веществ это дает дополнительное преимущество из-за увеличения с частотой. Установки для нагрева диэлектрика довольно трудно экранировать, и поэтому рабочая частота должна лежать в диапазонах, где уровень паразитного излучения имеет допустимое значение; применяемые в США полосы частот приведены в табл. 20.4. Для этих диапазонов имеются [84, 112] электронные лампы, но наибольшая мощность незатухающих колебаний может быть получена с помощью магнетронов [73, 74, 75]. Типичными значениями выходной мощности является на на но с экспериментальными лампами получены большие величины. В качестве выходной передающей линии в зависимости от частоты и мощности применяется коаксиальная линия или волновод.

Таблица 20.4 Установленные в США частоты для нагрева диэлектрика

В каждом случае необходимо выбрать подходящую рабочую частоту. В веществах с очень большими потерями напряженность поля быстро спадает с глубиной, и поэтому центральная часть большого объема будет прогреваться незначительно. Коэффициент затухания равен

и, например, в веществе с на частоте плотность энергии излучения на глубине 2,5 см составляет от своего поверхностного значения.

Многие вещества, подвергаемые нагреву на сверхвысоких частотах, обладают сравнительно небольшими диэлектрическими потерями, идля увеличения эффективности использования мощности их необходимо помещать в резонансные структуры. Возможные пространственные вариации электрического поля накладывают ограничения на размеры и место расположения объектов, которые должны быть прогреты равномерно. Так, при колебаниях вида в цилиндрическом резонаторе скорость нагрева постоянна в осевом направлении, но ее величина превышает 90% от максимального значения только в области, заключенной внутри радиуса Например, диаметр пластического материала с нагреваемого на частоте для выполнения этого условия не должен превышать 2,3 см.

Часто в условиях производства требуется прогреть диэлектрик неравномерно: в одних случаях это связано с необходимостью получения существенно однородного нарастания температуры, а в других более экономично сконцентрировать тепло в отдельных местах. Скорость нагрева пропорциональна теплоемкости, а чем равномернее нагрев, тем, конечно, однороднее распределение температур. Так как диэлектрическая постоянная и тангенс угла потерь различных материалов, состоящих из сложных или неоднородных диэлектриков, зависят от частоты по-разному, то иногда можно подобрать частоту, обеспечивающую значительное увеличение неоднородности нарастания температуры. Относительная скорость нагрева и нарастание температуры может регулироваться также выбором вида приложения электрического поля и, если необходимо, путем относительного поворота или перемещения диэлектрического образца.

20.2.2. Частные приложения

Высокочастотный нагрев был использован [64] при склеивании фанеры. Для этого необходим клей, схватывающий при нагревании и быстро полимеризующийся при низких температурах. В коаксиальном устройстве, показанном на рис. 20.1, а, электрическое поле параллельно склеиваемой поверхности, причем клей прогревается сильнее фанеры, так как его диэлектрическая проницаемость больше. Для быстрого прогревания клея при удобных размерах системы СВЧ подходящим является диапазон частот

Более громоздкие деревянные детали могут быть склеены при помощи электромагнитного рупора, направляющего излучение в требуемое место, как это показано на рис. Для деталей с обычными размерами пригодны частоты от 1 до 3 Ггц. С помощью соответствующих отражателей или линз пучок можно сделать сходящимся к минимальному диаметру около половины длины волны. Таким образом можно обеспечить концентрированный прогрев внутренних частей нагрузки, недоступных для приложения электродов. Поверхностные отражения могут быть сведены до минимума одним из способов согласования, описанных в разд. 13.3.1.

Рис. 20.1. Методы склеивания дерева нагревом диэлектрика: а — склейка фанеры встык; б - нагрев пучком, сфокусированным рупором. (См. [64].)

Если электроды нагревающей системы расположены с разных сторон от тонкой диэлектрической пленки, то электрическое поле, а отсюда и скорость нагрева ограничены напряжением пробоя неизбежного в таких случаях воздушного зазора. Для получения максимального электрического поля в диэлектрической пленке при заданной общей падающей и запасенной мощностях расстояние между электродами для уменьшения воздушного промежутка должно быть сведено к минимуму, однако такая система с малым полным сопротивлением неудобна для передачи мощности.

При прогреве с использованием краевого поля [40], показанного на рис. 20.2; а, электрическое поле в воздухе занимает больший объем с малой напряженностью, а в диэлектрической пленке оно концентрируется и имеет значительную напряженность; это поле распространяется почти по всей длине пленки, в результате чего полное сопротивление получается большим. На рис. показан сложенный в несколько раз волновод, по центру широкой стороны которого сделан продольный разрез. Нити или полоски, проходя через эти прорези, будут находиться в области максимального электрического поля. Энергия, распространяющаяся вдоль волновода, непрерывно затухает, но средний нагрев каждой нити будет приблизительно одинаковым. Если волновод достаточно длинный, то только

незначительная часть входной мощности достигнет выхода, так что согласование будет мало зависеть от изменения нагрузки.

Энергия сверхвысоких частот является удобным средством для разогрева и для приготовления пищи [25]. С этой точки зрения обычные пищевые продукты представляют собой диэлектрическую нагрузку с малой электрической прочностью и переменными диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь. Довольно равномерный нагрев получается на частотах 1—3 Ггц вследствие изменения диэлектрических свойств с частотой.

Рис. 20.2. Нагрев тонких пленок и нитей: а — разновидность нагрева тонких пленок краевым полем; б - нагрев нитей и полосок в волноводе (См. [40].)

При более высоких, частотах глубина проникновения поля в пищевые продукты мала, тогда как на более низких частотах пробой диэлектрика ограничивает подводимую мощность.

На частоте равномерный нагрев и согласование различных комбинаций пищевых продуктов были достигнуты с помощью направленного излучения. Рефлекторы, которые используются для направления высокочастотной мощности внутрь продуктов со всех сторон, что компенсирует плохое проникновение, располагаются по возможности дальше от излучающего рупора, чтобы предотвратить возвращение к нему излучения, непоглощенного при многократном прохождении сквозь продукты. Для экранировки вся система может быть помещена в металлический ящик, в котором для наблюдения сделаны дверцы из металлической сетки. На частоте для эффективной концентрации тепловой энергии необходимы резонаторные системы.

Чтобы полностью использовать преимущества быстрого нагрева диэлектрическими методами, приготовляемая пища должна быть предварительно подготовлена. Так, например, необходимо избегать быстрого нагрева замороженных продуктов [70], поскольку увеличение тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости при таянии приводит к интенсивному местному перегреву. Время оттаивания и нагревания уменьшается с 15 мин при обычных методах приготовления до 1 мин. Дополнительное нагревание поверхности [26] и получение поджаристой корки может быть обеспечено путем

размещения в непосредственной близости пластины [64] из материала с большими потерями, которая нагревается до значительно более высоких температур. Мощность типичной высокочастотной печи на 2,45 Ггц составляет При приготовлении пищи продукты размещаются на стеклянном, фарфоровом, пластмассовом, бумажном или металлическом блюде. Исследования показали, что при сверхвысокочастотных методах приготовления пищи в продуктах лучше сохраняются витамины и естественные соки.