ЭТУ_Куликова_2014

Процесс установления и ликвидации дипольной поляризации требует значительного времени. При этом внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей (трения) атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.

Объемная мощность, выделяющаяся в диэлектрике, определяется выражением

энергии, которая может быть запасена в материале;– фактор потерь, является мерой энергии, выделившейся в материале

как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости. Тогда, тангенс потерь

определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.

С учетом изложенного выше объемная удельная активная мощность:

где РV –диэлектрические потери.

Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости , расположения и формы электродов, образующих поле (рисунок 7.2).

Предельное максимальное значение ЕМ ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Например, ЕМ для семян зерновых и овощных культур находится в пределах (5…10)103 В/м, для дepeвa – (5…40)103 B/м.

Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем:

1.Избирательность нагрева, практически все тепло генерируется во влажных участках продукта. При этом градиент температуры, направленный изнутри к поверхности нагреваемого материала, совпадает с градиентом влагосодержания. Это главное преимущество диэлектрического нагрева.

2.Равномерность нагрева. При передаче теплоты материала за счет конвекции теплопроводности или излучения неизбежен температурный

141

градиент от поверхности в глубину материала тем больший, чем меньше теплопроводность. С помощью диэлектрического нагрева можно не только равномерно нагреть диэлектрический материал, но и получить по желанию любое заданное распределение температур.

3.Высокая чистота нагрева. Энергии можно подводить к материалу через защитные оболочки из твердых диэлектриков с малыми коэффициентами диэлектрических потерь (стекло, бумага, керамика, пластмасса).

4.Саморегулирование нагрева. При сушке материала его качество улучшается за счет того, что нагрев высушиваемых мест автоматически прекращается, так как тангенс угла диэлектрических потерь многих сельскохозяйственных материалов пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки диэлектрические потери уменьшается, а нагрев продолжается в тех участках, где ещё сохранилась повышенная влажность.

Благодаря своим, достоинствам диэлектрический нагрев находит довольно широкое применение (рисунок 7.3).

Рисунок 7.2 – Схемы расположения электродов и формула для определения напряженности электрического поля: а – цилиндрический конденсатор; б – плоский однослойный конденсатор: в, г – плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала поперек и вдоль электрического поля

142

Рисунок 7.3 – Области применения диэлектрического нагрева

7.2. Установки высокой частоты (ВЧ)

Несмотря на различия ВЧ - установок, выпускаемых промышленностью, все они имеют одинаковую структурную схему (рисунок 7.4).

3

4 5 6

1

2

Рисунок 7.4 – Структурная схема высокочастотной установки: 1– высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором; 2 – блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроенными емкостями и индуктивностями; 3 –ламповый генератор с анодно–разделительными и сеточными цепями; 4 –полупроводниковый выпрямитель; 5 – повышающий трансформатор; 6 – блок защиты установки от аварийных режимов

Материал нагревается в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2,

143

предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, полученное от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты, в ламповом генераторе расходуется 20...40% всей энергии, получаемой от выпрямителя. Основная часть энергии теряется на охлаждаемом водой аноде лампы. Относительно земли анод находится под напряжением 5...15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждавшей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6...10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используется для включения и отключения установки, защиты от аварийных режимов.

Технические характеристики некоторых ВЧ-генераторов приведены в таблице. 7.1.

Таблица 7,1. - Основные технические данные некоторых ВЧ - генераторов

л – КПД, учитывавший потери в высокочастотных соединительных

проводах, л 0,9...0,95 .

Мощность, потребляемая генератором из сети:

144

Общий КПД ВЧ – установки определяется произведением КПД всех блоков и равен 0,3…0,5, что является причиной, сдерживавшей широкое применение диэлектрического нагрева в сельском хозяйстве,

Частоту тока выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке с/х продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем

где V – объем нагреваемого материала, м3.

Минимальную частоту, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью, получим, подставив значение РV из (7.5) в уравнение (7.9) и решив его относительно частоты:

поля в материале, В/м.

Максимальная частота, при которой обеспечивается согласование параметров нагрузки и генератора:

где L, C – минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и ёмкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.

Максимальная допустимая частота по условию равномерности нагрева:

где l – наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.

7.3. Особенности диэлектрического нагрева в СВЧ - диапазоне и классификация технологических СВЧ - процессов

Характер электромагнитных полей сверхвысоких частот ярко выраженный волновой. Для нагрева материал облучают свободнопадающей, бегущей или стоячей электромагнитной волной. Нагревательными устройствами в данном случае являются уже не рабочие конденсаторы, а антенны, волноводы или объемные резонаторы. При использовании СВЧ - полей для нагрева диэлектриков получают высокие мощности при пониженных значениях напряженности электрического поля, что имеет большое значение при нагреве материалов высокой влажности.

Для генерирования СВЧ - энергии обычные ламповые генераторы непригодны из-за механической инерции электронов, которая уже проявляется при частотах более 100 МГц. Для этой цели используют магнетроны.

145

При воздействии СВЧ - энергии на биологические объекты и сельскохозяйственные материалы наблюдается ряд процессов. Эти процессы можно подразделить на три группы: изменяющие физиологическое состояние биообъекта (стимулирование процессов жизнедеятельности семян, растений); изменяющие физические параметры вещества (размораживание овощей, нагрев почвы); действующие как на физиологические, так и на физические свойства объекта (сушка коконов тутового шелкопряда, при которой вначале их замаривают, затем удаляют влагу).

На рисунке 7.5 представлена классификация технологических процессов АПК с применением СВЧ - энергии, в которых выделены шесть основных процессов.

Разогревание – технологический процесс, основанный на необходимости нагрева обрабатываемого объекта (размораживание овощей, мяса, почвы, плавление меда, сыра). Использование СВЧ - энергии позволяет повысить темп нагрева до 0,12...1,0 град/с при удельной мощности 1,0–1,9 кВт/кг.

Стимулирование – процесс, при котором происходит интенсификация физиологических процессов увеличивается выход продукции и повышается качество. Например, СВЧ - обработка семян увеличивает всхожесть, энергию прорастания и, как следствие, повышает урожайность и качество продукции. Удельная мощность процесса стимулирования лежит в широких пределах и начинается уже при 0,05 кВт/кг, а при небольших экспозициях иногда отмечается при 1,0 кВт/кг, причём темп нагрева составляет 0,035...0,48 град/с.

Сушка – процесс удаления влаги из продуктов и материалов, при котором увеличивается концентрация клеточного сока и повышается осмотическое давление в несколько раз, вследствие чего развитие микроорганизмов становится невозможным, прекратятся биохимические процессы. Для длительного хранения содержание влаги в растительных материалах снижают до 10…14 %. Свойства материала оказывают существенное влияние на режимы СВЧ - сушки. Параметры сушки достигают наиболее критических значений на начальной стадии.

При этом темп нагрева лежит в пределах 0,7...0,9 град/с при удельной мощности 0,5…0,7 кВт/кг. На скорость сушки оказывают влияние конечная температура материала и время воздействия СВЧ поля, так как превышение одного из этих факторов приводит к коагуляции белка и снижению качества готового продукта. Проведение СВЧ - сушки под вакуумом позволяет существенно повысить производительность СВЧ - оборудования.

Угнетение – процесс, при котором происходит снижение жизнедеятельности и гибель биообъектов растительного, животного происхождения и микроорганизмов или утрата той или иной функции организма (кастрация животных, дезинфекция мешкотары).

146

Биологический объект погибает в результате денатурации белка при относительно невысоком темпе нагреве – 0,5...0,8 град/с при удельной мощности 0,09...0,3 кВт/кг, а при увеличении темпа нагрева до 1,2...1,6 град/с в результате диэлектрического разрушения клеток живой ткани.

Рисунок 7.5 – Классификация технологических СВЧ – процессов

Экстрагирование – процесс переноса вещества в пористых материалах за счет молекулярной диффузии (например, в материалах сельскохозяйственного происхождения). Механизмом переноса распределяемого вещества в мицеллы или из мицелл является осмотическая диффузия, движущей силой – осмотическое давление.

147

Удельная мощность не должна превышать 2,5,..3,0 кВт/кт, так как уже при скорости нагрева 0,9...1,5 град/с возможно разрушение материала.

Разрушение – процесс, имевший место при СВЧ - нагреве за счет создания в клетках, порах и капиллярах нагреваемого материала большого избыточного давления (микронизация зерна), иногда его называют диэлектрическим разрушением, которое происходит при превышении удельной мощности энергоподвода 4,5...6,0 кВт/кг. Темп нагрева составляет 1,5...2,0 град/с.[1].

Измерение плотности ВЧ и СВЧ энергии методом лазерной интерференционной термометрии

В настоящее время метод лазерной интерференционной термометрии (ЛИТ) наиболее часто (по сравнению с другими) применяется для дистанционного контроля температуры полупроводниковых и диэлектрических подложек в микроэлектронике. Метод ЛИТ имеет высокую разрешающую способность по температуре (не хуже 0,05 К) в широком диапазоне измеряемых температур [7]. Основываясь на этом методе, нами разработано и создано устройство для бесконтактного контроля мощности высокочастотного (ВЧ) или сверхвысокочастотного (СВЧ) поля, поглощенного прозрачной средой . Однако в технологических процессах пищевой промышленности, в которых используется диэлектрический нагрев, обрабатываемые материалы, как правило, не прозрачны и не имеют жестких геометрических размеров. Поэтому прямое применение ЛИТ для контроля мощности, поглощенной материалами, не представляется возможным.

Необходимо отметить, что качественная обработка материала в камерах ВЧ или СВЧ нагрева допустима только в том случае, если плотность распределения энергии электромагнитного поля (ЭМП) в них практически равномерна. На ВЧ это условие достаточно просто обеспечивается расчетным путе. На СВЧ существуют сложности с определением типа волн, возбуждаемых в камере нагрева. Поэтому в этом диапазоне длин волн плотность ЭМП определяют экспериментально с помощью измерителя плотности потока мощности, а также СВЧ ваттметра в сочетании с измерительной антенной [8].

Существует методика, позволяющая контролировать распределение плотности энергии ВЧ или СВЧ поля с помощью устройства .Схема этого устройства показана на рисунке 7,6.

148

Рисунок 7.6 – Схема лазерного интерферометра: 1 – измерительный блок; 2 – видеокамера; 3 – полупроводниковый лазер; 4 – лучи лазера; 5 – датчик мощности, помещенный в камеру нагрева; 6 – тот же датчик, но за

пределами камеры нагрева, 7 – монитор компьютера с изображением интерференционной картины

Датчик в форме параллелепипеда из оптически прозрачного материала с размерами много меньше длины волны электромагнитного излучения помещают в камеру СВЧ нагрева. Мощность, поглощаемая датчиком, определяется по формуле [7]:

где – угловая частота колебаний ЭМП, ε0 – электрическая постоянная, εr и tg δ – относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала датчика, E – эффективная величина напряженности электрического поля (ЭП) в материале датчика и V – объем датчика.

Мощность P расходуется на изменение температуры и энергии упругих деформаций датчика, а также на компенсацию тепловых потерь при взаимодействии датчика с окружающей средой в камере нагрева. В то же время, если датчик находится в ЭМП в течение времени, значительно меньшем постоянной времени нагрева датчика, то мощность, поглощаемую датчиком, можно определить по формуле:

Ориентация силовых линий ЭМП зависит от типа возбуждаемой в камере электромагнитной волны [7]. Известно, что для диапазона СВЧ волн граничные условия по полю таковы, что силовые линии ЭП, примыкающие к металлическим стенкам камеры нагрева, перпендикулярны или параллельны им. Поэтому, располагая датчик на минимальном расстоянии от стенок и ориентируя его большую грань параллельно им, можно обеспечить перпендикулярность или параллельность силовых линий ЭП большим граням датчика. Если силовые линии перпендикулярны, то напряженность ЭП для точек, находящихся в воздухе около больших граней датчика, рассчитывается по формуле E0 = εrE, если линии поля параллельны, то E0 = E [8].

Прогретый в камере нагрева датчик извлекают из камеры и помещают в интерферометр. Отраженные от противоположных граней датчика пучки лазерного излучения интерферируют. Интерференционная картина регистрируется видеокамерой. В результате изменения коэффициента преломления и толщины датчика при его нагреве происходит смещение интерференционных полос. В методе ЛИТ температура датчика в процессе измерения находится так [9]:

номера полос интерференции для прогретого и охлажденного до температуры воздуха в лаборатории T0 датчика, n0 и h0 – показатель преломления материала датчика и его толщина при температуре T0 , β0 и β

– температурные коэффициенты показателя преломления и линейного расширения материала датчика.

Приравнивая (7.12) и (7.13), учитывая (7.14) и зависимости между E0 и E, полагая, что T ≈ T' и T0 T0 , а так же выделяя из полученного равенства плотность энергии ЭМП в вакууме в соответствии с формулой w = ε0 E02, получаем

где ξ = εr, если силовые линии ЭП перпендикулярны большим граням датчика и ξ = 1/εr, если они параллельны, - плотность материала датчика.

Отсюда следует, что плотность энергии ЭМП в пространстве камеры нагрева свободном от обрабатываемого материала пропорциональна ∆N, т.е. w ≈ K∆N. Коэффициент пропорциональности K зависит от физических

150