eng
Выпуск #3/2010
О.Морозов, А.Каргин, Г.Савенко, В.Требух, И.Воробьев.
Промышленное применение СВЧ-нагрева
Промышленное применение СВЧ-нагрева
Просмотры: 17155
Развитие мощных магнетронов и научные исследования воздействия микроволновой энергии на различные материалы открыли широкие перспективы для промышленного применения СВЧ-техники и технологии. Еще недавно микроволновый нагрев не слишком привлекал российских инвесторов. Однако стремительный рост энергозатрат, стоимости энергии, ужесточение требований к охране окружающей среды постепенно изменяют ситуацию.
Можно выделить основные области применения СВЧ-нагрева – пищевая, резинотехническая и текстильная отрасли промышленности. Здесь важную роль играют такие характеристики, как КПД процесса, возможность автоматизации и высокое качество продукта. Имеются перспективы внедрения СВЧ-нагрева и сушки в фармацевтическую промышленность, обработку древесины и сельское хозяйство. Расширяется применение технологии быстрого нагрева в столовых, больницах, школах и т.п., массовое использование микроволновых печей в быту уже хорошо известно нашим читателям.
Эффект микроволнового нагрева основан на поглощении электромагнитной энергии в диэлектриках. Поля СВЧ проникают на значительную глубину, которая зависит от свойств материалов. Взаимодействуя с веществом на атомном и молекулярном уровне, эти поля влияют на движение электронов, что приводит к преобразованию СВЧ-энергии в тепло.
CВЧ-энергия – очень удобный источник тепла, обладающий в ряде применений несомненными преимуществами перед другими источниками. Он не вносит загрязнений при нагреве, при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания. Кроме того, легкость, с которой СВЧ-энергия преобразуется в тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева, при этом в материале не возникает разрушающих термомеханических напряжений. Генераторное оборудование полностью электронное и работает практически безынерционно, благодаря чему уровень мощности СВЧ и момент ее подачи можно мгновенно изменять. Сочетание СВЧ-нагрева с другими методами нагрева (паром, горячим воздухом, ИК-излучением и др.) дает возможность конструировать оборудование для выполнения различных функций, т.е. СВЧ-нагрев позволяет создавать новые технологические процессы, увеличивать их производительность и повышать качество продукции.
Для правильной оценки применимости СВЧ-энергии в специальных процессах требуется детальное знание свойств материала на различных частотах и на всех стадиях процесса. Поглощенная мощность и глубина, на которую эта мощность проникает, определяются тремя факторами: диэлектрической проницаемостью, частотой и геометрией СВЧ-системы.
Диэлектрическая проницаемость материалов с потерями – это комплексная величина:
,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ = ε1 / ε – коэффициент диэлектрических потерь материала, или тангенс угла потерь.
Под глубиной проникновения в СВЧ-энергетике понимают расстояние d, на котором плотность мощности уменьшается до 37% от значения на поверхности, т.е. другими словами, 63% начальной энергии электромагнитной волны поглощается в материале и превращается в тепло. При малой величине tgδ глубина проникновения определяется простым выражением [1]:
где d – глубина проникновения, см; f – частота, ГГц.
Мощность, поглощенная в единице объема, составит, Вт/см3:
Р = 2,87 · 10-4 Е2f · tgδ,
где Е – напряженность электрического поля, В/см; f – частота, ГГц.
Расчетные значения глубины проникновения СВЧ-энергии в продукты питания на широко используемой частоте 2,45 ГГц приведены в табл.1. Если tgδ уменьшается с температурой, то процесс нагрева стабилен (поглощение СВЧ-энергии падает с температурой). Такое автоматическое ограничение температуры происходит при нагреве диэлектриков, в которых потери обусловлены содержанием воды c ее особенной зависимостью диэлектрических свойств от температуры.
Нагрев инфракрасными или световыми источниками работает, в сравнении с микроволнами, на более высоких (примерно на 2–3 порядка) частотах. Соответственно, уменьшается глубина проникновения и нагревается только поверхность обрабатываемого объекта. Остальной объем получает тепло лишь за счет более медленного процесса теплопроводности. Это может привести к термомеханическим перенапряжениям и потере качества материала. Там, где затраты времени играют важную роль (варка, сушка или разогрев), микроволны имеют решающее преимущество перед тепловым излучением. Например, при приготовлении овощей или фруктов, СВЧ-нагрев помогает сохранить свежий вид и вкус, а содержание витаминов уменьшается незначительно.
Экономически эффективен СВЧ-нагрев при сушке твердых пород дерева, так как подъем температуры cо скоростью до 1000°С/с можно реализовать при напряженности поля 5 кВ/см.
По сравнению с инфракрасным нагревом применение микроволн имеет большое преимущество – почти мгновенные включение и выключение, а также точное регулирование температуры. Высокая плотность мощности и лучшая фокусировка приводят к большой экономии энергии. Бесполезное излучение и необходимость сопутствующего охлаждения окружающих деталей исключаются.
Интеграция электронного микроволнового генератора в автоматическую производственную линию достаточно проста благодаря приемлемой стоимости, экономичности и компактности. Также возможна комбинация с другими видами обработки. Например, при обработке тушек домашней птицы одновременно используются микроволны и пропаривание.
Разумеется, для конкретного применения необходимо точно оценивать такие факторы, как качество продукта, скорость обработки, требуемые площади, стоимость энергии и объем инвестиций, чтобы выяснить, будет ли микроволновый нагрев иметь преимущества перед традиционными методами.
Промышленные магнетроны
В качестве генераторов большой мощности используются магнетроны и клистроны. Благодаря более высокому КПД при мощности ниже 50 кВт доминируют магнетроны. Чаще всего применяются две частоты – 915 и 2450 МГц. Так как частота 915 МГц может использоваться не во всех случаях, то оптимальной в международной практике обычно считается частота 2450 МГц. Табл.2 дает представление о современных российских магнетронах, выпускаемых ЗАО "НПП "Магратеп", в сравнении с зарубежными приборами.
Магнетрон М-116-100 (рис.1) используется в установках размораживания рыбы, разупрочнения горных пород и в других случаях, где требуется повышенная глубина проникновения в материал.
Единственный в мире магнетрон М-137 мощностью 50 кВт на частоте 433 МГц (рис.2) успешно использовался в экспериментальных установках для разупрочнения грунта в Якутии. Столь низкая рабочая частота обеспечивает требуемую глубину проникновения микроволн в промерзшие породы.
Магнетрон М-168 мощностью 5 кВт (рис.3) широко применяется в установках для обрезинивания тросов, вулканизации резиновых деталей, полимеризации пластика.
Установки микроволновой обработки
Процессы нагрева СВЧ-энергией делят на две группы: непрерывные процессы и обработка партиями. При непрерывных процессах, например на конвейере, "сырой" материал непрерывно проходит через зону обработки, при этом нагрузка на выводе СВЧ-генератора практически не изменяется. При обработке партиями нагреваемый материал находится в зоне обработки до достижения требуемой температуры, поэтому с изменением температуры значительно меняются диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь. Это приводит к изменению нагрузки (причем в широких пределах), на которую должен работать СВЧ-генератор. Даже в отработанных экономичных установках КСВН нагрузки может превышать величину 4. В данном случае отдается предпочтение магнетронам из-за их способности работать на нагрузку с высоким КСВН.
Можно отметить другие принципиальные особенности СВЧ-нагрева. Изделия обрабатываются в закрытом объеме резонатора, поэтому энергия СВЧ используется максимально. Однако данное решение накладывает ограничение на производственный цикл – обработка должна производиться партиями. Интересный пример такого способа – удаление загустевших нефтепродуктов из железнодорожных цистерн путем СВЧ-подогрева внутренней полости (рис.4).
Для СВЧ-обработки поток зерна пропускается через круглый волновод (рис.5). Четвертьволновый отрезок на верхнем входном конце при заполнении зерном подавляет паразитное излучение до безопасного уровня.
Новая технология высокоинтенсивной тепловой обработки заключается в нагреве зерна комбинированным способом: сначала конвективным – до температуры 95оС и далее – в электромагнитном СВЧ-поле до температуры 120–150°С (рис.6). При быстром нагреве зерна "изнутри" происходит закипание капиллярной влаги, нарастание парциального давления водяных паров и разрыв оболочек крахмала. При этом трудно перевариваемый крахмал расщепляется на декстрины – легко усваиваемые формы. При такой обработке зерна, содержащего около 40% крахмала, его питательная ценность повышается на 20–30% и улучшаются вкусовые качества.
Другими перспективными СВЧ-технологиями являются сушка, дезинсекция и обеззараживание зерна, тепловая стимуляция зерна при предпосевной обработке, улучшение хлебопекарных качеств и ряд других. Возможны пастеризация и стерилизация жидких пищевых продуктов с использованием СВЧ-энергии. Эти методы отличает высокая производительность процесса и компактность установок. Кроме всего прочего, установки СВЧ-обработки материалов имеют возможность точного поддержания технологических режимов, что позволяет получать продукты высокого качества, например при сушке лекарственных трав (рис.7).
В ряде случаев приходится иметь дело с такими крупногабаритными объектами, что нельзя применить резонаторы или конвейерную обработку. Тогда, например, пакет деревянного бруса для сушки загружается в бокс, внутри которого обрабатывается СВЧ-энергией с помощью системы специальных волноводно-щелевых излучателей (рис.8).
Излучающие системы особенно пригодны для нагрева тонких пленок или СВЧ-гипертермии злокачественных новообразований.
Сущность метода заключается в разогреве опухоли с помощью электромагнитного излучения до уровня температур 42–44°С. Преимущества СВЧ-гипертермии состоят в том, что зона воздействия разогревается изнутри, прогрев тканей при этом равномерный, без повреждения кожных покровов. Современная установка для локальной СВЧ-гипертермии "Яхта-3" (ФГУП "НПП "Исток", г. Фрязино) [2] позволяет создавать и длительно поддерживать зону гипертермии в опухоли практически любой конфигурации с минимальным воздействием на окружающие органы и ткани. СВЧ-гипертермия используется как в самостоятельном виде, так и в качестве средства, усиливающего эффект химио- и лучевой терапии.
Обеспечение безопасности работ
Стремление сэкономить на внедрении нового оборудования нередко создает опасность для обслуживающего персонала, особенно если СВЧ-установки эксплуатируются ненадлежащим образом.
Во-первых, существует паразитное излучение, которое особенно опасно для глаз. В настоящее время российский стандарт устанавливает допустимую плотность СВЧ-мощности на рабочих местах персонала не более 25 мкВт/см2. Защитная дверца и водяная поглощающая нагрузка гарантируют полное экранирование при правильном производственном обслуживании. При поточном производстве для входа и выхода продукции конструируют специальные уплотняющие устройства защиты.
Во-вторых, опасность представляют высокие питающие напряжения 5–20 кВ не только из-за возможности поражения электрическим током, но и из-за неполного подавления рентгеновского излучения. Тщательное обслуживание и регулярный контроль персонала обеспечивают достаточную защиту.
Как правило, на рынке предлагаются микроволновые установки с полным "пакетом безопасности", в которых с помощью сенсоров производится контроль и при необходимости отключение оборудования.
В заключение следует отметить, что СВЧ-энергия уже широко применяется в промышленности развитых стран. Авторы надеются, что эти технологии получат достойное развитие и в России. Для этого имеется научно-технический потенциал и наработки отечественных энтузиастов СВЧ-нагрева. Предприятие ЗАО "НПП "Магратеп" готово обеспечить любые потребности в мощных магнетронах и оказать необходимую поддержку при внедрении СВЧ-технологий.
Литература
1. СВЧ-энергетика / Пер. с англ. Под ред. Шлифера Э.Д., т. 2. – М.: Мир, 1971.
2. ИР, 2008, №12; www.hyperthermia.ru
Эффект микроволнового нагрева основан на поглощении электромагнитной энергии в диэлектриках. Поля СВЧ проникают на значительную глубину, которая зависит от свойств материалов. Взаимодействуя с веществом на атомном и молекулярном уровне, эти поля влияют на движение электронов, что приводит к преобразованию СВЧ-энергии в тепло.
CВЧ-энергия – очень удобный источник тепла, обладающий в ряде применений несомненными преимуществами перед другими источниками. Он не вносит загрязнений при нагреве, при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания. Кроме того, легкость, с которой СВЧ-энергия преобразуется в тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева, при этом в материале не возникает разрушающих термомеханических напряжений. Генераторное оборудование полностью электронное и работает практически безынерционно, благодаря чему уровень мощности СВЧ и момент ее подачи можно мгновенно изменять. Сочетание СВЧ-нагрева с другими методами нагрева (паром, горячим воздухом, ИК-излучением и др.) дает возможность конструировать оборудование для выполнения различных функций, т.е. СВЧ-нагрев позволяет создавать новые технологические процессы, увеличивать их производительность и повышать качество продукции.
Для правильной оценки применимости СВЧ-энергии в специальных процессах требуется детальное знание свойств материала на различных частотах и на всех стадиях процесса. Поглощенная мощность и глубина, на которую эта мощность проникает, определяются тремя факторами: диэлектрической проницаемостью, частотой и геометрией СВЧ-системы.
Диэлектрическая проницаемость материалов с потерями – это комплексная величина:
,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ = ε1 / ε – коэффициент диэлектрических потерь материала, или тангенс угла потерь.
Под глубиной проникновения в СВЧ-энергетике понимают расстояние d, на котором плотность мощности уменьшается до 37% от значения на поверхности, т.е. другими словами, 63% начальной энергии электромагнитной волны поглощается в материале и превращается в тепло. При малой величине tgδ глубина проникновения определяется простым выражением [1]:
где d – глубина проникновения, см; f – частота, ГГц.
Мощность, поглощенная в единице объема, составит, Вт/см3:
Р = 2,87 · 10-4 Е2f · tgδ,
где Е – напряженность электрического поля, В/см; f – частота, ГГц.
Расчетные значения глубины проникновения СВЧ-энергии в продукты питания на широко используемой частоте 2,45 ГГц приведены в табл.1. Если tgδ уменьшается с температурой, то процесс нагрева стабилен (поглощение СВЧ-энергии падает с температурой). Такое автоматическое ограничение температуры происходит при нагреве диэлектриков, в которых потери обусловлены содержанием воды c ее особенной зависимостью диэлектрических свойств от температуры.
Нагрев инфракрасными или световыми источниками работает, в сравнении с микроволнами, на более высоких (примерно на 2–3 порядка) частотах. Соответственно, уменьшается глубина проникновения и нагревается только поверхность обрабатываемого объекта. Остальной объем получает тепло лишь за счет более медленного процесса теплопроводности. Это может привести к термомеханическим перенапряжениям и потере качества материала. Там, где затраты времени играют важную роль (варка, сушка или разогрев), микроволны имеют решающее преимущество перед тепловым излучением. Например, при приготовлении овощей или фруктов, СВЧ-нагрев помогает сохранить свежий вид и вкус, а содержание витаминов уменьшается незначительно.
Экономически эффективен СВЧ-нагрев при сушке твердых пород дерева, так как подъем температуры cо скоростью до 1000°С/с можно реализовать при напряженности поля 5 кВ/см.
По сравнению с инфракрасным нагревом применение микроволн имеет большое преимущество – почти мгновенные включение и выключение, а также точное регулирование температуры. Высокая плотность мощности и лучшая фокусировка приводят к большой экономии энергии. Бесполезное излучение и необходимость сопутствующего охлаждения окружающих деталей исключаются.
Интеграция электронного микроволнового генератора в автоматическую производственную линию достаточно проста благодаря приемлемой стоимости, экономичности и компактности. Также возможна комбинация с другими видами обработки. Например, при обработке тушек домашней птицы одновременно используются микроволны и пропаривание.
Разумеется, для конкретного применения необходимо точно оценивать такие факторы, как качество продукта, скорость обработки, требуемые площади, стоимость энергии и объем инвестиций, чтобы выяснить, будет ли микроволновый нагрев иметь преимущества перед традиционными методами.
Промышленные магнетроны
В качестве генераторов большой мощности используются магнетроны и клистроны. Благодаря более высокому КПД при мощности ниже 50 кВт доминируют магнетроны. Чаще всего применяются две частоты – 915 и 2450 МГц. Так как частота 915 МГц может использоваться не во всех случаях, то оптимальной в международной практике обычно считается частота 2450 МГц. Табл.2 дает представление о современных российских магнетронах, выпускаемых ЗАО "НПП "Магратеп", в сравнении с зарубежными приборами.
Магнетрон М-116-100 (рис.1) используется в установках размораживания рыбы, разупрочнения горных пород и в других случаях, где требуется повышенная глубина проникновения в материал.
Рис.1. Промышленный магнетрон М-116-100
Единственный в мире магнетрон М-137 мощностью 50 кВт на частоте 433 МГц (рис.2) успешно использовался в экспериментальных установках для разупрочнения грунта в Якутии. Столь низкая рабочая частота обеспечивает требуемую глубину проникновения микроволн в промерзшие породы.
Магнетрон М-168 мощностью 5 кВт (рис.3) широко применяется в установках для обрезинивания тросов, вулканизации резиновых деталей, полимеризации пластика.
Установки микроволновой обработки
Процессы нагрева СВЧ-энергией делят на две группы: непрерывные процессы и обработка партиями. При непрерывных процессах, например на конвейере, "сырой" материал непрерывно проходит через зону обработки, при этом нагрузка на выводе СВЧ-генератора практически не изменяется. При обработке партиями нагреваемый материал находится в зоне обработки до достижения требуемой температуры, поэтому с изменением температуры значительно меняются диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь. Это приводит к изменению нагрузки (причем в широких пределах), на которую должен работать СВЧ-генератор. Даже в отработанных экономичных установках КСВН нагрузки может превышать величину 4. В данном случае отдается предпочтение магнетронам из-за их способности работать на нагрузку с высоким КСВН.
Рис.4. Схема установки для разогрева нефтепродуктов в ж/д цистернах (предприятие "Элвис", г. Н. Новгород). СВЧ-генератор опускается сверху
Можно отметить другие принципиальные особенности СВЧ-нагрева. Изделия обрабатываются в закрытом объеме резонатора, поэтому энергия СВЧ используется максимально. Однако данное решение накладывает ограничение на производственный цикл – обработка должна производиться партиями. Интересный пример такого способа – удаление загустевших нефтепродуктов из железнодорожных цистерн путем СВЧ-подогрева внутренней полости (рис.4).
Для СВЧ-обработки поток зерна пропускается через круглый волновод (рис.5). Четвертьволновый отрезок на верхнем входном конце при заполнении зерном подавляет паразитное излучение до безопасного уровня.
Рис.5. Установка СВЧ-обработки зерна (ВНИИМЭСХ, г. Зерноград)
Рис.6. Установка высокоинтенсивной тепловой обработки зерновых продуктов "Декстрин-2" (проект)
Новая технология высокоинтенсивной тепловой обработки заключается в нагреве зерна комбинированным способом: сначала конвективным – до температуры 95оС и далее – в электромагнитном СВЧ-поле до температуры 120–150°С (рис.6). При быстром нагреве зерна "изнутри" происходит закипание капиллярной влаги, нарастание парциального давления водяных паров и разрыв оболочек крахмала. При этом трудно перевариваемый крахмал расщепляется на декстрины – легко усваиваемые формы. При такой обработке зерна, содержащего около 40% крахмала, его питательная ценность повышается на 20–30% и улучшаются вкусовые качества.
Другими перспективными СВЧ-технологиями являются сушка, дезинсекция и обеззараживание зерна, тепловая стимуляция зерна при предпосевной обработке, улучшение хлебопекарных качеств и ряд других. Возможны пастеризация и стерилизация жидких пищевых продуктов с использованием СВЧ-энергии. Эти методы отличает высокая производительность процесса и компактность установок. Кроме всего прочего, установки СВЧ-обработки материалов имеют возможность точного поддержания технологических режимов, что позволяет получать продукты высокого качества, например при сушке лекарственных трав (рис.7).
В ряде случаев приходится иметь дело с такими крупногабаритными объектами, что нельзя применить резонаторы или конвейерную обработку. Тогда, например, пакет деревянного бруса для сушки загружается в бокс, внутри которого обрабатывается СВЧ-энергией с помощью системы специальных волноводно-щелевых излучателей (рис.8).
Излучающие системы особенно пригодны для нагрева тонких пленок или СВЧ-гипертермии злокачественных новообразований.
Сущность метода заключается в разогреве опухоли с помощью электромагнитного излучения до уровня температур 42–44°С. Преимущества СВЧ-гипертермии состоят в том, что зона воздействия разогревается изнутри, прогрев тканей при этом равномерный, без повреждения кожных покровов. Современная установка для локальной СВЧ-гипертермии "Яхта-3" (ФГУП "НПП "Исток", г. Фрязино) [2] позволяет создавать и длительно поддерживать зону гипертермии в опухоли практически любой конфигурации с минимальным воздействием на окружающие органы и ткани. СВЧ-гипертермия используется как в самостоятельном виде, так и в качестве средства, усиливающего эффект химио- и лучевой терапии.
Рис.7. Установка сушки лекарственных трав "Юниор" (проект)
Обеспечение безопасности работ
Стремление сэкономить на внедрении нового оборудования нередко создает опасность для обслуживающего персонала, особенно если СВЧ-установки эксплуатируются ненадлежащим образом.
Во-первых, существует паразитное излучение, которое особенно опасно для глаз. В настоящее время российский стандарт устанавливает допустимую плотность СВЧ-мощности на рабочих местах персонала не более 25 мкВт/см2. Защитная дверца и водяная поглощающая нагрузка гарантируют полное экранирование при правильном производственном обслуживании. При поточном производстве для входа и выхода продукции конструируют специальные уплотняющие устройства защиты.
Во-вторых, опасность представляют высокие питающие напряжения 5–20 кВ не только из-за возможности поражения электрическим током, но и из-за неполного подавления рентгеновского излучения. Тщательное обслуживание и регулярный контроль персонала обеспечивают достаточную защиту.
Как правило, на рынке предлагаются микроволновые установки с полным "пакетом безопасности", в которых с помощью сенсоров производится контроль и при необходимости отключение оборудования.
В заключение следует отметить, что СВЧ-энергия уже широко применяется в промышленности развитых стран. Авторы надеются, что эти технологии получат достойное развитие и в России. Для этого имеется научно-технический потенциал и наработки отечественных энтузиастов СВЧ-нагрева. Предприятие ЗАО "НПП "Магратеп" готово обеспечить любые потребности в мощных магнетронах и оказать необходимую поддержку при внедрении СВЧ-технологий.
Литература
1. СВЧ-энергетика / Пер. с англ. Под ред. Шлифера Э.Д., т. 2. – М.: Мир, 1971.
2. ИР, 2008, №12; www.hyperthermia.ru
Отзывы читателей
