Обеспечение безопасности при работе с СВЧ установками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Технологии производств и применение СВЧ технологии в промышленности
• 1.1 Сушка материалов
• 1.1.1 Удаление из материала влаги механическим способом
• 1.1.2 Тепловой способ сушки
• 1.1.3 Химический способ
• 1.2 Дезинфекция медицинских отходов
• 1.2.1 Физические виды дезинфекции медицинских отходов
• 1.2.2 Химическая дезинфекция
• 1.3 Получение некоторых видов строительных материалов
• 1.4 Применение СВЧ технологии в промышленности
• 1.5 История
• 1.5.1 Электромагнитный спектр и международные стандарты ISM
• 1.6 Микроволновые технологии -- энергоэффективны и технологичны
• 1.6.1 Преимущества и проблемы микроволнового нагрева
• 1.6.2 Физические основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов
• 1.6.3 Устройства, генерирующие волны СВЧ
• 1.6.4 Микроволновые устройства передачи
• 1.7 Оборудование для промышленного СВЧ нагрева
• 1.7.1 Конструкция микроволновых установок
• 1.7.2 Принцип СВЧ нагрева
• 1.7.3 СВЧ устройства конвейерного типа
• 1.7.4 СВЧ устройства периодического типа
• Глава 2. Обеспечение безопасности при работе с СВЧ установками
• 2.1 Электромагнитная совместимость (ЭМС) и обеспечение безопасности
• 2.1.1 Запредельный волновод
• 2.1.2 Простые и дроссельные соединения волноводов
• 2.1.3 Плотный контакт между дверью и камерой
• 2.1.4 Уплотняющая пружинная прокладка
• 2.2 Заключение
• Глава 3. Получение зависимостей коэффициента ослабления от некоторых параметров запредельных волноводов
• 3.1 Расчет прямоугольного запредельного волновода
• 3.1.1 Расчет зависимости коэффициента ослабления относительно ширины сечения прямоугольного волновода
• 3.1.2 Расчет зависимости коэффициента ослабления относительно длины прямоугольного волновода
• 3.2 Расчет круглого запредельного волновода
• 3.2.1 Расчет зависимости коэффициента ослабления относительно радиуса круглого волновода
• 3.2.2 Расчет зависимости коэффициента ослабления относительно длины круглого волновода
• 3.3 Эксперимент на основе микроволновой установке предназначенной для отверждения стеклопластиковой арматуры
• Заключение
• Список литературы

Введение

Технологический процесс является самой важной частью производственного процесса, которая связана с переработкой исходных материалов и превращением его товар готовый для продажи. Технологический процесс состоит из стадий или этапов производства, которые сильно влияют на итоговую скорость всего процесса.

Развитие технологических процессов, улучшение технико-экономических и энергоэффективных показателей и создание технических систем производства происходит с определенными закономерностями, условия которых ужесточаются с каждым годом.

Уровень технологии любого производства сильно влияет на экономические показатели, поэтому создается оптимальный технологический процесс с точки зрения важнейших показателей производительности, себестоимости и качества производимой продукции.

Таким образом, технология СВЧ проявляет одни из самых лучших показателей. Но для использования микроволновой технологии нужно знать и правильно использовать методы обеспечения безопасности.

Глава 1. Технологии производств и применение СВЧ технологии в промышленности

микроволновый установка безопасность

В настоящее время существует множество разных технологий производства и обработки различных материалов, которые являются не самыми экологичными и энергоэффективными, так как используются такие технологии, которые не модернизируются уже не одни десятки лет. Это происходит из-за нехватки научных достижений человечества, и используемые старые методы производства наносят существенный вред не только природе, но людям, которые находятся вблизи таких предприятий и заводов. Таким образом, современные требования к технологиям производств ужесточаются с каждым годом, и ученым приходится искать новые методы получения материалов или их улучшенных аналогов.

Для примера можно рассмотреть несколько этапов технологий производств из разных видов промышленностей с низкоэнергоэффективными и неэкономичными свойствами.[6]

1.1 Сушка материалов

На сегодняшний день сушка различных материалов является одной из самых низко энергоэффективных этапов цикла производства. На заводах в производственном цикле бывает необходимо выводить часть влаги из множества строительных материалов, исходного сырья, различной твердости и сыпучести материалов, удалять растворители с покрашенных товаров, продуктов и всевозможных паст, полуфабрикатов и прочее. Это необходимо для улучшения качеств различных материалов, например для увеличения теплоты сгорания каменного угля, для ускорения каких-либо процессов, например сушка древесины нужна не только для уменьшения массы, но и для ускорения строительства (сырые пиломатериалы имеют свойство изменяться или скручиваться) и увеличения долговечности дерева, а так же сушка применяется для увеличения продолжительности хранения продуктов.[7,9]

1.1.1 Удаление из материала влаги механическим способом

При механическом типе обезвоживания используются такие способы как: прессование, фильтрование и центрифугирование. Такие методы нужны для частичной сушки, при которой значительная часть влаги все еще остается в материале и полное удаление её не требуется.

Некоторые примеры способов механического типа обезвоживания:

? Отсасывание в лесоперерабатывающей промышленности - может использоваться для сушки пиломатериалов. В камеру погружается древесина, камеру наполняют нагретым сушильным агентом и после передачи влаги агенту, включается отсасывающий вакуумный насос, который создает в камере давление, приближенное к вакууму.

? Центрифугирование используется, например в сушке утфеля. Утфель -- это масса, которая состоит из кристаллов сахарозы и межкристального раствора. Для получения сахара утфель направляется в центрифугу для отделения кристаллов сахара от межкристального оттека. Большая часть межкристального раствора удаляется во время центрифугирования, но на данном этапе сушка происходит до 1.0…1.5% влаги. Далее следует высушивание горячим воздухом до содержания 0.14% влажности сахара. Последний метод называется тепловой сушкой. [7]

1.1.2 Тепловой способ сушки

Метод теплового удаления влаги является одним из самых старых и знаменитых сушек материалов. Он делится на 2 вида: естественный и искусственный.

Естественная сушка происходит на открытом воздухе и является длительным процессом, в котором для испарения влаги источник теплоты и сушильный агент -- это атмосферный воздух и солнечная энергия. Такой метод используется для сушки больших объемов материалов на больших территориях. При этом не каких-либо условий по температуре и влажности окружающей среды, например сушка дерева, травы и прочее.

При помощи искусственной тепловой сушки возможно более полное обезвоживание материалов путем превращения влаги в пар и отвода этих паров. Установки предназначенные для искусственной сушки имеют много общего с другими тепло- и массообменными аппаратами. В разных сушильных аппаратах влага отводится по-разному и их подразделяют на различные виды: контактные, конвективные, радиационные и радиационно-конвективные, установки с высокой и промышленное частотой.

? Тепло в конвективных установках передается материалу от изначально нагретой среды через конвекцию при совмещении процессов тепло и массообмена на поверхности высушиваемого материала. Сушильным агентом участвует рабочая среда, которая переносит теплоту и массы водяного пара.

? Процесс сушка на нагретой металлической поверхности называется кондуктивным. Через нагретую поверхность теплопроводностью передается количество теплоты материалу, чтобы производился процесс испарения влаги. Полученный, таким образом, водяной пар, выходящий из материала, смешивается с окружающей средой и при помощи вентиляции удаляется из сушильной камеры.

? Кондуктивную и комбинированную кондуктивно-конвективную сушки обычно объединяют под общим названием - контактная.

? В радиационной и радиационно-конвективной сушке при помощи специальных излучателей и излучающих поверхностей передается количество теплоты для нагревания объекта и испарения влаги.

Для примера можно рассмотреть сушку песка, в которой коэффициент полезного действия очень низок.

Трёхходовое барабанное сушило состоит из топки 3, загрузочной воронки 1, трёхходового барабана 2, разгрузочного желоба 5 и механизма вращения 4 барабана. Благодаря такой конструкции путь перемещения материала при сушке в барабане в 3 раза больше его длины, а значит, одна и та же производительность достигается при меньших габаритных размерах. Потери тепла в трёхходовой сушилке снижаются на 75 % по сравнению с одноходовой за счет снижения температуры отходящего газа и уменьшения поверхности контакта барабана с окружающей средой .[7]

Рис. 1.1.2. Трёхходовое барабанное сушило

Вертикальные сушила для песка строят по принципу многоподовых печей. Песок в них пересыпается с вращающихся тарелок на неподвижные кольца, а с колец снова на тарелки и т. д. Пересыпание осуществляется с помощью скребков. Вертикальные сушила делают обычно с противотоком - топочные газы движутся навстречу песку. Расход условного топлива в таких сушилках составляет 40… 60 кг топлива на 1 т песка.[7]

Идеальной заменой для данного типа сушки пески является применение СВЧ технологии в конвейерном режиме работы. Такой метод значительно сокращает затраты на нагрев песка и прощает весь цикл производства.

1.1.3 Химический способ

Иногда обезвоживание достигается поглощением влаги гигроскопическими веществами: хлористым кальцием, серной кислотой и т. п., но этот способ сравнительно дорогой. Его применяют главным образом для осушки газов, обезвоживания ценных пород древесины и т. п.

Подводя итог можно, без каких-либо сомнений, определить, что представленные виды сушки являются неэкологичными и неэкономичными в связи с большими затратами энергий. Коэффициент полезного действия таких способов удаления влаги из материала в производственных процессах колеблется от 23 до 52 %.

1.2 Дезинфекция медицинских отходов

Среди различных типов отходов одним из самых опасных для человека и окружающей среды является вид медицинских отходов, даже не смотря на то что, их доля составляет всего 2% от всех твердых бытовых отходов. В числе опасных такие позиции, как:

? возбудители инфекционных заболеваний;

? наличие радиоактивных и токсичных веществ;

? патогенные микроорганизмы;

? повторное использование одноразовых медицинских инструментов.

Поэтому, в 1979 году Всемирной организацией здравоохранения медицинские отходы были отнесены к группе особо опасных отходов, для которых были созданы специальные условия дезинфекции. То есть перед тем как отходы будут вывезены на полигон ТБО (твердые бытовые отходы), они обязательно должны пройти этап обеззараживания.

Чтобы сделать медицинские отходы (далее МО) безопасными для человека, применяют 2 вида воздействия: физическое и химическое.

1.2.1 Физические виды дезинфекции медицинских отходов

Наиболее простым способом обеззараживания МО является стерилизация водяным паром при температуре свыше 100°С в автоклаве. Водяной пар под давлением подают на материалы, таким образом материалы нагреваются и уничтожаются различные споры. Эффективность такого процесса контролирую с помощью особых спор. Данная технология является известной, отработанной и наиболее дешевой для применения. Но у нее существует ряд недостатков: образование неприятных запахов при недостаточной вентиляции, если в отходах существуют какие-либо опасные химические соединения, то возможен выброс токсических агентов в воздух, сточные воды или загрязнение "остаточными отходами" полигонов.

Можно сделать вывод, что при обеззараживании водяным паром часть отходов может остаться и отрицательно повлиять на окружающую среду в целом.

Следующим способом является сжигание в инсинераторе. Такая технология представляет собой процесс дезинфекции, а точнее уничтожения МО при помощи сжигания в специальной камере или инсинераторе. Главным минусом этого вида дезинфекции является дороговизна эксплуатации.

Также существует стерилизация, осуществляемая с помощью инфракрасного и радиоактивного излучения. Предложенная технология появилась в свет относительно недавно, но и не получила большого распространения. У данного способа имеется пара существенных недостатков; не все МО обеззараживаются, так как некоторые виды микроорганизмов радиоустойчивы; существует риск, облучения персонала обслуживающего процесс.

Самый эффективный способ дезинфекции медицинских отходов -- это использование микроволн. Микроволновую обработку может осуществлять как крупный стационарный завод по переработке медицинских отходов, так и небольшие передвижные установки.

Для данного типа дезинфекции отходы предварительно измельчаются, затем они смешиваются с обычной водой и подвергаются воздействию микроволнового излучения. В ходе обработки образуются тепло и пар, которые равномерно нагревают все отходы и эффективно нейтрализуют все биологически активные вещества.[6]

1.2.2 Химическая дезинфекция

Метод обеззараживания заключается в обработке измельчённых МО в камере химическими дезинфектантами. Такая технология измельчения и химической дезинфекции способствует хорошему проникновению веществ в толщу МО, что повышает качество дезинфекции по сравнению с обычной паровой. Но если более полно сравнивать методы физической и химической дезинфекции, то последний приводит к повышению экологической нагрузки на окружающую среду, а также, в связи с этим, может быть вреден для обслуживающего персонала. Стоит отметить, во время тестового проекта было обнаружено неполное обеззараживание, что доказало неэффективность химического метода.

1.3 Получение некоторых видов строительных материалов

В строительной области существует огромное множество материалов для любых типов построек. Некоторые из них получают очень сложно и дорого, например различные теплоизоляционные материалы, бетонные блоки и т.п. Например, производство пеностекла, одного из самых лучших теплоизоляторов, является не дешевым, что, естественно, сильно влияет на конечную цену продукта. Основная технология производства пеностекла такова:

? очистка боя стекла от мусора;

? измельчение до размеров не более 50мкм;

? добавление в стекольный порошок газообразователя;

? нагрев всей массы до 750-850°С с одновременным вспениванием;

? охлаждение полученной стекольной пены в определенных формах.

Такая технология требует применения сложных больших механических конструкций, внушительных объемов специальных химических реагентов, значительных временных и энергетических затрат, что и делает материал дорогостоящим.

Решение задачи снижения стоимости производства пеностекла возможно при применении инновационных методов объёмного нагрева в интенсивных электромагнитных СВЧ полях. Метод получения таков:

? разлитие жидкого стекла в специальные нужные формы;

? нагрев в микроволновой камере в интенсивных электромагнитных полях;

? вспенивание, происходящее, в последствии нагрева;

? остывание полученного пеностекла.

Представленная технология имеет огромное преимущество перед традиционным методом. Себестоимость жидкого стекла намного ниже получения стекольного лома, а также энергоэффетивность и экологичность всего процесса сильно превосходит используемую на сегодняшний день технологию производства пеностекла. [2]

1.4 Применение СВЧ технологии в промышленности

Нагрев обычного типа включает в себя передачу тепловой энергии к материалам по проводящим, радиационным и конвективным способом, как правило, от материала поверхности к внутренней области. Скорость теплового потока от поверхности материала к внутренней части ограничена градиентом температуры и температуропроводностью, которая является функцией теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости материала. Температуропроводность диктует скорость передачи тепла в материале, и тепло быстро перемещается в рабочему телу с высокой температуропроводностью, в то время, как передача тепла замедлиться в материалах с низкой температуропроводностью. Таким образом, применение обычного нагрева в промышленной переработке является сложным, когда требуется селективный нагрев. Это может привести к медленной и высокой потреблению энергии, особенно когда токоизолирующий или изоляционные материалы должна быть нагреты. Другим недостатком обычного нагрева является неравномерное распределение температуры в рабочем теле. Из этого следует трудный процесс контроля нагрева, плохое качество продукции и возможное загрязнение окружающей среды в зависимости от типа нагрева.

Традиционный процесс нагрева может быть заменён использованием СВЧ-технологией нагрева, которая обеспечивает высокую эффективность преобразования электричества в электромагнитную энергию. Это связано с высокой эффективностью магнетронов (86% КПД на частоте 915 МГц и 80% КПД на 2450 МГц). В СВЧ-нагреве, нет никакой передачи тепловой энергии материалу обычным способом. С термодинамической точки зрения, сам материал выступает в качестве источника тепла. Главным отличием СВЧ нагрева от обычного является частичное поглощение микроволновой энергии нагреваемым телом, причем поглощение происходит сразу всем объемом тела. Эта концепция была использована в течение многих десятилетий как часть кухонное устройство для быстрого и эффективного нагрева пищевых продуктов, но в настоящее время, технология получила растущий интерес в промышленном отношении в качестве метода энергоэффективного нагрева для обработки материалов. К ним относятся такие области, как, сушка древесины, пищевая инженерия для повторного нагрева, предварительная варки, приготовление пищи, закалка, выпечка, пастеризация, стерилизация, керамическая обработка, рекультивация нефти загрязненный буровой резки, предварительная обработка угля и др.[1]

1.5 История

Микроволновая печь была изобретена как случайный побочный продукт военного времени второй мировой войны радиолокационного исследования с использованием электронной трубки. В 1946 году инженер доктор Перси Спенсер, который работал в компании Raytheon Сorporation, работал над электронной трубкой. Однажды во время работы, у него оказалось шоколадка в кармане, и он обнаружил, что она расплавилась. Таким образом, появилась гипотеза, что волны СВЧ диапазона могли стать причиной расплавления шоколада. После экспериментов, он понял, что данная технология послужит созданию микроволновых печей, которые будут готовить очень быстро по сравнению с обычными печами, которые работают при высокой температуре.

Amana Refrigeration, дочерняя компания Raytheon Сorporation, в 1967 году представила первую компактную микроволновую печь, которая называется Radarange. Это была модель, работавшая от 115 V, размером со стол, продавалась в розницу по цене $ 495. На приготовление гамбургера такой микроволновой печи требовалось около 35 секунд.

В 1964 году была разработан магнетрон. Магнетрон -- это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Благодаря этому устройству стало возможным заменить старые громоздкие электронные трубки и сделать размеры печи компактными.

В 1968 году тесты Уолтера Рида в больнице подтвердили многие опасения, что микроволновые печи действительно опасны для человека. Федеральные стандарты, установленные в 1971 году решили проблему. И спустя 23 года, уже девяносто процентов всех американских домов имели такой прибор.

В СССР с начала 80-х микроволновые печи выпускались на заводах ЗИЛ (модель «ЗИЛ») и Южный машиностроительный завод (модель «Мария МВ»). Тамбовский завод «Электроприбор» (Модель «Электроника»); Днепровский машиностроительный завод им. Ленина (ДМЗ) выпускал «Днепрянка-1» (1990 г, 32 литра, магнетрон М-105-1, потребляемая мощность 1300 ватт, мощность СВЧ-излучения 600 ватт, масса 41 кг, цена 350 руб) и «Днепрянка-2».

1.5.1 Электромагнитный спектр и международные стандарты ISM

Электромагнитные волны состоят из электрического (Е) и магнитного полей (В), которые могут проходить через пространство, и распространяться в поперечном направлении с соответствующей скоростью, равной скорости света.

Они обладают всеми свойствами волн, такие как отражение,

преломление, интерференция, дифракция и поглощения. Рис. 1.5.1. показывает ортогональное колебание магнитного и электрического поля при распространении электромагнитной волны.

Рис. 1.5.1.: Перпендикулярные колебания электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах (E-электрическое поле, B-магнитное поле).

Электромагнитный спектр представляет диапазон частот. Волны могут быть описаны с помощью любого из следующих трех физический параметр: частота, длина волны и энергия фотона, и расположены от низкочастотных электромагнитных волн, используемых для радиосвязи до высокой частоты инфракрасного, ультрафиолетового и гамма излучения. Энергия электромагнитного фотона прямо пропорциональна частоте волны, выраженной в уравнении

, (1)

где энергия (Дж), постоянная Планка (6.63 ), есть длина волны (м), скорость электромагнитные волны(мс) и частота в Герцах (Гц).

Из уравнения (1) следует, что СВЧ обладает большей энергией, чем радиоволны, которые имеет меньшую частоту колебаний. Электромагнитные волны разделены на две различные группы; ионизирующее излучение, удаляющее электроны из атома; и неионизирующих излучений, не вызывающее ионизацию атома. [6]

Рис. 1.5.2: Шкала частот электромагнитного спектра

Международные стандарты использования частот (ISM)

Микроволны являются неионизирующей формой электромагнитной энергии, лежащей между радио и инфракрасной областей в электромагнитном спектре и в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, с соответствующими длинами волн в диапазоне от 1 м до 1 мм соответственно.

Государственные власти в разных странах строго следуют международная таблица распределения частот для промышленных, научных и медицинских целей. В таблице 1.5.1 перечислены МСЭ разрешается

Таблица 1.5.1.: Разрешенные частоты для ISM

Не смотря на то, что микроволновая печь может работать на диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, правительство ограничивает большую часть диапазона частот, тем самым оставляя выделенные полосы частот для бытового, промышленного и медицинского применения. Для того, чтобы избежать помех с телекоммуникационным оборудованием для СВЧ-нагрева использует специальные полосы частот, предназначенные для научных и медицинских исследований (ISM). Эти выделенные частоты незначительно отличаться в некоторых странах. Например, 896 МГц используется в Соединенном Королевстве, в то время как 915 МГц используется в России и Соединенных Штатах для промышленного нагрева. 1.6. Микроволновые технологии -- энергоэффективны и технологичны

1.6.1 Преимущества и проблемы микроволнового нагрева

Многие факторы оправдывают применение микроволновой энергии для нагрева пищевой промышленности. Они привели к большому прогрессу в исследованиях, разработках и нашли применение в обработке различных материалов в таких областях, как керамическое спекание, переработка пластмасс, синтез графена, извлечение золота и лечение, сварка термопластов и обработка отходов. Объемный СВЧ нагрев диэлектрических материалов, приводит к быстрому и эффективному распределению тепла по всей массе.

Другими преимуществами являются стоимость и экономия энергии, экологически чистое применение технологии, улучшение качества продукции, ускорение производства, требуется меньшая площадь, уменьшение потерь тепла, точный и контролируемый нагрев тепловых изоляторов.

Тем не менее, существует целый ряд факторов, которые имеют отрицательный характер. Основным источником энергии СВЧ технологии является электрическая энергия, которая дороже газа, поэтому стоимость потребления энергии будет зависеть от стоимости электроэнергии независимо от эффективности микроволновой печи. Еще одной проблемой, существующей во время применения микроволновой печи в промышленных масштабах, например в переработке полезных ископаемых это возможность теплового пробоя и тепловой неустойчивости, вызванные взаимодействием

электромагнитных волн с материалами. Это явление вызывает неконтролируемое повышение температуры рабочей нагрузки и последующее повреждение. Интересно отметить, что причины этого эффекта отличается в различных условиях обработки. И, наконец, нагрев в микроволновой печи сильно зависит от свойств материала. Некоторые материалы являются хорошими микроволновыми поглотителями; некоторые прозрачны, а другие отражают микроволновую энергию без выработки тепла.

Таким образом, для применения любого процесса нагрева СВЧ, ключевым и обязательным условием является детальное понимание микроволновых основ и понимание взаимодействия микроволновой энергии с материалом.

1.6.2 Физические основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов

Итак, разберём физический смысл влияния СВЧ частот на диэлектрики. Сверхвысокочастотное излучение проникает в материал и взаимодействует с заряженными частицами, тем самым заставляя их систематически отклоняться. Молекулы диэлектрика бывают полярными и неполярными. В неполярных молекулах распределение заряженных частиц симметрично настолько, что если внешнего электрического поля нет, их дипольный момент аккурат ноль. Полярные же молекулы напротив при отсутствии внешнего электрического поля имеют не равный нулю дипольный момент. При взаимодействии электрического поля и неполярных молекул последние приобретают дипольный момент не равный нулю, то есть поляризуются и симметрия в распределении заряженных частиц разрушается. При заимодействии полярных молекул со сверхвысокочастотным электрическим полем первые меняют величину момента диполя и кроме того меняют расположение частиц вокруг своей оси вдоль действия электрического поля. СВЧ воздействии истечение теплоты имеет место быть даже если ток проводимости отсутствует, так как на таких частотах главную роль играют дипольная и структурная поляризации.

Итак, для описания данного процесса нам необходимо представить среду как состоящую из осцилляторов, взаимодействующих с электрическим полем, из-за чего совершающим систематические отклонения.

Так как нагреваемый материал изотропен, то запишем уравнения среды:

(1)

где:

-- абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;

-- плотность тока проводимости;

-- векторы напряженности электрического и магнитного поля;

-- векторы электрической и магнитной индукции;

-- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

-- относительная магнитная проницаемость среды;

-- проводимость среды.

Допустим электромагнитное поле меняется по синусоидальному закону во времени:

(2)

где - круговая частота колебаний.

Величину относительной диэлектрической проницаемости среды () запишем в виде:

 (3)

где и - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды в виде:

(4)

где и - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды.

Как правило при синусоидальных отклонениях работают со средними за период величинами мощности, поэтому мощность тепловых потерь равна:

(5)

где: и -- комплексно сопряженные значения амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Удельную мощность тепловых потерь из (2.5) можно представить в виде:

(6)

Первое слагаемое выражает объемную плотность мощности, которая выделяется в среде при протекании в ней тока проводимости согласно закону Джоуля-Ленца.

Второе и третье слагаемые в (2.6) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической и магнитной индукции и векторов и .

В настоящей работе будем исследовать такие материалы, которые имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: . В этом случае третье слагаемое в (6) равно нулю.

С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды с учетом ее проводимости в виде:

, (7)

(8)

(9)

Здесь: - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости среды.

С учетом (2.9) выражение (2.6) приобретает вид:

(10)

(11)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля, Гц;

- напряженность электромагнитного поля, В/cм;

- удельная мощность тепловых потерь, .

Таким образом, чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность тепловых потерь. У многих диэлектрических материалов максимум величины приходится на диапазон сверхвысоких частот.

В РФ для обработки веществ температурой СВЧ излучением в основном пользуются колебаниями в пределах 915 МГц и 2450 МГц.

На стадии выбора длины волны генератора необходимо брать во внимание тот факт, что при увеличении частоты глубина проникновения СВЧ излучения уменьшается. Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры.[4,8]

1.6.3 Устройства, генерирующие волны СВЧ

Большинство бытовых, промышленных и коммерческих систем обработки материалов используют в микроволновой печи магнетроны как генерирующего устройства из-за своей высокой выходной мощности, высокой эффективности и стабильной частоты, поэтому принцип работы именно магнетрона обсуждается в данной работе. Магнетрон, показанный на рисунке 1.6.3., представляет собой электронный клапан с вакуумом, состоящий из катода окруженного полым медным анодом. Это самый используемый микроволновый источник для бытового и промышленного микроволнового нагрева. Данное устройство применяется в около 98% всех установок.

Рис. 1.6.3.: Магнетронный резонатор бегущей волны

Анод имеет множество лопастей, которые выступают внутрь в радиальном направлении, чтобы сформировать слоты, которые находятся между ними, резонирующие на частоте СВЧ. Он может генерировать непрерывно или импульсно мощностью до 1 мегаватта и работать на частоте от 1 до 40 ГГц. Энергетическая эффективность составляет около 85% и при жизнь этого устройства близка к 5000 часов. Два больших полюсных наконечника магнитов производят магнитное поле в плоскости резонатора в результате ресницы потенциалом между анодом и катодом. В магнетроне взаимодействие ортогональных электрического и магнитного полей зависит от движения электронов. Траектория и скорость этих электронов определяется напряженностью электрического поля и магнитного поля в пространстве между анодом и катодом. Напряженность магнитного поля или ток трубки контролирует выходную мощности магнетрона. При частоте 2.45 ГГц мощность магнетрона может достигать до 1,5 кВт и 25 кВт с воздушным или водяным охлаждением анодов соответственно.[1]

1.6.4 Микроволновые устройства передачи

Волноводы направляют микроволновую энергию, генерируемую микроволновым источником в микроволновую камеру, где происходит обработка электромагнитными волнами материалов. Тип линии передачи используется в зависимости от необходимой мощности. Коаксиальный кабель может быть использован для передачи низкой мощности СВЧ, но при передаче высокой мощности будут происходить значительные потери. Прямоугольные и круглые волноводы используются для передачи микроволн высокой мощности из-за нихких потерь на сверхвысоких частотах. Волновод состоит из полых металлических трубок постоянного сечения и имеют либо прямоугольную либо круглую форму. Существует два возможных режима распространения СВЧ в волноводах это поперечные электрическое (TE) и поперечной магнитное (TM). На рисунке 1.6.4. показаны режимы TE и TM в волноводной системе.



Рисунок 1.6.4.: Поперечное электрическое (TE) и поперечное магнитное (TM) распространение волн в волноводе.

Для ТЕ-моды, электрическая силовая линия перпендикулярна к оси волновода и компонента электрического поля в направлении распространения равна нулю в то время как для ТМ-моды магнитная силовая линия перпендикулярна к оси волновод и компонента магнитного поля в направлении распространения равна нулю. Энергия производится с помощью электрического и магнитного полей, связанных с волной.[1]

1.7 Оборудование для промышленного СВЧ нагрева

1.7.1 Конструкция микроволновых установок

Микроволновая установка состоит из СВЧ камеры, магнетрона, волновода, блока питания, системы охлаждения и различных устройств обеспечения безопасности.

От магнетрона через прямоугольный волновод электромагнитное излучение поступает в СВЧ камеру. Отводом тепла от магнетрона является воздушная система охлаждения выполненная при помощи вентилятора и воздуховодов проходящих через СВЧ камеру. Таким образом, тело, находящееся в камере нагревается не только при помощи микроволн, но отведенным теплым воздухом от магнетрона. Далее, воздух в камере насыщается водой, то есть превращается в пар и выходит через не излучаемые отверстия (запредельные волноводы) наружу. Блок питания магнетрона является высоковольтным и состоит из диода, конденсатора и трансформатора. Чтобы достичь нормального режима работы без лишнего излучения наружу применяются блокировочные микропереключатели (от 2 до 5 штук) для подтверждения, что дверца микроволновой камеры закрыта плотно. Если в камере существует освещение, то обычно используют лампу накаливания внутри воздуховода. При помощи блока управления, выполненного в виде электромеханического таймера или электронного блока, в микроволновой камере задается режим работы. Многие печи имеют термореле, расположенные на магнетроне и на камере с внешней стороны, для предотвращения перенагрева и выхода из строя.

Рисунок 1.7.1. Конструкция СВЧ установки

1.7.2 Принцип СВЧ нагрева

В печи тело может нагреваться по принципу «дипольного сдвига», происходящий в материалах, которые содержат полярные молекулы. Энергия электромагнитных волн приводит в движение молекулы, которые обладают дипольным моментом. Таким образом, температура материала увеличивается.

Большинство бытовых и промышленных СВЧ-печей работают на частоте 2450 МГц и на частоте 915 МГц.

Исходя из практических и конструктивных соображениям выбрана именно указанная частота:

? магнетрон должен обладать мощностью свыше 500 Вт, нужной эффективностью, стоимостью и определенными габаритами;

? частота должна удовлетворять международным и государственным стандартам разрешенных частот.

? глубина проникновения микроволн в рабочее тело должна быть около нескольких сантиметров. (Чем выше частота -- тем меньше глубина проникновения).

1.7.3 СВЧ устройства конвейерного типа

Сверхвысокочастотные приборы проходного типа используются в производстве теплоизолирующих материалов с помощью сухих и жидких силикатов, к примеру, из смеси гидроалюмосиликатов, связанных жидким стеклом. Имеются устройства, предназначенные для быстрой обработки температурой (вспучивания) и для медленной. Такое изобилие скоростей обработки теплом даёт аналогичное множество пузырьковых теплоизоляционных веществ, с разными свойствами. Устройства сверхвысокочастотной термообработки изготовлены так, что внутри них, если излучение не было поглощено материалом, оно многократно отражается от стенок и всё же достигает своей цели. Основное правило равномерного СВЧ нагрева -- множественные генераторы сверхвысоких частот малой мощности (от 0,6 кВт до 0,85 кВт) с воздушным охлаждением, которые располагаются внутри в строгом порядке. На рабочей частоте 2450 МГц генераторы сверхвысокочастотного излучения имеют волноводный вывод поперечного сечения (72 34) мм. На рисунке 3 представлена конструкция прибора сверхвысокочастотной термообработки для изготовления теплоизолирующих плит размером 60060050 мм из вспученного вермикуита, связанного жидким стеклом.[8]

Сырьё устанавливается на нижний поддон разборной формы из фторопласта, который пропускает СВЧ излучение, и поступает внутрь установки, где его излучают. При прохождении камеры обрабатываемое вещество становится легче на 30-40%, при этом увеличивая свой объём от двух до шести раз из-за того, что жидкое стекло вспучивается.

При этом для этих сверхвысокочастотных установок КПД излучённой энергии достигает 90%, учитывая потери нагрева окружающей среды и внутренних стенок устройства. На данном этапе такое устройство может пропускать через себя 117 плит за восьмичасовой рабочий день, при этом мощность сверхвысокочастотной мощности составляет 27 кВт. Для достижения данной мощности необходимо установить 45 генераторов малой мощности (0,6 кВт).

Схема размещения источников на камере показана на рис. 1.7.3. .

Рис. 1.7.3. Схема размещения источников СВЧ энергии на камере.

1 - корпус; 2 - источник СВЧ энергии; 3 - вентилятор;

4 - вентиляционное окно; 5 - конвейерная лента; 6 - фланец.

1.7.4 СВЧ устройства периодического типа

Сверхвысокочастотной установкой периодического типа, например является устройство для сушки древесины. На стенках камеры установлены генератора сверхвысокочастотного излучения, каждый из которых по 0,6 кВт.

В генераторах сверхвысоких частот установлены волноводные выводы энергии, каждый из которых имеет поперечное сечение 72мм (2450 МГц) а также мм (915 МГц). Так как генераторы размещены по стенкам именно так, дерево нагревается равномерно.

Технологические режимы сушки дерева были произведены для всех генераторов, учитывая многократные отражения от боковых поверхностей внутри сверхвысокочастотного агрегата. Расчёт температур в каждой точке камеры был произведён как для старта процесса, когда влажность сырья максимальная, так и для завершения, когда влажность материала гораздо меньше. Условие, при котором были рассчитаны температуры всех точек камеры, заключалось в том, чтобы неравномерность распределения температуры сырья в любом сечении штабеля дерева не была более 20°С .

Также, например, установка для обеззараживания грунта в теплицах -- это небольшое сверхвысокочастотное устройство ездит от одной теплицы к другой и конструктивно схоже с вышеописанной установкой, только вместо деревянных досок в неё помещают штабель из ящиков с грунтом.[8]

Итак, для всех видов установок важно, чтобы генераторы сверхвысокочастотного излучения внутри камер были распределены внутри них, это позволяет нагревать материалы равномерно. Это существенно для таких позиций, как:

? получение новых теплоизолирующих строительных веществ методом вспучивания (на основе жидкого стекла с наполнителями, гранул пенополистирола на цементной связке и других);

? нагревание и просушивание сырья (кипы табака перед ферментацией и резкой, продукты питания и другого).

Конструктивно данные устройства необходимо исполнить так, чтобы внутри камер нагрев сырья происходил равномерно. Кроме того внутренние полости этих агрегатов желательно делать достаточно просторными, чтобы за единицу времени можно было обрабатывать большие производственные объёмы сырья.[8]

Глава 2. Обеспечение безопасности при работе с СВЧ установками

2.1 Электромагнитная совместимость (ЭМС) и обеспечение безопасности

Промышленный СВЧ-нагрев материалов включает в себя оборудование с повышенным потенциалом риска для здоровья и безопасности вследствие возможности выброса СВЧ-энергии в окружающую среду, через открытое отверстие системы, а также использование очень высоких напряжений. Потенциальные опасности от утечки микроволновой энергии из аппликатора или отверстия могут быть классифицированы на две группы. Первая позиция опасности для здоровья относится к прямому риску для персонала и людей в непосредственной близости. Другая форма опасности, называемая электромагнитной совместимостью (ЭМС), относится к помехам микроволновой энергии, которая имеет вероятность вызвать электромагнитные помехи радио- и телекоммуникаций, или сбои в работе электронных компонентов и оборудования. Различные регулирующие органы должны обеспечить соблюдение стандартов облучения, которые имеют дело с дозой электромагнитного воздействия на человека. В Соединенных Штатах предельные уровни воздействия находятся в диапазоне от 1 Вт / м до 1000 Вт / м. Первое значение считается самым безопасным в соответствии со всеми условиями в то время как воздействие выше последнего показателя считается опасным. В Великобритании, Национальный совет по радиологической защите (NRPB) дает рекомендации по ограничению воздействия на людей электромагнитных полей, на основе результатов исследования, проведенного Международной комиссией по неионизирующей радиационной защите (ICNIRP). Единицей измерения является удельный коэффициент поглощения, который является скоростью поглощения электромагнитной энергии на единицу массы. Для контролируемой (профессиональной) и неконтролируемой (общественной) среды были установлены следующие ограничения: 0,08 Вт / кг -- 0,4 Вт / кг. Для промышленного микроволнового нагрева приняты следующие уровни для микроволновой печи: утечка энергии ниже 10 мВт / см и 5 мВт / см на 2450 МГц и 896 МГц соответственно в течение времени эксплуатации 6 мин для обеих частот, измеренные при расстояние 5 см от оборудования. Близость частот ISM и тех, которые используются для связи и телекоммуникации заставляет директивы и законы, которые управляют электромагнитной совместимостью ограничивать электромагнитные помехи с другими устройствами. Часто требования ЭMC для здоровья и безопасности различаются между разными континентами и странами. Для того, чтобы гарантировать обнаружение микроволновой утечки и, следовательно, свести к минимуму её вредное воздействие, в микроволновых печах используются специальные аппараты. Такие устройства содержат датчик температуры (термистор или термопара), который нагревают с помощью микроволнового потока. Интенсивность изменения температуры пропорциональна величине СВЧ потока, который устройство регистрирует как мВт / см. Кроме того, различные виды специализированного оборудования, вместе называемые дросселями, используются для уменьшения утечки в микроволновой печи до допустимых уровней. Два типа дросселей используют резистивные и отражательные дроссели на основе метода, используемого для ослабления вытекающей микроволновой энергии. Хотя некоторые исследователи провели обширные работы по проектированию, моделированию и конструированию СВЧ дросселей и фильтров, опасно и нежелательно использовать их результаты непосредственно в конструкции дросселей для новой системы микроволновой печи по следующим причинам: при проектировании и вводе в микроволновых дросселей, точная проверка электрической спецификации предложенных дросселей должна быть осуществлена при рабочих условиях для сравнения с допустимым уровнем. Тем не менее, большинство из проектируемых дросселей не подходит для широкого диапазона рабочих условий, но они предназначены для конкретного фиксированного состояния.

Стабильность частоты СВЧ-магнетрона зависит от нагрузки. Дроссели будут вести себя по-разному в зависимости от отличий в обработке сырья. Тем не менее многие виды дросселей используют удельную нагрузку для проверки. Это означает, что результаты не будут пригодны для проектирования дросселей для микроволновой системы, предназначенной для обработки различной нагрузки. Кроме того, большинство из дросселей были испытаны, и было подтверждено, что когда микроволновая система пуста (без нагрузки), производительность будет отличаться по сравнению с нагруженной системой. Поэтому крайне важно при проектировании дросселей или фильтров для открытого волновода непрерывной СВЧ-системы для работы с людьми разрабатывать специальные штуцеры для системы для того, чтобы уменьшить утечки в микроволновой печи, не поддающиеся обнаружению. Это объясняется влиянием диэлектрических свойств нагрузки, и вызванные этим допуски могут существенно влиять на производительность дросселей на низких частотах. Выбранная частота работы в СВ диапазоне непосредственно влияет на размер полости и диэлектрические свойства материалов. В дополнение скажу, что глубина проникновения СВЧ излучения в обработанных минералах зависит от частоты так, что проникновение больше на более низких частотах. Выбор микроволнового резонатора производится с учетом ожидаемой пропускной способности, однородности электрического поля, требований плотности мощности.

В настоящее время для безопасного использования микроволновых камер существует достаточное количество небольших, но важных устройств.

2.1.1 Запредельный волновод

Запредельный волновод (волновод в режиме отсечки) -- волновод, в котором поперечные размеры меньше предельных, при которых невозможно распространение электромагнитной волны в волноводе.

Таким образом, запредельный волновод решает множество проблем эксплуатации микроволновых установок. При помощи того устройство возможно производить наблюдение за облучаемым телом (Рис. 2.1.1.), замерять температуру тела в СВЧ установке пирометром, откачивать воздух для создания вакуума, также в домашних СВЧ печах запредельный волновод нужен для освещения камеры, для вентиляции и т.д.[3,5]

Рис. 2.1.1. Микроволновые камеры с дверцами, в которые встроена защитная сетка для наблюдения.

1 -- Защитная сетка (каждое отверстие является запредельным волноводом).

2.1.2 Простые и дроссельные соединения волноводов

Простые соединения -- соединяемые отрезки волноводов, которые при помощи плоских фланцев, находящихся на концах волноводах, вплотную прижимаются друг к другу. Далее происходит стягивание винтами или струбцинами. Не мало важным является то, что поверхность фланцев должны быть абсолютно правильно и точно соединены друг с другом, потому что любая неточность может привести к электрическому пробою и потере энергии (Рис. 2.1.2.).



Рис. 2.1.2. Простое соединение волноводов.

При дроссельном соединении по сравнению с контактным соединением является более надежным в эксплуатации. Оно содержит дроссельный и гладкий фланцы, припаянные к стыкуемым волноводам. В дроссельном фланце содержится полуволновый короткозамкнутый шлейф, который образован кольцевой канавкой, с глубиной л/4 и расстоянием между фланцами, длина которого равна л/4.

Продольный ток проводимости волны Н10 в зазоре преобразуется в ток смещения, который возбуждает Т-волну в зазоре и волну Н11 в канавке. Это объясняется тем, что радиальная линия образована параллельными плоскостями фланцев, что благоприятно для возбуждения Т-волны, канавка же формирует коаксиальную линию с соотношением диаметров проводов, позволяющим возбуждаться волнам Е- или Н-типа. Из них в этом случае образуется волна Н11, так как структуре этой волны близок продольный ток волны Н10 в волноводе.[3]

Рис. 2.1.2.1.. Дроссельное соединение волноводов

2.1.3 Плотный контакт между дверью и камерой

Для того, чтобы обезопасить людей от утечки сверхвысокочастотного излучения из бытовой СВЧ камеры необходимо обратить особое внимание на позицию “кромка дверцы”, а именно на уплотняющее устройство. Именно поэтому рамка дверцы с внутренней стороны и край рабочей камеры имеют спец устройства. В основном для данных целей в ход идут контактные девайсы в виде сплошных или разрезных пластин, реже используются дроссели (ловушки) на четверть волны, работающие как неизлучающие щели в волноводе прямоугольного типа. Данные щели не возмущают возбуждений в токах стенки, которые были наведены волной типа H10, из-за чего излучение отсутствует. Но дела обстоят так лишь до тех пор, пока в области дросселя не имеется диэлектрик, каковым может являться концентрация испарений из сырья. В противном случае это приводит к тому, что электрическая длина линии меняется и происходит утечка. По этой причине дроссели на четверть волны совмещают вместе с другим защитным устройством, таким как электроконтактная рамка.[3]

В технологических сверхвысокочастотных устройствах для этой цели часто в ход идёт поглощающая жидкость (вода). В этом случае камера для работы состоит из двух частей, причём верхняя из них подвижная. При работе нижние края подвижной части камеры опускаются в воду, при этом утечка сверхвысокочастотного излучения исключается. Но есть одно но: данная конструкция является нагромождением и исключает вертикальное исполнение сверхвысокочастотного устройства.

По этой причине популярностью пользуется уплотняющее устройство, которое позволяет циркулировать воде между дверцей и камерой, так как там проложена деформируемая трубка, которая пропускает радиоизлучение. При запуске сверхвысокочастотного устройства жидкость проходит по трубке благодаря магистральной системе или отдельному насосу. Сверхвысокочастотное излучение, которое попадает в щель между дверцей и камерой поглощается жидкостью. Экспериментально было показано, что данной устройство обеспечения безопасности показывает хорошие результаты. Нужно лишь грамотно подобрать радиус канала-трубки в зависимости от частоты излучения. Чтобы быть уверенным, что между дверцей и камерой плотно зажата трубка, такие устройства обеспечены блокировочным механизмом. Причём если дверца была закрыта халатно, концевые выключатели исключают подачу напряжения в установку.

Одной из интересных конструкций уплотнения соединения дверцы и камеры -- это уплотнение при помощи сжатого воздуха. При запускании процесса нагрева при помощи блока управления подается питание на воздушный микропроцессор, нагнетающий воздух в камеру. В случае, когда дверца сверхвысокочастотного устройства заперта наглухо, напряжённость воздуха в системе повышается, сильфон растягивается и позволяет включить напряжение на магнетроне. Если вдруг при включенной сверхвысокочастотной установке дверца случайным образом откроется или будет прикрыта халатно, давление внутри станет Па и произойдёт экстренное выключение. Вместе с уплотняющими устройствами дверцы необходимо применять замковые устройства, которые помогают понять персоналу зафиксирована ли дверца в открытом или закрытом положении. Под действием мощных пружин, содержащиеся в замковом устройстве, дверца СВЧ камеры прижимается к корпусу плотно, что предотвращает утечку СВЧ энергии при порче или ослаблении уплотняющих пластин. Также, при закрытии дверцы замковое устройство издает звуковой подтверждение о закрытии дверцы, что является благоприятным психологическим методом оповещения обслуживающего персонала.