книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

рительно высушенное на воздухе (ПВ), имеющее меньшую влажность, чем лес на корню.

И в соответствии с этой градацией могла быть опреде­ лена степень влияния наиболее важных параметров при

Ф и г . 14. Кривые сушки красного дерева с высоким содер­ жанием влаги.

Время выдержки 56.9 мин при среднем уровне мощности 5,21 кет [281.

СВЧ-сушке (е \ е", т и р). Как указано в [28], СВЧ-нагрев

идет очень быстро, и поэтому использовался импульсный режим (метод, который, по-видимому, не дает удовлетво­ рительных результатов на низких радиочастотах). Как показано в табл. 3, период СВЧ-нагрева составляет от У4 до 3/ 4 общего^периода сушки. Два из перечисленных методов сушки иллюстрируются фиг. 13 и 14. Правиль­

ная последовательность принудительной подачи горячего воздуха для удаления воды, мигрирующей к поверхности, помогла уменьшить время обработки.

В проведенных экспериментах контрольные образцы были высушены в сушильных печах и сравнительные экспе­ рименты на прочность (А5ТМ стандарт 143-52) были сделаны на 120 парах образцовою чистого дерева, отре­ занных от брусков, высушенныхГв сушильных печах, и от брусков, высушенных с помощью СВЧ-нагрева. Средние величины прочности составили 117 кг-см для сушильных печей и 124 кг*см для СВЧ-сушки; все образцы^имели

остаточную “влажность порядка 7,5%. ~ }; л Сравнение данных табл. 3 с типичным ходом процесса

вАсушильной печи, для красного дерева показывает, что количество энергии, требуемое для испарения 1 кг воды,

уменьшается при использовании СВЧ-мощности д о ^ /з нормальной величины. Дефекты разрушения уменьша­ ются; в тех случаях, когда наблюдалось растрескивание (локальное расщепление волокон), как показано в [22], это происходило вследствие слишком большого давления пара внутри породы в отличие от обычной причины— усадочного напряжения. При^сушке^леса с помощью СВЧ-нагрева случаи «закалочных» дефектов не наблю­

дались, поскольку температура	поддерживалась ниже
82 °С.	красного дерева .близки
Диэлектрические ^параметры

к параметрам мягких пород. Однако уравнение* (5) для подсчета распределения температуры вдоль секций_меандрового волновода допустимо использовать лишь при низ­ ком содержании влаги. Машинный же расчет, очевидно, возможен и в более общих случаях. Практически для пере­ дачи материалу 90% мощности с начала нагрева (предпо­ лагается, • что содержание влаги в доске "толщиной 2,5 см

достаточно высокое) требуется установка, состоящая из пятиметровых секций меандрового волновода, заканчи­ вающегося согласованной нагрузкой. При меньшей влаж­ ности требуется большая общая длина меандра. В про­ изводственных установках могут применяться варианты устройств, подводящих СВЧ-энергию, аналогичные пока­ занным на фиг. 2, в; конкретная геометрия их определяется

в зависимости от выбранного способа подвода СВЧ-

энергии и от используемого импульсного режима. Как и в других применениях (см. разд. VI), необходимо предотвращатьщерегрев направляющих кондов материала вдоль меандра"вследствие экспоненциального характера повы­ шения температуры со временем и расстоянием. Как и в случае фанеры мягкой породы, в болыпинстве^практических схем в качестве источника нагрева ниже точки на­ сыщения волокон используется энергия СВЧ-колебаний, распространяющихся в многомеандровых секциях, а так­ же регулируемый поток горячего воздуха, пропускаемый через волноводные секции и между ними.

Б. Фанеры твердых пород. Многие фанеры твердых пород (береза, вяз, гикори (американский орех), орехо­ вое дерево) имеют тенденцию изгибаться при^ конвейер­ ной сушке. Эти эффекты обсуждаются в работе [291. Пока еще отсутствуют положительные результаты по СВЧ-сушке, однако и в этой области может появиться широкая сфера применения СВЧ-энергии.

VI. Покрытия, пластики

Производство искусственных покрытии (под тик, орех, вишню и т. д.) на подложках из твердого дерева или много­ слойной фанеры является важной и быстроразвивающейся отраслью деревообрабатывающей промышленности. Почти 25% многослойной фанеры, производимой в настоя­ щее время, имеет пластиковое покрытие. Для производст­ ва таких тонких листов (розничные цены на которые на­ ходятся в пределах 1,5—30 долл, за 1 м 2) используется

различная технология.

Как шлифованная фанера, так и доски твердых пород, взятые в качестве подложки, шпаклюются, покрываются слоем наполнителя, после чего наносится основное по­ крытие. Поверхность затем высушивают, прежде чем про­ пускать через валик для нанесения краски, на‘котором выгравирован требуемый рельеф волокон. Точная реп­ родукция оригинального расположения волокон полу­ чается на валике методом фототравления. При этом на валике образуется околр 4000 «лунок» (заполняемых крас­ кой) на 1 см2; длина окружности валика берется равной

ширине панели. Один или два слоя прозрачного поверх-

постного покрытия (как правило, катализируемый лак) наносятся другим валиком и выдерживаются до отверж­ дения.

В большинстве случаев для выдержки и сушки покры­ тий используются инфракрасные лампы, расположенные над лентой конвейера. Диапазон толщин одинарного по­ крытия составляет 0,025—0,075 мм.

Впоследнее время федеральные и местные власти на­ стаивают на принятии мер по уменьшению загрязнения воздуха, что требует использования водной основы для всех покрытий, где это только возможно.

Вкрупных производствах высокая токсичность паров

растворов (толуол, ксилол, метилэтилкетон, бутилкетон и т. д.) представляет опасность для операторов. С точки зрения^применения СВЧ-нагрева имеющаяся тенденция к использованию покрытий на водной основе является важным положительным фактором.

Производство покрытий ставит ряд задач; так, неко­ торые долговечные обшивки, использующие толстые по­ крытия, производятся в основном таким же образом, как

ибыло описано выше. В этих и в ряде других применений между подложкой и поверхностным покрытием может использоваться пропитанная клеем бумага (как с основ­ ным подслоем, так и без него). В большинстве случаев предпочтение отдается катализированным внешним по­ крытиям, и некоторые из них были совершенствованы Американской ассоциацией по производству фанеры. Во всех этих случаях, необходим жесткий контроль качества панелей с точки зрения адгезии красителей и их стой­ кости при неблагоприятных условиях. В современном строительстве очень широко используются декоративные породы древесины. Простого взгляда на потолки, панели

иограды достаточно, чтобьГубедиться в том, сколь ши­ роко применяется древесина в современном строительстве

вдекоративных целях.

^Инфракрасные системы поверхностной сушки и от­ верждения имеют большие габариты и относительно мало­ эффективны; что же касается СВЧ-систем, то они потреб­ ляют примерно лишь 1Д, гидроэлектроэнергии и сущест­ венно экономят производственные площади. Таким обра­ зом, в настоящее время с экономической точки зрения

оказывается выгодным использовать СВЧ-системы для некоторых покрытий. В следующих разделах рассматри­ ваются многие факторы, сопутствующие процессам СВЧсушки и отверждения.

Вследствие того что подложки имеют определенную толщину, в большинстве случаев необходимо использо­ вать СВЧ-мощность относительно низкой частоты. Во время прохождения материала через балансные меандровые секции волноводной системы большая часть тепла поглощается подложкой. Быстрое нагревание основания и покрытия приводит к выравниванию уровней влажно­ сти. Большинство водных покрытий в твердом состоя­ нии являются материалами с низкими диэлектрическими потерями. Вода быстро диффундирует из матернала "под­ ложки внутрь покрытия и затем удаляется из последнего. В результате отвердевший слой покрытия остается плот­ но прилегающим к основе. Хорошее сцепление шпаклевки’и"основных*слоев покрытия получено на подложке из многослойной фанеры.4 Конвейер сушки, работающий со скоростью 36 м1мину с сбалансированной 50-киловаттной

СВЧ-системой показан на фиг. 1. Он позволяет’'пропу­ скать панели шириной -—/120 см. При этих скоростях

конвейера необходимо обеспечить зазоры между панеля­ ми порядкап60 см. Длина зазора и тип панели определяют

необходимую геометрию меандровой системы. На под­ ложках из твердой породы сцепление не получается до­ статочно хорошим. Последнее, возможно, вызвано более слабо выраженным эффектом выравнивания уровня влаж­ ности, чем можно было ожидать, судя по известным пара­ метрам материала. Не’исключено также, что используемая техника измерений полного затухания на СВЧ не обеспе­ чивала достоверного" определения7параметров материала (см. разд. III. Б, В).

При использовании покрытий из катализируемых ла­ ков (прозрачных лаков) имеются взможности получения быстрой нетепловой выдержки. Однако с материалами, которые имеют в настоящее время разумную стоимость» такие эффекты не наблюдались.

Катализируемая краска должна иметь желательные для сушкиТСВЧ-свойства: высокие потери во влажном состоянии и переход к низким диэлектрическим потерям

по мере выдержки~при низкой^температуре Также важен состав поверхностных покрытий в зависимости от исполь­ зуемых растворителей и их собственных свойств. Пред­ метом текущих исследований выдержки^являются добав­ ление неорганических солей для ускорения процесса ди­ электрического нагрева (как и в случае поливинилхлоридацетата [30]), а также проведение ускоренной, опти­ мальной выдержки с органическими присадками (метод, успешно разработанный для вулканизированной ре­ зины [31]). Не существует серьезных сомнений в том, что с развитием химии СВЧ появятся более приемлемые ма­ териалы. В настоящее время достигнуты удовлетвори­ тельные результаты по выдержке для некоторых покры­ тий на конвейере с СВЧ-мощностыо 50'кет, позволяющем пропускать панели шириной 1,2 м при скорости порядка 38 м1мин. Следует, однако, помнить, что все более, и бо­

лее высокие скорости выдержки достигаются при помощи инфракрасного облучения и что в обоих случаях основ­ ная часть мощности используется для нагревания под­ ложки, которая изолирована от поверхностного слоя по­ крытия выдержанным (затвердевшим) слоем, прилегаю­ щим к основанию.

Процесс оценки СВЧ-свойств красок лучше всего проводить на высоком уровне мощности; для того^чтобы получить • достоверные^ результаты, необходимо [пол­ ностью воспроизвести действительные условия по на­ пряженности электрического поля, распределению плот­ ности^ мощности и скорости конвейера.

Некоторую информацию можно получить из свойств растворителей, катализаторов и присадок поглощать СВЧ-мощность, используя технику нагрева малых ко­ личеств жидкости и образцов пленок в резонаторных ка­ мерах. Подходящим методом является использование стекла (типа пирекс)^с низкими потерями в качестве основания для исследования свойств красок независимо от реального материала подложки, помещаемой в волно­ вод.

Другой важной областью применения СВЧ-мощности является производство пропитанных бумаг и пластиков. Некоторые фенольные смолы имеют влажность 60% (по весу). СВЧ-свойства бумаги и эффекты выравнивания уров­

ня влажности, как обсуждалось в работах [32—34], показывают, что имеет смысл строить системы, использую­ щие более высокие частоты, в частности 2450 Мгц. Одна

из промышленных СВЧ-систем работает в Англии [35]. До этого использование любых форм высокочастотной энергии в целлюлозно-бумажной промышленности было ограничено. В настоящее время наибольший интерес представляет исследование выравнивания уровня влаж­ ности и освоение СВЧ-процессов в изготовлении листовых диэлектриков, свертываемых в рулоны.

Когда речь идет о листовых диэлектриках, то, как и в случаях покрытий, сваривания пластиков или склеива­ ния, проблема создания требуемых характеристик элек­ тромагнитного поля в волноводном резонаторе существен­ но усложняется. Задачу всегда можно решить путем при­ ближений, выполняемых на счетной машине, при условии, что известны значения диэлектрических параметров.

При этом надо иметь в виду, что обычная методика измерения общего затухания может^ввести в_заблуждение. В основном методы возмущения, описанные^в разделе по оценке материалов и технике измерений, можно считать приемлемыми. Величина отношения /г/а (фиг. 2) для тон­ ких слоев может быть меньше 0,1, и тогда получается, что каждому слою диэлектрика будут соответствовать свое время выдержки и своя^постоянная затухания а т>

зависящая от температуры и пропорциональная величине (Н'/а)№,&\п2пх1/а. Однако распределение поля по сечению

волновода зависит от е', и в области, где е' велико (линии склеивания и т. д.), концентрируется большая часть сило­ вых линий поля, что эквивалентно росту А/а. Таким об­ разом, вначале само основание может потреблять малую энергию, но если в слое уменьшается содержание влаги или изменяется его состояние, то в основание проникает все большая и большая напряженность поля, которая приводит к более быстрому увеличению температуры. Та­ ким образрм, если даже придерживаться теории возмуще­ ний, то атф а0 + а5 + ас, если не выполняется условие ес = е5. В случае расположения водного слоя на поверх­

ности подложки (или между слоями подложки с низкими диэлектрическими потерями) эффективная толщина вод­ ного слоя приблизительно в 9 раз превышает ее истинную

величину в диапазоне СВЧ. Этот эффект, который осно­ ван на концепции выравнивания уровня влажности для случая, когда количество слоев > 2 , можно продемонстри­ ровать при наблюдении изменения поглощения, когда лужица воды впитывается в высушенное дерево. Всегда

необходимо измерять	комбинированные параметры а 8 +
+ ас и оценивать их	на различных стадиях процесса.

Это можно сделать, имея систему низкого уровня мощности для измерения затухания, связанную с основным волно­ водом установки с помощью волноводного переключа­ теля. При этом требуются дополнительные меры защиты, чтобы предохранить маломощный кристаллический детек­ тор в мосте измерения затухания. Только таким образом можно получить однородный процесс в многослойных материалах.

VII. Заключение

В работах [27—34] оценены стоимости СВЧ-систем. В настоящем и будущем для больших масштабов произ­ водства амортизационная стоимость 25-киловаттных ламп, используемых в настоящее время для приготовления хру­ стящего картофеля, для сушки покрытий и в некоторых других областях промышленности, вдвое превышает стои­ мость эксплуатации систем. Ожидается большая эконо­ мичность при эксплуатации мегаваттных систем. Экономи­ ческие оценки должны базироваться на контролируемом по качеству выходе готовой продукции, получаемой из различных категорий сырых материалов, а также на уче­ те увеличивающихся скоростей конвейеров и случаев, когда нагрев данным способом наиболее эффективен. Картофелеобрабатывающая промышленность является классическим примером всех трех моментов (разд. 5.1.5). То же самое, можно полагать, будет верно и для первой и повторной сушек фанеры, хотя при этом соотношения между отмеченными выше факторами уже иные. Так, следует отметить уменьшение расхода клея и красок при более высокой средней влажности подложек, более корот­ кое время сушки и уменьшение потерь из-за поверхност­ ных дефектов даже в случае низкокачественного сырьяВсе эти преимущества достигаются за счет эффекта вы­

равнивания уровня влажности, обусловленного физиче­ скими процессами при СВЧ-нагреве влажных материалов.

Предстоит еще исследовать другие аспекты. В преды­ дущих разделах этой книги обсуждалось воздействие СВЧ-колебаний на сухую гниль и на древесных насеко­ мых; одинаково важным является изучение действия СВЧ-колебаний на природные защитные средства— изо­ мерные изотропилтрополоны (а-, 0- и у-туяплицины), растворимые в воде фенолы, дигидрокоэрцитин^ и т. д. — и другие вещества, извлекаемые из древесины/Если боль­ шинство компонентов древесины — целлюлоза, полуцел-

люлоза и лигнин — остаются	относительно постоянными
в количественном отношении	от типа” к типу "древесин,

то, как показано в [36], содержание предохраняющих* ве­ ществ и других компонентов изменяется в широких пре­ делах; их концентрации в определенных породах древе­ сины влияют на стойкость, рыхлость и окраску.

Обозначения

	а — постоянная затухания;
а \ р', у' — постоянные;
	е — диэлектрическая постоянная;				постоянная;
	ес — комплексная		диэлектрическая
	е0 — диэлектрическая постоянная свободного про­
	странства;		вс; ес =	е0(е' — /е");
е" — составляющие
ет , ев — комплексные			диэлектрические		постоянные
	соответственно смеси			и воды;
	6 — угол диэлектрических			потерь;
	р — плотность;
	К0 — длина волны в свободном пространстве;
а,	Ъ —"размеры	волновода (а		X Ъ)\
а',	Ь' —’постоянные;
с,	С0 — удельные	теплоемкости;
	О — коэффициент диффузии;
	сI — глубина	проникновения;
	Е — напряженность электрического				поля;
	^ — частота, гц\
	Н — толщина	материала;

пг — содержание влаги, % (от веса высушенного дерева);

Р — мощность, плотность мощности;

^— время;

{— параметр толщины;

Т— температура, °С;^

VI) — скорость света в'свободном

пространстве;

до — вес;

дерева;

до0 — вес

высушенного

х, у , 2

— координаты.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.

В а г 1 е1 з

Н. Н.,

С^иаШу Соп(го1 Ргобгатз ш Ре1аНоп {о

Уеппег Бгутб,

Рогез! Кез. ЬаЬ., Оге§оп ЗЫ е

1Гту., СогуаШз,

2.

Огебоп,

БесешЬег

1958.

Р. УЛ,

ТЬе КПп Игушб

3 е п к

1 п з

,1. Н.,

О и е г п з е у

о! ВгШзЬ Со1ишЫа ЬишЬег, СШа\уа, Сапаёа, рр. 34—51, Оер4.

3.

оГ ИогШегп АГГа1*гз апс! N811. Кезоигсез, 1954.

В г о \у п

Н. Р.,

Р а п з Ь 1п

А. ,1., Р о г з а I 4Ь С. С., Тех*-

Ьоок о? АУоос! ТесЬпоЬбУ*

Уогк, МсОга\у-НШ,

1952, Уо1.

4.

2, рр. 86—89.

АррИсаПоп о! сПе1ес1пс ЬеаНпб 4о 1Ье зеазо-

М I 1 I е г

О. О.,

Л1П6 оГ угооб,

Р оге81 РгоЛисЬз Р е з е а г с к 8 о с .

Р г о с ., 2,

рр. 235—

5.

241 (1948).

О.

С.,

Ра<Но Ггечиепсу 1ишЬег йгушб: теШобз,

М I 11е г

ечшртеп!

апб соз4з, С а п . Г о гез* 1 п й ., 86 (6),

рр. 53—57 ^ипе

6.

1966).

1.

В., Рго]ес1шб М1сго\уауез !ог 1п(1из1г1а1

С и п п 1 п б Ь а т

7.

Неаипб,

СауИгоп

Е1ес4гоп.,

Ые\урог1 ВеасЬ, СаШогша, 1965.

N а и I V 1 11е V.,

пат. США 2617752, ЫоуешЬег 1952.

8.

Н а г у е у

А. Р.,

М1сго\уауе Еп&теегшб,

Ые\у Уогк, Асаёе-

гтс Ргезз, 1963, рр. 233—279, 976—979. Есть русский перевод:

Х а р в е й

А., Техника сверхвысоких частот, т. 1,2, изд-во

«Советское радио»,

1965.

апс1 АррИсаиопз,

Э . У о п

Ы I р р е 1

А.,

01е1ес*г1с Ма4епа1з

Ъопйоп, СЬаршап апд^НаИ, рр. 33, 361, 1954; Есть русский

перевод:

Х и п п е л ь ; А. Р.,

Диелектрики и их применение,

10.

М.—Л., 1959.

ЭаГа, Иеш Уогк, Оо-

М о г"е п о

Т., М1сго\уауе Тгапзпиззюп

11.

уег, рр. 198, 189, 1958.

АУ., V о з з

УЛ А. О.,

8оше Гас-

^ а ш е з

С. К.,

Т I п

4огз аНесНпз епегбсопуегзюп ш а писгоигауе сауИу, /. АГГсго-

12.

ш аое Р о ж г , 1, рр. 97—107 фесетЬег 1966).

V о з 5

УЛ А. О.,

1 а ш е $

С. К.,

5оте ТетрегаГиге РипсН-

опз т

а

Б1е1ес4пс

Неа4е<1

Ьу

М1сго\уауе

Ротуег, ТесЬ.'; Рер{,

МР06, Цш*У. о! А1Ьег4а, Е8шоп4ор, 5ер1ешЬрг 1966.