Устройство для диэлектрического нагрева длинномерного материала

 

Изобретение относится к технике высокочастотного нагрева диэлектрических материалов, в частности к устройствам передачи высокочастотной мощности на длинномерные электроды для сушки большого объема пиломатериалов в процессе их диэлектрического нагрева. Сущность изобретения: устройство содержит длинномерные плоские электроды, между которыми помещен нагреваемый материал, выход высокочастотного генератора, расположенный напротив середины длины электродов в плоскости, параллельной их поверхности, и n-ступенчатую, в частности двоичную, разветвляющую систему проводников, идентичных по каждому направлению, связывающую выход генератора с длинномерными электродами, где они подключены симметрично относительно концов электродов на равных расстояниях по длине электродов. В заявленном устройстве в сравнении с прототипом достигается эффект многократного снижения неравномерности распределения высокочастотного напряжения по длине электродов, в результате чего обеспечиваются равномерная диэлектрическая сушка длинномерных материалов и экономия электроэнергии за счет сокращения времени сушки. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к технике высокочастотного нагрева диэлектрических материалов, в частности к устройствам, обеспечивающим равномерный диэлектрический нагрев большого объема пиломатериалов и сушку этих пиломатериалов за короткое время.

В устройствах, предназначенных для диэлектрического нагрева различных материалов, мощность от высокочастотного генератора, передается, например, посредством пластин, между которыми в электрическом поле располагается нагреваемый диэлектрический материал [1] За счет диэлектрических потерь в нем происходит, в частности, выделение влаги из материала, располагаемого между плоскими электродами, и его сушка. Одним из электродов может быть шина.

Характерной стороной этого процесса нагрева является то, что стандартные длинномерные пиломатериалы имеют длину примерно 6,5 м и параллельные друг другу электроды с расположенными между ними пиломатериалами образуют линию передачи электромагнитной энергии. Ее электрическая длина при стандартной частоте высокочастотного питания, равной f 13,56 МГц, близка к длине волны. В процессе сушки электрическая длина линии, как и ее волновое сопротивление, а также добротность линии существенно изменяются, так как испаряется влага и, следовательно, уменьшаются диэлектрическая проницаемость материала и тангенс угла потерь в нем (tgδ)..

При подаче высокочастотных колебаний от генератора на вход этой линии, образованной электродами с диэлектриком, вдоль ее длины устанавливается стоячая волна напряжения и тока. Появляется большая неравномерность распределения напряжения вдоль линии, а это означает, что сушка диэлектрика происходит неравномерно по длине, что влечет к некачественному (непригодному) результату сушки.

Кроме того, в процессе нагрева и испарения большого процентного содержания влаги, ввиду значительного изменения диэлектрической проницаемости материала, существенно изменяется входное сопротивление линии. Поэтому требуется в больших пределах производить перестройку генератора. Этих пределов, как правило, не хватает и требуется значительное усложнение конструкции генератора высокочастотных колебаний.

Если подключить генератор к середине линии, образованной электродами с диэлектриком [1, 2] то неравномерность остается недопустимо большой, так как электрическая длина каждой половины линии превышает 90^o. Изменение сопротивления нагрузки генератора не снижается до допустимых пределов и в этом случае. Аналогичный неудовлетворительный результат будет, если высокочастотное напряжение от генератора развести поровну на противоположные концы линии [3, 4] Для обеспечения равномерной сушки материалов по длине линии к ней часто подключаются регулируемые в процессе сушки индуктивности [1, рис. 3.5] Следствием этого является усреднение во времени распределения напряжения вдоль линии. Подключение таких регулируемых индуктивных элементов существенно усложняет аппаратуру и ее эксплуатацию, в частности настройку, снижает надежность.

Можно рассчитать и подключить в определенных местах линии нагрузки нерегулируемые шунтирующие индуктивности, обеспечивающие достаточную равномерность распределения напряжения вдоль линии [2, 3] Однако ввиду значительного изменения диэлектрической проницаемости материала по мере удаления из него влаги возрастает перепад напряжения вдоль линии и становится большим интервал изменения сопротивлений нагрузки генератора, что осложняет его работу.

Решением рассматриваемой задачи явилось бы подключение генератора высокочастотных колебаний к электродам (к линии нагрузки) в нескольких точках посредством проводников [1, рис. 3.4] Этот вариант решения задачи принимается за прототип, как наиболее близким к предлагаемому. Такое практически реализуемое решение имеет следующие существенные недостатки.

1. При реальном расстоянии в вакуумной камере от выхода генератора до середины электрода существенно меньшим его длины неравномерность распределения напряжения вдоль электрода оказывается недопустимо большой. Это приводит к недопустимо большой неравномерности сушки материала и к избыточному расходу энергии.

2. Достаточно равномерное распределение напряжения вдоль электродов будет только если длины упомянутых проводников оказываются не меньшими, чем длина электрода. Эффективная диэлектрическая сушка длинномерных пиломатериалов производится в вакуумной камере, габариты и стоимость которой становятся недопустимо большими при необходимых длинах проводников, подключаемых к электродам. Использование же большого числа высоковольтных вакуумных вводов при расположении основной части длины проводников вне камеры снижает надежность и существенно увеличивает стоимость установки.

3. При больших длинах проводников работа высокочастотного генератора (его настройка и стабильность частоты) становятся более, чем затруднительной, а КПД снижается.

Решенной изобретательской задачей является создание устройства для диэлектрического нагрева длинномерных материала, обеспечивающего допустимо малую неравномерность распределения напряжения по длине электродов.

При этом расстояние от выхода генератора до электродов допускается существенно меньшим длины электродов и работа генератора оказывается простой.

Поставленная задача решается устройством для диэлектрического нагрева реализуемым следующей совокупностью существенных признаков.

1. Устройство допускает генератор высокочастотных колебаний, имеющий выход симметричный или несимметричный относительно общей шины.

2. Выход генератора (выходные зажимы генератора) связан с длинномерным электродом системой проводников, подключенной к длинномерному электроду симметрично относительно его концов и на равных расстояниях по длине электрода (электродов).

3. При этом выход генератора расположен напротив середины длины электрода на одинаковом расстоянии от его концов.

4. Расстояние между выходом генератора и серединой электрода существенно меньше длины этого электрода.

Расстояние от концов электрода до ближайших из концов проводников составляет половину расстояния между соседними концами проводников, подключаемых к электроду.

6. Соединяющие проводники выполнены в виде n-ступенчатой системы разветвлений с идентичными параметрами проводников в каждой ступени.

7. Точки разветвлений для каждой ступени находятся в плоскостях, параллельных плоскостям электродов, и на равных расстояниях от них.

Отличительными признаками заявленного устройства являются 6-й и 7-й существенные признаки.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации об устройстве для диэлектрического нагрева длинномерных материалов, характеризуемом совокупностью семи перечисленных существенных признаков. Нет информации, раскрывающей шестой и седьмой отличительные существенные признаки заявленного устройства.

Проведенный анализ показал, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнутый результат удовлетворяет давно существующую потребность, разрешить которую до сих пор не удавалось.

На фиг. 1 представлен вариант прототипа; на фиг. 2 вариант устройства по изобретению в виде четырехступенчатой двоичной системы разветвления, соединяющей выход генератора с длинномерным электродом; на фиг. 3 - распределение амплитуд высокочастотного напряжения вдоль линии нагрузки (электрода) для случая трехступенчатой двоичной системы разветвления проводников, соединяющих выход генератора с электродом; на фиг. 4 другой вариант устройства по изобретению с трехступенчатой двоичной системой разветвления, выполненной на коаксиальных кабелях; на фиг. 5 вариант выполненного устройства с трехступенчатой двоичной системой, в средней ступени разветвления которой смежные проводники каждой пары объединены общими проводниками; на фиг. 6 вариант предлагаемого устройства при симметричном относительно общей шины выходе генератора, симметричных электродах и система разветвления; на фиг. 7 общий случай устройства по изобретению с несимметричной относительно общей шины n-ступенчатой, m-канальной системой разветвления проводников, соединяющих выход генератора с длинномерным электродом. Для простейшей двоичной системы разветвления m 2.

Рассмотрим сначала работу устройства-прототипа (фиг. 1).

Это устройство характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

1. Устройство включает генератор высокочастотных колебаний 1, имеющий выход 2, несимметричный относительно общей шины 3.

2. Выход 2 связан с длинномерным электродом 4 системой проводников 5, подключенных к длинномерному электроду 4 симметрично относительно его концов и на равных расстояниях по длине этого электрода.

3. При этом выход 2 расположен напротив середины длины электрода 4.

4. Расстояние между выходом 2 и серединой электрода 4 существенно меньше длины электродов.

5. Расстояние от концов электрода 4 до ближайших из концов соответствующего проводника 5 составляет половину расстояния между соседними концами проводников 5. Такое практически реализуемое решение имеет существенные недостатки, указанные выше.

Устройство по изобретению (фиг. 2) работает следующим образом.

Колебания от генератора высокочастотных колебаний 7 поступают во внешнюю цепь с его выхода 8, несимметрично относительно общей шины 9. Выход 8 расположен напротив середины длинномерного электрода 10 и плоскости, параллельной его поверхности. Между этим электродом 10 и выходом 8 находится двоичная (m 2) разветвляющая четырехступенчатая (n 4) система проводников 11, посредством которой колебания от генератора 7 передаются на линию нагрузки. Эта линия образованна длинномерным электродом 10 и общей шиной 9 с расположенным между ними нагреваемым диэлектрическим материалом 12.

От выхода 8 колебания поступают на идентичные проводники 13 и 14, образующие две идентичные линии над общей шиной 9 и расположенные симметрично относительно электрода 10. Проводники 13 и 14 образуют первую ступень двоичной (m 2) системы разветвления мощности генератора 7, а их концы (первые точки разветвления) находятся в плоскости, параллельной плоскости электрода 10. От концов проводников 13 и 14 отходят идентичные пары идентичных проводников 15 18, образующие вторую ступень двоичной системы разветвления 11. Концы проводников 15 18 находятся в плоскости, параллельной плоскости электрода 10. После четырех идентичных проводников 15 18 второй ступени процесс разветвления повторяется аналогичным образом. В третьей ступени разветвления участвуют уже восемь идентичных проводников 19 26. Их концы также находятся в плоскости, параллельной плоскости электрода 10.

Аналогичным образом выполняется и четвертая ступень разветвления системы проводников 11, содержащая 16 идентичных проводников 27 42. Их концы подключены к длинномерному электроду 4 симметрично относительно его концов и на одинаковых расстояниях по длине этого электрода, равных 1/16 его длины.

Характеристика распределения амплитуды напряжения вдоль линии нагрузки показана на фиг. 3. Точки минимумов напряжения соответствуют местам подключения проводников к электроду.

В общем случае при n-ступенчатой системе разветвления (m 2) после последней n-й ее ступени 2ⁿ концов проводников этой ступени подключаются к длинномерному электроду симметрично относительно его концов и на одинаковых расстояниях по длине этого электрода, равных 1/2ⁿ его длины. Если теперь принять, что линия с нагреваемым диэлектрическим материалом однородная, а линии (или проводники с их расположением относительно общей шины) идентичны в каждой ступени, то все пути передачи колебаний от выхода генератора к электроду идентичны вне зависимости от расстояния между выходом генератора и электродом. Это расстояние может быть существенно меньшим длины электрода. В силу идентичности всех путей передачи колебаний с выхода генератора до мест подключения к электроду напряжения в этих местах равны между собой по амплитуде и по фазе. Это означает, что, в частности, при двоичной системе разветвления всю линию нагрузки, образованную электродом и общей шиной с расположенным между ними нагреваемым диэлектрическим материалом, можно разделить на 2ⁿ идентичных участков, каждый длиной a l/2ⁿ, где l длина электрода. К середине каждого из этих участков подключен один из выходов двоичной системы разветвления. Поэтому всю линию нагрузки с точки зрения распределения напряжения на ней можно разделить на 2ⁿ⁺¹ участков, к началу каждого из которых подключен генератор с единым напряжением U. Выбирая такое значение n, чтобы электрическая длина каждого участка не превышала 18 20^o, получим достаточно равномерное распределение напряжения вдоль линии и, следовательно, равномерные нагрев диэлектрика и его сушку.

Пример. В реальной ситуации при усредненном значении эффективной диэлектрической проницаемости диэлектрика линии, равном 6 10 для сырого пиломатериала, коэффициент укорочения длины волны в линии k составит 2,5 3,2 для наибольшей стандартной длины пиломатериалов, равной 6,5 м, и при наиболее употребительной стандартной частоте генератора, равной 13,56 МГц (λ=22м) электрическая длина линии нагрузки при k 2,5 составит 1/22 * 16 * 360^o 270^o. В случае трехступенчатой системы деления электрическая длина каждого из 16 участков, определяющих неравномерность напряжения вдоль линии, составит 17^o. При этом неравномерность напряжения составит U/U_max (1 - cos17^o) * 100% ≈ 15% что вполне допустимо.

В варианте (фиг. 4) трехступенчатой двоичной системы разветвления 43, выполненной на коаксиальных кабелях, все наружные проводники 44 этих кабелей соединяются с обоих своих концов (или по всей длине) с общей шиной 45. Первая ступень образуется коаксиальными линиями 46 и 47, вторая линиями 49 51.

Для последней ступени (проводники 52 59 соединяются с электродом 60) практически всегда целесообразнее не иметь кабелей.

Для варианта выполнения устройства (фиг. 5) может оказаться целесообразным в средней ступени системы разветвления 61 объединить смежные проводники каждой пары 62, 63, 64, 65 общими проводниками, соответственно 66 и 67 расширяющимися к выходу второй ступени. Там к их краям подключаются проводники третьей ступени 68 и 69, 70 и 71, 72 и 73, 74 и 75, подключаемые к электроду 76 несимметричному относительно общей шины 77. Могут быть, наконец, комбинированные решения, совмещающие в разных ступенях разветвления коаксиальные и полосковые линии. В варианте выполнения устройства согласно фиг. 6 оба электрода 78 и 79 (проводники линии нагрузки) идентичные и на них подается напряжение, симметричное относительно плоскости нулевого потенциала ("земли"), проходящей посередине. Здесь все линии (пары проводников) ступеней разветвления 80: первой 81 и 82, второй 83 86 и третьей 87 94 также выполнены симметричными относительно плоскости нулевого потенциала. При этом выход генератора 95 также является симметричным с выходными зажимами 96 и 97. При такой симметричной структуре линии нагрузки осуществляется равномерный нагрев материала по его толщине. Поэтому и толщина пиломатериалов может быть взята большей, чем в случае несимметричных относительно общей шины электродов согласно фиг. 2, 4 и 5.

В случае симметричных электродов могут в ступенях разветвления использоваться как полосковые, так и коаксиальные линии со спаренными их внешними проводниками, а также попарно объединенные линии, подобно второй ступени на фиг. 5.

Рассмотренная двоичная система разветвления дает наилучшие результаты при любых типах линий, ибо только при ней идентичные для каждой ступени линии с прямолинейными проводниками имеют равноотстоящие от электродов и симметрично расположенные относительно них выходы. В общем случае (фиг. 7) генератор 98 показан с несимметричным выходом относительно общей шины 99. Первая ступень разветвления из проводников 100 и 101 двоичная (m 2), вторая ступень из проводников 102 107 содержит m 3 проводника в каждой точке разветвления (трехканальная). Последующая ступень разветвления может иметь любое m число каналов, равно как и любая i-я ступень с m каналами, а также последняя ступень m каналами, где проводники 108, 109 и 110 образуют соответственно первый, второй и m канал разветвления и аналогично для остальных m 1 групп проводников последней n-й ступени. Проводники этой ступени подключены к электроду 117 на равных расстояниях между собой.

Пример. С целью подтверждения эффективности предложенного решения была сконструирована трехступенчатая двоичная система разветвления мощности согласно фиг. 5 применительно к плоскому электроду 76 с пиломатериалом длиной 2,2 м и при частоте генератора, равной 40 МГц. Это соответствует стандартной длине пиломатериалов, равной 6,5 м, которые подвергаются диэлектрической сушке при стандартной частоте 13,56 МГц. При измеренных электрических параметрах, использованных в примере пиломатериалов (досок), расчетная неравномерность распределения напряжения вдоль длины электрода 16 составляла 12% Измеренная неравномерность напряжения составила 17% После наложения плоских шин 66 и 67 согласно фиг. 5 неравномерность снизилась до 14% В этих же условиях была испытана система разветвления согласно фиг. 4, где в первой и второй ступенях разветвления использовался стандартный коаксиальный кабель типа РК-50-2-21. Неравномерность напряжения составила также 14% Небольшое превышение измеренной неравномерности напряжения в сравнении с расчетным значением вызвано неоднородным прилеганием электрода 4 к пиломатериалу и независимо от этого свидетельствует о эффективности предлагаемого устройства. Подтверждается это еще и тем, что испытанная в этих же условиях, система разветвления согласно фиг. 1, дала неравномерность 53% что недопустимо. Во всех случаях расстояние от выхода генератора 2 до середины электрода 4 составило 40 см. Это соответствует наиболее подходящему расстоянию 120 см в реальных камерах диэлектрической сушки длинномерных пиломатериалов при частоте 13,56 МГц. Все измерения производились прибором "Tesla" ВМ-538.

Формула изобретения

1. Устройство для диэлектрического нагрева длинномерного материала, содержащее длинномерные плоские электроды, между которыми помещен нагреваемый материал, два выходных зажима высокочастотного генератора, расположенные напротив середины длины электродов, и систему проводников, связывающих выходные зажимы генератора с длинномерными электродами, к которым они подключены симметрично относительно концов электродов и на равных расстояниях по длине электродов, при этом расстояние от концов электродов до ближайших из концов проводников составляет половину расстояния между концами соседних проводников, отличающееся тем, что проводники выполнены в виде n-ступенчатой, m-канальной разветвляющей системы с идентичными параметрами проводников в каждой ступени.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проводники системы разветвления в ступенях, где 1 ≅ k ≅ n образуют двоичную систему (m 2).

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что один его электрод образует общую шину с одним выходным зажимом генератора и с одним проводником каждой пары (линии).

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что однополярные проводники его системы разветвления, имеющие общие точки ветвления, объединены в любых ступенях разветвления в общие проводники.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что проводники системы разветвления в p ступенях, где 1 ≅ p ≅ n образуют внутренние проводники коаксиальных линий, а их внешние проводники с обоих концов соединены с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7