Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные тенденции развития СВЧ технологий и СВЧ устройств термообработки материалов 17
1.1. Современные тенденции развития СВЧ технологий 17
1.2. Современные тенденции развития СВЧ устройств термообработки материалов в режиме бегущей волны 20
1.2.1. Конструкции СВЧ устройств волноводного типа с поперечным взаимодействием 20
1.2.2. Конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем с поперечным взаимодействием 25
1.2.3. Конструкции СВЧ устройств типа бегущей волны с продольным взаимодействием 31
1.2.4. Конструкции СВЧ устройств типа бегущей волны для термообработки материалов в периодическом режиме 37
1.3. Метод расчета постоянных затухания СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны 41
1.4. Выбор источника СВЧ энергии 47
1.5. Основные конструкции СВЧ устройств термообработки материалов с различными диэлектрическими потерями 49
1.6. Аналитическая модель взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с диэлектрическими материалами 51
Выводы к главе 1 57
Глава 2. СВЧ устройства термообработки материалов с поперечным взаимодействием 60
2.1. Метод построения СВЧ устройств термообработки листовых материалов 60
2.2. Модель и метод расчета распределения температуры по толщине материалов для СВЧ устройств с поперечным взаимодействием 64
2.2.1. Модель и метод расчета распределения температуры в материалах для СВЧ устройств на основе волноводных систем 64
2.2.2. Модель и метод расчета распределения температуры в материалах для СВЧ устройств на основе замедляющих систем 78
Выводы к главе 2 93
Глава 3. СВЧ устройства термообработки материалов с продольным взаимодействием 94
3.1. Метод построения СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов 94
3.2. Модель и метод расчета СВЧ устройств типа бегущей волны с продольным взаимодействием 99
3.3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 109
3.3.1. Термообработка диэлектрических стержней 109
3.3.2. Термообработка диэлектрических труб 120
Выводы к главе 3 128
Глава 4. СВЧ устройства термообработки неподвижных материалов в режиме бегущей волны 130
4.1. Конструкции СВЧ устройств термообработки труб с малыми диэлектрическими потерями 130
4.2. Модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки неподвижных материалов в режиме бегущей волны 135
Выводы к главе 4 146
Заключение 148
Список использованных источников 150
Приложение 166
- Конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем с поперечным взаимодействием
- Модель и метод расчета распределения температуры в материалах для СВЧ устройств на основе волноводных систем
- Термообработка диэлектрических стержней
- Модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки неподвижных материалов в режиме бегущей волны
Введение к работе
з
Актуальность работы. Использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и
экологически чистые технологии [1* —4*].
Анализ научных публикаций показывает [1*—4*], что современные тенденции развития микроволновых технологий направлены на производство новых высокопрочных конструкционных и строительных материалов из стеклопластиков, композиционных материалов н полимеров.
Сложность реализации таких технологических процессов обусловлена следующими факторами:
Прочностные характеристики получаемых изделий требуют полноты реакции полимеризации в малом интервале значений температуры. Для большинства технологических процессов полимеризации необходимо, чтобы разброс температуры AT не превышал 10% [1 *];
Повышение надежности, долговечности и прочности материалов связано с увеличением значений толщин (d) и диаметров (0) получаемых
изделий [1 ]. В настоящей работе поставлена задача увеличения значений толщин и диаметров материалов не менее чем в два раза (d, 0 > 0,3- Я), по сравнению с достигнутыми значениями (d, 0 <, 0,15-Я) к настоящему
времени по отношению к длине волны источника СВЧ энергии (Я);
3. Эффективный и равномерный нагрев материалов на основе
полимерных связующих, которые характеризуются низким коэффициентом
теплопроводности
Xj- < 0,2 и увеличенными значениями толщин и
К-м)
диаметров материалов (d, 0 > 0,3-Я), наиболее целесообразно реализовать с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот и при расчетах технологических режимов термообработки можно не учитывать
эффект теплопроводности [3 ];
4. Для высокой производительности технологического процесса термообработки материалов, в том числе и для материалов с малыми диэлектрическими потерями (s"<0,l), как показано в многочисленных
научных публикациях [3* - 4*], целесообразно использовать СВЧ устройства на основе волноводных или замедляющих систем в режиме бегущей волны.
Актуальность постановки диссертационной работы обусловлена тем, что необходимо разработать новые конструкции СВЧ устройств равномерного нагрева материалов с низкой теплопроводностью и требуемыми размерами поперечных сечений, а также разработать модели и методы их расчета для использования в технологических процессах производства современных конструкционных и строительных материалов в различных отраслях промышленности.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных сверхвысокочастотных устройств термообработки материалов в режиме бегущей волны, а также моделей и методов их расчета для использования в технологических процессах производства современных конструкционных и строительных материалов.
Цель достигается путем:
- разработки новых конструкций СВЧ устройств термообработки листовых
(стержневых) материалов с разбросом температуры не более 10%, с малой
теплопроводностью Xj- < 0,2 и увеличенными значениями толщин
V К-м)
(диаметров) (4 0 0,3-Я);
- разработки новых конструкций СВЧ устройств типа бегущей волны для
равномерного и высокоэффективного нагрева труб с малыми диэлектрическими
потерями (ff*<0,l) и увеличенными значениями диаметров (0 2: 0,3-Л) в
периодическом режиме;
- разработки модели и метода расчета распределения температуры по
объему диэлектрических материалов в СВЧ устройствах в режиме бегущей
волны.
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем.
5 Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств:
- волноводного типа (прямоугольного на волне типа ^ш и круглого на
волне типа -Е<н);
одномерно-периодических замедляющих систем штыревого типа со связками и типа диафрагмированный волновод;
двумерно-периодических замедляющих систем с изменяющимися параметрами (периодом) в направлении распространения бегущей волны.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных эквивалентных моделей, подтверждается путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также их сравнением с результатами исследований, опубликованными ранее в отечественных и зарубежных научных публикациях, результатами внедрения разработанных СВЧ устройств в технологические процессы.
На защиту выносятся:
Метод построения СВЧ устройств на основе сочетания волноводных секций и секций на основе замедляющих систем в режиме бегущей волны с поперечным взаимодействием, обеспечивающий равномерный нагрев листовых материалов, толщиной (d 5: 0,3-Я) за счет суперпозиции характеристик распределения температуры в материале (разброс температуры в материале не превышает 7%);
Метод построения СВЧ устройств на основе сочетания волноводных секций и секций на основе замедляющих систем в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием, обеспечивающий равномерный нагрев стержневых материалов, диаметром (0 0,3-Л) за счет суперпозиции характеристик распределения температуры в материале (разброс температуры в материале не превышает 7%);
3. СВЧ устройство периодического типа термообработки
диэлектрических труб, диаметром (0>О,3-Д) с малыми диэлектрическими
потерями (є" ^0,1) обеспечивающее разброс температуры в материале не
более 6% за счет использования двумерно-периодической замедляющей
системы с переменными параметрами в направлении распространения бегущей волны;
4. Модель и метод расчета характеристик распределения температуры в материале в виде нагруженной длинной линии, обеспечивающие расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не более 6% за счет учета линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры.
Практическая ценность результатов диссертации:
Разработаны новые конструкции СВЧ устройств равномерного нагрева диэлектрических материалов, которые позволяют реализовать высокоэффективные, энергосберегающие и экологически чистые технологические процессы производства современных конструкционных и строительных материалов.
Использование моделей и методов расчета устройств СВЧ нагрева в режиме бегущей волны позволяет рассчитать необходимое распределение температуры в диэлектрических материалах, удовлетворяющее требованиям технологического процесса.
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод построения СВЧ устройств, формирующий равномерное распределение температуры в листовых диэлектрических материалах низкой теплопроводности, толщиной материала (d ^ 03" Я ) в режиме бегущей волны с поперечным взаимодействием. СВЧ устройство состоит из секций волноводного типа, обеспечивающих максимальное значение температуры в центре материала, и секций замедляющих систем, обеспечивающих максимальное значение температуры на поверхности материала, суперпозиция распределения температуры от различных секций обеспечивает разброс температуры в материале, удовлетворяющий требованиям технологического процесса;
Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод построения СВЧ устройств, формирующий равномерное распределение температуры в диэлектрических материалах круглого поперечного сечения малой теплопроводности, диаметром (0 0,3-Я) в режиме бегущей волны с
7 продольным взаимодействием. СВЧ устройство состоит из секций волноводного типа, обеспечивающих максимальное значение температуры в центре материала, и секций замедляющих систем, обеспечивающих максимальное значение температуры на поверхности материала, суперпозиция распределения температуры от различных секций обеспечивает разброс температуры в материале, удовлетворяющий требованиям технологического процесса;
3. Разработано СВЧ устройство равномерного нагрева труб диаметром
(0 = 0,5-Я) с малыми диэлектрическими потерями (г* = 0,02) на основе
двумерно-периодической замедляющей системы с переменными параметрами в
направлении распространения бегущей волны;
4. Разработана модель и метод расчета распределения температуры по
поперечному сечению материалов при условии, что значение комплексной
части относительной диэлектрической проницаемости материала имеет
линейную зависимость от температуры.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторской работе, вьшолненной в ЗАО НТЦ "Альфа-1"; пяти научно-исследовательских работах, выполненных в ГНУ НИИ Перспективных материалов и технологии МИЭМ (ТУ) и ГОУВПО МИЭМ (ТУ); внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ (ТУ).
Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики;
- на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ;
- на DC межвузовской научной школе молодых специалистов
"Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике,
экологии и медицине", 24-25 ноября 2008 года, МГУ;
- на международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения». Саратов, 24-25 сентября 2008 г.
Публикации. По теме диссертации сделано 9 научных докладов на отечественных и международных научных конференциях, опубликовано 12 статей, выпущено 5 научно-технических отчетов, получено 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 170 страниц, в том числе 34 рисунка, 4 таблицы, 134 наименований списка использованных источников на 12 страницах, 4 страницы приложения.
Конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем с поперечным взаимодействием
Сконцентрировать энергию электромагнитного поля сверхвысоких частот в объеме, непосредственно занимаемом нагреваемым материалом, позволяют СВЧ устройства на основе замедляющих систем [4, 5].
В большинстве промышленных применений обрабатываемые листовые диэлектрические материалы транспортируют вдоль электродинамической системы с помощью конвейера. В научных публикациях [5, 30-59] утверждается, что использование конвейера упрощает решение задачи создания равномерного распределения температуры в листовых диэлектрических материалах.
Так, в патенте [107] предложено устройство для термообработки движущихся диэлектрических материалов. СВЧ устройство содержит камеру, в которой расположена замедляющая система. Замедляющая система выполнена на двух "меандр-линиях", установленных одна над другой и смещенных относительно друг друга на половину периода, при этом шаг витка меандр - линий равен расстоянию между ними, а ширина меандр -линий равна четверти длины волны источника СВЧ энергии.
Основной недостаток такого устройства состоит в том, что ширина меандр - линии весьма ограничена выбором рабочей частоты источника СВЧ энергии.
В работе [108] представлено СВЧ устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее источник СВЧ энергии и камеру нагрева с периодической замедляющей системой, состоящей из штырей, связок, короткозамкнутых пластин. Недостатками этого устройства являются ограниченные размеры пространства взаимодействия, малая производительность установки и трудность изменения амплитуды высокочастотного поля вдоль направления движения материала.
В работе [109] предложено устройство, которое по сравнению с [108] повышало производительность и равномерность нагреваемого материала.
С этой целью в СВЧ устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее источник СВЧ энергии и камеру нагрева с периодической замедляющей системой, состоящей из штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, введена вторая периодическая замедляющая система. Вторая периодическая замедляющая система расположена над нагреваемым материалом. В практическом плане экспериментальные исследования на описанной выше конструкции секции электродинамической системы были успешно проведены для сушки красителей с большой первоначальной влажностью. При этом была подтверждена концепция эффективности применения одномерно-периодических замедляющих систем для термообработки материалов с высокими диэлектрическими потерями. Эксперименты были проведены на частоте колебаний электромагнитного поля 2375 МГц.
Задача высокоэффективного и равномерного нагрева материалов больших площадей, диэлектрические параметры которых меняются в широких пределах, как от влажности, так и от температуры, решается для конкретных применений с использованием традиционных конструкций электродинамических устройств.
В последние годы появились новые высокоэффективные СВЧ устройства на основе секций различных конструкций двумерно-периодических замедляющих систем, которые используются для термообработки листовых материалов больших площадей с малыми диэлектрическими потерями [52, 54, 59].
На рис. 1.2.2.1 показан общий вид секции СВЧ устройства на основе двумерно-периодической замедляющей системы с поперечным взаимодействием для нагрева листовых материалов с малыми диэлектрическими потерями.
Многочисленные технологические процессы требуют обеспечения равномерного распределения температурного поля по толщине материала. Для реализации равномерного температурного поля по толщине листовых диэлектрических материалов в работе [46-50] предложены СВЧ устройства с поперечным взаимодействием, состоящие из четырех секций замедляющих систем. Энергия электромагнитного поля в этих секциях распространяется перпендикулярно направлению движения материала.
На рис. 1.2.2.2 представлена конструкция СВЧ устройства, состоящего из четырех секций замедляющих систем.
На рис. 1.2.2.3 показано продольное поперечное сечение СВЧ устройства для равномерного распределения температурного поля по толщине листовых диэлектрических материалов.
В работе [111] проведены теоретические и экспериментальные исследования по распределению температуры по толщине материала в направлении оси "У для рассматриваемой конструкции устройства СВЧ нагрева на основе секций одномерно-периодических замедляющих систем. Показано, что все теоретические и экспериментальные исследования приведены для разброса температуры не более 10%, а толщины листовых материалов не превышает значения (d 0,1 -X).
Анализ теоретических исследований показывает, что достичь равномерного нагрева диэлектрических материалов при различных вариациях коэффициента замедления и действительной части относительной диэлектрической проницаемостью обрабатываемого материала для толщин (d 0,15-Х) не удается.
В научных публикациях [42-43, 52, 59] показано, что для высокоэффективной термообработки материалов с малыми диэлектрическими потерями целесообразно использовать в качестве электродинамической системы СВЧ устройства, - секции двумерно-периодических замедляющих систем.
В работах [52, 59, 110-112] представлены различные конструкции двумерно-периодических замедляющих систем и предложены методы расчета их дисперсионных характеристик.
В работах [38-42] приведены теоретические и экспериментальные исследования распределения температурного поля по толщине материала с малыми диэлектрическими потерями (є" = 0,02) в СВЧ устройстве, которое состоит из четырех секций двумерно-периодических замедляющих систем.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые приведены в работах [38-42] для разброса температуры по толщине материала не более 10% соответствуют значениям толщины листовых материалов 0,1- ).
Модель и метод расчета распределения температуры в материалах для СВЧ устройств на основе волноводных систем
В работах [2, 4, 100, 104-106, 113-115] описан классический метод расчета волноводных СВЧ установок в режиме бегущей волны путем решения краевой задачи электродинамики и тепломассопереноса. В частности, рассмотрен вариант построения волноводных СВЧ установок термообработки листовых диэлектрических материалов с поперечным взаимодействием.
Применим этот метод к расчету СВЧ устройств термообработки материалов с низкой теплопроводностью и малым удельным влагосодержанием. Проведем расчет величины мощности удельных потерь в материале при следующих предположениях:
— в СВЧ устройствах движущийся материал находится в режиме динамического равновесия;
— в начале технологического процесса имеет место режим нагрева листового материала без испарения;
— удельное влагосодержание материала является величиной постоянной и уравнения тепломассопереноса сводятся к решению уравнения [2,4]:
В качестве электродинамической системы СВЧ устройства [2, 4-5, 59] используется прямоугольный волновод, возбужденный на основной волне типа //10 и обрабатываемый листовой материала с диэлектрическими потерями расположен в середине широкой стенки волновода, параллельно узкой.
Будем полагать, что в СВЧ устройстве распространяется волна квази #10 Тогда из уравнения (2.6) следует [2, 4]:
Соотношение для инженерного расчета постоянной затухания волновода с листовым материалом, расположенным в середине широкой стенки параллельно узкой, получено обобщением метода эквивалентных схем для волновода с волной Н10 при однородном заполнении [2, 4] и имеет вид (1.45).
Из уравнения (1.45) следует, что величина постоянной затухания зависит от комплексной части относительной диэлектрической проницаемости материала. В работах [5, 97-99] показано, что значение комплексной части относительной диэлектрической проницаемости материалов для частоты электромагнитного поля 2450 МГц зависит от температуры по линейному закону. Для рассматриваемых материалов на основе полимерных связующих (стеклопластиков, новых полимеров, некоторых композиционных материалов) линейная зависимость фактора потерь от температуры имеет место в широком диапазоне температур, вплоть до протекания реакции полимеризации.
Зависимость диэлектрических параметров материала от температуры необходимо учитывать при расчете технологических процессов термообработки материалов.
Кроме того, в работах [2, 4, 100, 104-106, 113-115] не учитывается распределение температуры по толщине материала. Это следует также из уравнения (2.7).
Для того чтобы учесть распределение температуры не только по ширине , но и по толщине материала, а также учесть зависимость диэлектрических параметров материала от температуры, в настоящей работе используется в качестве эквивалентной модели СВЧ устройства термообработки листовых материалов в режиме бегущей волны в виде нагруженной длинной линии. На рис. 2.2.1.1 показана эквивалентная схема СВЧ устройства с нагреваемым диэлектрическим материалом в режиме бегущей волны.
Основные предположения эквивалентной модели расчета распределения температуры, как по ширине , так и по толщине d обрабатываемого материала состоят в том, что:
- потери в стенках электродинамической системы отсутствуют;
- отраженная мощность на входе и выходе электродинамической системы равна нулю;
- исходный материал является однородным и обладает малой теплопроводностью, которой в расчетах можно пренебречь;
- электромагнитное поле в волноводе рассматривается в приближении к волне типа квази- Н10;
- комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости линейно зависит от температуры, что справедливо практически для всех сухих веществ, однородных пластических масс, а также однородных влажных материалов на частоте 2450 МГц. В этом случае для режима бегущей волны можно записать выражение для распределения амплитуды напряженности электрического поля и, следовательно, мощности в обрабатываемом материале с диэлектрическими потерями в виде функции, учитывающей зависимость фактора потерь от температуры по оси z.
Аналогичное выражение в общем случае можно получить не только при использовании модели в виде нагруженной длинной линии, но и при решении уравнений тепломассопереноса для режима бегущей волны в направлении оси z [4]:
P(z,y) = f(z)-f(y)-Pex-e 2a"z , (2.8)
f(z) — функция, учитывающая зависимость распределения мощности в материале от температуры и координаты z\
fiy) функция, учитывающая зависимость распределения мощности в материале от температуры и координаты у;
В этом случае можно записать граничные условия на входе СВЧ энергии в обрабатываемый материал и на выходе из него в согласованную нагрузку.
Пусть при температуре TK0H[z), значение постоянной затухания
a(z) = aKZ, а при температуре THa4[z), значение постоянной затухания a(z) = aHZ.
Допустим, что величина входной мощности источника СВЧ энергии Рвх практически полностью поглощается материалом на ширине .
В этом случае граничные условия (источник слева) имеют вид: (2.9) (2.10)
Величина поглощенной мощности прямо пропорциональна нарастанию температуры в материале, и следовательно, линейному увеличению комплексной части относительной диэлектрической проницаемости материала.
Следовательно, значение постоянной затухания линейно зависит от величины поглощенной мощности в материале
Термообработка диэлектрических стержней
Микроволновый метод осуществляет равномерный нагрев диэлектрического стержня во всем объеме и снимает внутренние термические напряжения. Объемный характер нагрева диэлектрических стержней приводит к полноте реакции полимеризации и высоким прочностным характеристикам получаемых изделий.
Рассмотрим процесс термообработки диэлектрического стержня, имеющего диаметр (0 = 0,33-А,) с низкой теплопроводностью
Метод построения СВЧ устройств [123-125] с продольным взаимодействием для высокоэффективной термообработки диэлектрического стержня в режиме бегущей волны, состоит из двух различных секций электродинамических систем, имеющих взаимодополняющее распределение температуры по поперечному сечению обрабатываемого материала.
На рис. 3.1.1 представлено продольное сечение СВЧ устройства для термообработки диэлектрических стержней.
Первая секция СВЧ устройства выполнена в виде круглого волновода, работающего на основной волне типа Е01, обеспечивает максимальную температуру в центре диэлектрического стержня и ее спад по радиусу к внешней поверхности стержня.
Вторая секция СВЧ устройства выполнена на замедляющей системы в виде диафрагмированного волновода и обеспечивает максимальную температуру на внешней поверхности стержня и ее спад по радиусу к оси диэлектрического стержня.
Результирующее распределение температуры по сечению диэлектрического стержня от двух секций СВЧ устройства должно быть рассчитано таким образом, чтобы обеспечить распределение температуры по поперечному сечению стержня удовлетворяющее требованиям технологического процесса.
Основные параметры диэлектрического стержня представлены в таблице 3.3.1.1.
Рассмотрим распределение температуры в материале стержня для первой секции СВЧ устройства.
В работе [74] показано, что для волны типа Е01 в круглом волноводе справедливо соотношение:
Значения постоянных затухания в направлении распространения бегущей волны имеют вид:
Точный расчет величин постоянных затухания с учетом выражений, приведенных в работе [4, 122] с использованием созданной программы, дает следующие значения:
Определим за какое время (г,) при и входной мощности СВЧ - источника 600 Вт будет достигнута заданная конечная температура 180С по оси стержня (стационарный режим).
Запишем общую формулу для расчета распределения температуры в диэлектрическом стержне (3.9):
Подставляя конкретные значения, получим, что время нагрева диэлектрического стержня в стационарном режиме от температуры 20С до температуры 180С составляет 123 сек, а длина, на которой достигается максимальная температура диэлектрического стержня, составляет 120 см ( =120 см).
На рис. 3.3.1.1 показаны теоретические и экспериментальные характеристики распределения температуры по центру стержня в направлении оси "z" на длине 1200 мм в стационарном режиме.
Набор температуры диэлектрическим стержнем, диаметром 40 мм в динамическом режиме определяется выражением (3.22) при условии, что (г = 0).
Рассчитанные характеристики распределения температуры по центру стержня в движении представлены на рис. 3.3.1.2.
Для волны Е01 в первом приближении, распределение температуры по поперечному сечению диэлектрической стержня при условии (z = О) определяется выражением:
Теоретические и экспериментальные характеристики распределения температуры по поперечному сечению стержня в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении "z = 0" представлены нарис. 3.3.1.3. 15 20
Разброс температуры по поперечному сечению стержня составил 60С или 30% и не может удовлетворять требованиям технологического процесса. Для выравнивания распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня за волноводом была поставлена другая электродинамическая система, а именно диафрагмированный волновод, диаметром 40 мм, соответствующего внешнему диаметру диэлектрического стержня.
Рассмотрим распределение температуры в диэлектрическом стержне для секции СВЧ устройства на основе диафрагмированного волновода.
Однако в рассматриваемом случае для выравнивания температуры по поперечному сечению стержня необходимо нагреть стержень по краям не более чем на 60С. Будем полагать, что температура в центре стержня не будет меняться и сохранится при значении 180С, которое было достигнуто в круглом волноводе.
В этом случае, величина постоянной затухания и распределение температуры по длине системы можно записать в виде:
Коэффициент замедления был выбран (кзам =2,5) исходя из степени спада температуры по толщине стержня от поверхности к оси.
Определим за какое время (т2) при (z = 0;r = R) и входной мощности СВЧ - источника 600 Вт будет достигнута заданная конечная температура 180С на внешней поверхности стержня (стационарный режим).
Запишем общую формулу для расчета распределения температуры в диэлектрическом стержне (3.12) с учетом граничных условий:
Подставляя конкретные значения, получим, что время нагрева диэлектрического стержня в стационарном режиме от температуры 120С до температуры 180С составляет 46 сек, а длина 12 на которой достигается максимальная температура диэлектрического стержня, составляет 450 мм ( 2=450 мм) при заданной скорости движения стержня 0,6 м/мин.
На рис. 3.3.1.4. представлены теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по внешней поверхности диэлектрического стержня вдоль электродинамической системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме.
На рис. 3.3.1.5 представлена теоретическая характеристика распределения температуры по внешней поверхности диэлектрического стержня вдоль электродинамической системы типа диафрагмированный волновод в динамическом режиме (в движении) согласно выражению (3.23).
Будем полагать, в первом приближении, что в направлении радиуса в электродинамической системе поле спадает по экспоненциальной функции (2.63):
На рис. 3.3.1.6 представлены теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по поперечному сечению стержня для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме в сечении "z = 0".
Теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня представлено на рис. 3.3.1.7 для стационарного режима для СВЧ устройства, представленного на рис. 3.1.1. Характеристики получены путем суперпозиции характеристик распределения температуры в стержне от двух секций СВЧ устройства в стационарном режиме.
Модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки неподвижных материалов в режиме бегущей волны
Задача расчета и проектирования СВЧ устройств, предназначенных для равномерного нагрева диэлектрических материалов, носит комплексный характер. Эта задача находится на стыке электродинамики сверхвысоких частот, тепломассопереноса и метрологии. Процессы нагрева в СВЧ устройствах описываются системой уравнений Максвелла и тепломассопереноса.
Определив экспериментальными исследованиями зависимости электрофизических и теплофизических параметров нагреваемого материала от температуры, можно разбить время термообработки на такие интервалы по времени, в пределах которых можно считать эти параметры постоянными значениями, не зависящими от времени. На этом временном интервале можно определить распределение температуры в материале, определив величину мощности удельных потерь, то есть решить краевую задачу тепломассопереноса.
Решение краевой задачи тепломассопереноса дает возможность установить электрофизические и теплофизические параметры материала для следующего временного интервала. Этот процесс расчета можно повторять до достижения заданной температуры материала в соответствие с требованиями технологического режима.
В работе [2, 4] на базе решения самосогласованной краевой задачи электродинамики и тепломассопереноса составлена программа расчета оптимальных параметров СВЧ устройств типа бегущей волны для термообработки неподвижных диэлектрических материалов. При этом под оптимальными параметрами понимают такие параметры электродинамических систем, которые обеспечивают необходимую равномерность термообработки материала при минимальном значении коэффициента стоячей волны по напряжению.
В работе [2, 4] рассмотрено распространение энергии электромагнитного поля в линиях передачи, которые частично заполнены материалами с диэлектрическими потерями в режиме бегущей волны.
Анализ распространения электромагнитного поля в устройствах СВЧ нагрева типа бегущей волны с неподвижным поглощающим диэлектрическим материалом позволяет сделать два основных вывода [2-4]:
I. Если диэлектрические параметры среды в процессе термообработки изменяются значительно, как это обычно имеет место при сушке, то в электродинамической системе СВЧ устройства в которой расположена обрабатываемая среда во время технологического процесса происходит резкое перераспределение энергии электромагнитного поля в объеме обрабатываемой среды. Это перераспределение энергии электромагнитного поля, в конечном счете, приводит к неравномерной термообработке. Таким образом, СВЧ устройства типа бегущей волны следует использовать только для нагрева, так как в этом случае изменение электрофизических параметров среды значительно меньше, чем при сушке, что и соответствует решению поставленной задаче в настоящей диссертационной работе;
II. В основу инженерного метода расчета СВЧ устройств термообработки неподвижных диэлектрических сред в режиме бегущей волны положены следующие основные теоретических положения. Эти теоретические положения установлены при исследовании решения самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности [4]:
- величина мощности удельных потерь была постоянной величиной, ибо резкая неравномерность тепловыделения приведет к неравномерности нагрева;
- нагреваемые среды обладают достаточно низкой теплопроводностью;
- время нагрева значительно меньше, чем при традиционных способах термообработки;
- теплообмен с окружающей средой можно не учитывать, так как обрабатываемый материал изолирован от внешней среды.
Если неравномерность нагрева диэлектрического материала в ходе термообработки возникает вдоль оси электродинамической системы, то для решения краевой задачи теплопроводности необходимо и достаточно определить выражение для погонной мощности потерь.
Следовательно, необходимо знать значение постоянной распространения этих волн в электродинамических системах с обрабатываемым диэлектрическим материалом.
В работе [130] для расчета величины постоянной затухания используют метод эквивалентных схем бесконечно малого участка электродинамической системы, частично заполненной поглощающей средой.
Однако следует отметить, что определение погонных параметров эквивалентной схемы представляет определенную сложность. Погонные параметры эквивалентной схемы должны быть определены таким образом, чтобы постоянная распространения волны, найденная из эквивалентной схемы, была равна постоянной распространения этой же волны, определенной из дисперсионного уравнения.
Существуют и другие подходы, так в работе [65-70] на примере обобщенной модели плоской замедляющей системы показана принципиальная возможность эффективного нагрева поверхности с конечной проводимостью, и предложена методика расчета параметров СВЧ устройства и рабочей длины волны.
Однако никаких экспериментальных результатов по распределению температурного поля в диэлектрических материалах с использованием данной модели в научных публикациях не приводится. Кроме того, выражения для определения значений постоянной затухания в предлагаемых моделях [130, 65-70], не учитывает ее зависимость от температуры материала.
В работах [113, 114] рассматриваются математические модели СВЧ нагрева диэлектрического слоя конечной толщины, соответствующие разным способам возбуждения электромагнитного поля. Для каждого способа возбуждения определены частные случаи различных граничных условий, допускающие аналитические решения задачи СВЧ нагрева, удобные для инженерных расчетов. Утверждается, что эти математические модели можно применить и для расчета различных конструкций замедляющих систем, в том числе с учетом теплопроводности, однако каких-либо результатов применения данной модели в режиме бегущей волны для замедляющих систем в научных публикациях не приводится.
В научных публикациях приводятся патенты и статьи, в которых для реализации равномерного температурного поля в неподвижных материалах предлагается использовать переменные параметры электродинамических систем с целью обеспечения постоянного значения температуры в материале в направлении распространения энергии электромагнитного поля. Именно этот подход и используется в настоящей диссертационной работе. .
Анализ научных публикаций [4, 5], а также действующих экспериментальных СВЧ установок, показывает, что СВЧ устройство с обрабатываемым материалом в режиме бегущей волны заменяется эквивалентной моделью в виде нагруженной длинной линии. Эквивалентная модель в виде нагруженной длинной линии дает наилучшее соответствие рассчитанных и измеренных распределений температурного поля в обрабатываемых диэлектрических материалах.
Эквивалентная схема в виде нагруженной длинной линии для СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны представлена на рис. 4.2.1.
