Введение к работе
Актуальность темы
Среди основных направлений развития новых технологий производства продукции различного назначения важное место занимает термообработка диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Перспективным способом термообработки является использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. Технологии, использующие СВЧ-энергию для нагрева и сушки диэлектрических материалов, нагрева и размораживания пищевых продуктов, являются экологически чистыми и достаточно эффективными.
В 1970 -1990 годах в нашей стране и за рубежом были разработаны и освоены производством источники СВЧ-энергаи, предназначенные для использования в электротермических установках бытового и промышленного назначения с уровнем выходной средней мощности от 600 Вт до нескольких киловатт.
Одновременно проводились исследования электромагнитных и тепловых процессов в волноводах и резонаторах, частично заполненных поглощающими материалами, совершенствовались конструкции рабочих камер, что позволило создать промышленные установки и бытовые СВЧ-печи. Наиболее значительный вклад в развитие теоретических основ техники и энергетики СВЧ-нагрева, проектирования СВЧ-технологических установок, математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в диэлектрических материалах при СВЧ-нагреве внесли отечественные ученые: В Л Вологдин, ДИ. Воскресенский, ИИ Девяткин, Н.Д. Девятков, СВ. Некрутман, AJB. Нетушил, Ю.С. Архангельский и др., зарубежные: Э. Окресс, О. Andrade, J.Cannon, С. Chew, A. Conrad, D. Foster, R. Grubb, M. Ebadian, L. Т. White и др.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в теории и практике создания СВЧ-нагревательных установок, для перехода к технике и технологии более высокого уровня и обеспечения максимальной эффективности технологических процессов СВЧ-нагрева необходимо использование достижений в различных областях электроники, радиотехники, микроэлектроники, в частности, в сфере полупровддниковых коммутирующих устройств СВЧ. Важной народнохозяйственной задачей и актуальной проблемой технологий СВЧ-нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов является совершенствование конструкций рабочих камер резонаторного типа на основе применения полупроводниковьк переключательных диодов в распределенных системах возбуждения электромагнитного поля с целью повышения уровня равномерности нагрева Разработка конструкций рабочих камер резонаторного типа с использованием полупроводниковых переключательных диодов позволит улучшить основной показатель качества процесса нагрева - равномерность нагрева и создать новые потребительские качества установок СВЧ-нагрева и бытовых СВЧ-печей.
Несмотря на достаточное количество разработанных конструкций рабочих камер, к моменту начала работы над диссертацией совершенно отсутствовали
сведения об использовании полупроводниковых переключательных диодов (pin-диодов) в системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах установок СВЧ-нагрева.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы является решение актуальной научно-технической задачи: повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа на основе применения распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере с электронным управлением процессом возбуждения.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать методы нагрева, обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева в СВЧ-нагревательных установках.
-
Обосновать необходимость электронного управления процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревагельных установок резонаторного типа для обеспечения повышения равномерности нагрева обрабатываемого материала и повышения эффективности технологического процесса термообработки.
-
Установить степень влияния процесса управления системой возбуждения электромагнитного поля на распределение плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и определить характфистики процесса управления системой возбуждения, в наибольшей степени влияющие на уровень равномерности нагрева.
-
Выбрать метод управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа, обеспечивающий максимальный уровень равномерности нагрева.
Методы исследования
Для решения вышеприведенных задач были использованы: методы математической физики, методы статистической физики, метод моделирования задач теплопроводности, метод эквивалентных схем, метод экспериментального исследования.
Научная новизна
-
Предложен и апробирован способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа, основанный на применении распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах с электронным управлением процессом возбуждения.
-
Показано, что изменение в процессе нагрева состояния элементарных излучателей распределенной системы возбуждения, осуществляемое переключением диодов, приводит к повьппению плотности тепловых источников в
объеме нагреваемого материала и, как следствие, к улучшению равномерности его нагрева.
-
Проведены исследования длительности процессов выравнивания температуры в процессе нагрева материала СВЧ-нагревательной установкой резонаторного типа с управляемой системой возбуждения в случае непрерывного и импульсного режимов работы источника СВЧ-энергии.
-
На основе статистических испытаний модели нагреваемого материала показано повышение уровня равномерности нагрева при электронном управлении процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонаторного типа.
-
Предложена и практически реализована конструкция распределенной системы возбуждения, позволяющая обеспечить управление процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа.
Практическая значимость
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов может найти применение в установках СВЧ-нагрева резонаторного типа и повысить эффективность технологаческого процесса термообработки.
-
Впервые предложена констг>укция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа с переключательными диодами, позволяющая повысить в процессе нагрева плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, тем самым, улучшить равномерность его нагрева.
-
Конструкция СВЧ-печи, использующая предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов, защищена патентом РФ.
-
Результаты работы могут быть использованы в НИОКР, проюдимых (Л ТУ и предприятиями радиоэлектронного профиля.
Апробация работы
Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период 2004-2008 гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на: Федеральной итоговой научно-технической конференции Всероссийского конкурса на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам (Москва, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004 г.), Второй и Третьей конференциях молодых
ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, СФ ИРЭ РАН, 2007,2008 гг.).
Публикации
По материалам исследований, выполненных по теме диссертации, опубликовано семь печатных работ, в том числе две работы в рекомендованных ВАК изданиях.
Структура и объем диссертации
