Введение к работе
Актуальность темы.
Основным требованием к СВЧ нагревательным установкам,
позволяющим интенсифицировать процесс термообработки
диэлектрических материалов, является создание однородной удельной плотности тепловых источников (qv=const) в объеме обрабатываемого материала. Особую актуальность данная задача приобретает я наиболее распространенных в технике и энергетике СВЧ- установках резонаторного типа, поскольку наличие резонансных свойств в рабочих камерах данного типа приводит к резкой неоднородности распределения электрического поля в области расположения материала и, соответственно, к неравномерности его нагрева. Попытки механического перемещения обрабатываемого материала в рабочей камере (вращение поддона с продуктом) не позволяют снизить перепад температур At нагреваемого материала в силу радиальной неоднородности распределения тепловых источников в поглощающем СВЧ-мощность материале. Также малоэффективным оказывается использование диссекторов в области источников электромагнитного поля, поскольку продукт в СВЧ-печах находится в дальней зоне возбуждения, а эффективность влияния диссектора на электрическое поле определяется лишь ближней зоной возбуждения.
Данное положение в основном определяется тем, что во всех бытовых СВЧ нагревательных установках резонаторного типа используется однощелевое возбуждение рабочей камеры без электронного управления подачей электромагнитной мощности в область взаимодействия поля с обрабатываемым материалом. При этом отличительной чертой системы возбуждения в данных установках является расположение источника возбуждения в рабочей камере установки (излучающая щель, как правило, располагается на верхней или боковой стенках резонатора). Данное техническое решение не позволяет увеличить число степеней свободы для достижения требуемого уровня распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, обеспечивающего заданный режим термообработки. Это принципиальная и важная в технике и энергетике СВЧ задача, требующая принципиально новых технических решений, связанных с созданием возбуждающих систем с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа, при котором обеспечивается заданное распределение тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. При этом указанная задача должна быть решена чисто электродинамическим методом без использования механического перемещения нагреваемого материала. Данный подход позволяет создать СВЧ нагревательные установки резонаторного типа бытового назначения нового поколения, отличающиеся более высоким уровнем равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов.
Это весьма актуальная и практически важная задача, которая требует проведения комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением и различными распределенными системами возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру. Данные исследования требуют решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и тешюпроводности (ВКЗЭиТ), которая для резонаторных систем с произвольным диэлектрическим заполнением представляет значительные трудности. Учитывая данное положение, для решения указанной задачи необходимо разработать эффективные методы решения ВКЗЭиТ, которые позволят оптимизировать систему возбуждения резонаторной рабочей камеры, обеспечивающую заданный электротехнический процесс термообработки.
Цель диссертационной работы.
Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ-установок резонаторного типа при различных системах распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, направленных на достижение требуемого уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, при котором обеспечивается заданный технологический процесс термообработки.
Методы исследования.
Для решения поставленной задачи были использованы: методы математической физики решения задач электродинамики и теплопроводности; методы линейной алгебры; графоаналитический метод; метод эквивалентных схем; теория графов; метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье; объектно-ориентированные методы вычислений.
Научная новизна.
-
Предложена математическая модель процесса возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок резонаторного типа посредством распределенных, многощелевых систем возбуждения, позволяющая определить эффективность влияния управлением потоком электромагнитной мощности на уровень распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.
-
Предложена методика решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных СВЧ нагревательных структур с распределенными
системами возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере с частичным поглощающим СВЧ-мощность диэлектрическим заполнением.
-
Определены численный метод и алгоритм решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности при произвольном характере заполнения рабочей камеры обрабатываемым материалом с учетом изменения электрофизических и тепловых свойств нагреваемого материала.
-
Проведено комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств рабочих камер, позволяющее оценить степень влияния распределенных, многощелевых систем возбуждения на уровень однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, равномерности его нагрева.
-
Предложена методика повышения эффективности управления подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру СВЧ нагревательных установок резонаторного типа, направленная на достижение требуемого уровня однородности теплового поля в объеме обрабатываемого материала.
-
Проведены экспериментальные исследования электродинамических свойств различных распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах резонаторного типа, которые показали перспективность их использования для достижения требуемого уровня равномерности нагрева.
-
Предложена и экспериментально апробирована методика определения режима управления потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа, при котором достигается минимальный градиент температурного поля в объеме обрабатываемого материала без использования механического перемещения образца, что является основой создания СВЧ нагревательных установок нового поколения.
-
Установлены критерии оценки уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и равномерности его нагрева в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа, позволяющие определить эффективность использования распределенных систем возбуждения для обеспечения заданного технологического процесса термообработки.
Практическая значимость.
-
Даны практические рекомендации по оптимизации численных методов решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности применительно к исследованию электродинамических и тепловых свойств рабочих камер СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с распределенными, многощелевыми системами возбуждения электромагнитного поля.
-
Разработаны конструкции распределенных, многощелевых (трех- и четырехщелевых) систем возбуждения электромагнитного ПОЛЯ резонаторных рабочих камер прямоугольной формы, которые обладают
большими функциональными возможностями в достижении требуемого уровня равномерности нагрева, чем стандартные системы возбуждения микроволновых печей.
-
Даны практические рекомендации по оптимизации режима подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру посредством электронного управления распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющие уменьшить градиент температуры нагрева в объеме обрабатываемого материала в СВЧ-установках резонаторного типа.
-
Даны практические рекомендации по созданию СВЧ нагревательных установок резонаторного типа нового поколения с электронным управлением потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру, позволяющие обеспечите требуемый уровень равномерности нагрева без применения устройств механического перемещения обрабатываемого материала.
Апробация работы.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Радиотехника и связь» (Саратов, СІТУ, 2004, 2006, 2007), «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, ОАО «НІШ «Контакт», 2007), «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-ХХІ, Саратов, СТТУ, 2008).
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлены корректностью постановки неоднородной математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с произвольными диэлектрическими, поглощающими СВЧ-мощность материалами в резопаторных системах с распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, точной формулировкой граничных условий на внутренней поверхности рабочей камеры и на границе раздела сред, использованием современных, высокоточных численных методов решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, экспериментальным исследованием электродинамических свойств различных распределенных, многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля.
Реализация результатов.
Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских габотах, проводимых кафедрой'і «Радиотехника» СПУ,' rpairrax . и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО «НЛП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука», ЗАО НПЦ «Алмаз - Фазотрон».
Публикации.
По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 11 печатных работ, из них три работы - в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.
Структура и обьсм диссертационной работы.
Диссертационная работа содержит 181 страницу, состоит из введения, трех глав, заключения и включает 63 рисунка, а также список использованной литературы, содержащий 102 наименования.
Личный вклад автора.
Представленные в диссертационной работе результаты расчета электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур с распределенной системой возбуждения электромагнитного ноля получены автором самостоятельно, кроме того в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методики и проведении экспериментальных исследований СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с распределенной системой возбуждения электромагнитного поля.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса , взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность заполнением, в установках резонаторного тина с многощелевой, распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющая определить конструкцию системы возбуждения и режим подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру, при котором обеспечивается заданный технологический процесс термообработки.
-
Методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств резонаторных систем с частичным, поглощающим СВЧ-мощность заполнением с учетом особенностей поверхностного, распределенного источника возбуждения, базирующаяся па решении неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности и позволяющая определить эффективность многощелевой системы возбуждения для обеспечения заданного режима термообработки.
-
Методика определения режима изменения электродинамических параметров распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа в процессе термообработки, основанного на электронном управлении свойствами излучающей щели и позволяющего обеспечить требуемое распределение тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, соответствующее заданному процессу термообработки.
4. Результаты экспериментальных исследований
электродинамических свойств распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах резонаторного типа и определение режима управления потоком СВЧ-мощности, при котором достигается минимальный градиент температурного поля в объеме обрабатываемого материала без механического перемещения образца, что является основным условием создания нового класса СВЧ нагревательных установок бытового назначения.
