Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в технике и энергетике СВЧ является повышение уровня равно-мерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов. Решение данной задачи требует использования новых типов волноводов, таких как: прямоугольный волновод с Т-ребром; подковообразный волновод; П- и Н-волноводы и др., отличающиеся от стандартных волноводов (прямоугольный, цилиндрический и др.) наличием четко выраженного емкостного зазора, электрическое поле доминантной волны в котором однородно, что является необходимым условием обеспечения однородной удельной плотности тепловых источников - в объеме обрабатываемого материала. Достижение однородности продольной составляющей посредством соответствующего изменения геометрии рабочей камеры в направлении распространения доминантной волны позволит создать новый класс конвейерных СВЧ-устройств на основе волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), которые обеспечивают равномерную интенсивную термообработку листовых, тонкопленочных, брикетированных, сыпучих, жидких, полимерных и др. материалов. Необходимо отметить, что данные установки относятся к СВЧ-устройствам специального назначения, предназначенным для равномерного нагрева конкретного диэлектрического материала. Определение геометрии рабочей камеры конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа применительно к заданному процессу термообработки представляет собой чрезвычайно сложную задачу, связанную с решением нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для ВСС, частично заполненных диэлектрическим материалом, электрофизические и тепловые параметры которого изменяются в процессе нагрева.
Особую актуальность данная задача приобретает в наиболее распространенных в технике и энергетике СВЧ-устройствах резонаторного типа, поскольку наличие резонансных свойств в рабочей камере приводит к резкой неоднородности распределения электрического поля в области расположения материала в силу образования стоячих волн, что приводит к неравномерности нагрева образца. Попытки механического перемещения обрабатываемого материала (вращение поддона с продуктом) не позволяют снизить градиент температур в силу радиальной неоднородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Также неэффективным оказывается использование диссекторов в области расположения ввода СВЧ-мощности в рабочую камеру, поскольку продукт находится в дальней зоне возбуждения, а эффективность влияния диссектора на электрическое поле определяется в ближней зоне возбуждения. Кроме того, до настоящего времени в выпускаемых микроволновых печах используется однощелевой способ возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, который менее эффективен, чем многощелевой способ возбуждения в повышении уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала. Заметим, что распределенный способ возбуждения позволяет улучшить равномерность нагрева диэлектрических материалов чисто электродинамическим путем, а также управлять потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру, что является необходимым условием создания СВЧ-устройств резонаторного типа нового поколения. Это достаточно сложная и перспективная задача техники и энергетики СВЧ.
Значительный вклад в исследование электродинамических свойств волноводов сложного сечения внесли зарубежные ученые – Metaxas A.C., Meridith R.J., Chen T.S., Torres F., а также российские ученые – Вольман В.И., Григорьев А.Д., Михалевский В.С., Гальченко Н.А., Лерер А.М., Коломейцев В.А., Яковлев В.В., Гуревич Л.Г. и др. Показали эффективность использования ВСС в качестве рабочей камеры СВЧ-устройств конвейерного типа для достижения равномерного нагрева листовых, тонкопленочных, жидких, сыпучих и др. материалов российские ученые – Железняк А.Р., Салимов И.И., Комаров В.В., Хомяков С.В. и др. Исследованию электродинамических свойств СВЧ-устройств резонаторного типа были посвящены работы зарубежных ученых – Пюшнера Г., Soriano V., Окресса Э., Уонг Х., Lee J. и др., а также российских ученых – Девяткина И.И., Архангельского Ю.С., Рогова И.А., Некрутмана С.В., Зусмановского С.А., Пиденко А.П., Пименова Ю.В. и др. Наибольший вклад в теорию и практику возбуждения электромагнитного поля в СВЧ-устройствах резонаторного типа, в том числе и многощелевого, внесли – Марков Г.Т., Чаплин А.Ф., Васильев Е.А., Кисунько Г.В., Коломейцев В.А., Григорьев А.Д. и др. Однако, несмотря на такие обширные исследования электродинамических свойств ВСС, частично заполненных диэлектрическим материалом, и резонаторных камер с произвольной системой возбуждения, актуальными и практически важными остаются следующие задачи техники и энергетики СВЧ: разработка эффективных методов решения ВКЗЭиТ для термопараметрических материалов; решение задачи синтеза СВЧ-устройств волноводного типа, то есть определение геометрии рабочей камеры, обеспечивающей равномерный нагрев движущихся диэлектрических материалов; оптимизация системы возбуждения СВЧ-устройств резонаторного типа, направленная на повышение уровня равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов и качества готовой продукции. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.
Цель диссертационной работы.
Создание специализированных конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа, обеспечивающих равномерный нагрев листовых, тонкопленочных, жидких и порошкообразных диэлектрических материалов, и универсальных СВЧ-устройств резонаторного типа с распределенными системами возбуждения электромагнитного поля, обладающих более равномерным нагревом материалов и КПД по сравнению с однощелевыми системами возбуждения, используемыми в современных микроволновых установках.
Научные задачи.
Для достижения данной цели требуется решить следующие задачи:
1. Создать математическую модель процесса взаимодействия электромагнитных (ЭМГ) полей с диэлектрическими материалами, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева, в СВЧ-установках волноводного и резонаторного типов.
2. Разработать методику решения ВКЗЭиТ для волноводных СВЧ-устройств продольного и поперечного типов, предназначенных для непрерывной обработки листовых, тонкопленочных, жидких, газообразных материалов и задачу возбуждения ЭМГ поля в резонаторных СВЧ-устройствах, частично заполненных однородным диэлектрическим материалом стандартной формы, что позволяет оптимизировать систему возбуждения.
3. Произвести расчет конструкции и режима термообработки рабочей камеры волноводных конвейерных СВЧ-установок на основе ВСС, предназначенных для термообработки произвольных диэлектрических материалов, в том числе и термопараметрических.
4. Провести исследования электродинамических и тепловых характеристик резонаторных СВЧ-устройств с различными системами возбуждения ЭМГ поля, в том числе многощелевыми и комбинированными, и определить пути повышения уровня равномерности нагрева в данных установках.
Методы исследования.
Для решения поставленной задачи были использованы:
метод частичных областей; метод последовательных приближений; метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод линеаризации исходных данных процесса термообработки материалов, электрофизические и тепловые параметры которых являются функциями температуры; метод разделения переменных (задача теплопроводности для образцов стандартной формы), численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия доминантной волны с термопараметрическими материалами в конвейерных СВЧ-устройствах волноводного типа, позволяющая провести анализ теплового поля в объеме обрабатываемого материала с учетом зависимости электрофизических и тепловых параметров материала от температуры нагрева и определить основные выходные характеристики данных установок для конкретного диэлектрического материала.
2. Предложен численно-аналитический способ решения неоднородной ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств резонаторного типа, в основе которого лежит аналитический метод решения неоднородных уравнений Гельмгольца и теплопроводности (метод Лагранжа) с использованием ортогональных преобразований Фурье. При этом собственные ортогональные функции решения определяются численным методом (МКЭ), что позволяет провести исследования электродинамических свойств различных систем возбуждения ЭМГ поля и определить конструкцию системы возбуждения, обеспечивающую заданный технологический процесс термообработки.
3. Разработан подход расчета конструкции рабочей камеры конвейерных СВЧ-устройств на основе ВСС, обеспечивающих равномерный нагрев листовых, тонкопленочных и жидких материалов с высоким темпом нагрева и производительностью, и позволяющих создать перспективный класс специальных промышленных установок непрерывного действия.
4. Исследован и реализован способ подвода ЭМГ мощности от генератора в рабочую камеру СВЧ-устройств резонаторного типа со стороны нижней поверхности резонатора посредством прямоугольного рупора, что позволило резко повысить уровень равномерности нагрева материала и КПД установки за счет увеличения тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля в области расположения образца.
5. Установлено, что использование распределенных систем возбуждения ЭМГ поля в рабочей камере СВЧ-устройств резонаторного типа позволяет повысить уровень равномерности нагрева материала и создать необходимое условие для управления потоком СВЧ-мощности в резонаторную камеру, что позволит наиболее полно реализовать заданный технологический процесс термообработки.
Практическая значимость.
1. Даны практические рекомендации по применению численных методов решения нелинейной ВКЗЭиТ для конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа на основе ВСС, обеспечивающих равномерный нагрев термопараметрических материалов.
2. Разработаны конструкции рабочих камер конвейерных СВЧ-устройств на основе отрезков волноводов сложного поперечного сечения, предназначенных для равномерного нагрева произвольных термопараметрических материалов.
3. Даны практические рекомендации по совершенствованию систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ-устройств резонаторного типа, направленные на повышение уровня равномерности нагрева образца.
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, СГТУ, 2008 г., 2009 г.), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, ММТТ-ХХI, 2008 г., ММТТ-XXIII, 2010 г., ММТТ-ХХIV, 2011 г.).
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов
обусловлена корректностью постановки нелинейной математической модели процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольными диэлектрическими материалами в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов, точной формулировкой краевых условий на внутренней поверхности рабочей камеры и на границе раздела сред, использованием высокоточных численных методов решения краевых задач математической физики, экспериментальными исследованиями электродинамических и тепловых свойств СВЧ-устройств резонаторного типа с различными распределенными системами возбуждения ЭМГ поля в рабочей камере.
Реализация результатов.
Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «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 две работы – в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.
Структура и объем диссертационной работы.
Похожие диссертации на СВЧ-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов волноводного и резонаторного типов
