Введение к работе
Актуальность темы
Актуальной задачей проектирования нагревательных СВЧ-установок является обеспечение минимального градиента температур п объеме диэлектрического материала, подвергаемого СВЧ-термообработке. Снижение градиента температуры позволяет повысить ее интенсивность и качество.
Самым известным путем решения указанной задачи является механическое перемещение нагреваемого продукта (поворотные стойки в микроволновых печах). Однако, при этом возникает радиальная составляющая неоднородности напряженности электрического поля, что приводит к снижению качества термообработки различных диэлектрических материалов. Альтернативой механическому способу повышения равномерности нагрева является использование распределенной системы возбуждения электромагнитного поля посредством введения нескольких сторонних источников — излучающих щелей. При этом обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников осуществляется за счет вариации размеров, формы и расположения щелей на стенках рабочей камеры.
Данный способ решения осложнен необходимостью комплексного исследования электродинамических процессов в связанных системах (волновод, щели возбуждения, резонатор). Также необходимо учитывать, что основным выходным параметром, характеризующим качество термообработки, является распределение температуры в объеме обрабатываемого материала. Следовательно, исследование и оптимизация многощелевых распределенных систем возбуждения электромапгатного поля в установках резонаторного типа требуют решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ).
Цель работы
Исследование и оптимизация многощелевых распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ-установок резонаторного типа, направленные на обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.
Задачи работы
-
Разработать методику решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности с учетом стороннего источника возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере.
-
Провести модернизацию алгоритмов и программ расчета электродинамических и тепловых свойств рабочих камер резонаторного типа.
-
Провести корректировку необходимого и достаточного условий возбуждения электромагнитного поля в резонаторпых камерах на основе
анализа структуры поверхностных токов на импедансной стенке волновода связи и па стенках резонаторной камеры.
-
Провести комплексное исследование щелевых и многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере.
-
Провести экспериментальное исследование процесса СВЧ-нагрева диэлектрического материала в установках резонаторного типа при различных распределенных системах возбуждения и сравнение структур электрического и теплового полей в объеме обрабатываемого материала.
Методы исследования
Для решения поставленных задач были использованы численные методы решения ВКЗЭиТ: метод конечных и объемных элементов с применением принципов Галеркина и взвешенных невязок и метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье. Также были применены объектно-ориентированные методы вычислений и программирования, методы математической физики, графоаналитические методы, метод частичных областей, метод последовательных приближений и методы экспериментального исследования.
Научная попизна
-
Предложена методика решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для резонаториых структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением для различных щелевых и многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах.
-
Модернизированы алгоритмы и программы для численного решения неоднородной совместной ВКЗЭиТ для резонаториых камер, частично заполненных диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, материалом.
-
Предложена методика графической визуализации данных четырехмерного массива, то есть пространственного распределения физической величины (температуры и квадрата модуля напряженности электрического поля в объеме обрабатываемого ,СВЧ--полем материала) посредством средпеинтеїральїшх поверхностей.
-
Проведено комплексное исследование электродинамических свойств СВЧ- нагревательных установок резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах, различных габаритах, электрофизических свойствах и расположении обрабатываемого материала в рабочей камере.
-
Проведено экспериментальное исследование процесса нагрева диэлектрического материала в СВЧ-установках резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитного поля.
Практическая значимость
1.Даны практические рекомендации по построению многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере,
обеспечивающих направленную передачу СВЧ-мощности от источника, а также заданный электротехнологический процесс термообработки произвольных диэлектрических материалов.
-
Предложена методика оценки эффективности произвольных систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере путем анализа степени неоднородности электрического поля п объеме обрабаты- ваемого материала.
-
Материалы диссертационной работы могут быть использованы/, студентами 4, 5 курсов Саратовского государственного технического уни- ' верситета и других вузов, обучающимися по специальностям «Радиотехника», «Электронные приборы и устройства» и «Радиофизика», при- изучении учебных дисциплин, связанных с электродинамикой и распространением радиоволн и взаимодействием электромагнитного поля с поглощающими СВЧ-мощность материалами.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Методика решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа, позволяющая учитывать и оптимизировать параметры источников возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере.
-
Структура пространственного распределения квадрата модуля напряженности возбужденного электрического ноля в резонаторной камере, частично заполненной диэлектрическим материалом различных геометрических и электрофизических параметров, но уровню однородности которой можно судить об удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, то есть о равномерности нагрева, и методика визуализации данной структуры в трехмерной системе координат.
-
Результаты экспериментального исследования процесса СВЧ-нагрева диэлектрического материала в установках резонаторного тина, доказывающие эффективность распределенного способа возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере;
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами численных расчетов и экспериментальных исследований, а также корректностью используемой математической модели процесса возбуждения электромагнитного поля в рабочих- камерах СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа.
Реализация результатов
Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, грантах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности: ЗАО НПУ «Алмаз-Фазотрон», ОАО «ПОП «Контакт», ОКБ «Тантал-Наука», ОАО «Электроприбор» и др.
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, 2006, 2007, 2008); «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, ОАО «НПП «Контакт», 2007); «Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-21» (Саратов, СГТУ, 2008).
Публикации
По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 15 печатных работ, 2 из которых в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа содержит 144 страницы, состоит из введения, трех глав, заключения, включает 38 рисунков, 11 таблиц и список использованной литературы из 100 наименований.
