Введение к работе
Актуальность темы. Одной из ключевых и практически важных задач электротехнологии СВЧ, связанной с термообработкой диэлектрических материалов в электромагнитном поле (ЭМГ), является повышение качества готовой продукции и эффективности таких процессов, как нагрев, разморозка и сушка пищевых продуктов, высокотемпературная обработка и спекание брикетированных материалов, полимеризация синтетических смол и др., что напрямую зависит от уровня поглощённой мощности и равномерности нагрева материала. Это достаточно сложная техническая задача, требующая дальнейшего совершенствования конструкции рабочей камеры (РК) установки и системы возбуждения (СВ) ЭМГ поля посредством комплексного исследования электродинамических и тепловых свойств РК, частично заполненной диэлектрическим материалом, на основе решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ). Направления усовершенствования конструкции РК и СВ ЭМГ поля существенно зависят от типа и назначения СВЧ установки.
Наибольшее распространение в электротехнологии СВЧ получили установки резонаторного (бытовые микроволновые печи) и волноводного типов, предназначенные для конвейерной термообработки различных промышленных изделий и пищевых продуктов. Установки резонаторного типа относятся к установкам универсального действия и предназначены для термообработки широкого класса диэлектрических материалов, отличающихся размерами, физическими свойствами и состоянием. Как показано в работах Девяткина И.И., Коломейцева В.А., Семёнова А.Э., Рогова И.А., Э.Окресса, Metaxas A.C. в установках универсального действия при неизменной СВ ЭМГ поля невозможно обеспечить качественную термообработку всего спектра пищевых продуктов вследствие существенного влияния обрабатываемого материала на электрическое поле в РК определяющее распределение тепловых источников в образце .
Установки конвейерного типа на основе регулярных волноводов не могут обеспечить равномерный нагрев листовых материалов в силу затухания волны в направлении распространения (Пюшнер Г., Архангелльский Ю.С., Сатаров И.К., Soriano S., Yokr X.). Конструкция РК в виде меандра на основе регулярного прямоугольного волновода незначительно улучшает равномерность нагрева материала, но не устраняет полностью неоднородность распределения . Как показано в работах Коломейцева В.А., Железняка А.Р., Салимова И.И. единственным способом достижения является использование в качестве РК отрезков нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), продольный профиль которых изменяется в направлении распространения волны, при этом данное изменение должно обеспечивать . Это наиболее сложная часть задачи проектирования РК конвейерных СВЧ установок, поскольку расчёт продольного профиля РК требует решения обратной ВКЗЭиТ, то есть задачи синтеза данных устройств.
Таким образом, усовершенствование конструкции РК и системы возбуждения ЭМГ поля в СВЧ установках резонаторного и волноводного типов, направленное на повышение уровня равномерности нагрева и поглощённой мощности (КПД установок), является актуальной и практически важной задачей электротехнологии СВЧ, решение которой позволит обеспечить основу создания СВЧ нагревательных установок нового поколения.
Цель работы. Усовершенствование конструкции РК и системы возбуждения ЭМГ поля, направленные на улучшение равномерности нагрева и повышение уровня поглощаемой мощности в объёме обрабатываемого материала, то есть качества готовой продукции и КПД электротехнологических СВЧ установок резонаторного и волноводного типов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработка математической модели процесса взаимодействия ЭМГ поля с диэлектрическим поглощающим СВЧ мощность материалом в рабочих камерах волноводного и резонаторного типов;
-
Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств ВСС и резонаторов, частично заполненных диэлектрическим материалом при различных системах возбуждения ЭМГ поля;
-
Разработка метода определения продольной геометрии РК на основе ВСС, обеспечивающую однородное распределение удельной плотности тепловых источников - в объёме обрабатываемого материала;
-
Оптимизация системы возбуждения ЭМГ поля в электротехнологических СВЧ установках резонаторного типа, направленная на улучшение качества термообработки и повышения КПД установки;
-
Проведение экспериментальных исследований теплового поля в резонаторных РК с различными распределёнными системами возбуждения ЭМГ поля и сравнительный анализ результатов исследования.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы: методы математической физики решения задач гиперболического и параболического типов; метод вариации произвольной постоянной; графоаналитический метод; метод последовательных приближений; метод линеаризации нелинейных уравнений электродинамики и теплопроводности; метод последовательных итераций; ортогональные преобразования Фурье; метод эквивалентных схем; метод конечных элементов с использованием принципа Галёркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей; метод разделения переменных; объектно-ориентированные методы вычислений.
Научная новизна.
-
Предложена математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ поля с диэлектрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах, алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, позволяющие проводить комплексное исследование диапазонных свойств и структуры ЭМГ поля в ВСС и резонаторах, частично заполненных поглощающим СВЧ мощность диэлектрическим материалом.
-
Предложен комбинированный численно-аналитический подход решения ВКЗЭ при котором общее решение достигается аналитическим методом Лагранжа путём представления его в виде ряда Фурье по собственным ортонормированным функциям, при этом сами ортонормированные функции определяются на основе численного решения однородной ВКЗЭ, позволяющий оценить эффективность распределенных систем возбуждения ЭМГ поля в достижении требуемого уровня равномерности нагрева материала в установках резонаторного типа.
-
Проведено исследование электротехнологического процесса нагрева листовых материалов в конвейерных СВЧ установках поперечного типа и определена продольная геометрия РК, обеспечивающая однородное распределение тепловых источников в направлении распространении волны с учётом характера изменения электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур.
-
Показано, что многощелевые и комбинированные системы возбуждения ЭМГ поля обладают более высокими потенциальными возможностями в достижении требуемого уровня равномерности нагрева диэлектрического материала, чем однощелевой способ возбуждения, и позволяют обеспечить управление потоком СВЧ мощности в РК посредством переключающих p-i-n диодов расположенных в каждой щели.
-
Предложена методика экспериментального исследования выходных характеристик СВЧ установок волноводного и резонаторного типов, позволяющая оценить эффективность распределённых систем возбуждения ЭМГ поля в РК в достижении требуемого уровня равномерности нагрева материала, а также определить наиболее оптимальную конструкцию РК.
Практическая ценность работы.
-
Приведённая методика расчёта режима обработки и продольного профиля РК на основе отрезков нерегулярных ВСС позволяет провести проектирование конвейерной СВЧ установки поперечного типа, обеспечивающей однородную плотность тепловых источников и равномерный нагрев конкретного листового материала с учётом характера изменения физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур.
-
Разработанный численно-аналитический метод решения неоднородной ВКЗЭ может быть успешно использован для определения электродинамических свойств и тестирования распределённых систем возбуждения ЭМГ поля в резонаторных РК, частично заполненных диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность материалом.
-
Проведённые в работе исследования электродинамических и тепловых свойств многощелевых и комбинированных систем возбуждения ЭМГ поля, позволяют создать СВЧ нагревательные установки бытового назначения с улучшенными выходными характеристиками, без использования механического перемещения обрабатываемого материала.
-
Даны практические рекомендации по управлению потоком СВЧ мощности в РК резонаторного типа посредством переключающих p-i-n диодов, которые могут быть использованы для улучшения равномерности нагрева диэлектрического материала и повышения уровня поглощённой образцом СВЧ мощности.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-24, Пенза, ПГТУ, 2011; ММТТ-25, Волгоград, ВГТУ, 2012; ММТТ-26, Иркутск, ИГУ, 2013); «Радиотехника и связь» Саратов, СГТУ, 2009; научных семинарах кафедры «Радиотехника» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлены корректностью математической модели процесса взаимодействия ЭМГ волн с произвольными диэлектрическими материалами в СВЧ нагревательных установках волноводного и резонаторного типов, учитывающей характер изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, точной формулировкой граничных условий ВКЗЭиТ, использованием современных, высокоточных, тестированных методов численного решения задач математической физики, экспериментальной апробацией электродинамических и тепловых свойств РК при произвольных распределённых системах возбуждения ЭМГ поля.
Реализация результатов. Результаты исследования ЭМГ и теплового поля в диэлектрическом материале нагреваемом в РК волноводного и резонаторного типов были использованы при расчёте теплового поля в приёмно-передающем модуле АФАР Х-диапазона и определении уровня предельно допустимой мощности излучаемой антенным элементом ППМ (ЗАО НПЦ «АЛМАЗ-ФАЗОТРОН» г.Саратов), а также внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ им. Гагарина Ю.А. и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука».
Публикации. По результатам научных исследований, проведённых в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 13 печатных работ, из них три работы – в рекомендуемых ВАК изданиях.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа содержит 218 страниц, состоит из введения, трёх глав, заключения и включает 51 рисунок, а также список использованной литературы, содержащей 106 наименований.
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ электротехнологических установок волноводного и резонаторного типов с различными системами возбуждения ЭМГ поля получены автором самостоятельно, кроме того в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методик расчёта и проведении экспериментальных исследований выходных параметров и характеристик данных установок.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ поля с термопараметрическими материалами в рабочих камерах электротехнологических СВЧ установок волноводного и резонаторного типов базирующаяся на системе нелинейных волновых уравнений Гельмгольца и уравнения теплопроводности, алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводов и резонаторов частично заполненных материалом, физические свойства которого изменяются в процессе термообработки и позволяющие исследовать электродинамические и тепловые свойства данных структур.
-
Методика расчёта теплового поля и выходных параметров процесса нагрева листовых термопараметрических материалов в конвейерных электротехнологических СВЧ установках поперечного типа на основе отрезков нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения и продольной геометрии рабочей камеры, обеспечивающей однородное распределение удельной плотности тепловых источников в объёме обрабатываемого материала и его равномерный нагрев.
-
Графоаналитический метод расчёта полосы пропускания и конструкции согласующих переходов между стандартными волноводами и ВСС, позволяющих обеспечить направленную передачу СВЧ мощности от генератора в РК конвейерных установок на основе волноводов сложного сечения и методика численно-аналитического исследования электротехнологических свойств многощелевых и комбинированных систем возбуждения ЭМГ поля в рабочих камерах резонаторного типа.
-
Результаты расчёта собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля волноводных и резонаторных рабочих камер частично заполненных диэлектрическим материалом и экспериментальных исследований теплового поля в обрабатываемом материале, нагреваемом в РК резонаторного типа, позволяющие определить эффективность многощелевых и комбинированных систем возбуждения ЭМГ поля в достижении требуемого уровня равномерности нагрева.
