Совершенствование методов расчета и конструкций рабочих камер СВЧ-устройств стационарного и конвейерного типов Никуйко Дмитрий Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольным диэлектрическим поглощающим электромагнитную энергию материалом в СВЧ нагревательных установках стационарного и конвейерного типов и методы её решения . 10

1.1. Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур, частично заполненных диэлектрическим, поглощающим энергию СВЧ поля материалом, электрические и тепловые свойства которых зависят от температуры нагрева 11

1.2. Метод решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок стационарного типа 31

1.3. Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок конвейерного типа и метод её решения . 47

Глава 2 Создание СВЧ нагревательных установок конвейерного типа на основе отрезков нерегулярных волноводов сложных поперечных сечений, обеспечивающих равномерный нагрев листовых, сыпучих и жидких материалов, в том числе и термопараметрических материалов 66

2.1. Исследование электродинамических свойств и полосы пропускания плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и волноводами сложных поперечных сечений прямоугольного внешнего профиля, обеспечивающие направленную передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру установки 66

2.2. Определение продольной формы рабочей камеры конвейерной СВЧ нагревательной установки поперечного типа, при которой достигается равномерное распределение удельной плотности тепловых источников в объёме обрабатываемого термопараметрического материала . 86

2.3. Совершенствование электротехнологического процесса термообработки и конструкции рабочей камеры конвейерных СВЧ нагревательных установок продольного и поперечного типов, выполненных на волноводах сложного поперечного сечения и квазистационарных волноводах. 104

Глава 3 Совершенствование конструкции СВЧ нагревательной установки стационарного типа и распределённой системы возбуждения ЭМ поля, направленные на повышение уровня равномерности нагрева и качества электротехнологического процесса термообработки диэлектрических материалов 115

3.1. Определение удельной плотности тепловых источников в прямоугольном резонаторе с трёхслойным диэлектрическим заполнением. Решение внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для данной электротехнологической системы. 116

3.2. Электродинамические и тепловые свойства СВЧ нагревательных установок стационарного типа при различных способах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере . 132

3.3. Совершенствование систем и способов возбуждения электромагнитного поля в установках стационарного типа, направленных на улучшение выходных параметров электротехнологического процесса термообработки диэлектрических материалов. 152

Основные результаты и выводы. 168

• Метод решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок стационарного типа
• Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок конвейерного типа и метод её решения
• Определение продольной формы рабочей камеры конвейерной СВЧ нагревательной установки поперечного типа, при которой достигается равномерное распределение удельной плотности тепловых источников в объёме обрабатываемого термопараметрического материала
• Электродинамические и тепловые свойства СВЧ нагревательных установок стационарного типа при различных способах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере

Введение к работе

Актуальность темы. Отличительной особенностью

электротехнологических процессов термообработки диэлектрических материалов с помощью энергии электромагнитного (ЭМ) поля СВЧ является объёмное выделение тепловой энергии в нагреваемом материале, что позволяет резко сократить время термообработки по сравнению с кондуктивным способом нагрева. Недостатком СВЧ нагрева является объёмная неравномерность нагрева материала, которая наиболее проявляется в установках стационарного типа (СТ), предназначенных для термообработки неподвижных материалов (микроволновые печи), рабочая камера (РК) которых представляет собой прямоугольный резонатор, частично заполненный диэлектрическим материалом. Это связано с тем, что в РК максимальное поглощение СВЧ мощности достигается в момент резонанса, когда величина амплитуды электрического поля, определяющая тепловой источник, максимальна, но при этом наблюдается максимум неравномерности нагрева материала, поскольку электрическое поле определяется стоячими волнами, характеризуемыми резким изменением амплитуды поля в объёме обрабатываемого материала. Как показано в работах Коломейцева В.А., Карпова Д.И., Семёнова А.Э., Хамидуллина А.Ф. и др., достичь одновременного повышения уровня равномерности нагрева и КПД в СВЧ-устройствах стационарного типа невозможно при использовании существующей системы возбуждения (СВ) ЭМ поля через диэлектрическое окно связи.

Аналогичное положение наблюдается и в СВЧ-устройствах

конвейерного типа (КТ), РК которых выполнены на отрезках регулярных
стандартных волноводах (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный
и т.д.). Данные установки нашли широкое применение в промышленности
при непрерывной термообработке различных материалов. В создании
данного типа установок значительный вклад внесли российские учёные:
Девяткин И.И., Рогов И.А., Архангельский Ю.С., Коломейцев В.А.,
Зусмановский А.С., Сатаров И.К. и др., а также зарубежные учёные:
Т. Пюшнер, Э. Окресс, А.С. Metaxas, X. York и др. Неравномерность
нагрева в данных установках обусловлена затуханием доминантной волны в
направлении распространения. Применение РК в виде меандра несколько
снижает неравномерность нагрева, но не устраняет её полностью.
Необходимо отметить, что в отличие от СВЧ-устройств стационарного
типа, которые являются устройствами универсального применения и
предназначены для термообработки широкого спектра диэлектрических
материалов, устройства конвейерного типа являются устройствами
узконаправленного применения и предназначены для СВЧ термообработки
конкретного материала. Это обеспечивает необходимые условия для
создания конвейерных СВЧ-устройств равномерного нагрева

диэлектрических материалов. Как показано в работах Коломейцева В.А., Железняка А.Р., Салимова И.И., Бабака В.В., Шакина К.В., обеспечить

однородное распределение тепловых источников в объёме обрабатываемого материала и его равномерный нагрев можно только в РК, выполненных на отрезках нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), имеющих чётко выраженный ёмкостной зазор, электрическое поле основной волны в котором однородно.

Таким образом, улучшение качества электротехнологического
процесса термообработки диэлектрических материалов в СВЧ-устройствах
посредством совершенствования способов решения внутренней краевой
задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) и оптимизации
систем возбуждения ЭМ поля в РК и модернизации конструкций рабочих
камер СВЧ-устройств конвейерного типа является актуальной и
практически важной задачей в области техники и энергетики СВЧ, решение
которой позволит создать СВЧ-устройства нового поколения,

отличающиеся высоким уровнем равномерности нагрева и КПД устройства.

Цель работы. Совершенствование методов решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности и модернизации геометрии рабочих камер, направленных на повышение качества термообработки диэлектрических материалов в СВЧ поле.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Создание математической модели процесса взаимодействия ЭМ поля с термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, электрофизические и тепловые свойства которого изменяются в процессе термообработки и учитывающей особенности СВЧ-устройств стационарного и конвейерного типов.

2. Определение физической модели, допускающей аналитическое решение внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ) для резонаторных структур, частично заполненных диэлектрическим материалом, позволяющая оптимизировать СВ ЭМ поля СВЧ-устройств стационарного типа для конкретного материала.

3. Разработка аналитического метода решения ВКЗЭ и определение поляризации ЭМ поля, при которой допускается представление решения в виде суперпозиции Е и Н-типов колебаний без возникновения гибридных типов колебаний в РК СВЧ-устройств СТ при различных распределённых СВ.

4. Определение приближённого метода решения ВКЗЭиТ для РК СВЧ установок конвейерного типа для термопараметрических листовых диэлектрических материалов, позволяющего определить тепловое поле в образце в направлении его перемещения, а также определить продольную форму РК, обеспечивающую равномерное тепловыделение в объёме обрабатываемого материала.

5. Определение метода и системы управления потоком СВЧ мощности в РК, позволяющие определить режим электротехнологического процесса термообработки, при котором достигается максимальное улучшение равномерности нагрева диэлектрического материала и установление путей

создания электронного блока управления потоком СВЧ мощности в РК микроволновых печей в зависимости от формы и вида продукта питания.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были
использованы: метод частичных областей; методы математической физики
решения задач электродинамики и теплопроводности; метод разделения
переменных; метод вариации произвольной постоянной;

графоаналитический метод решения дисперсионных уравнений; метод последовательных приближений; метод линеаризации нелинейных уравнений электродинамики и теплопроводности; метод последовательных итераций; метод эквивалентных схем; ортогональные преобразования Фурье; принцип поляризационной двойственности; принцип ортогональности и суперпозиции; метод управления потоком СВЧ мощности; метод экспериментального определения теплового поля; численные методы решения совместной ВКЗЭиТ.

Научная новизна:

6. Предложена математическая модель, учитывающая особенности взаимодействия ЭМ поля с диэлектрическим материалом в СВЧ-устройствах СТ, допускающая аналитическое решение неоднородной ВКЗЭиТ при произвольных конструкциях распределённых СВ ЭМ поля в РК и позволяющая решить задачу оптимизации СВ для конкретного электротехнологического процесса нагрева.

7. Установлено, что необходимым условием представления решения ВКЗЭ в виде суперпозиции Е и Н-типов колебаний в СВЧ-устройствах СТ является использование нагреваемого образца в виде прямоугольной пластины, расположенной на нижней стенке РК, а достаточным условием является ортогональность составляющих векторов напряжённости электрического и магнитного полей, определяющих продольную поляризацию ЭМ поля поверхности раздела сред.

8. Показано, что наиболее эффективным способом одновременного повышения уровня равномерности нагрева и поглощаемой образцом СВЧ мощности в установках СТ является использование распределённых СВ ЭМ поля в РК с электронным управлением потоком СВЧ мощности.

9. Предложен метод решения нелинейной внутренней краевой задачи теплопроводности (ВКЗТ), базирующийся на сведении нелинейных уравнений теплопроводности к системе линейных неоднородных уравнений посредством линеаризации функции, определяющей зависимость теплового источника от температуры нагрева термопараметрического материала и позволяющий определить распределение температуры нагрева образца в направлении его перемещения при постоянстве скорости протяжки v₀.

10. Предложен метод расчёта продольного профиля РК конвейерных СВЧ-устройств поперечного типа, выполненного на отрезках нерегулярных ВСС, при котором обеспечивается равномерное распределение тепловых источников по ширине обрабатываемого материала.

Практическая ценность работы:

11. Приведённая методика расчёта плавных согласующих переходов между прямоугольными волноводами (ПрВ) и прямоугольными волноводами с Т-ребром (ПВТР) может быть использована в технике СВЧ для создания класса согласующих переходов между стандартными волноводами (СТВ) и волноводами сложных сечений СТВ-ВСС, обеспечивающими неотражающую передачу СВЧ мощности во всём доминантном диапазоне длин волн СТВ.

12. Предложенный метод расчёта продольного профиля РК СВЧ-устройств конвейерного типа, обеспечивающий равномерное тепловыделение в листовом материале, может быть использован для расчёта и проектирования аттенюаторов и согласованных нагрузок на основе ВСС, что позволит существенно расширить их потенциальные возможности.

13. Проведённые в работе исследования электродинамических и тепловых свойств РК СВЧ-устройств стационарного типа при различных системах возбуждения ЭМ поля могут быть использованы для оптимизации распределённых систем возбуждения применительно к заданному электротехнологическому процессу термообработки.

14. Предложенная физическая модель РК СВЧ-устройства СТ в виде прямоугольного резонатора с двухслойным заполнением, допускающая аналитическое решение неоднородной ВКЗЭиТ, может быть использована для тестирования численных методов решения данной задачи при различных распределённых системах возбуждения ЭМ поля в РК.

15. Практические рекомендации по управлению потоком СВЧ мощности в РК посредством изменения импеданса излучающих СВЧ мощность многощелевых систем возбуждения могут быть использованы для создания микроволновых печей нового поколения, отличающихся повышенным уровнем равномерности нагрева и КПД без использования механического перемещения обрабатываемого материала (вращение поддона с продуктом).

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре
«Радиотехника и телекоммуникации» Саратовского государственного
технического университета имени Гагарина Ю.А. Результаты

диссертационной работы были доложены 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); научных семинарах кафедры «Радиотехника и телекоммуникации» СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и
обоснованность полученных в работе результатов обусловлены

корректностью постановки задачи исследований и математической модели процесса взаимодействия ЭМ поля с произвольными диэлектрическими материалами, в том числе и термопараметрическими материалами, в СВЧ-устройствах СТ и КТ с учётом характера изменения электрофизических и

тепловых параметров нагреваемого материала в рабочем диапазоне
температур, точной формулировкой граничных и начальных условий
ВКЗЭиТ, использованием апробированной и чётко обоснованной физической
модели РК и выбором поляризации, которая допускает аналитическое
решение ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств СТ, экспериментальной апробацией
выходных характеристик РК СВЧ-устройств СТ при различных

распределённых системах возбуждения ЭМ поля.

Реализация результатов. Результаты исследования плавных

согласующих переходов СВ-ВСС позволили провести расчёт переходов
ПрВ-ПВТР и ПрВ-ПВ (П-волновод) для исследования

электродинамических свойств ВСС с целью использования их в
устройствах СВЧ-техники для создания аттенюаторов и согласованных
нагрузок на основе ВСС. Кроме того, метод решения ВКЗЭиТ,
предложенный в работе, был использован на предприятии АО «НПЦ
«Алмаз-Фазотрон» для определения условий электромагнитной

совместимости и уровня предельно допустимой мощности P_пред ,

генерируемой приёмо-передающим модулем АФАР Х-диапазона, а также внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника и телекоммуникации» СГТУ имени 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 16 печатных работ, из них четыре работы – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено три патента на полезную модель.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, содержит 182 страницы, включает 55 рисунков, а также список используемой литературы, содержащей 109 наименований.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ-устройств конвейерного и стационарного типов с различными способами и системами возбуждения ЭМ поля в РК, а также определение путей управления потоком СВЧ мощности в РК стационарного типа, получены автором самостоятельно; кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методов расчёта и проведении экспериментальных исследований выходных характеристик данных установок.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса взаимодействия ЭМ поля с произвольными диэлектрическими материалами в СВЧ нагревательных установках, базирующаяся на волновых уравнениях Гельмгольца и уравнении теплопроводности и позволяющая провести комплексные

исследования электродинамических и тепловых свойств РК СВЧ-устройств СТ и КТ, частично заполненных произвольным диэлектрическим материалом, в том числе и термопараметрическим материалом.

2. Метод решения ВКЗЭ для прямоугольного резонатора, на дне которого расположена прямоугольная пластина, базирующийся на принципах поляризационной двойственности, ортогональности и суперпозиции и позволяющий представить решение в виде суперпозиции Е и Н-типов колебаний, что позволяет определить пути повышения эффективности СВ в достижении более высокого уровня равномерности нагрева в СВЧ-устройствах СТ.

3. Метод решения ВКЗЭиТ для конвейерных СВЧ-устройств для нагрева термопараметрических листовых материалов, базирующихся на сведении нелинейного уравнения теплопроводности к системе линейных уравнений, путём линеаризации функции теплового источника на каждом итерационном температурном промежутке, позволяющий не только установить распределение t(r,r) в образце, но и рассчитать форму РК, обеспечивающую q_L = const.

4. Способы и системы возбуждения и управления потоком СВЧ мощности в РК, совершенствование конструкции РК СВЧ-устройств стационарного типа, направленные на повышение уровня равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов и КПД данных СВЧ-устройств.

Метод решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок стационарного типа

Заметим, что уравнения Гельмгольца для электродинамических структур с термопараметрическим заполнением получены в адиабатическом приближении, которое учитывает тот факт, что тепловые процессы значительно более инерционны, нежели электродинамические. Физически это означает, что ЭМ поле практически безинерционно приходит в равновесие при изменении электрофизических свойств обрабатываемого материала в процессе нагрева. Из уравнений (1.5) и соотношений (1.6) следует, что уравнения Гельмгольца для термопараметрических сред взаимосвязаны между собой и являются нелинейными уравнениями электродинамики, что значительно усложняет решение ВКЗЭ, которое не может быть получено аналитически, а только приближёнными методами с использованием современных численных методов -метод конечных элементов с использованием принципа Галёркина и взвешенных невязок или метод конечных разностей [12] и др.

Уравнения (1.5) удовлетворяют условию предельного перехода. Так при неизменности электрофизических свойств обрабатываемого материала (s(t(r, г)) = const, a(t(r, г)) = const) в процессе нагрева, данные уравнения становятся однородными уравнениями Гельмгольца, которые достаточно полно изучены в классической электродинамике [13,14]: V2Нм (г,т)-MaM(t(r,r)) - jus(t(r,T)) Нм({,т) =0 м дт " дт2 W2 E м (r,r)-мам((},т))дЕм(г,т) -мє((г,т))д2Ем( 2т) = 0. (1.7) Кроме того, при ортогональности векторов - Ем(г,т) Lgradt(r,f) вектор 13(г,т) = 0.

В данном случае уравнение Гельмгольца для вектора напряжённости электрического поля становится однородным и соответственно при коллениарности векторов - Е(г,т) gradt(r,r) вектора Т1(г,т) = Т2(г,т) = 0, что автоматически приводит к однородности уравнения Гельмгольца относительно вектора напряжённости магнитного поля:

Соотношения (1.8) несколько облегчают решение самосогласованной нелинейной ВКЗЭ и определяют новый подход в её решении [1]. Необходимо заметить, что упростить решение ВКЗЭ в данном случае можно путём учёта всех особенностей электродинамической структуры, обрабатываемого материала и его положения в РК, а также характера изменения электрофизических параметров нагреваемого материала от температуры нагрева и электротехнологического процесса термообработки.

Условия однозначности – граничные и начальные условия решения ВКЗЭ для волноводных и резонаторных структур, частично заполненных диэлектрическим материалом, не зависит от формы материала и его электрофизических свойств и определяются граничными условиями Дирихле и Неймана на идеально проводящей поверхности [15]: Ет(г,т) = 0, дН»(г,т) 0\ (1.9) где ET(r,z) - тангенциальная составляющая вектора напряжённости электрического поля, а Н„(г,т) - нормальная составляющая вектора напряжённости; S - внутренняя металлическая поверхность РК; п - нормаль к поверхности S. На границе раздела сред должно соблюдаться равенство тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей: Етм (г,т) = Етв(г,т) I е ; Нтм (г,т) = Нтв (г,т) I е, (1-1) где Si - граница раздела сред. Решение ВКЗЭ для электродинамических структур, частично заполненных диэлектрическим материалом, должно удовлетворять следующему начальному условию: Е(г,т) = р1(г); Н(г,т) = (г) г=0, (1-11) Таким образом, решение ВКЗЭ, определяемой уравнениями (1.4), (1.5) и краевыми условиями (1.9)-(1.11), позволяет исследовать электродинамические процессы в РК, частично заполненной термопараметрическим, поглощающим ЭМ энергию материалом, что более специфично для СВЧ нагревательных установок конвейерного типа. При оптимизации систем возбуждения ЭМ поля в РК установок стационарного типа (микроволновые печи), необходимо использовать волновые уравнения (1.4), (1.8) и краевые условия (1.9)-(1.11). В основе данного подхода решения ВКЗЭ лежит метод частичных областей [16].

Основным выходным параметром электротехнологического процесса термообработки диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках является температура нагрева, распределение которой в объёме обрабатываемого материала позволяет определить качество готовой продукции, которое определяется уровнем равномерности нагрева, и КПД установки.

Рассмотрим математическую модель процесса нагрева диэлектрических материалов в РК СВЧ нагревательных установок, в основе которой лежат уравнение Фурье для теплового потока [17] и закон сохранения энергии [18] для тепловых процессов в твёрдых телах: где Т = сТ-тТ— - изменение тепловой энергии в замкнутом объёме; с dr dr Т теплоёмкость обрабатываемого материала; РТ - удельная плотность образца: mТ=pТV; V - объём нагреваемого образца; daq - поток тепловой энергии, вытекающий через внешнюю поверхность S; q(r,r) - тепловой поток; -коэффициент теплопроводности материала; t(r,r) - температура нагрева диэлектрического материала; WT - выделенное количество энергии в замкнутом объёме вследствие действия источников тепла (СВЧ энергия, выделяемая в объёме обрабатываемого материала). Уравнения (1.12) записаны для термопараметрических материалов, тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева. Как показано в работах [19,20] уравнение теплопроводности для термопараметрических материалов, полученное на основе соотношений (1.12) может быть записано в виде: удельная плотность тепловых источников в объёме обрабатываемого материала. Проводя дифференцирование в левой части уравнения теплопроводности (1.13) и раскрывая первое слагаемое в правой части уравнения с помощью соотношения векторного анализа для дивергенции произведения скалярной функции на градиент от данной функции [11]:

Отличительной особенностью диэлектрических материалов является зависимость тепловых параметров от температуры нагрева. Заметное изменение ст,рт,? ,ат (ат - коэффициент температуропроводности) наблюдается при температурах свыше ґ 800С, то есть при высокотемпературной термообработки и спекании порошковых брикетированных материалов, которое обычно проводиться в СВЧ нагревательных установках конвейерного типа, в которых при постоянной скорости перемещения обрабатываемого материала происходит стабилизация электрических и тепловых параметров в направлении перемещения образца, что автоматически означает - L = = L = 0. Указанное обстоятельство позволяет dt dt dt пренебречь скоростью изменения тепловых параметров в процессе термообработки, что определяется следующими неравенствами [1,21]:

Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для СВЧ нагревательных установок конвейерного типа и метод её решения

СВЧ нагревательные установки конвейерного типа нашли широкое применение в промышленности: пастеризация молока; стерилизация жидкостей для лекарственных препаратов; сушка шпона ценных пород древесины; высокотемпературная термообработка и спекание брикетированных материалов; вулканизация резино-технических изделий и др. Различают конвейерные установки поперечного и продольного типов [42]. В установках поперечного типа, обрабатываемый материал перемещается в направлении перпендикулярном направлении распространения основной волны, а в установках продольного типа направление транспортировки материала и распространения волны совпадают. Как правило, рабочие камеры данных установок выполнены на отрезках регулярных стандартных волноводов (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.) и стандартных резонаторах (цилиндрический, коаксиальный, эллиптический). Возможность данных электродинамических систем в достижении равномерного нагрева весьма ограничена [43]. Применение в качестве РК миандровых волноводных структур [44, 45] несколько снижает уровень неравномерного нагрева материала, но полностью не устраняет его. Это связано с тем, что в регулярных волноводах при наличии джоулевых потерь ЭМ энергии в нагреваемом материале, основная волна, на которой осуществляется термообработка, затухает по экспоненциальному закону в направлении распространения, что приводит к неравномерности нагрева по ширине образца [46, 47]. Как показано в работах [1, 48, 49], обеспечить выполнение условия qV = const в объёме обрабатываемого материала в установках конвейерного типа можно только путём изменения продольной геометрии РК (особенно в конвейерных установках поперечного типа), что может привести к изменению режима распространения основной волны, возникновению высших типов волн и трансформации основной волны, изменению режима термообработки. Так в РК на основе прямоугольного волновода, предназначенной для термообработки тонкоплёночных и листовых материалов [50, 51], доминантный диапазон длин волн, в котором распространяется основная волна H10, однозначно определяется размером широкой стенки волновода (a Л 2a). Уменьшение размера a в данном случае может привести к трансформации волны H10 в волну H01 ( при размере широкой стенки менее -) и возникновению высших типов волн, что полностью изменит режим термообработки и приведёт к уменьшению КПД установки. Кроме того, изменение продольного профиля РК приведёт к дополнительной неравномерности нагрева, связанной с изменением времени пребывания образца в пространстве взаимодействия, которое уменьшается в направлении распространения волны. В работах [1, 52, 53] показано, что единственным путём достижения равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов, в том числе термопараметрических, является использование в качестве РК отрезков нерегулярных волноводных структур сложного поперечного сечения (ВСС), имеющих чётко выраженный емкостной зазор, электрическое поле в котором однородно. Располагая образец в области емкостного зазора, как показано на рис. 4, мы добиваемся qs = const в поперечном сечении образца [54] (qs поверхностная плотность тепловых источников), являющеюся необходимым условием равномерного нагрева материала. Заметим, что РК, приведённая на рис. 4, выполнена на основе прямоугольного волновода с Т-ребром, предназначена для термообработки листовых материалов. Как показано в работе [1], изменяя продольный профиль РК в соответствии с требуемым законом изменения коэффициента затухания волны: при котором можно обеспечить постоянство удельной плотность тепловых источников на единице длины РК постоянна в направлении распространения волны. В соотношении (1.95): а0 - коэффициент затухания основной волны ПВТР во входном сечении волновода; = ZA ; z - продольная координата; L - длина рабочей камеры. Удовлетворение условия (1.95) требует решения обратной внутренней краевой задачи электродинамики, решение которой приведено в разделе 2.2. В данном же разделе диссертационной работы ВКЗЭ решается в предположении постоянства удельной плотности тепловых источников по длине рабочей камеры qL(r,r) = const, при этом основное внимание уделяется процессу нагрева термопараметрических материалов, поскольку диэлектрические материалы с є = const и tgS = const являются частным случаем термопараметрических материалов при t = const. Заметим, что при выполнении условия qL = const и теплоизоляции внешней поверхности обрабатываемого материала, температура нагрева изменяется только в направлении координатной оси Y, при этом, при постоянной скорости протяжки материала в установках поперечного типа (рабочий режим нагрева в конвейерных СВЧ установках) изменение температуры в образце носит стационарный характер. В данном случае термопараметрический материал становится неоднородным в направлении перемещения материала, электрофизические и тепловые свойства которого неизменны во время процесса нагрева и по длине РК.

При решении ВКЗЭиТ необходимо учитывать все особенности и преимущества ВСС по сравнению со СВ. Как показано в работах [1, 5], ВСС обладают более высокой широкополосностью, что расширяет диапазон изменения продольного профиля РК на заданной рабочей длине волны - Л0, меньшими габаритами, более высокой концентрацией и напряжённостью электрического поля в области расположения диэлектрического материала, что позволяет интенсифицировать процесс термообработки, а также то, что электродинамические свойства РК определяются не одним геометрическим параметром как в СВ, а четырьмя - а, у, у , у (t - ширина Т-выступа, d высота ёмкостного зазора, Ъ - размер узкой стенки ПВТР), что позволяет обеспечить работу установки в доминантном диапазоне длин волн при изменении продольной геометрии РК. Следует отметить, что фиксация размеров d и W (W -толщина образца) по длине РК приводит к уменьшению определяющих электродинамические свойства РК параметров до трёх, но этого количества, как показано в работах [5, 53], вполне достаточно для достижения qL = const, то есть равномерного нагрева листового материала. При определении теплового источника qv и теплового поля в объёме термопараметрического материала главную роль играет зависимость электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала от температуры нагрева в рабочем диапазоне температур

Определение продольной формы рабочей камеры конвейерной СВЧ нагревательной установки поперечного типа, при которой достигается равномерное распределение удельной плотности тепловых источников в объёме обрабатываемого термопараметрического материала

Заметим, что каждый тип согласующих переходов может состоять из нескольких подклассов. Например, переходы A-класса может состоять из трёх классов СП - с линейным (нелинейным) изменением высоты ёмкостного зазора и нелинейным (линейным) изменением ширины Т-ребра и П-выступа и нелинейным изменением, как ширины, так и высоты ёмкостного зазора. СП второго класса (B-переход) могут иметь два подкласса переходов, а D-переходы могут быть представлены четырьмя подклассами СП. Несмотря на широкий класс нелинейных СП, методика исследования диапазонных свойств и определение оптимальной геометрии СП одинакова для всего многообразия данных переходов. Заметим, что наиболее удобны в эксплуатации согласующие переходы первого класса, которые также наиболее просты в изготовлении.

Исследовать электродинамические свойства нелинейных СП и определить форму СП перехода, обеспечивающего направленную неотражённую передачу СВЧ мощности от генератора в РК во всём доминантном диапазоне ПрВ можно двумя способами, связанными с решением задачи анализа и синтеза СП. В основе решения задачи синтеза лежат зависимости критических длин волн основного Яс0( ) и первого высшего типа Ас1(), удовлетворяющие условиям:

Применительно к задаче СВЧ-энергетики, связанной с проектированием СВЧ нагревательных установок конвейерного типа, условия (2.3) трансформируются в условия: где ЯВ,ЯН - верхняя и нижняя границы диапазона длин волн, отпускаемых для целей СВЧ-энергетики. Исследование электродинамических свойств и определение оптимальной геометрии СП проведём на примере нелинейных переходов первого класса. Вначале рассмотрим задачу анализа нелинейных СП. Задавая плавное нелинейное изменение геометрии ёмкостного зазора (параметров у ; у ) определим полосу пропускания. На рис. 18 приведена продольная геометрия Т-выступа в ПВТР, которая имеет плавное нелинейное изменение \У () и d/()), а также полоса пропускания данного перехода, рассчитанная для заданной геометрии СП (рис. 19). Легко видеть, что полоса пропускания СП достигает 93%. Это достаточно высокий результат, который полностью устраивает разработчиков СВЧ нагревательных установок конвейерного типа. Расчёт нелинейного СП основан на решении обратной ВКЗЭ или задачи синтеза. Расчёт нелинейного перехода третьего класса начинается с определения области допустимых значений критических длин волн Ас0() и Ас1(), в которой следует искать оптимальное решение задачи синтеза. Для этого на рис. 20, определяющим диапазонные свойства СП по длине перехода, соединим прямыми линиями начальные значения Яс0 и Ас1 во входном и выходном сечениях перехода (точки

A, B, D, E), а также проведём линии AC и DF, определяющие максимальную полосу пропускания АЛ (рис. 20). Треугольники ABC и DEF определяют область допустимых значений Яс0 и Яс1 нелинейного согласующего перехода [69], в которой находятся оптимальные зависимости критических длин волн основного и первого высшего типов волн нелинейного СП. Для более точного определения начального распределения Лс0( ) и Ас1() при оптимизации конструкции СП необходимо учитывать некоторые особенности переходов СВ-ВСС. Как было отмечено выше, на заданной рабочей длине волны ВСС имеют меньшие внешние габариты, нежели стандартные волноводы, что приводит к необходимости уменьшения величины а{), b{) по длине СП. При этом, уменьшение размеров поперечного сечения в направлении распространения волны не должно приводить к нарушению условия (2.3). Заметим, что во входной области СП ПрВ-ПВТР величина Лс0 в основном определяется электродинамическими свойствами ПрВ, то есть размером широкой стенки волновода. В связи с этим, во входной области

Область существования оптимальных вариантов геометрии нелинейного согласующего перехода с примером конструкции перехода. СП кривые Лс0( ) и Лс1(), определяющие оптимальную конструкцию перехода, практически должны совпадать с прямыми AC и DF в интервале 0 0.3. Отклонение вверх критических длин волн Лс0 () и Лс1 () от границ доминантного диапазона приводит к увеличению размеров Т-ребра в ПВТР и П-выступа в П-волноводе, что недопустимо во входной части перехода, поскольку приводит к резкому изменению волнового сопротивления Z0, а, следовательно, к отражению СВЧ мощности в данной области. Наиболее резкое изменение критических длин волн Лс0 и Лс1 происходит в выходной области СП, в которой электродинамические свойства перехода в основном определяются свойствами ВСС. На рис. 20 приведены близкие к оптимальным кривые Лc0(%), Аc1() и соответствующая им конструкция нелинейного СП. Расчёт диапазонных свойств СП проведён графоаналитическим методом с помощью номограммы синтеза (рис. 12), при этом процесс решения обратной ВКЗЭ для заданных зависимостей лc0\ь)/, и c1 /Л аналогичен решению прямой задачи электродинамики только в обратном порядке. Конструкция СП, обеспечивающая неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в РК во всём доминантном диапазоне длин волн ПрВ, приведена на рис. 20 б). Заметим, что изготовление данного перехода затратное и трудоёмкое из всех возможных вариантов СП.

Наиболее эффективным способом осуществления направленной неотражающей передачи СВЧ мощности от генератора в РК во всём доминантном диапазоне длин волн ПрВ при сохранении линейного изменения всех геометрических параметров перехода в направлении распространения основной волны является модернизированный линейный согласующий переход (МЛП) ПрВ-ВСС [70]. В данном переходе все параметры, определяющие продольную форму СП, изменяются линейно. Принципиальным отличием модернизированного линейного согласующего перехода является то, что изменение внутренней геометрии СП начинается с входного сечения СП, а внешней геометрии сечения расположенном на некотором расстоянии от сечения , = 0. При этом ZM, то есть положение сечения, с которого начинается изменение внешней геометрии перехода, определяется путём исследования диапазонных свойств линейного перехода с теми же внешними и внутренними размерами СП. Сечение M определяется точкой перегиба кривой Ac0(g) (рис. 15), то есть точкой, в которой производная dAc0( )/d = 0. Именно до этой точки в модернизированном согласующем линейном переходе внешний профиль СП неизменен в направлении распространения волны. В работе [71] показано, что экстремум критической длины волны основного типа варьируется в пределах 0.3 0.6, для линейного перехода ПрВ-ПВТР. На рис. 21 приведены

Электродинамические и тепловые свойства СВЧ нагревательных установок стационарного типа при различных способах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере

Для большинства электротехнологических процессов термообработки наиболее удобным режимом является линейное изменение температуры нагрева во времени, который может быть обеспечен только путём нелинейного изменения продольной формы РК, как для термопараметрических материалов, так и для материалов, электрофизические и тепловые параметры которых неизменны в процессе термообработки. Расчёт продольной геометрии РК в данном случае проводиться по методике, изложенной в разделе 2.2 диссертации. Принципиальным отличием является то, что в установках поперечного типа условие qL = const, которое справедливо только для материалов, у которых є = const, tgS = const - что достигается при неизменности скорости протяжки v0 = const. Для тепловых процессов не связанных с фиксацией изменения температуры нагрева в рабочем диапазоне температур, рабочая камера может быть выполнена на отрезках регулярных ВСС. Кроме того, в данных установках распределение температуры нагрева образца в продольном направлении РК существенно зависит от направления его перемещения (рис. 31). Так при совпадении направлений перемещения материала и распространения волны, температура нарастает резче, чем при противоположном направлении движения. Таким образом, предложенная в разделе 2.2 диссертации методика позволяет полностью провести расчёт продольной геометрии РК, обеспечивающей заданный электротехнологический процесс термообработки в установках продольного типа с учётом характера изменения электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого термопараметрического материала и учётом всех особенностей процесса термообработки. Необходимо отметить, что предложенная методика расчёта приемлема как для расчёта РК установок поперечного, так и продольного типов.

Преимуществом конвейерных СВЧ нагревательных установок продольного типа, РК которых выполнена на квазистационарных волноводах, имеющих чётко выраженный ёмкостной зазор, по сравнению с установками поперечного типа, является равномерность распределения тепловых источников в поперечном сечении обрабатываемого материала, что при теплоизоляции его внешней поверхности приводит к изменению электрофизических и тепловых параметров в поперечном сечении образца, что избавляет от необходимости расчёта теплового поля и усреднения физических параметров в данном сечении образца. Это значительно облегчает расчёт геометрии РК, обеспечивающей заданный электротехнологический процесс термообработки. Таким образом, разработка оптимальной геометрии РК конвейерной установки продольного типа сводится к расчёту продольной формы, при которой достигается заданное распределение теплового поля в образце.

В энергетике СВЧ нашли применение СВЧ нагревательные установки конвейерного типа, РК которых представляет собой аксиально-симметричный квазистационарный резонатор, имеющий чётко выраженный ёмкостной зазор, расположенный в центре резонатора, в котором возбуждается основной тип колебания, электрическое поле которого однородно в области ёмкостного зазора. Нагреваемый материал транспортируется через сквозное отверстие, расположенное в центре резонатора. На рис. 32 представлена конструкция трёхрезонаторной установки, предназначенной для термообработки жидких, сыпучих, стержневых и трубчатых материалов [90]. Обрабатываемый материал транспортируется внутри кварцевой трубки, проходящей через все три резонатора. Резонаторы соединены между собой с помощью металлических запредельных трубок, что позволяет развязать электродинамические процессы, происходящие в каждом резонаторе. Запредельные трубки на входе и выходе СВЧ нагревательной установки предотвращают излучение СВЧ мощности в окружающую среду. Возбуждение ЭМ поля основного типа колебания осуществляется автономно в каждом резонаторе с помощью петли связи (возбуждение по магнитному полю [91]). При высокотемпературной термообработке и спекании брикетированных порошкообразных материалов, используется экранная теплоизоляция в виде концентрически расположенных кварцевых трубок. В данной установке может быть использован режим работы, при котором в каждом резонаторе возбуждение ЭМ поля основного типа колебания происходит на частоте отличной от другого резонатора. Это связано с тем, что при высокотемпературном нагреве и спекании стержневых материалов (двуокиси урана) с помощью энергии СВЧ поля в выходном резонаторе, должна использоваться тройная экранная теплоизоляция (три кварцевые трубки), что требует увеличения размеров выходного резонатора, которое достигается путём уменьшения рабочей частоты. Заметим, что данный тип конвейерных СВЧ нагревательных установок наиболее приемлем для высокотемпературной термообработки диэлектрических материалов, поскольку позволяет разделить исходный температурный режим термообработки на диапазоны, реализуемые в каждой секции многокамерной СВЧ нагревательной установки.

Расчёт собственной частоты основного типа колебаний резонаторной камеры трёхсекционной СВЧ нагревательной установки может быть проведён методом эквивалентных схем [92], при котором эквивалентная ёмкость и индуктивность, определяющие собственную частоту резонаторной камеры, определяются соотношениями для цилиндрического конденсатора: где R - радиус рабочей камеры, г0 - радиус ёмкостного зазора РК. При этом эквивалентная индуктивность определяется следующим образом: 4=мЛ, (2.28) где Ах - площадь симметричной половины поперечного сечения квазистационарного резонатора вне ёмкостного зазора. Собственная частота резонаторной камеры определяется следующим соотношением: