Микроволновые электротехнологические установки равномерного нагрева термопараметрических, поглощающих СВЧ мощность диэлектрических материалов

Одной из актуальных проблем создания высокоэффективных микроволновых электротехнологических установок, принцип работы которых основан на преобразовании электромагнитной (ЭМГ) энергии в тепловую в поглощающем СВЧ мощность материале, является обеспечение равномерного объемного нагрева обрабатываемых материалов, обладающих низкой теплопроводимостью. Устранение градиента температур и термоупругих напряжений в объеме обрабатываемого материала позволяет резко интенсифицировать процесс термообработки, повысить качество готовой продукции и значительно расширить функциональные возможности и области применения СВЧ нагревательных систем [1,2], а также улучшить прочностные характеристики и повысить уровень рассеиваемой мощности в поглощающих элементах техники СВЧ [3].

Особое значение задача обеспечения равномерного нагрева материалов представляет при создании широкого класса микроволновых электротехнологических (СВЧ нагревательных) установок для термообработки термопараметрических диэлектрических материалов, электрофизические и тепловые параметры которых изменяются в рабочем диапазоне температур. Это связано с тем, что большинство электротехнологических процессов термообработки диэлектрических материалов в ЭМГ поле сопровождаются изменением агрегатного состояния нагреваемого материала. Кроме того, у широкого класса диэлектрических материалов при нагреве существенно меняются как электрофизические, так и теплофизические параметры и наиболее резко при высокотемпературной обработке ма-териалов[3,4].

Достижение однородной удельной плотности тепловых источников в объеме поглощающего материала (qv=const) и предотвращение теплоотдачи в окружающую среду являются основными требованиями к микроволновым электротехнологическим установкам с равномерным нагревом. Обеспечение Яу=соп81 представляет наиболее трудоемкую часть проблемы. Это связано со сложностью решения обратной внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных структур, частично заполненных поглощающим материалом, на основе которого определяется оптимальная геометрия СВЧ нагревательной установки [5]. Проблема обеспечения ду=соп81 становится трудноразрешимой при создании микроволновых электротехнологических установок для термообработки термопараметрических материалов, поскольку для определения габаритов рабочей камеры необходимо решить самосогласованную внутреннюю краевую задачу электродинамики и теплопроводимсти [6], характеризующуюся нелинейной связью, входящих в нее уравнений.

Попытки решения задачи обеспечения qv=const путем использования в качестве рабочей камеры отрезков нерегулярных волноводных структур предпринимались ранее и главным образом в измерительной технике СВЧ при создании широкополосных согласованных калориметрических нагрузок [7,8]. Расчет геометрии таких устройств проводился в предположении постоянства электрофизических и тепловых параметров поглотителя СВЧ мощности в рабочем диапазоне температур. Использование для этих целей волноводов стандартных сечений (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.), обладающих малым числом степеней свободы (не более двух), и достижение однородной плотности тепловых источников в направлении распространения волны путем однопараметрического продольного изменения геометрии камеры позволило использовать экспоненциальный закон для определения габаритов поглощающего устройства. Однако, данный закон не может быть использован при расчете микроволновых систем равномерного нагрева на основе волноводных структур со многими степенями свободы, то есть на волноводах сложных сечений (ВСС), которые наиболее перспективны для решения поставленной задачи (Яу=соп81) [9]. Кроме того, в данных устройствах наблюдается определенная неравномерность нагрева поглотителя СЕЧ мош-ности, особенно в выходной области рабочей камеры, вызванная разрывом вектора напряженности электрического поля на границе раздела сред, а также тем, что продольный профиль поглощаюш-его устройства не достаточно полно обеспечивает условие дуАсопз! в направлении распространения волны.

Суш-ественным недостатком указных работ является то, что в них не установлены основные критерии и принципы достижения равномерного объемного тепловыделения в, поглощаюш-ем СЕЧ мощность, материале в произвольных микроволновых электротехнологических установках как конвейерного, так и стационарного типов, что не позволяет разработать единый универсальный метод расчета оптимальной геометрии рабочей камеры обеспечивающей ду=соп81.

Е работе [10] предложен оригинальный метод расчета оптимальной геометрии произвольных микроволновых электротехнологических установок, в которых ду=соп81 во всем рабочем диапазоне температур. В основу метода положена установленная закономерность продольного изменения коэффициента затухания основной волны волновода, частично заполненного поглощающим материалом, при котором достигается Яу=соп81. При этом обрабатываемый материал должен располагаться в области однородного электрического ПОЛЯ таким образом, чтобы не возникали разрывы вектора напряженности электрического поля.

Поскольку геометрия рабочей камеры согласно предположенного метода [10] напрямую связана с коэффициентом затухания волны — а, величина которого существенно зависит от типа распространяющейся в камере волны, то на основе данного метода может быть рассчитана оптимальная геометрия микроволновых установок равномерного нагрева лишь в доминантном диапазоне длин волн, когда в базовом волноводе распространяется единственная основная (доминантная) волна.

Практическая реализация проблемы создания микроволновых электротехнологических установок с ду=соп81 предъявляет определенные требования к волновым структурам, как основному элементу рабочих камер. Во-первых, система должна обеспечивать высокую концентрацию и однородность электрического поля в области расположения обрабатываемого материала и, во-вторых, обладать достаточно высокой широкополосностью, поскольку термообработка осуществляется в одномодовом режиме [10], который должен быть обеспечен по всей длине нерегулярной волноводной рабочей камеры.

Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяют волноводы сложных сечений (ВСС), так называемые квазистационарные волноводные структуры имеющие четко выраженный емкостной зазор, электрическое поле в котором однородно во всем доминантном диапазоне длин волн. Более высокие значения критической длины волны основного типа, широкополосности, концентрации электрического поля в обрабатываемом материале при расположении его в емкостном зазоре ВСС и коэффициента заполнения по сравнению со стандартными волноводами [10] позволяют на основе ВСС создать перспективный класс малогабаритных, высокоэффективных микроволновых установок равномерного нагрева.

Диапазонные свойства и структура электромагнитного поля вес с частичным диэлектрическим или поглощающим включением изучены не достаточно полно, что не позволяет эффективно использовать их для создания микроволновых установок равномерного нагрева. Это вызвано сложностью краевых условий для ВСС, а так же комплексностью среды при заполнении волновода поглощающим материалом. Решение данной задачи становится трудноразрешимой, если электрофизические параметры, поглощающего СВЧ мощность, материала изменяются в рабочем диапазоне температур, поскольку в данном случае определение геометрии рабочей камеры микроволновой установки равномерного нагрева основывается на решении самосогласованной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности. При этом уравнение теплопроводности нелинейным образом связано с обобщенными волновыми уравнениями Гельмгольца для векторов напряженности электрического и магнитного полей, что не позволяет разделить решение задачи электродинамики и теплопроводности. Проблема создания микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических материалов является актуальной, поскольку большинство электротехнологических процессов термообработки характеризуется резким изменением свойств материале в рабочем диапазоне температур 11] (спекание брикетированных порошкообразных материалов, полимеризация синтетических смол, сушка влажных материалов, высокотемпературная обработка изделий и др.).

В связи с этим, актуальной задачей, связанной с созданием микроволновых электротехнологических систем равномерного нагрева, является разработка оперативной математической модели процесса взаимодействия ЭМГ волн с поглощающими термопараметрическими средами и эффективного метода решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим и термопараметрическим включением, определение основных условий и критериев обеспечения Яу=соп81 в микроволновых системах на основе нерегулярных ВСС.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка оперативной математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими поглощающими средами, описывающей электродинамические и тепловые процессы в произвольных волноводных структурах и эффективного метода решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для ВСС с частичным диэлектрическим, поглощающим и термопараметрическим поглощающим включением, установление основных положений и критериев достижения равномерного нагрева в микроволновых электротехнологических системах, разработка малогабаритных установок равномерного нагрева термопараметрических поглощающих материалов конвейерного типа на основе предложенной модели, метода, положений и критериев.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: методы математической физикиэлементы векторного анализаметод конечных элементов с применением принципа Га-леркина и метода взвешенных невязокметод Катхилла-Макки сведения разреженных матриц к ленточной формеобъектно-ориентированные методы вычисленийтеория графовлинейная алгебраметод разделения переменныхкомбинированный численно-аналитический методметоды экспериментального исследования.

Научная новизна.

1.Создана оперативная математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими поглощающими средами, описывающая электродинамические и тепловые процессы рабочих камер микроволновых электротехнологических установок равномерного нагрева конвейерного типа.

2. Разработан эффективный метод решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, позволяющий провести комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств микроволновых установок конвейерного типа, обеспечивающих равномерный нагрев термопараметрических тонкопленочных и листовых материалов.

3. Определены основные условия и критерии обеспечения равномерного нагрева, поглощающих СВЧ мощность, материалов в микроволновых электротехнологических установках как стационарного, так и конвейерного типов на волноводных структурах произвольного поперечного сечения.

4. Установлена закономерность трансформации электромагнитного поля в термопараметрическом материале расположенном в емкостном зазоре вес в частотной области, в которой происходит переход быстрых волн в медленные, и которая характеризуется смещением электрического поля в более плотные участки поглотителя (с большим значением относительной диэлектрической проницаемости- ?'(1), где 1-температура нагрева материала).

5. Предложена эффективная методика графоаналитического расчета монотонных согласующих переходов между стандартными волноводами и ВСС, позволяющих решить задачу возбуждения микроволновых установок выполненных на отрезках нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— предложено использование волноводов сложного поперечного сечения, имеющих четко выраженный емкостной зазор с однородным распределением электрического поля, в качестве базовых элементов рабочих камер СВЧ систем равномерного нагрева, позволяющих создать новый перспективный класс микроволновых малогабаритных установок, отличающихся более высокой широкополостностью и концентрацией электрического поля в обрабатываемом материале;

— даны практические рекомендации по оптимизации метода расчета рабочих камер микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических материалов конвейерного типа;

— даны практические рекомендации по оптимизации методики расчета нелинейных монотонных согласующих переходов между стандартными волноводами и ВСС, которые позволяют не только решить проблему возбуждения ЭМГ процессов в микроволновых системах на основе ВСС, но и создать необходимые условия широкого внедрения волноводов сложных сечений в технику СВЧ;

— разработаны конструкции микроволновых систем равномерного нагрева листовых термопараметрических материалов конвейерного типа, на основе ВСС (П и Н волноводов, прямоугольного волновода с Т-ребром (ПВТР));

— предложенная методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств произвольных волноводных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим и термопараметрическим включением может быть эффективно использована для создания малогабаритных широкополосных поглощающих элементов и узлов современных систем связи и техники СВЧ;

— результаты работы внедрены в научно-исследовательских и госбюджетных разработках, проводимых в Саратовском государственном техническом университете и ведущих предприятиях радиоэлектронного профиля (ГНПП «Алмаз-Фазатрон», СЭПО, ОКБ «Тантал-наука», завод «Контакт»).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы электронных приборов» (Саратов-2000) — «Современные проблемы радиотехники, управления и связи» (Саратов-2000) — на ежегодных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» (СГТУ, С, а р атов-1998, 1999, 2000).

Публикации. По результатом диссертационной работы опубликовано — 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Текст диссертации изложен на 237 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 50 рисунков и список литературы (88 — наименований).

Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации:

— показано, что в рабочих камерах микроволновых установок выполненных на основе ВСС наблюдается неоднородность нагрева обрабатываемого материала при однородном распределении удельной плотности тепловых источников в образце — qv=const, обусловленная прямым тепловым контактом нагреваемого материала с металлическими частями рабочей камеры и окружающей воздушной средой;

— установлено, что в нестационарном режиме для высокоинтенсивных процессов нагрева диэлектрических материалов, когда мощность рассеиваемая в образце значительно превосходит тепловую мощность отдаваемую в окружающую среду, тепловое поле в нагреваемом образце не зависит от коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением ат, что позволяет осуществлять теплоизоляцию образца в установках как стационарного, так и конвейерного типов на основе ВСС;

— установлено, что в микроволновых установках конвейерного типа оптимальное решение вопроса теплоизоляции обрабатываемого материала при однородной плотности тепловых источников в направлении распространения ЭМГ волны — дь=соп81 может быть достигнуто путем введения диэлектрических пластин, обладающих высоким тепловым сопротивлением и расположенных в емкостном зазоре вес параллельно внешней поверхности обрабатываемого материала, что позволяет обеспечить равномерный нагрев термопараметрических диэлектрических материалов;

— показано, что использование плавных согласующих переходов СВ — вес позволяют максимально просто решить задачу возбуждения ЭМГ процессов в рабочих камерах микроволновых установок на основе вес, которые обладают меньшей электрической прочностью нежели СВ (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.) на основе которых выполнен вывод энергии большинства СВЧ генераторов;

— установлено, что не смотря на определенное уменьшение полосы пропускания сигнала генератора СВЧ мощности линейные переходы ев — все могут успешно использоваться в микроволновых системах равномерного нагрева термопараметрических материалов конвейерного типа;

— показано, что осуществить направленную не отражающую передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру микроволновой установки на основе квазистационарных ВСе во всем доминантном диапазоне длин волн СВ возможно только в нелинейных плавных согласующих переходах при одновременном изменении как внутренней, так и внешней геометрии СП;

— предложена методика оперативного расчета геометрии рабочей камеры микроволновой установки равномерного нагрева диэлектрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в рабочем диапазоне температур, конвейерного типа на основе ВСС;

— показано, что равномерную термообработку термопараметрических материалов невозможно осуществить в установках стационарного типа, а только в системах конвейерного типа при строго фиксированной скорости протяжки обрабатываемого материала, при.

221 этом неизлучающая транспортировка листового материала в квазистационарных вес должна осуществляться через продольные щели, расположенные в центре емкостного зазора;

— установлено, что в микроволновых системах конвейерной термообработки термопараметрических листовых материалов не на всякой рабочей длине волны До возможно обеспечить однородную погонную плотность тепловой мощности, рассеиваемой в обрабатываемом материале ЭМГ полем доминантной волны, при изменении лишь ширины емкостного зазора ВСС;

— показано, что наиболее продуктивным путем создания оптимальных конструкций рабочих камер микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических материалов является одновременное изменение геометрии как внешнего, так и внутреннего профиля отрезка нерегулярного ВСС в направлении распространения волны;

— проведенные в работе исследования электродинамических и тепловых свойств вес, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом позволили разработать новый перспективный класс микроволновых установок равномерного нагрева длинных материалов конвейерного типа с высоким темпом нагрева образцов.

Заключение

основные результаты и выводы.

В диссертационной работе проведено решение актуальной задачи по разработке математической модели, метода решения и критериев исследования электродинамических и тепловых свойств к в аз истационарных вес, частично заполненных диэлектрическим, по-глош-ающим СВЧ мощность, материалом, электрофизические и тепловые свойства которого изменяются в рабочем диапазоне температур, и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических материалов конвейерного типа. В данном разделе кратко изложены основные выводы и новые научные результаты полученные в работе, перспективы их практического применения и внедрения.

1 .Разработана оперативная математическая модель взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими средами, базирующая на системе совместных нелинейных волновых уравнений и уравнении теплопроводности, позволяющая исследовать электродинамические и тепловые свойства рабочих камер микроволновых систем конвейерного типа, обеспечивающих равномерный нагрев данных материалов.

2.Предложен метод решения совместной нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводов, частично заполненных термопараметрическим поглощающим материалом, в основе которого лежит метод последовательных приближений с использованием продольно-поперечной поляризации (ЕА, Еу, ЕА приЁ (г, х)±8га (11(г, т) иНА, Ну, НА приЁ (г, т)|18га (11(г, х)).

З.Определены основные условия, положения и критерии достижения равномерного нагрева термопараметрических, поглощающих.

СВЧ мощность, материалов в микроволновых установках на основе отрезков нерегулярных ВСС, показано, что достигнуть ду=соп81 в объеме термопараметрического материала можно только в установках конвейерного типа при постоянстве скорости транспортировки обрабатываемого материала.

4. Проведены исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры ЭМГ поля квазистационарных вес с частичным диэлектрическим, поглощающим и термопараметрическим заполнением и установлены особенности трансформации доминантной волны в разрешенном диапазоне длин волн.

5.Установлено, что при слоистом диэлектрическом заполнении произвольного волновода, поперечное волновое число ге±с/т в более плотной среде является действительной величиной во всем доминантном диапазоне длин волн, в то время как в менее плотной среде величина агхс/со зависит от режима распространения волны и, в частности, при распространении медленной волны поперечное волновое становится мнимой величиной.

6. Показано, что в случае многослойного диэлектрического заполнения вес поперечное волновое число становится мнимой веу с I— личиной в 1-ом слое при, то есть ЭМГ поле носит затусо хающий характер от границы раздела с более плотной средой, при I этом с уменьшением — величина возрастает, чт° прив°дит к, а со усилению эффекта трансформации поля и образованию «волны на стыке» .

7. Установлено, что поперечное волновое число произвольного волновода с комбинированным слоистым диэлектрическим и поглощающим СВЧ мощность заполнением, является комплексной величиной не только в поглотителе, но и в диэлектрическом слое, что приводит к трансформации ЭМГ поля в диэлектрике не только в области медленных волн, но также и быстрых волн, при этом в волно-водных структурах с частичным термопараметрическим заполнением трансформация доминантной волны может происходить на заданной рабочей длине волны.

8. Установлено, что в микроволновых установках конвейерного типа оптимальное решение вопроса теплоизоляции обрабатываемого материала может быть достигнуто путем введения диэлектрических пластин, обладающих высоким тепловым сопротивлением и расположенным в емкостном зазоре ВСС параллельно внешней поверхности обрабатываемого материала, что позволяет обеспечивать равномерный нагрев термопараметрических материалов при однородной погонной плотности тепловых источников и ио=СОП81.

9. Предложена методика определения структуры теплового поля термопараметрического, поглощающего СВЧ мощность, материала в конвейерных микроволновых установках поперечного типа при неизменности скорости транспортировки обрабатываемого материала, а следовательно, температурного изменения s'(t) и 185(1), что позволяет определить коэффициент затухания основной волны вес в каждом сечении отрезка нерегулярной рабочей камеры, при котором достигается однородная погонная плотность тепловых источников.

10. Показано, что плавные согласующие переходы СВ-ВСС позволяют максимально просто решить задачу направленной не отражающей передачи СВЧ мощности от генератора, вывод энергии которого выполнен на отрезках СВ (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.) в рабочую камеру микроволновой установки, выполненную на отрез ках нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), при этом несмотря на некоторое уменьшение полосы пропускания генератора СВЧ мощности линейные переходы СВ-ВСС, которые наиболее просты в изготовлении, могут успешно использоваться в установках равномерного нагрева термопараметрических материалов.

11 .Установлено, что направленную передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру на основе ВСС во всем доминантном диапазоне длин волн СВ возможно осуществить только в нелинейных переходах при одновременном изменении как внутренней, так и внешней геометрии перехода.

12. Предложена методика оперативного расчета геометрии рабочей камеры микроволновой установки равномерного нагрева диэлектрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в рабочем диапазоне температур конвейерного типа на основе ВСС при условии неизменности скорости протяжки обрабатываемого материала, при этом неизлучающая транспортировка листовых материалов в данных установках должна осуществляться через продольные щели, расположенные в центре емкостного зазора.

13. Показано, что наиболее продуктивным путем создания оптимальных установок равномерного нагрева термопараметрических материалов является одновременное нелинейное изменение как внешней, так и внутренней геометрии рабочей камеры в направлении распространения волны.

14. Таким образом, разработанная математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ волн с термопараметрическими поглощающими материалами, установленные критерии достижения однородной плотности тепловых источников в обрабатываемом материале, а также проведенные исследования электродинамических.

226 свойств вес с частичным термопараметрическим заполнением позволяют создать новый перспективный класс малогабаритных высокоэффективных установок конвейерного типа термообработки данных материалов.