Электротехнологические конвейерные СВЧ установки равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов

Актуальность темы

диссертации.

Одним из широко распространенных электротехнологических процессов термообработки является нагрев диэлектрических материалов посредством энергии СВЧ поля. Добиться увеличения скорости термообработки диэлектрических материалов, повысить интенсивность нагрева в установках СВЧ нагрева можно обеспечив однородную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Задача обеспечения равномерного нагрева распадается на две части: обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала (qv =const) и теплоизоляция нагреваемого материала. Наиболее трудоемкую часть представляет задача обеспечения qv = const, которая состоит из двух частей — qs= const и qL = const. Первая часть обеспечивается выбором соответствующей волноводной системы, а вторая путем продольного изменения геометрии камеры в соответствии с требуемым законом изменения затухания по длине нагревательной системы.

Одним из перспективных классов волноводов сложного поперечного сечения являются многогребневые волноводы (МГВ), которые выделяются среди ВСС большим количеством степеней свободы, что позволяет наиболее эффективно управлять структурой ЭМГ поля в поперечном сечении РК. В связи с этим исследование электродинамических и тепловых свойств МГВ и квазистационарных ВСС с частичным диэлектрическим включением представляет существенный практический интерес. Однако, в силу сложности граничных условий, невозможно применение аналитических методов для анализа электродинамических и тепловых свойств квазистационарных ВСС и МГВ с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением и особенно при частичном термопараметрическом заполнении, а методы экспериментального исследования достаточно дороги, то представляется актуальным разработка и проведение численных расчетов электродинамических и тепловых процессов в квазистационарных ВСС и многогребневых волноведущих структурах и создание на их основе нового класса СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов.

Цель работы: Проведение комплексных исследований электродинамических свойств и структуры ЭМГ поля квазистационарных ВСС и многогребневых волноводов и создание на их основе нового перспективного класса электротехнологических СВЧ установок поперечного типа с равномерным нагревом произвольных тонкопленочных и листовых диэлектрических материалов. Исследование процесса нагрева термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева в СВЧ установках на основе квазистационарных ВСС. Оптимизация конструкции рабочей камеры данных установок, направленная на минимизацию отражения СВЧ мощности от входа РК и достижения наиболее высокого темпа нагрева обрабатываемого материала. Автоматизация процесса численного расчета и построение согласующих переходов между стандартными волноводами и квазистационарными ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в РК СВЧ установки, выполненной на основе ВСС или МГВ. Научная новизна:

— разработаны оптимизированный алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для квазистационарных ВСС или МГВ, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, позволяющие провести комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств данных волноводных структур с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров материала в рабочем диапазоне температур;

— проведены комплексные исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля МГВ с частичным диэлектрическим включением, позволяющие оценить возможность использования многогребневых волноводов как базовых элементов рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов и различных устройств СВЧ (аттенюаторы, фазовращатели, оконечные согласованные нагрузки и т. д.);

— установлено, что изменением геометрии П — выступов и их взаимного расположения в МГВ можно достичь увеличения коэффициента заполнения волновода — 77, то есть области существования однородного электрического поля в поперечном сечении МГВ по сравнению с квазистационарными ВСС (прямоугольный волновод с Т-ребром, якорный и секторный волноводы и др.), что позволяет использовать данные волноводы для создания СВЧ установок равномерного нагрева более габаритных диэлектрических материалов, особенно на частотах 433 и 915 МГц.

— проведены комплексные исследования. процесса нагрева конкретных термопараметрических материалов в конвейерных электротехнологических СВЧ установках поперечного типа на основе прямоугольного волновода с Т-ребром и установлено, что изменение температуры нагрева материала происходит только в направлении его перемещения и по нелинейному закону, при этом характер изменения температуры однозначно определяется зависимостями электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

— предложена методика прямого автоматизированного численного расчета продольной геометрии плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (СВ-прямоугольный, цилиндрический волноводы и др.) и ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на основе СВ в рабочую камеру СВЧ нагревательной установки, выполненной на отрезке нерегулярного ВСС или МГВ;

— установлено, что неотражающая передача СВЧ мощности в РК СВЧ нагревательной установки на основе ВСС или МГВ во всем доминантном диапазоне длин волн СВ может быть осуществлена только посредством СП с нелинейным изменением геометрии перехода в направлении распространения ЭМГ волны, при этом превалирующее влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение* внутренней геометрии перехода (например П-выступа в МГВ);

— предложена методика расчета продольного изменения волнового сопротивления рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе квазистационарных ВСС и МГВ, базирующаяся на методе эквивалентных схем и позволяющая оценить уровень согласования РК с генератором при изменении продольного профиля камеры, при котором достигается однородная плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала;

— установлено, что наиболее плавное монотонное изменение волнового сопротивления в рабочих камерах СВЧ установок равномерного нагрева термопараметрических материалов на основе квазистационарных нерегулярных ВСС в направлении распространения основной волны волновода наблюдается при одновременном нелинейном изменении как внешней, так и внутренней геометрии рабочей камеры, что позволяет минимизировать отражение СВЧ мощности по длине РК.

Практическая значимость:

— даны практические рекомендации по построению оптимальных конструкций СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов применительно к заданному технологическому процессу термообработки;

— даны практические рекомендации по построению согласующих переходов со стандартных волноводов на МГВ или ВСС, что позволяет решить задачу неотражающей передачи СВЧ мощности в РК электротехнологической СВЧ установки на основе МГВ или ВСС;

— предложены конкретные СВЧ установки равномерного нагрева термопараметрических материалов (белок и желток куриного яйца, говядина) на основе ПВТР и МГВ, в которых обеспечивается наиболее плавное изменение волнового сопротивления по длине рабочей камеры;

— даны практические рекомендации по нагреву термопараметрических материалов (пищевые продукты, полимерные материалы) в СВЧ нагревательных установках конвейерного типа на основе ПВТР;

— даны практические рекомендации по использованию многогребневых волноводов в качестве базовых элементов рабочих камер электротехнологических СВЧ нагревательных камер электротехнологических СВЧ нагревательных установок с равномерным нагревом материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева;

— результаты исследований внедрены в учебном процессе и НИР, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, а также могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности: ГНПП «Алмаз — Фазотрон», СЭПО, НПП «Контакт» и др;

Апробация работы: Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период с 1999 — 2004гг. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

— международной научно-технической конференции «Проблемы управления и связи», СГТУ, Саратов, 2000; научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (Саратов 2001 г.);

— международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», ФГУП НПП «Контакт», Саратов, 2003;

— международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», СГТУ, Саратов, 2004.

Публикации: По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 10 печатных работ. Структура и объем диссертационной работы: Диссертационная работа содержит 235 е., состоит из введения, трех глав, заключения, а также включает 82 рисунка и список литературы из 95 наименований.

Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации:

• Предложена методика, позволяющая определить перспективность использования квазистационарных ВСС или МГВ в качестве базового элемента РК, обеспечивающей заданный электро—технологический процесс термообработки произвольного термопараметрического материала с помощью энергии СВЧ, а также диапазон изменения электрофизических свойств термопараметрического материала при котором сохраняется одномо-довая термообработка в установках стационарного типа.

• Показано, что одновременное нелинейное изменение внутренней и внешней геометрии РК позволяет достичь наиболее плавного изменения волнового сопротивления в направлении распространения волны.

• Установлено, что предложенный в данной работе подход к расчету и оптимизации РК на основе нерегулярных квазистационарных ВСС и МГВ позволяет создать перспективный класс высокоэффективных СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов как стационарного, так и конвейерного типов, а также реализовать на их основе наиболее сложный электротехнологический процесс равномерного нагрева термопараметрических материалов.

• Показано, что СВЧ установки на основе МГВ позволяют обеспечить электротехнологическую обработку более габаритных диэлектрических материалов чем в установках на основе квазистационарных ВСС, что принципиально важно при термообработке на частотах 433 и 915 МГц, на которых наблюдается более глубокое проникновение ЭМГ мощности в нагреваемый объект.

Показано, что температурное изменение тепловых и электрофизических параметров исследуемого термопараметрического материала приводит к нелинейному нарастанию температуры нагрева в направлении перемещения обрабатываемого материала.

Проведено комплексное исследование электродинамических и тепловых процессов в конвейерных установках равномерного нагрева термопараметрических материалов поперечного типа на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения.

Определена температура нагрева термопараметрических материалов (говядина, желток и белок куриного яйца, полиэтилен и полиметилакрилат) в конвейерной электротехнологической СВЧ нагревательной установке поперечного типа на основе ПВТР при постоянстве скорости перемещения обрабатываемого материала, что позволяет обеспечить заданный электротехнологический режим термообработки данных материалов.

Заключение

.

В работе проведено решение актуальной задачи СВЧ энергетикипостроение РК электротехнологических установок, обеспечивающих равномерный нагрев термопараметрического материала не только в поперечном сечении, но и по его длине. Также изложены основные результаты и выводы диссертационной работы, которые заключаются в следующем:

• сформулирована совместная внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для рабочих камер электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева термопараметрических материалов на основе ВСС;

• проведен обзор существующих методов решения поставленной задачи, обоснован выбор метода конечных элементов и изложены его теоретические основы для решения ВКЗЭиТ.

• разработаны алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ, а также алгоритмы автоматического, выбора степени дискретизации и пересчета на регулярную сетку и на их основе модернизирована программа численного решения ВКЗЭиТ, а также приведены результаты ее тестирования, которые показали, что погрешность вычисления модернизированной программой^вА не превышает 2 — 3%;

• показано, что изменение геометрии и взаимного расположения гребней в МГВ, позволяет увеличить область однородного электрического поля в поперечном сечении волновода, а, следовательно, повысить коэффициент заполнения данных структур, что принципиально важно при построении РК электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева объемных диэлектрических материаловисследованы диапазонные свойства МГВ (двугребневого, четы-рехгребневого, шестигребневого, восьмигребневого и десяти-гребневого волноводов) и установлено, что они обладают меньшими значениями критических длин волн основного и первого высшего типов, что позволяет использовать их для по строения РК электротехнологических установок для равномерного нагрева крупногабаритных диэлектрических материалов на частотах 433 и 915 МГцпредложена методика прямого автоматизированного численного расчета продольной геометрии плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (СВ-прямоугольный, цилиндрический волноводы и др.) и ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на основе СВ в рабочую камеру СВЧ нагревательной установки, выполненной на отрезке нерегулярного ВСС или МГВустановлено, что неотражающая передача СВЧ мощности в РК СВЧ нагревательной установки на основе ВСС или МГВ во всем доминантном диапазоне длин волн СВ может быть осуществлена только посредством СП с нелинейным изменением геометрии перехода в направлении распространения ЭМГ волны, при этом превалирующее влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение внутренней геометрии перехода (например П-выступа в МГВ) — предложена методика, позволяющая определить. перспективность использования квазистационарных ВСС или МГВ в качестве базового элемента РК, обеспечивающей заданный электротехнологический процесс термообработки произвольного термопараметрического материала с помощью энергии СВЧ, а также диапазон изменения электрофизических свойств термопараметрического материала при котором сохраняется одномо-довая термообработка в установках стационарного типапоказано, что одновременное нелинейное изменение внутренней и внешней геометрии РК позволяет достичь наиболее плавного изменения волнового сопротивления в направлении распространения волныустановлено, что предложенный в данной работе подход к расчету и оптимизации РК на основе нерегулярных квазистационарных ВСС и МГВ" позволяет создать перспективный класс высокоэффективных СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов как стационарного, так и конвейерного типов, а также реализовать на их основе наиболее сложный электротехнологический процесс равномерного нагрева термопараметрических материаловпоказано, что СВЧ установки на основе МГВ позволяют обеспечить электротехнологическую обработку более габаритных диэлектрических материалов чем в установках на основе квазистационарных ВСС, что принципиально важно при термообработке на частотах 433 и 915 МГц, на которых наблюдается более глубокое проникновение ЭМГ мощности в нагреваемый объектпоказано, что температурное изменение тепловых и электрофизических параметров исследуемого термопараметрического материала приводит к нелинейному нарастанию температуры нагрева в направлении перемещения обрабатываемого материалапроведено комплексное исследование электродинамических и тепловых процессов в конвейерных установках равномерного нагрева термопараметрических материалов поперечного типа на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сеченияопределена температура нагрева термопараметрических материалов (говядина, желток и белок куриного яйца, полиэтилен и полиметилакрилат) в конвейерной электротехнологической СВЧ нагревательной установке поперечного типа на основе ПВТР при постоянстве скорости перемещения обрабатываемого материала, что позволяет обеспечить заданный электротехнологический режим термообработки данных материалов.