Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции в области термообработки диэлектрических материалов направлены на поиск новых высокоэффективных и экологически чистых технологий. Одним из таких направлений является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ энергии). При разработке СВЧ устройств, предназначенных для технологических процессов термообработки диэлектрических материалов, используются свойства СВЧ нагрева: объемный характер, избирательность и чистота нагрева, высокий коэффициент преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии. Известны и описаны СВЧ устройства, реализующие технологии термообработки диэлектрических материалов в различных отраслях промышленности.
Разработка новых моделей и методов расчета как самих СВЧ устройств, так и технологических процессов нагрева диэлектрических материалов является актуальной задачей в различных отраслях промышленности. Решение этой задачи позволит улучшить качество обрабатываемых материалов за счет высокого коэффициента полезного действия СВЧ устройств, объемного и равномерного характера нагрева, поднять на более высокий уровень показатели самих технологических процессов, характеризующихся экологической чистотой и отсутствием тепловой инерции.
В настоящее время существует потребность в новых технологических процессах равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов, которые характеризуются тем, что максимальных разброс температурного поля в материале от номинального значения составляет не более 7%. К таким технологическим процессам, в частности, относятся процессы полимеризации пластических масс для стеклопластиковой арматуры, склейка древесины и многие другие.
Для высокой производительности процесса термообработки листовых материалов целесообразно использовать волноводные или замедляющие системы в режиме бегущей волны.
Проведенный анализ научных публикаций в области расчета и проектирования СВЧ устройств типа бегущей волны для равномерной термообработки диэлектрических материалов позволил выявить и сформулировать основные недостатки в этой области.
К ним, в основном, следует отнести отсутствие:
- метода расчета зависимости диэлектрических параметров материала от формы и размеров волноводных и замедляющих систем для реализации в материале равномерного температурного поля;
- моделей и методик расчета СВЧ устройств в режиме бегущей волны, которые бы учитывали зависимость постоянной затухания как от температуры, так и от влажности диэлектрического материала.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств на основе волноводных и замедляющих систем типа бегущей волны для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- разработка моделей, методов расчета и новых конструкций СВЧ устройств
волноводного типа и на основе замедляющих систем, обеспечивающих
равномерное распределение температурного поля в материале в режиме
бегущей волны;
- исследование и разработка модели, методики и программы расчета
распределения температурного поля в материале в поле бегущей волны с
учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и
влажности.
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств (волноводного типа с изменяющимися размерами широкой и узкой стенок волноводов, замедляющих систем штыревого типа со связками).
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных физических моделей, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований (расхождение теоретических и экспериментальных результатов распределения температурного поля в исследуемых листовых диэлектрических материалах не превышает 5%), внедрением разработанных СВЧ устройств в технологические процессы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. На основе принципа суперпозиции распределения температурных
полей в материале и линейного изменения геометрических размеров волновода
созданы новые СВЧ устройства волноводного типа, состоящие из двух
одинаковых по параметрам секций, в которых энергия электромагнитного поля
распространяется во взаимно-противоположных направлениях и которые
обеспечивают равномерное распределение температурного поля в материале.
2. Модели и метод расчета СВЧ устройств равномерного распределения
температурного поля в листовых диэлектрических материалах, состоящих из
одинаковых секций замедляющих систем, в которых энергия
электромагнитного поля распространяется во взаимно - противоположных направлениях и учитывается зависимость постоянной затухания от замедленной длины волны.
3. Модель и методика расчета распределения температурного поля в листовом материале в устройствах СВЧ нагрева типа бегущей волны, которые основаны на представлении материала в виде слоистого диэлектрика и на учете линейной зависимости постоянной затухания от температуры и влажности.
Практическая ценность результатов диссертации:
Разработанные модели, методы, алгоритмы, программы расчета и проектирования новых конструкций СВЧ устройств равномерного нагрева диэлектрических материалов открывают перспективы внедрения их в высокоэффективные технологические процессы различных отраслей промышленности.
Использование разработанных моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств позволит реализовать технологические процессы, обеспечивающие заданное распределение температуры в листовых диэлектрических материалах в режиме бегущей волны.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Представлены новые модели, методы расчета конструкций СВЧ устройств и параметров технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, отличающиеся равномерным распределением температурного поля в материале;
Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции волноводных систем с переменным поперечным сечением для равномерной термообработки листовых материалов;
Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции замедляющих системах и учитывающие зависимость постоянных затухания от коэффициента замедления и параметров диэлектрического материала для равномерной термообработки листовых материалов;
Разработана модель и методика расчета распределения температурного поля в материалах для СВЧ устройств в режиме бегущей волны, учитывающая зависимость диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторской работе, выполненной в ЗАО НТЦ "Альфа-1"; пяти научно-исследовательских работах, выполненных в ГНУ НИИ "Перспективные материалы и технологии" и ГОУВПО МИЭМ (ТУ); внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ (ТУ).
Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые
информационные системы» Московского государственного института
электроники и математики;
на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17-18 мая, 2006 г. Доклад: "Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах";
на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17-18 мая, 2006 г. Доклад: "Распределение температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах";
на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20-21 сентября 2006 г. Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах волноводного типа»;
на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20-21 сентября 2006 г. Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах на замедляющих системах».
Публикации. По теме диссертации сделано 4 научных доклада на всероссийских научных конференциях, опубликовано 8 статей, выпущено 5 научно-технических отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 153 страницы, в том числе 44 рисунка, 3 таблицы, 110 наименований списка использованных источников на 10 страницах, 4 страницы приложения.
