Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СВЧ устройства для высокоэффективной термообработки диэлектрических материалов 19
Введение 19
1.1. Физические основы термообработки диэлектрических материалов 20
1.2. Источники СВЧ энергии для термообработки материалов 23
1.3. СВЧ устройствах лучевого типа для термообработки диэлектрических материалов 28
1.4. СВЧ устройства типа бегущей волны 41
Заключение 51
ГЛАВА 2. Разработка модели и метода расчета СВЧ устройств лучевого типа 53
Введение 53
2.1. Прямоугольный волновод как излучающая антенна 53
2.2. Новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов 70
Заключение 73
ГЛАВА 3. Метод расчета устройств СВЧ нагрева в режиме бегущей волны 75
Введение 75
3.1. Модель расчета СВЧ устройств термообработки материалов в поле бегущей волны 76
3.2. Метод расчета функции распределения мощности в материале в поле бегущей волны 81
3.3. Экспериментальные исследования распределения температурного поля материала вдоль оси электродинамической системы 88
Заключение 108
ГЛАВА 4. Разработка СВЧ устройств равномерного нагрева материалов по объему 109
Введение 109
4.1. Физическая модель построения устройств СВЧ
нагрева материалов в режиме бегущей волны 109
4.2. Меандровьш волновод с поглощающим диэлектрическим стержнем 117
4.3. Круглый волновод с коаксиальным поглощающим диэлектрическим стержнем 120
4.4. Спиральная замедляющая система с поглощающим диэлектрическим стержнем 123
4.5. Диафрагмированный волновод с поглощающим диэлектрическим стержнем 126
4.6. СВЧ устройства для равномерной термообработки материалов по сечению в поле бегущей волны 129
Заключение 131
Заключение 132
Список использованных источников
- Источники СВЧ энергии для термообработки материалов
- Новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов
- Метод расчета функции распределения мощности в материале в поле бегущей волны
- Меандровьш волновод с поглощающим диэлектрическим стержнем
Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции в области термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами направлен 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) [1...3].
При разработке СВЧ устройств для технологических процессов термообработки диэлектрических материалов используются такие уникальные свойства, как [1 ...25]: избирательность нагрева. В многокомпонентной смеси диэлектриков сильнее нагреваются составляющие, у которых тангенс угла диэлектрических потерь более высокий; равномерность нагрева. Электромагнитное поле мгновенно проникает в диэлектрические материалы на значительную глубину, обеспечивая равномерное распределение выделяющегося тепла по всему объему обрабатываемого материала независимо от его теплопроводности; высокая чистота нагрева. СВЧ энергия подводится к материалу через защитные диэлектрические оболочки - окна или через упаковку. В этом случае нет необходимости использовать какие-либо вещества в качестве теплоносителей; саморегуляция нагрева. Нагрев высушенных участков автоматически прекращается, так как тангенс угла диэлектрических потерь большинства материалов уменьшается по мере их высыхания; высокий коэффициент преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить
5 интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии, а именно: сократить продолжительность технологического процесса в 10 — 30 раз; повысить качество высушиваемой продукции и уменьшить брак; снизить удельный расход электроэнергии на 25.. .50%; уменьшить площади производственных помещений на 10...60%; сократить на 20...50% численность обслуживающего персонала; улучшить санитарно-гигиенические условия труда; уменьшить площадь, объем и вес промышленных установок соответственно в 3, 6 и 2 раза; повысить управляемость технологическим процессом; создать условия для автоматизации производства.
Известны и описаны СВЧ устройства [1...6], реализующие технологии термообработки диэлектрических материалов в различных отраслях промышленности: производство строительных материалов, сушка древесины, тканей, бумаги, обработка текстильной пряжи, канатов, различных видов сыпучих веществ и дисперсных материалов, полимеров, керамики и резины; в медицинской промышленности - для стерилизации; в пищевой промышленности - для размораживания и приготовления продуктов; в сельскохозяйственном производстве — для сушки хлопка-сырца, облучения семян, листьев табака, уничтожения сорняков и т.д.
Разработка новых, более точных методов расчета, как самих сверхвысокочастотных устройств, так и технологических процессов равномерного нагрева диэлектрических материалов, является актуальной задачей, которая стоит в различных отраслях промышленности и решению которой посвящена настоящая работа.
Решение этой задачи позволит улучшить качество обрабатываемых материалов за счет объемного и равномерного характера нагрева и поднять на более высокий уровень показатели самих технологических процессов, харак- теризующихся экологической чистотой, тепловой безынерционностью в сочетании с высоким коэффициентом полезного действия сверхвысокочастотных устройств.
Проведенный анализ научных публикаций в области расчета и проектирования сверхвысокочастотных устройств лучевого типа и типа бегущей волны для термообработки диэлектрических материалов позволил определить их основные недостатки и наметить пути их преодоления.
В работе рассмотрены СВЧ устройства лучевого типа, которые представляют собой камеры или иные конструкции, на стенках которых расположены в определенном порядке излучатели СВЧ энергии, обеспечивающие заданное распределение температурного поля в обрабатываемом диэлектрическом материале. Излучатели СВЧ энергии представляют собой волноводы прямоугольного сечения, работающие на основном типе волны Я10. При проектировании таких конструкций сверхвысокочастотных устройств основной задачей является разработка модели, метода, алгоритма и программы расчета распределения температурного поля обрабатываемого диэлектрического материала, расположенного на заданном расстоянии от системы излучателей.
При проектировании новых конструкций СВЧ устройств для высокоэффективной термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны существуют две основные задачи: разработка модели, метода и программы расчета температурного поля обрабатываемого материала с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры; разработка физической модели и метода расчета для реализации равномерного распределения температурного поля обрабатываемого материала по сечению.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка моделей и методов расчета новых высокоэффективных конструкций СВЧ
7 устройств для термообработки диэлектрических материалов, а также реализация расчетов в практических конструкциях.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: исследование и разработка модели, метода и программы расчета новых СВЧ устройств лучевого типа, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля изотропного диэлектрического материала с известными электрофизическими параметрами, расположенного на заданном расстоянии от системы волноводных излучателей; исследование и разработка модели, метода и программы расчета СВЧ устройств и распределения температурного поля материала в поле бегущей волны с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры; исследование и разработка физической модели и метода расчета СВЧ устройств, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля по поперечному сечению обрабатываемых материалов в поле бегущей волны.
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 (резонаторного типа, круглого волновода, диафрагмированного волновода, спиральной замедляющей системы, меандрового волновода).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью разработанных физических моделей, результатами теоретических и экспериментальных исследований, внедрением разработанных СВЧ устройств.
8 На защиту выносятся следующие научные положения:
Физические модели построения новых СВЧ устройств, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля по сечению материала в режиме бегущей волны за счет того, что устройство состоит из двух секций, имеющих взаимодополняющее распределение температурного поля материала по сечению и принципа суперпозиции;
Модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа для термообработки диэлектрических материалов, основанный, как на принципе суперпозиции, так и учете экспериментальных коэффициентов в уравнениях Гюйгенса - Кирхгофа, которые зависят от расстояния до обрабатываемого материала и угла излучения;
Модель и метод расчета СВЧ устройства для термообработки материалов в поле бегущей волны, основанные на том, что величина поглощенной материалом мощности прямо пропорциональна постоянной затухания.
Практическая ценность результатов диссертации:
1, Разработанные модели, методы, алгоритмы и программы расчета и проектирования новых высокоэффективных конструкций СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов открывают (за счет сокраще ния времени и средств на их разработку) широкие перспективы для их вне дрения в высокоэффективные технологические процессы различных отрас лей промышленности с целью получения высокого экономического эффекта.
Использование разработанных методов расчета и проектирования СВЧ - устройств позволяют (с точностью распределения температурного поля, удовлетворяющей условиям технологического процесса) провести расчет заданного технологического процесса термообработки диэлектрических материалов.
Разработанные новые модели, методы, программы расчета и конструирования лучевых СВЧ установок для термообработки материалов позволяют обеспечить заданное распределение температурного поля материалов
9 (расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температурного поля не превышает 10%) и сократить время и средства при их разработке.
Научная новизна диссертации заключается в том, что представлены новые модели, методы расчета, как сверхвысокочастотных устройств, так и технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, отличающиеся высокой равномерностью распределения температурного поля в материале. Более подробно научная новизна характеризуется следующим: впервые - разработаны физические модели построения сверхвысокочастотных уст ройств, использующих в качестве нагревательных элементов секции элек тродинамических систем для равномерной термообработки как плоских, так и круглых сечений материалов; разработана программа расчета конструкций сверхвысокочастотных устройств лучевого типа (на основе принципа суперпозиции, принципа Гюйгенса - Кирхгофа и учета эмпирических коэффициентов), для диэлектрических материалов, позволяющая рассчитать температурное поле материала; разработан метод расчета распределения температурного поля в материалах для СВЧ устройств в режиме бегущей волны, учитывающий зависимость диэлектрических параметров материала от температуры; теоретически и экспериментально обоснован метод расчета длины электродинамической системы СВЧ устройства и коэффициента полезного действия в зависимости от величины фазовой скорости волны в электродинамической системе.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в трех опытно-конструкторских работах, выполненных в ЗАО НТЦ "Альфа-1", ООО НПК "Новатор", ООО "Альпинтех", одной научно-исследовательской работе, выполненной в НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ) и внедрены в учебный процесс.
Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международном научном семинаре "Электродинамика периодических и нерегулярных структур" при секции НТО им. А.С. Попова. Московский энергетический институт. 19.10.94 г. Доклад: "Использование многоэтажных замедляющих систем для нагрева диэлектрических материалов"; на Всесоюзной научно-технической конференции: "Интегральная электроника СВЧ". Красноярск, 14-16 июня, 1988 г., Доклад: "Амплитудно-частотный корректор на планарных замедляющих системах"; на IV межвузовской научной школе молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" 18 ноября 2003 г. Москва, МГУ. Доклад: "Воздействие концентрированных потоков СВЧ энергии на процессы полимеризации диэлектрических стержней"; на IV межвузовской научной школі молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" 18 ноября 2003 г. Москва, МГУ. Доклад: "Термообработка плоских диэлектрических материалов с использованием концентрированных потоков СВЧ энергии"; на V межвузовской научной школе молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" 23 ноября 2004 г, Москва, МГУ, Доклад: "Метод расчета СВЧ установок лучевого типа". на V межвузовской научной uiKont молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" 23 ноября 2004 г. Москва, МГУ. Доклад: "Термообработка диэлектрических материалов с использованием концентрированных потоков СВЧ энергии в режиме бегущей волны".
Публикации. По теме диссертации выпущено 2 научно-технических отчета, опубликовано 4 статьи, тезисы докладов на конференциях и 2 изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 154 страниц, в том числе 48 рисунков, 222 наименований списка использованных источников на 19 страницах, 5 страниц приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Показаны основные достоинства использования сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов. Определены конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в настоящей диссертационной работе цели. Приводится краткое содержание каждой из глав.
В первой главе "Сверхвысокочастотные устройства для высокоэффективной термообработки диэлектрических материалов " дан обзор по отечественным и зарубежным научным публикациям и показаны перспективы развития СВЧ устройств лучевого типа и типа бегущей волны в применении к конкретным технологическим процессам.
Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и перспективы их использования в устройствах для термообработки диэлектрических материалов.
12 Рассмотрены основные конструкции электродинамических систем для сверхвысокочастотных устройств термообработки материалов. Показаны особенности нагрева диэлектрических материалов с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. Рассмотрены с точки зрения классической физики процессы взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с материалом, приводящие к поглощению энергии поля в материале с учетом макроскопических свойств диэлектрической среды. Приведены основные типы конструкций электродинамических систем, используемые в различных технологических процессах термообработки материалов.
Отражены основные недостатки существующих методов расчета и проектирования рассматриваемых конструкций СВЧ устройств и сформулированы основные научные задачи, которые надо решить для преодоления этих недостатков.
Во второй главе "Разработка метода расчета СВЧ устройств лучевого типа" предложен метод расчета и проектирования СВЧ устройств лучевого типа для термообработки диэлектрических материалов.
Рассмотрены СВЧ устройства лучевого типа, отличительной особенностью которых является использование в качестве вводов СВЧ энергии антенн в виде открытых прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Нї0. При этом количество и место расположения таких антенн определяется геометрическими размерами и физическими свойствами обрабатываемого материала. В качестве электродинамических систем СВЧ устройств лучевого типа рассмотрены прямоугольные резонаторные камеры.
Из анализа научных публикаций [1, 2, 3, 125, 126] показано, что если в камере обрабатывать диэлектрические материалы, электрофизические параметры которых в процессе нагрева существенно изменяются, то электромагнитное поле втягивается в материал и строгих выражений для расчета картины распределения температурных полей в материале не приводится.
13 В настоящей работе решение задачи реализации заданного распределения температурного поля диэлектрических материалов включало в себя следующие этапы: этап. Проведен расчет излучения мощности из раскрыва волновода, как по узкой, так и по широкой стенке, который в первом приближении описывается уравнениями Гюйгенса - Кирхгофа [165]. Представлены выражения для распределения мощности излучения из раскрыва волновода, как по узкой, так и по широкой стенке, а также построены их диаграммы в зависимости от угла излучения. этап. Проведен расчет распределения поля от источника СВЧ энергии на различных расстояниях от обрабатываемого материала и построены линии уровней постоянной мощности при условии отсутствия теплопроводности внутри материала. Показаны линии постоянной температуры на уровне мощности излучения 0,5 для различных расстояний от материала до волновода (200 мм; 300 мм; 400 мм), определены диагонали эллипсов этих линий и составлена соответствующая программа их расчета [218,222]. этап. Проведена корректировка (с помощью эмпирических коэффициентов) теоретически рассчитанных (методом Гюйгенса — Кирхгофа) и измеренных распределений температурного поля материала в зависимости от расстояния до обрабатываемого материала. Показано распределение температурного поля на различных расстояниях от источника СВЧ энергии, рассчитанного и измеренного, как по узкой стенке волновода, так и по широкой. Расхождение рассчитанных и измеренных характеристик можно связать эмпирическими коэффициентами kE\z,d) и kH(z>e). Эти коэффициенты зависят от расстояния до поверхности диэлектрического материала и от величины угла (в), который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе. этап. Определены картины распределения температурного поля материала с использованием принципа суперпозиции. Экспериментальными исследованиями подтверждена корректность применения принципа суперпозиции. Показано рассчитанное и измеренное распределение температурного поля между двумя источниками СВЧ энергии, как по узкой, так и по широкой стенке на различных расстояниях от поверхности материала. этап. Показано измеренное распределение температурного поля СВЧ установки, предназначенной для сушки диэлектрических материалов, на расстоянии 450 мм от шести источников СВЧ энергии, расположенных на боковой стенке камеры. Неравномерность распределения температурного поля составляет не более 2С.
Разработана модель расчета лучевых СВЧ устройств с раскрывами прямоугольных волноводов в качестве излучающих антенн, работающих на основном типе волны Н10. Модель основана на том, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным; отсутствуют токи, затекающие на наружную поверхность волновода; отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна; справедливости уравнений Гюйгенса - Кирхгофа и однородности обрабатываемого материала.
Разработан метод расчета лучевых СВЧ устройств, который основан на использовании эмпирических корректирующих коэффициентов, зависящих от расстояния от раскрыва волновода источника СВЧ энергии до обрабатываемого материала и угла от направления распространения энергии в волноводе в уравнениях Гюйгенса - Кирхгофа, а также принципа суперпозиции.
На основе полученных теоретических и экспериментальных исследований разработана программа расчета СВЧ устройств лучевого типа, обеспечивающих заданное распределение температурного поля в диэлектрических материалах с различными электрофизическими параметрами.
Проведены экспериментальные исследования по определению распределения температурного поля в конструкциях лучевых устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между рассчитанными и экспериментальными значениями температурного поля не превышает 10%.
Приведены параметры новых разработанных СВЧ устройств лучевого типа, на которые получены акты о внедрении.
В третьей главе диссертации: "Разработка метода расчета сверхвысокочастотных устройств типа бегущей волны** рассматривается термообработка диэлектрических материалов, характерные размеры которых меньше длины волны.
Показано, что основная нерешенная задача при разработке СВЧ устройств в режиме бегущей волны связана с определением зависимости распределения температурного поля в материалах по длине электродинамической системы с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры. Именно по этой причине невозможно определить коэффициент полезного действия, эффективную длину электродинамической системы и величину подводимой СВЧ мощности.
Анализ научных публикаций [1...3], показывает, что эти вопросы пытаются в конкретных применениях решить экспериментальным путем, но это не всегда удается.
В настоящей работе эта задача решена с помощью разработанного метода расчета, подтверждена экспериментальными исследованиями. В основе метода лежат следующие основные положения:
1. Экспериментальными исследованиями установлено, что для диэлектрических материалов, не содержащих влаги (различные пластические массы), в определенных количествах содержащих влагу (капиллярно-пористые материалы), а также содержащих влагу в больших количествах, но в замороженном виде, на частотах 915 МГц и 2450 МГц величина поглощенной мощности прямо пропорциональна постоянной затухания;
2. Экспериментальными исследованиями установлено, что величина фактора потерь и постоянная затухания растет с ростом температуры, как для материалов с малыми потерями, так и для капиллярно-пористых материалов содержащих влагу до (20-30)%, а также при больших величинах влажности в процессе размораживания;
3. Представляя электродинамическое устройство с нагреваемым мате риалом в виде нагруженной длинной линии с определенными граничными условиями, определен закон распределения СВЧ мощности по длине мате риала с учетом зависимости фактора потерь от температуры.
4. Зная закон распределения мощности в материале, можно рассчитать необходимую длину электродинамического устройства и коэффициент по лезного действия СВЧ установки.
5. Расхождение рассчитанных и измеренных распределений температурного поля по длине материала для различных конструкций электродинамических систем, не превышает 10%.
6. В результате анализа различных конструкций электродинамических систем для использования в СВЧ устройствах типа бегущей волны, получены выражения для удельной мощности потерь материала в зависимости от длины волны в системе.
В четвертой главе диссертации: "Разработка СВЧ устройств равномерного нагрева материалов по объему" рассмотрены физические модели, позволяющие реализовать равномерное распределение температурного поля по сечению обрабатываемого материала в режиме бегущей волны.
Расчетным и экспериментальным путем показано, что равномерное распределение температурного поля по радиусу диэлектрического стержня в различных конструкциях электродинамических систем может быть достигнуто при выбранной длине волны генератора подбором радиуса объекта. Если же радиус объекта изменить нельзя, то в таких камерах равномерного тепловыделения по радиусу можно и не обеспечить.
Рассмотрены вопросы создания равномерного распределения температурного поля по поперечному сечению плоских и круглых диэлектрических материалов. Для рассматриваемых видов поперечного сечения обрабатываемого материала предлагается использовать электродинамические устройства, расположенные последовательно друг за другом и имеющие взаимодополняющие распределения температурного поля в материале.
Для плоских материалов, как правило, используются электродинамические системы, состоящие из двух секций, одинаковых по конструкции и параметрам, но имеющие взаимно противоположное направление движения СВЧ энергии. В этих системах температурное поле в материале спадает по экспоненциальной зависимости и показано, что сложение двух экспоненциальных зависимостей может создать распределение температурного поля, удовлетворяющего условию технологического процесса. Представлены экспериментальные характеристики распределения температурного поля диэлектрического материала от двух секций электродинамических систем и суммарное распределение температурного поля [1]. Суммарное распределение температурного поля определяется принципом суперпозиции.
Для материалов круглого поперечного сечения предлагается физическая модель построения СВЧ устройств, состоящих из двух секций, имеющих взаимодополняющее распределение температурного поля по поперечному сечению диэлектрического материала. Первая электродинамическая система обеспечивает максимальную температуру в центре материала и ее спад по радиусу (например, круглый волновод), а вторая электродинамическая система обеспечивает максимум температуры на краю обрабатываемого материала и спадает по радиусу к центру (например, диафрагмированный волновод). Сложение двух характеристик может создать распределение температурного поля, удовлетворяющее условию технологического процесса.
Расхождение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температурного поля по радиусу диэлектрического стержня
18 для круглого волновода, диафрагмированного волновода и результирующего распределения температуры по сечению стержня не превышает 10%.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
19 I. СВЧ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Введение
Одним из основных технологических процессов в различных отраслях промышленного производства является термообработка материалов. Научные исследования, направленные на сокращение длительности термообработки, показали эффективность использования энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот, так как достигаемый при этом объемный нагрев материалов позволяет значительно интенсифицировать процесс термообработки, повысить качество обрабатываемых диэлектрических материалов, уменьшить площадь, занимаемую нагревательными установками, повысить экономические показатели технологического процесса [1.. .23].
К настоящему времени выполнены разнообразные исследования в области методов расчета устройств СВЧ нагрева, а также технологических процессов термообработки материалов под воздействием СВЧ энергии [1, 3, 102... 124].
Промышленное оборудование, в котором применяется СВЧ нагрев, включает в себя источники СВЧ энергии, а также электродинамические устройства для подвода энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот к заданным участкам обрабатываемого материала.
В настоящем разделе рассматриваются конструкции электродинамических систем и источники СВЧ энергии для устройств СВЧ нагрева лучевого типа и типа бегущей волны.
Целью данного раздела является отражение современного состояния СВЧ устройств лучевого типа и типа бегущей волны, предназначенных для высокоэффективного и равномерного нагрева диэлектрических материалов, и дальнейших перспектив их развития с точки зрения возможности решения технологических задач на качественно более высоком уровне.
20 1.1. Физические основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов
Рассмотрим качественный механизм взаимодействия СВЧ поля с диэлектрическими материалами. Электромагнитное поле, проникая в материал, взаимодействует с заряженными частицами, вызывая их колебания. Молекулы диэлектрической среды могут быть неполярными и полярными [61...66]. В неполярных молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент. Под действием внешнего электрического поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. На сверхвысоких частотах наибольший удельный вес имеют дипольная и структурная поляризации диэлектриков, так, что выделение тепла возможно даже при отсутствии тока проводимости [67...77].
Для аналитического описания этого явления плодотворной оказывается идея представления среды, состоящей из осцилляторов, каждый из которых взаимодействует с электрическим полем, в силу чего совершает вынужденные колебания [63...68].
Будем считать, что подвергаемая нагреву среда является изотропной и материальные уравнения среды можно записать в виде:
5 = є-є„-Е^
1 = а-Ё 0, fiQ - абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;
21 J - плотность тока проводимости;
, Я-векторы напряженности электрического и магнитного поля; D, В - векторы электрической и магнитной индукции; є - относительная диэлектрическая проницаемость среды; // - относительная магнитная проницаемость среды; сг- проводимость среды.
Пусть электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону:
Н = Нт-е (1.2) где ф - круговая частота колебаний.
Запишем величину относительной диэлектрической проницаемости среды (є) в виде [3, 69]: * = --.А (1.3) где є'с и є"с - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.
Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды (//) в виде [69]: M=rtL.j& (1.4) Vo Mo где {i'c и ju" - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды.
Так как при гармонических колебаниях обычно оперируют со средними за период значениями мощности, то мощность тепловых потерь равна [3, 69]: Pn=-\
22 Удельную мощность тепловых потерь из (1.5) можно представить в виде:
Р -а -." -. ^ч ,."
2 СО Єг -2 6)- Ur Л2 + - Е +—— (1.6)
Первое слагаемое выражает объемную плотность мощности, выделяющуюся в среде при протекании в ней тока проводимости согласно закону Джоуля-Ленца.
Второе и третье слагаемые в (1.6) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической D и магнитной В индукции и векторов Е и Н.
В настоящей работе будем исследовать такие материалы, которые имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: /^ =1;/г =0. В этом случае третье слагаемое в (1.6) равно нулю.
С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды (є) с учетом ее проводимости в виде [3, 69,164]: s=s,-je\ (1.7) е' = ^- (1.8) 'я + __ (1.9) eQ 0)-Єо
Здесь: є'; є"- действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости среды. С учетом (1.9) выражение (1.6) приобретает вид: уд ИЛИ б)'Єп-ЄН рУд=—~—\Щ (wo) ^=0,278-10-12 -/-є'-Щ2, (1.11) где: / - частота колебаний электромагнитного поля, Гц; Е - напряженность электромагнитного поля, В/см\ Р д - удельная мощность тепловых потерь, Вт / см .
Таким образом, чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность тепловых потерь. У многих диэлектрических материалов максимум величины (в") приходится на диапазон сверхвысоких частот.
В России для термообработки материалов в диапазоне сверхвысоких частот наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 915 МГц и 2450 МГц.
При выборе длины волны генератора надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик с потерями [1,3, 79. ..101].
Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды (є") зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры [200, 201].
1.2. Источники СВЧ энергии для термообработки материалов
В СВЧ устройствах для термообработки диэлектрических материалов применяется многочисленный спектр источников СВЧ энергии, различных по конструкции и параметрам [5].
Для мощных СВЧ установок применяются источники от 25 кВт и выше, и, в зависимости от технологического процесса, на частотах 2450 МГц или 915 МГц.
Недостатками таких мощных источников являются:
Большой вес и большие габаритные размеры;
Сложность подвода СВЧ энергии для реализации равномерного нагрева обрабатываемого материала;
3. Большая чувствительность используемых магнетронов к отраженной мощности (для стабильной работы необходим коэффициент стоячей волны по напряжению KcmU < 1,5) создает необходимость использования для его защиты ферритового циркулятора;
Магнетронный генератор использует водяное охлаждение (вода должна быть определенного качества);
Если источник СВЧ энергии, по каким-либо причинам выходит из строя, то останавливается весь технологический процесс до его замены;
При конструировании СВЧ установок для использования источников большой мощности, применяются специальные средства защиты, как при эксплуатации, так и при пуско-наладочных работах;
Высокая стоимость СВЧ источника;
Если использовать для установок СВЧ нагрева источники меньшей мощности, например (2,5...5,0) кВт, то практически сталкиваемся с перечисленными выше недостатками [5].
С целью исключения существующих недостатков источников СВЧ энергии в ряде работ предложена новая концепция построения устройств СВЧ энергии [5]. Суть этой концепции состоит в том, что для реализации установок СВЧ нагрева мощностью до (20...30) кВт можно использовать малогабаритные, дешевые источники СВЧ энергии с воздушным охлаждением, собранные на базе комплектующих бытовых СВЧ печей [5, 6].
Эти источники СВЧ энергии можно располагать на электродинамических системах таким образом, чтобы энергия электромагнитного поля подводилась к заданным участкам обрабатываемого материала согласно требованиям технологического процесса. При использовании таких источников не требуются ферритовые циркуляторы, так как магнетроны для бытовых СВЧ печей с одной стороны хорошо переносят повышенный отраженный сигнал, а с другой стороны имеют температурную защиту, автоматически отключающую магнетрон в случае его перегрева.
25 Источники СВЧ энергии не требуют водяного охлаждения, а охлаждаются потоком воздуха. Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что при выходе одного из них технологический процесс, как правило, не останавливается, а замена источника может быть осуществлена в течение нескольких минут. Цена таких источников невелика, а коэффициент полезного действия от сети достигает 60%.
На рис. 1.2.1 представлен источник СВЧ энергии 0,6 кВт с программным управлением, созданный на базе отечественных комплектующих в 1985 году фирмой ПО "Тантал". Источник достаточно тяжелый (весит около 20 кг), имеет габаритные размеры: длина - 549 мм; ширина - 260 мм; высота - 316 мм с волноводным выводом энергии сечением (90 х 45) мм.
Рис. 1.2.1. Источник СВЧ энергии, мощностью 0,6 кВт.
26 На рис. 1.2.2 представлен источник СВЧ энергии, разработанный на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина - 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника СВЧ энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения СВЧ мощности из волновода, что в свою очередь сильно влияет на выбор и габариты электродинамической системы.
Рис. 1.2.2. Источник СВЧ энергии, мощностью 0,8 кВт.
Дальнейшее развитие в этой области связано, как с уменьшением массы и габаритных размеров источника СВЧ энергии, так и с увеличением КПД источника за счет использования инверторной схемы питания магнетрона.
В МИЭМ, на кафедре: "Лазерные и микроволновые системы" разработан источник СВЧ энергии со встроенным блоком питания на основе инверторной схемы, представленный нарис. 1.2.3. Габариты источника: длина-200 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм и весом 5,0 кг. Именно эти источники СВЧ энергии об-
27 ладают максимальным КПД (до 67%) и позволяют плавно изменять уровень выходной мощности.
Рис. 1.2.3. Источник СВЧ энергии с инверторной схемой управления мощностью 0,8 кВт.
Рис. 1.2.4. Инверторный блок питания источника СВЧ энергии.
На рис. 1.2.4 представлен инверторный блок питания источника СВЧ энергии.
28 Разработанная конструкция источников СВЧ энергии является наиболее перспективной с точки зрения использования в установках СВЧ нагрева. Как показывают экспериментальные исследования, время наработки таких источников СВЧ энергии на порядок превышают заявленные производителем СВЧ печей цифры за счет лучшего охлаждения и выбора режимов работы.
1.3 Электродинамические системы, используемые в СВЧ устройствах лучевого типа для термообработки диэлектрических материалов
Рассмотрим применение основных электродинамических устройств к конкретным технологическим процессам равномерного нагрева материалов, диэлектрические параметры которых изменяются в широких пределах, как от влажности, так и от температуры.
Рассмотрим систему источников СВЧ энергии с волноводными излучателями, расположенными в определенном порядке над обрабатываемой поверхностью. Такие устройства используются в технологических процессах проведения неразрушающей регенерации кровельного покрытия, бесшумного и экологически чистого ремонта асфальтобетонных покрытий, обеззараживания почвы.
В работах [133, 134, 135, 215, 216] рассмотрено одно из перспективных направлений использования СВЧ технологии для ремонта кровли, что открывает возможность проведения неразрушающей регенерации кровельного покрытия, в то время как традиционная технология ремонта требует снятия всего кровельного покрытия на участках, где нарушена его герметичность и водонепроницаемость. Равномерный и мгновенный по всей глубине СВЧ нагрев позволяет получить после твердения битума монолитное водозащитное покрытие без внесения дополнительных материалов.
В СВЧ устройстве [133] используются четыре волноводных излучателя, в каждый из которых поступает мощность СВЧ излучения 1,5 кВт, а в СВЧ устройстве [134] используется та же величина мощности (6 кВт), но от деся-
29 ти волноводных излучателей сечением (72х34)мм. Рабочая частота установок
2450 МГц. Производительность устройства [133] составляет (5..А2)м2 /час при толщине покрытия до 25 мм. На рис. 1.3.\а и рис. 1.3.16 показано устройство [134] для ремонта кровли.
а)
б) Рис. 1.3.1 СВЧ устройство для ремонта кровли. (а) - вид сверху; (б)-вид снизу
В работах [136...140] описаны СВЧ устройства для ремонта асфальтобетонных покрытий. Основное преимущество СВЧ нагревателей, по сравнению с инфракрасными и конвективными нагревателями, состоит в том, что преобразование СВЧ энергии в тепловую энергию происходит одновременно во всем объеме асфальтобетонного покрытия. При этом отсутствует перегрев поверхности и выгорание битума, повышается равномерность нагрева и сокращается время термообработки. Предлагаемая технология является бесшумной и экологически чистой, продлевает срок эксплуатации оборудования и повышает качество ремонта.
Рассчитанное местоположение излучателей обеспечивает равномерное распределение температуры асфальтобетонного покрытия. В устройствах ис- пользуется плотность потока СВЧ мощности (76...80) кВт!м .
В работе [139] предложено электродинамическое устройство, выполненное в виде ряда щелевых волноводов. На одном конце волновода установлен источник СВЧ энергии, а на другом согласованная нагрузка. Форма и размеры щели волновода выбраны таким образом, чтобы реализовать равномерное распределение температуры обрабатываемого асфальтобетонного покрытия. На рис. 1.3.2 представлено устройство прицепного СВЧ разогревателя.
Аналогичные экспериментальные СВЧ устройства разработаны и используются для обеззараживания грунтов от вредителей и сорняков [81]. На каждом СВЧ устройстве установлено по два магнетронных генератора типа "Хвоя" мощностью по 50 кВт каждый на частоте 915 МГц. В СВЧ устройстве используется коаксиально-волноводный переход и излучатель волноводно-щелевого типа. В зависимости от влажности почвы и режима обработки, скорость движения СВЧ установки лежит в пределах (80...4600)—. Это направ- ление обработки почвы является одним из перспективных, так как уничтожает вредные микроорганизмы и сорняки и позволяет полностью избавиться от применения гербицидов. Высокая экономическая эффективность описанных выше установок доказана экспериментально.
^ ^s
Рис. 1.3.2. Устройство прицепного СВЧ разогревателя:
1 -дизель; 2 - электрогенератор; 3 - выхлопная труба; 4 - кабель; 5 - блок питания; 6 - платформа; 7 - отверстия; 8 - датчик СВЧ излучения; 9 - датчик температуры; 10 - цепной занавес; 11 - магнетрон; 12 - волновод; 13 - щель волновода; 14 - рама; 15 - колесо; 16 -покрытие дороги; 17 - ловушка.
Рассмотрим камеры периодического и проходного типа, характеризующиеся тем, что на боковых поверхностях камер в определенном порядке расположены источники СВЧ энергии с волноводными излучателями. Расстояние между стенками камер составляет от десяти до двадцати длин волн генератора. Такие электродинамические устройства используются в следующих технологических процессах: высококачественная сушка штабелей твердолиственных пород древесины; высококачественная сушка картона, толщиной свыше 50 мм; - обеззараживания грунта в теплицах.
В работах [143, 146, 150, 153, 154, 155, 156] предложено СВЧ устройство, представляющее собой камеру периодического типа для сушки штабеля древесины. На боковых поверхностях в определенном порядке расположены источники СВЧ энергии мощностью 0,6 кВт каждый.
Источники СВЧ энергии имеют волноводный вывод энергии, сечением (72 х 34) мм на частоте 2450 МГц и сечением (192 х 94) мм на частоте 915 МГц. Расположение источников на боковых поверхностях камеры обеспечивает равномерное распределение температуры в штабеле древесины. Общий вид СВЧ устройства для сушки штабеля древесины показан на рис. 1.3.3.
Рис. 1.3.3. Общий вид СВЧ устройства для сушки штабеля древесины.
Расчет технологических режимов сушки древесины проводился с учетом отражений от стенок камеры СВЧ энергии для каждого источника. Расчет температурного поля в штабеле проводился как для начального этапа сушки при максимальной влажности, так и для заключительного этапа сушки, при минимальной влажности. Условие расчета температурного поля состояло в
33 том, чтобы неравномерность распределения температуры материала по любому сечению штабеля не превышала20С [150, 153... 156].
В работах [151, 152] предложено СВЧ устройство, представляющее собой камеру проходного типа для сушки толстого картона (толщина свыше 50 мм) из отходов картонно-бумажного производства (шлам), отходов деревообработки (опилки, стружка), канифольного клея и модифицирующих добавок, который используют в строительстве как теплоизоляционный материал в виде плит размерами (1000 х 500 х 50) мм. На боковых поверхностях камеры расположены источники СВЧ энергии малой мощности (0,6 кВт) в определенной последовательности, обеспечивающие равномерный нагрев обрабатываемого материала.
Во время сушки влажность сырых плит должна быть снижена с 65% до 5,7%. Сразу же отметим, что сушка теплоизоляционных плит большой толщины (50 мм) традиционными способами (конвективным, контактным, инфракрасным и др.) требует очень больших затрат времени и энергии. В данном случае сочетание СВЧ и конвективного способов сушки теплоизоляционных плит позволило на порядок уменьшить время термообработки при меньших энергетических затратах, более высоком качестве и экологической чистоте технологического процесса. Это объясняется объемным характером СВЧ нагрева, который обеспечивает во время сушки положительные градиенты температуры, давления и влажности в материале. Это поддерживает высокую скорость диффузии влаги из толщи плиты к ее поверхности во время всего процесса сушки.
СВЧ камера для производства теплоизоляционных плит имеет следующие технические характеристики; установленная СВЧ мощность — 41 кВт; производительность - 70000 плит/год.
Разработаны СВЧ устройства для термообработки (ускоренного твердения) пенобетона и бетона. Установка состоит из металлического основания, на которое устанавливается форма, залитая пенобетоном, размерами: 1700мм х 1700 мм и высотой - 400 мм, а также верхнего короба, на верхней крышке
34 которого расположены в определенном порядке 20 источников СВЧ энергии по 0,6 кВт каждый таким образом, чтобы равномерно нагреть обрабатываемый материал. Рабочая частота генераторов 2450 МГц. Размеры внешнего короба составляют: длина - 2000 мм; ширина - 2000 мм; высота - 800 мм. Короб с помощью крана опускается на основание, а по окончании технологического процесса с помощью крана поднимается, формы с пенобетоном после термообработки извлекаются и заменяются новыми. Экономическая эффективность таких процессов велика, так как сам технологический процесс занимает несколько минут.
В работах [81, 148] предложено устройство для обеззараживания грунта в теплицах. Это мобильная СВЧ установка, которая может перемещаться от теплицы к теплице и по своей конструкции напоминает СВЧ устройство для сушки древесины. Отличие технологического процесса состоит в том, что вместо штабеля древесины в нее помещают штабель из ящиков с обрабатываемым грунтом.
Рассмотрим многовидовые камеры, на поверхностях которых в определенном порядке расположены источники СВЧ энергии, обеспечивают равномерность обработки материала, как в периодическом, так и в конвейерном режиме, что существенно, например, для таких применений, как: - получение новых теплоизоляционных строительных материалов методом вспучивания (на основе жидкого стекла с различными наполните лями, гранул пенополистирола на цементной связке и другие); - нагрев и сушка различных материалов (нагрев кип табака перед ферментацией и резкой, термообработка продуктов питания и других).
Конструкция многовидовых камер должна быть такой, чтобы внутри них нагрев был одинаков в любой части внутреннего объема, занятого обрабатываемым материалом. Объем камеры должен быть достаточно большим, чтобы в течение каждого цикла обрабатывалось значительное количество материала.
35 В работах [141, 142, 143, 215, 216] рассматриваются СВЧ устройства конвейерного типа для производства теплоизоляционных строительных материалов на основе сухих и жидких силикатов, например, из смеси представляющей собой зерна гидроалюмосиликатов, связанных жидким стеклом. Разработаны установки как для быстрой термообработки материалов (метод вспучивания), так и для медленной. Широкий диапазон скоростей термообработки позволяет получить целую гамму пористых теплоизоляционных материалов, отличающихся своим составом, структурой, плотностью и прочностью. Камера СВЧ нагрева спроектирована так, что электромагнитные волны, полностью не поглощенные готовой плитой, после многих отражений от стенок камеры достигают материала сырых плит и поглощаются ими. Главным условием достижения равномерного нагрева материала является использование большого количества СВЧ излучателей малой мощности (0,6 кВт...0,85 кВт) с воздушным охлаждением в определенном порядке расположенных на камере нагрева. Источники СВЧ энергии на рабочей частоте 2450 МГц имели волноводный вывод энергии сечением (72 х 34) мм. На рис. 1.3.4 показана конструкция установки СВЧ нагрева для производства теплоизоляционных плит размером (600 х 600 х 50) мм из вспученного вермикулита, связанного жидким стеклом. 2 і
1Г-И".
Рис. 1.3.4. СВЧ линия для медленного вспучивания сырьевой смеси: 1 - СВЧ камера; 2 - шлюз; 3,4 - разгрузочный и загрузочный столы; 5 - привод; 6 - натяжная станция конвейера.
Исходный материал укладывается на дно разборной формы из радиопрозрачного материала (фторопласта) и пропускается через СВЧ камеру, в которой подвергается термообработке. За время термообработки в зависимости от состава и режима обработки исходный материал теряет от 30% до 40% первоначальной массы за счет испарения воды и увеличивается в объеме в 2...6 раз благодаря вспучиванию жидкого стекла.
Для данного класса СВЧ устройств удается довести коэффициент полезного действия использования СВЧ энергии до 90% с учетом потерь энергии на нагрев окружающей среды и стенок СВЧ камеры. В этих условиях производительность установки составляет 117 плит за 8 часов при СВЧ мощности 27 кВт. Для набора необходимой СВЧ мощности (27 кВт) на установке должно быть размещено 45 источников СВЧ энергии мощностью по 0,6 кВт каждый. Схема размещения источников на камере показана на рис.1.3.5. LL JJL 1L iJL II
п «g-t^Q-t^Q LL JL iL Jl CD CO
Рис. 1.3.5. Схема размещения источников СВЧ - энергии на камере. 1 - корпус; 2 - источник СВЧ энергии; 3 - вентилятор; 4 - вентиляционное окно; 5 - конвейерная лента; 6 - фланец.
Конструкция СВЧ устройства для термообработки вермикулита, связанного жидким стеклом, состоит из загрузочного стола, на который устанавливаются формы с сырыми плитами. С помощью привода, конвейерная лента приводится в движение и формы через шлюз, предотвращающий утечку СВЧ энергии, вводятся в камеру нагрева. Таких камер может быть установлено несколько, в зависимости от требуемой производительности. После термообработки каждая плита проходит через шлюз и попадает на разгрузочный столик, с которого снимается и затем извлекается из формы.
Разработанное СВЧ устройство конвейерного типа имеет небольшие размеры, проста в эксплуатации и обслуживании, обеспечивает высокое качество термообработки теплоизоляционных материалов, практически недостижимое при использовании других способов нагрева.
СВЧ устройства конвейерного типа разработаны: для тепловлажностной обработки бетонных тротуарных плит [144, 145]; для сушки древесины [127, 146, 147]; для термообработки питательных смесей под рассаду и цветы, для стерилизации субстратов под грибы [148]; для размораживания кип табака в зимний период, придания ему эластичности перед резкой и для тепловой обработки перед ферментацией [143, 149, 150]. СВЧ устройства для размораживания кип табака имеют размеры загрузочного окна (620 х 400) мм, при этом потребляемая мощность от сети составляет 15 кВт.
В работе [15] разработана и внедрена установка для скоростной сушки асбестосодержащих материалов в полях сверхвысоких частот, позволившая резко интенсифицировать процесс сушки асбестосодержащих материалов, уменьшить энергетические затраты на сушку и получить от внедрения одной установки годовой экономический эффект, соответствующий ее стоимости.
Сушка асбестосодержащих материалов является одним из важнейших и наиболее продолжительных процессов в промышленном производстве и
38 переработке асбеста. При сушке материалов с низкой теплопроводностью, каким и является асбестосодержащий материал, важно обеспечить равномерный нагрев во всем объеме материала. В противном случае удаление влаги из материала по объему будет неравномерным, что приводит к порче части материала.
С целью обеспечения равномерного нагрева и сушки по всему объему разработана система распределенного ввода энергии в рабочую камеру. Эта система - в виде антенн из стандартных волноводов. Размеры и взаимное расположение излучателей рассчитывались энергетическим методом и уточнялись экспериментальным путем. При этом экспериментальным путем показано, что в рабочей камере распределение температурного поля в материале практически не зависит от влажности, что очень важно для сушки влажных материалов, электрофизические параметры которых по мере удаления влаги меняются в широких пределах. При этом согласование источников СВЧ энергии с рабочей камерой практически не ухудшается.
Такие экспериментальные исследования проводятся практически при разработке каждой СВЧ установки камерного типа с системой волноводных излучателей для термообработки различных диэлектрических материалов. Это связано с тем, что в настоящее время не существует каких-либо программных методов расчета температурных полей обрабатываемых материалов и это влечет дополнительные затраты времени и средств для корректировки их параметров.
Аналогичную конструкцию имеет и установка [104] для сушки керамической шихты - одной из наиболее длительных операций в процессе изготовления вакуумноплотных керамических материалов, используемых в производстве электронных приборов. Обычно шихта сушится в электрических шкафах несколько суток, а в СВЧ установке несколько часов при одинаковой загрузке. При этом разброс температуры по всему объему составляет 20С при средней температуре в 100С. Однако такая равномерность была достигнута в результате многочисленных экспериментальных корректировок пара-
39 метров СВЧ камеры, так как каких — либо точных методов расчета параметров технологических режимов в научных публикациях не приводится.
В работах [1...3] описываются эффективные методы преобразования энергии СВЧ поля в объемных резонаторах. При этом считается, что СВЧ энергия распределена по множеству видов колебаний, возбуждающихся в данном объеме. Одним из преимуществ таких устройств является минимальное отношение поверхности камеры к объему. Именно этим объясняется широкое распространение многовидовых резонаторных камер в настоящее время.
При расчете многовидового резонатора нужно учитывать два основных требования. Во-первых, связь между источником и резонатором должна оставаться постоянной для самых различных нагрузок, отличающихся своими диэлектрическими свойствами и изменением этих свойств с температурой. Во-вторых, точки максимального преобразования энергии должны быть равномерно распределены по материалу. Уменьшение площади металлических поверхностей при заданном объеме уменьшает потери в стенках резонатора. Утверждается, что стабильность и равномерность нагрева в первую очередь зависят от того, насколько много видов колебаний возбуждается в резонаторе в рабочих режимах.
В многочисленных научных публикациях [1,..,10] обсуждается задача получения высокой плотности видов колебаний в пределах заданной узкой полосы частот с учетом требований, предъявляемым к конструкции резона-торной камеры и обеспечения нормальной работы источников СВЧ энергии. В этих работах излагается теория многовидового режима.
Основные положения теории многовидового режима сводятся к тому, что число N собственных видов поперечных электрических (ТЕ) и поперечных магнитных (ТМ) колебаний в резонаторе без потерь, имеющем объем V, площадь металлических поверхностей S и размеры a, b и d> можно графически найти из точного решения дисперсионного уравнения:
40 'йЛ (тг-Е\ (я-т\ (л-пЛ ,л ,_. Ы =(—) +Ы +Ы (1Л2) где о = 2ж f, а , т, п - целые числа, соответствующие видам колебаний
ТЕшп и TMimn,
Зависимость собственных видов колебаний резонатора N от частоты имеет ступенчатый характер. При этом ступеньки обусловлены вырождением видов колебаний, которое приводит к различным резонансным картинам поля на одной и той же частоте.
Гладкая криволинейная аппроксимация уравнения (1.12) имеет следующий вид:
Решение уравнения (1.12) показало, что максимальное значение соответствует 18 видам колебаний для всех кубических резонаторов, возбуждающихся на частоте 2450 МГц и имеющих объем не более 100 литров. В соответствии с уравнением (1.12) такой результат объясняется вырождениями, имеющими место в пределах полосы данной спектральной линии. При этом если объем увеличивать и резонатор прямоугольной формы не будет иметь форму куба, то число собственных видов колебаний резонатора уменьшается. Метод расчета прямоугольных резонаторных камер, описанный в [1, 2, 3, 125, 126], направлен на обеспечение равномерного электромагнитного поля в камере с помощью создания максимально возможного числа видов колебаний для заданных геометрических размеров резонатора. Резонаторная камера считается незаполненной, либо заполненной малым объемом диэлектрика с небольшими значениями относительной диэлектрической проницаемости, не вносящим значимых потерь. Решение этой задачи основано, с одной стороны, на поиске наибольшего числа решений уравнения (1.12) для оптимизации линейных размеров резонатора, а с другой стороны, обеспечением множества видов колебаний оптимальным расположением вводов СВЧ энергии, выпол-
РОССИЙСКАЯ Лі ГОСУДАРСТВЕННАЯ 41 БИБЛИОТЕКА < — - щ | ненных в виде прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Я10
Однако, само по себе существование множества видов колебаний электромагнитного поля в резонаторной камере не является основой для реализации равномерного нагрева так как: результирующее поле вследствие интерференции полей возбужденных видов колебаний может быть существенно неравномерным; наличие видов колебаний с вектором электрического поля, ориентированным параллельно поверхности обрабатываемого материала, вызывает "втягивание" электромагнитного поля в материал [1..,3, 125, 126] и в этом случае неясно как реализовать заданное распределение температурного поля обрабатываемого материала, поскольку строгих выражений для его расчета в научных работах не приводится.
В этой связи сам процесс разработки СВЧ устройства и технологических процессов термообработки материалов основан на многочисленных предварительных экспериментальных исследованиях, что влечет за собой дополнительные затраты времени и средств.
Таким образом, основным недостатком методов расчета и проектирования таких систем является отсутствие программы расчета температурного поля материала.
1.4. СВЧ устройства типа бегущей волны.
В данном разделе описываются СВЧ устройства непрерывного действия типа бегущей волны. СВЧ устройства термообработки диэлектрических материалов в поле бегущей волны идеально подходят для применения на конвейерной линии. В СВЧ устройствах в поле бегущей волны нагрузка и передающая линия дополняют друг друга так, что образуется линия с потерями, в которой вся мощность потерь используется для термообработки материалов.
Тепловую энергию можно передавать путем излучения, теплопроводности или конвекции. В процессе СВЧ сушки передача тепла материалу производится путем облучения его энергией сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Влага, которая должна испаряться, поглощает электромагнитную энергию по всему объему материала, и происходит высушивание. Высокая эффективность процесса передачи энергии по всему объему позволяет проводить нагрев и высушивание за короткое время.
Мощность, передаваемая электромагнитным полем в обрабатываемый материал, пропорциональна частоте, квадрату напряженности электрического поля и фактору диэлектрических потерь. Из этой закономерности, которая справедлива и для обычного диэлектрического нагрева, вытекает важное преимущество СВЧ сушки, так как в этом процессе используются значительно более высокие частоты: 915 МГц и 2450 МГц. Промышленные сушильные микроволновые установки работают именно в этих диапазонах частот. Выбор рабочей частоты определяется наличием соответствующих источников СВЧ энергии, выбором конструкции установки и диэлектрическими свойствами материала.
Предполагая, что обрабатываемый материал является диэлектриком с потерями и заключен между пластинами плоского конденсатора, можно вывести две простые и полезные формулы для понимания процессов нагрева и сушки.
Запишем уравнение для определения энергии в виде: W = ~CU2 (1.14), где: С - емкость конденсатора; U - напряжение на пластинах конденсатора.
Выражение для поглощенной мощности можно определить как дейст- вительную часть производной , где величина С - прямо пропорцио-
43 нальна комплексной диэлектрической проницаемости. Таким образом, можно получить ряд полезных формул [1..3]: = 5,561 1 (Г - постоянная величина; / - частота, Гц;
Е - напряженность электрического поля, —; кг- С кг
Дж с - теплоемкость диэлектрического материала, р - плотность диэлектрического материала,
Л - длина волны в свободном пространстве, м; d - толщина слоя диэлектрического материала, м; W ~ энергия, Дж. Формула (1.17) дает толщину слоя материала, в котором мощность на заданной частоте / уменьшается в два раза.
Формула (1.16) связывает возрастание температуры с количеством поглощенной мощности при отсутствии тепловых потерь и изменений агрегатного состояния.
Пусть материал движется в направлении распространения СВЧ энергии. В этом случае в различных работах [1, 3] при анализе таких устройств
44 делаются различные предположения. В частности, полагают, что обрабатываемый диэлектрический материал продвинулся в микроволновой системе на расстояние dz = Q-dt и мощность dP, рассеянная в материале, вызвала некоторое испарение влаги и соответствующее уменьшение постоянной затухания на величину da.
Показано, что эти процессы связаны между собой уравнением: dP da (1.18)
Рщр аМ
В этом уравнении:
Р - величина мощности, требуемая для испарения воды, вводимой в микроволновую установку; ам - постоянная максимального затухания. Это уравнение после интегрирования в пределах P(z)
Из теории передающих линий -^ = 2a{z)P{z) (1.21)
Подставляя выражение (1.20) в (1.21) и интегрируя в пределах (1.22) >a(z)>aJ ' где і - длина СВЧ устройства, можно получить длину в виде уравнения:
1 = - f р >^ тр J L
Р л А тр (1.23)
Путем интегрирования выражения (1.21) можно найти выражение для
Р(г): *М_ (1-24)
Однако, полученные выражения дают настолько приближенный результат, что на практике ими пользоваться нельзя.
Причина полученного результата, как утверждают авторы работ [1,3], является предположение о том, что величина постоянной затухания высушенного материала равна нулю.
Если положить, что минимально достижимая постоянная затухания (постоянная затухания линии с полностью высушенным обрабатываемым материалом) не равна нулю (ат itO), то уравнение (1.20) означает возможность а(г)ч>-0, когда поглощенная мощность равна мощности, требуемой для испарения всей влаги. Чтобы исключить эту некорректность, авторы условие (1.20) записывают следующим образом: a{z)-am=aM~ \ Pex-P{z) (1.25)
В свою очередь это приводит к изменениям уравнений (1.23) и (1.24) ат+а г р ^ і __ sx я ае ам- at~am-a ( р ^ І _ J ex * тр J (1.26) *М.
1+ м (1.27) + ехр \А тр
Эти уравнения используются разработчиками для оценки, как длины микроволнового устройства, так и величины необходимой входной мощности. Однако эти соотношения являются приближенными. Они не учитывают зависимость диэлектрических параметров материалов от температуры и не позволяют достаточно точно рассчитать длину электродинамической системы и, соответственно, коэффициент полезного действия.
В работе [3] аналогичные уравнения получены с учетом уравнений теплом асе опереноса, однако и они не учитывают зависимость диэлектрических параметров материалов от температуры.
В настоящее время конструирование СВЧ устройств с полем бегущей волны производится по предварительным заказам. Значительная часть работ по совершенствованию таких конструкций выполняется зарубежными фирмами, которые не хотят раскрывать своих секретов и в современных работах эти устройства и их теория расчета не описываются.
В большинстве случаев СВЧ установки, работающие в поле бегущей волны, проектируют для обработки какого-либо конкретного материала или продукта. Область применения СВЧ устройств в поле бегущей волны очень быстро расширяется. С помощью СВЧ энергии сушат волокна, ткани, изделия текстильной промышленности, фанеру, доски, керамику и т.д. Разрабатываются СВЧ установки для обработки пищевых продуктов с целью исклю-
47 чения консервантов. Перечень таких применений очень длинный и приводится в соответствующих научных публикациях.
СВЧ устройства с термообработкой диэлектрических материалов в поле бегущей волны физически можно представить периодически нагруженной передающей линией. Такую линию можно было бы рассмотреть как каскадное включение отдельных секций и применить простые методы перемножения матриц. Но этого пока сделать нельзя, так как изменение величины затухания связано с изменением температуры и влажности материала.
Таким образом, задача не решается в точном виде и разработчики пытаются найти простые формулы, которые позволяют по измеряемым параметрам определить длину электродинамической системы, коэффициент полезного действия СВЧ устройства и, следовательно, величину мощности, требующуюся для конкретного технологического режима,
В [1....6] рассматриваются различные методы расчета таких систем, основанные, как правило, на полученных предварительных экспериментальных результатах.
Если направление движения материала совпадает с потоком СВЧ энергии, то такое СВЧ устройство называют устройством согласного типа, а если движение материала происходит перпендикулярно направлению движения волны, то такое СВЧ устройство называют устройством с поперечным потоком.
1. СВЧ устройства с поперечным потоком.
Этот случай имеет большое практическое значение. Среди электродинамических систем наиболее часто используют волноводы прямоугольного сечения на основном типе волны HlQ. Обрабатываемый материал проходит через щель в середине широкой стенки волновода. На практике этот волновод изгибают, как показано на рис.1.4.1 с целью уменьшения габаритов СВЧ устройства.
V
Т Г ех у аш
Рис. 1.4.1. Волновод с поперечно-непрерывным взаимодействием
В различных научных публикациях такой волновод имеет название "меандровый волновод".
На рис. 1.4.2 показана двухсекционная волноводное СВЧ устройство, разработанное в Канаде для сушки больших черно-белых и цветных фотоотпечатков шириной 107 см и длиной до 6 метров. Нагрев осуществляется с помощью волновода на частоте 2450 МГц, а скорость протяжки лежит в диапазоне (15,5...280)^-. Величина СВЧ - мощности - 2 кВт.
Рабочая волноеоднаяpf\ секция
У///////;;/////////////;/;;//;;/;;;//////777ЪЪ?х- ооооооооо /чЧЧчУчУчЧЧУчУчЧЧХЧЧУччЧУчЧчУчЧ^ЧУ /ООООООООО ;;м;/у;;;;;;/;/;/;/;/;;;;;;;;;;;;;;мЛ777Я??^
Оконечная нагрузка большой мощности
Вопноводный изгиб на 180'
Рис. 1.4.2. Двухсекционное СВЧ устройство волноводного типа.
49 Такие многосекционные системы используются для сушки твердолист-венных пород древесины, фанеры, ткани, овощей и фруктов [1, 3].
2. СВЧ устройства согласного типа. В ряде случаев обрабатываемые объекты целесообразно транспортировать вдоль электродинамической системы с помощью конвейера. К таким электродинамическим устройствам относятся: спиральные замедляющие устройства, круглый волновод на основной волне Е01, диафрагмированный волновод и другие системы. В таких СВЧ устройствах энергия поля распространяется в направлении движения обрабатываемого материала.
Так, в [6] предложено СВЧ устройство для термообработки канатов с использованием в качестве электродинамической системы спиральной замедляющей системы. На рис. 1.4.3 показан общий вид такого СВЧ устройства. у;;;;?;;/};?;;?/ ;-ттт-> ///////// //// / Y////////S;/;;;;;///;,;/////,//// к
Рис. 1.4.3. СВЧ устройство для полимеризации капроновых канатов. 1 - СВЧ генератор; 2 - камера для фиксации сушки в виде замедляющей системы; 3 — согласованная нагрузка; 4 — натяжная станция; 5 -синтетическое изделие (канат); 6 - груз.
50Полимеризация в СВЧ полях капроновых канатов увеличивает их прочность на разрыв в несколько раз. При скорости технологического про цесса (4...5) , длина электродинамической системы составляет 1000 мм, а СВЧ мощность - 1,5 кВт.
В [3] описано устройство для термообработки сосисок, в котором в качестве электродинамического устройства используется диафрагмированный волновод. Коэффициент замедления электродинамической системы составляет -2,0; рабочая длина волны — 12,24 см, а диаметр сосисок — 20 мм.
На рис. 1.4.4 представлен общий вид аналогичного СВЧ устройства, которое может использоваться для термообработки проточных сред.
Рис. 1.4.4. СВЧ устройство для термообработки проточных сред. 1 - короткозамыкающие поршни в прямоугольном волноводе; 2 - согласующие секции диафрагмированного волновода; 3 - нагреваемый материал; 4 - диафрагмированный волновод; 5 — кварцевая трубка; 6 - коаксиально-волноводный переход; 7 — 3 дБ мост для деления мощности СВЧ генератора пополам.
51 Существующие методы расчета и проектирования СВЧ устройств для термообработки материалов в поле бегущей волны не учитывают зависимость диэлектрических параметров материала от температуры и влажности. По этой причине выбор длины электродинамической системы, коэффициента полезного действия СВЧ устройства и величина подводимой мощности корректируются в процессе экспериментов, что влечет за собой увеличение времени и средств на их разработку.
Заключение
В данной главе диссертации дан обзор по отечественным и зарубежным научным публикациям и показаны перспективы развития СВЧ устройств лучевого типа и типа бегущей волны в применении к конкретным технологическим процессам.
Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ - энергии и перспективы их использования в устройствах для термообработки диэлектрических материалов.
Отражены основные недостатки существующих методов расчета и проектирования рассматриваемых конструкций СВЧ устройств и сформулированы основные задачи, которые надо решить для преодоления этих недостатков.
1. Разработка модели, метода и программы расчета СВЧ уст ройств лучевого типа для реализации заданного распределения температурного поля в обрабатываемом материале.
2. Разработка модели, метода расчета и проектирования СВЧ устройств для термообработки материалов в поле бегущей волны, которые учитывают зависимость диэлектрических па раметров материала от температуры, что позволит рассчитать длину электродинамической системы, коэффициент полезного действия и, следовательно, величину подводимой СВЧ мощ-
52 ности, а также позволит обеспечить равномерный нагрев материалов по всему объему.
53 II. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И МЕТОДА РАСЧЕТА СВЧ УСТРОЙСТВ ЛУЧЕВОГО ТИПА
Введение
Источники СВЧ энергии для термообработки материалов
В СВЧ устройствах для термообработки диэлектрических материалов применяется многочисленный спектр источников СВЧ энергии, различных по конструкции и параметрам [5].
Для мощных СВЧ установок применяются источники от 25 кВт и выше, и, в зависимости от технологического процесса, на частотах 2450 МГц или 915 МГц. Недостатками таких мощных источников являются: 1. Большой вес и большие габаритные размеры; 2. Сложность подвода СВЧ энергии для реализации равномерного нагрева обрабатываемого материала; 3. Большая чувствительность используемых магнетронов к отраженной мощности (для стабильной работы необходим коэффициент стоячей волны по напряжению KcmU 1,5) создает необходимость использования для его защиты ферритового циркулятора; 4. Магнетронный генератор использует водяное охлаждение (вода должна быть определенного качества); 5. Если источник СВЧ энергии, по каким-либо причинам выходит из строя, то останавливается весь технологический процесс до его замены; 6. При конструировании СВЧ установок для использования источников большой мощности, применяются специальные средства защиты, как при эксплуатации, так и при пуско-наладочных работах; 7. Высокая стоимость СВЧ источника;
Если использовать для установок СВЧ нагрева источники меньшей мощности, например (2,5...5,0) кВт, то практически сталкиваемся с перечисленными выше недостатками [5].
С целью исключения существующих недостатков источников СВЧ энергии в ряде работ предложена новая концепция построения устройств СВЧ энергии [5]. Суть этой концепции состоит в том, что для реализации установок СВЧ нагрева мощностью до (20...30) кВт можно использовать малогабаритные, дешевые источники СВЧ энергии с воздушным охлаждением, собранные на базе комплектующих бытовых СВЧ печей [5, 6].
Эти источники СВЧ энергии можно располагать на электродинамических системах таким образом, чтобы энергия электромагнитного поля подводилась к заданным участкам обрабатываемого материала согласно требованиям технологического процесса. При использовании таких источников не требуются ферритовые циркуляторы, так как магнетроны для бытовых СВЧ печей с одной стороны хорошо переносят повышенный отраженный сигнал, а с другой стороны имеют температурную защиту, автоматически отключающую магнетрон в случае его перегрева. Источники СВЧ энергии не требуют водяного охлаждения, а охлаждаются потоком воздуха. Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что при выходе одного из них технологический процесс, как правило, не останавливается, а замена источника может быть осуществлена в течение нескольких минут. Цена таких источников невелика, а коэффициент полезного действия от сети достигает 60%.
На рис. 1.2.1 представлен источник СВЧ энергии 0,6 кВт с программным управлением, созданный на базе отечественных комплектующих в 1985 году фирмой ПО "Тантал". Источник достаточно тяжелый (весит около 20 кг), имеет габаритные размеры: длина - 549 мм; ширина - 260 мм; высота - 316 мм с волноводным выводом энергии сечением (90 х 45) мм.
На рис. 1.2.2 представлен источник СВЧ энергии, разработанный на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина - 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника СВЧ энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения СВЧ мощности из волновода, что в свою очередь сильно влияет на выбор и габариты электродинамической системы.
Новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов
Описанные выше конструкции СВЧ устройств и расположение в них обрабатываемого материала, как правило, основывались на оценках, которые давали формулы (2.17) и (2.18), а также на многочисленных экспериментальных исследованиях. Экспериментальные исследования требовали затрат времени и средств для отработки тех или иных требований, предъявляемых к технологическим процессам.
На основе созданной программы расчета разработаны конструкции СВЧ устройств для различных технологических процессов.
Разработано СВЧ устройство лучевого типа для сушки продуктов животного и растительного сырья (сушка мясных продуктов для собак, сушка грибов и т.д.). Такое СВЧ устройство показано на рисунке 2.2.1 и имеет по 6 источников СВЧ энергии, расположенных по противоположным стенкам установки. Размеры СВЧ камеры: длина — 1300 мм; ширина - 1200 мм; высота — 1200 мм. Величина максимальной СВЧ мощности — 7,2 кВт на частоте 2450 МГц.
Расхождение рассчитанных и измеренных ахрактеристик температурного поля обрабатываемого материала, в частности говяжьих легких, на расстоянии 450 мм от боковых стенок составляет не более 2С.
Полномасштабные экспериментальные исследования по определению распределения температурного поля были проведены на разработанном СВЧ устройстве, представленном на рис. 2.2.1.
Внутри СВЧ установки напротив боковой стенки размером (1200 х 1200)мм располагался лист из сухой древесины размером (1200 х 1200)мм, толщиной 15 мм и влажностью 5%. Такая величина влажности древесины была выбрана для того, чтобы исключить передачу тепла по древесине за счет теплопроводности.
Экспериментальным путем было определено распределение температурного поля древесины в заданных точках на разных расстояниях от стенки с источниками СВЧ энергии. Результаты экспериментальных исследований сопоставлялись с расчетными результатами. Эти результаты позволили определить экспериментальные коэффициенты для создания программы расчета таких конструкций СВЧ устройств.
Разработанное СВЧ устройство для термообработки зерновых культур, в частности геркулеса, представлено на рис. 2.2.2. Оно представляет собой камеру размерами: длина - 1200 мм; ширина - 900 мм; высота - 600 мм, на верхней крышке которой установлено восемь источников СВЧ энергии, мощностью по 0,6 кВт каждый. Таким образом, максимальная величина СВЧ мощности составляет 4,8 кВт на частоте 2450 МГц. Наличие таких характеристик позволяет нагревать 25 кг хлопьев геркулеса за 15-20 минут до температуры 130С, при которой уничтожается вредная микрофлора. Расхождение рассчитанных и экспериментальных характеристик температурного поля материала на расстоянии 400 мм от источников СВЧ энергии составляет не более 3С.
Полномасштабные экспериментальные исследования распределения температурного поля были проведены на разработанном СВЧ устройстве, представленном на рис. 2.2.2.
Внутри СВЧ установки напротив верхней стенки размером (900 х 1200) мм располагался лист из сухой древесины размером (900 х 1200) мм, на котором в заданных точках располагались пробные тела мерительных эталонных сосудов, наполненных водой.
Экспериментальным путем было определено распределение температурного поля пробных тел на разных расстояниях от стенки с источниками СВЧ энергии. Результаты экспериментальных исследований сопоставлялись с расчетными результатами. Эти результаты позволили определить экспериментальные коэффициенты для создания программы расчета таких конструкций СВЧ устройств.
Метод расчета функции распределения мощности в материале в поле бегущей волны
В настоящей работе предложен метод расчета сверхвьтсокочастотных устройств для термообработки определенного спектра диэлектрических материалов, который базируется на закономерностях, установленных на основе многочисленных экспериментальных исследований, а именно:
1. Многочисленный спектр диэлектрических материалов (пластические массы, сухие порошки и другие материалы, диэлектрические параметры которых зависят только от температуры) характеризуется тем, что действитель 82 ная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с ростом температуры непрерывно возрастают [1, 200,201];
2. Величина постоянной затухания волноводных и замедляющих систем прямо пропорциональна фактору потерь;
3. Экспериментальная зависимость величины поглощенной мощности материалом по длине от величины постоянной затухания имеет "прямоли нейный" [1, 217, 218, 220] характер и положена в основу метода расчета, как коэффициента полезного действия СВЧ устройств, так и технологиче ских режимов термообработки рассматриваемых диэлектрических материа лов.
Эта зависимость получена при исследовании диэлектрических материалов на частоте 2450 МГц и на частоте 915 МГц для определенных интервалов температур [1,217, 218]. Основное допущение можно записать в виде: a(z)=A-B.Pex P& (3.15) где АиВ — коэффициенты. Постоянная затухания изменяется в пределах: ак a(z) ан , (3.16) Величина распределения мощности в материале лежит в пределах: 0 P(z) Pex (3.17)
Устройство СВЧ нагрева, в котором распространяется бегущая волна, можно с физической точки зрения представить периодически нагруженной длинной линией. Эквивалентная схема устройства СВЧ нагрева показана на рис. 3.2.1.
Таким образом, решена как задача распределения температурного поля в материале, что необходимо для расчета технологических режимов, так и задача определения коэффициента полезного действия для СВЧ устройств в режиме бегущей волны.
В настоящей работе использовано допущение (3.15).
При условии предположения, что P(i) = Q, выражение (3.15) можно обобщить. Пусть Р{) = Рвых, тогда уравнение (3.15) с учетом граничных условий примет вид
Следовательно, основное положение предложенной модели расчета состоит в том, что зависимость постоянной затухания от величины поглощенной диэлектрическим материалом мощности можно разбить на участки, каждый из которых аппроксимируется линейными функциями вида (3.47) с характерными для данного участка значениями &н и сск , таким образом учитывая зависимость диэлектрических параметров материала от температуры. Полученные аналитические решения дифференциальных уравнений можно использовать в качестве алгоритма программы расчета технологических режимов.
Приведем конкретные расчеты и результаты экспериментальных исследований по распределению температурного поля и значений коэффициента полезного действия на примере полимеризации диэлектрических стержней в таких электродинамических системах, как: 1. Волноводная система типа "меандровый волновод", работающая на волне типа i/jo 2. Замедляющая система типа диафрагмированный волновод; 3. Волноводная система в виде круглого волновода, работающая на волне типа EQI; 4. Замедляющая система спирального типа;
Распределение СВЧ мощности вдоль стержня будем рассматривать в стационарном режиме.
1. Рассмотрим распределение СВЧ мощности вдоль диэлектрического стержня в стационарном режиме для электродинамической системы типа "меандровый волновод".
Меандровьш волновод с поглощающим диэлектрическим стержнем
Видно, что разница температуры между центром стержня и его поверхностью составляет более 30%.
Для того чтобы уменьшить эту разность температур, необходимо либо уменьшать диаметр стержня, либо увеличивать ширину волновода.
Уменьшить разброс температуры стержня, используя одну секцию электродинамической системы, как правило, не удается.
Если необходимо равномерно нагревать стержневые диэлектрические материалы, то можно использовать физическую модель, рассмотренную в предыдущем разделе. Устройство СВЧ нагрева надо представить в виде двух секций, имеющих взаимодополняющие распределения температурного поля в обрабатываемом материале.
Если первая секция имеет электродинамическую систему, которая обеспечивает максимально возможную температуру в центре стержня и ми 120 нимальную на его периметре, то вторая секция имеет электродинамическую систему, которая наоборот, имеет в центре минимальную температуру, а на периметре максимальную.
При движении обрабатываемого диэлектрического материала последовательно через первую и вторую секции суммарное распределение напряженности электрического поля по радиусу близко к равномерному за счет сложения двух характеристик распределения поля, как от первой, так и от второй секции устройства СВЧ нагрева.
В качестве первой секции устройства СВЧ нагрева можно использовать круглый волновод, работающий на основном типе волны Е01 и имеющий максимум напряженности электрического поля вдоль оси волновода. В качестве второй секции устройства СВЧ нагрева можно использовать замедляющие системы типа "диафрагмированный волновод" или типа "спираль", в которых максимальная напряженность соответствует периметру стержня и минимум в центре электродинамической системы.
Изучение процессов полимеризации композитных диэлектрических материалов в поле сверхвысоких частот является актуальной научно-технической задачей, которая стоит во многих отраслях промышленности. В частности, в области строительных материалов, стержни из композитных материалов используются в качестве стеклопластиковой арматуры. В качестве наполнителя используется стекло или базальтовое волокно, а в качестве связующего различные смолы, при этом процесс полимеризации материалов происходит в диапазоне температур (160.,. 180)С.
Теплопроводность таких материалов очень мала и термообработка таких материалов газом или другими известными способами не приводит к равномерности нагрева по всему объему и, следовательно, в таких технологических процессах, как полимеризация, возникают различные дефекты.
Рассмотрим возможность применения различных электродинамических систем для сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических стержней, диа 121 метром 20 мм, в непрерывных технологических процессах с целью обеспечения равномерного нагрева по сечению.
Круглый волновод с коаксиальным поглощающим диэлектрическим стержнем. Конструкция устройства СВЧ нагрева показана на рис. 3.3.4. Круглый полый волновод с коаксиальным диэлектрическим стержнем можно считать диэлектрическим волноводом в экране. Индекс (2) означает, что величины относятся к внешнему пространству, а индекс (1) к области стержня. В этом случае, для сечения (z = 0), можно рассчитать распределение температурного поля по радиусу для стержня в круглом волноводе. Для круглого волновода можно в первом приближении считать, что: P(rhP(0)-{j0(rrrf (4.35)
На рис. 4.3.1 представлены рассчитанные и экспериментальные характеристики распределения температурного поля по сечению стержня. Температура стержня определялась в одном сечении вдоль оси "z", в различных точках по углу на разной глубине (г).
На рис. 3.3.11 показано СВЧ устройство со спиральной замедляющей системой для термообработки диэлектрических стержней с потерями.
Наиболее распространенным методом расчета спиральной замедляющей системы является метод спирально-проводящего цилиндра.
Расчет в приближении спирально-проводящего цилиндра очень прост и широко применяется для анализа свойств различного типа спиральных замедляющих систем. Полученные при этом результаты можно назвать "нулевым приближением" или приближением "одной волны".
