Введение к работе
Актуальность теми. В основе функционирования многих устройств техники СВЧ лежит явление поглощения электромагнитной энергии. Однако, если для большинства радиотехнических устройств преобразование электромагнитной энергии в тепловую имеет паразитный характер, то в системах СВЧ нагрева данное явление может быть целенаправленно использовано для термообработки различных диэлектриков.
При этом, к СВЧ нагревательным установкам предъявляется ряд требований: они должны при минимальной металлоемкости конструкции обеспечивать высокотемпературный, интенсивный и равномерный нагрев поглощающих материалов.
Как правило, эти требования удовлетворяются выбором соответствующих значений таких параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ,как критическая длина волны основного типа, глубина проникновения и напряженность поля в области взаимодействия, а также широко-полосность. Последний из этих параметров играет важную роль, так как в ходе термообработки диэлектрическая проницаемость образца может сушественно измениться, а это, в свою очередь, может привести либо к отсечке сигнала, либо к возникновению миогомодового режима, і .что вызовет прекращение процесса или неравномерность нагрева. То есть, одномодовый режим является наиболее оптимальным с точки зрения обеспечения равномерности нагрева.
Применяющиеся в настоящее время в качестве рабочих камер СВЧ простые волноведущие структуры хотя и являются хорошо изученными и простыми в изготовлении, яо, в ряде случаев, не могут удовлетворить предъяачяемым требованиям.
Одним из путей расширения функциональных возможностей СВЧ нагревательных устройств является применение волноводов сложных сечений (ВСС) и, в первую очередь, квазистационарных.волноводов, имевших четко выраженные области существования однородного электрического поля (емкостной зазор), обладающих меньшимиразмерами и большей широкополосностью яа фиксированной частоте, чем -прямоугольный и круглый волновод.
Свойства и параметры волноводов сложных сечений, частично заполненных поглошаюшим материалом,еше пока недостаточно изученной: поэтому; исследование электродинамических и особенно тепловых характеристик этих волноводов представляется весьма актуальным.
Вопроси разработки и проектирования рабочих камер СВЧ систем
на ВСС тесно связаны с проблемой исследования особенностей распространения электромагнитных волн и преобразования их энергии в тепловую мощность в области взаимодействия. При этом- экспериментальные методы изучения данных явлений зачастую являются весьма дорог* стоящими, а строгий математический аппарат, позволяющий аналитически проводить расчет,еще пока не разработан.
Цель работы: создание численного алгоритма решения
совместной краевой задачи электродинамики и теплопроводности при
менительно к различным устройствам СВЧ нагрева на ВСС, а также ис
следование свойств таких устройств и выработка рекомендаций по их
примеї. нию. ,
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработан'^ алгоритм и пакет программ на его основе для решения совместной краевой задачи электродинамики и теплопроводности применительно к волноводам произвольного поперечного сечения, частично заполненным поглощающим материалом, базирующиеся на интегральной формулировке метода конечных элементов в форме метода взвешенных невязок.
-
При фиксированной входной мощности частично заполненного волновода плотность и равномерность тепловых источников в материале определяется относительным положением рабочей длины волны в спектре собственных волн данной линии передачи, причем равномерное тепловыделение в объеме образца возможно лишь в СВЧ камере, выполненной на нерегулярном волноводе, геометрия которого зависит от особенностей конкретного технологического процесса.
-
Для создания однородного теплового поля с коэффициентом неравномерности, равным 0.95*0.99, в материале, заполняющем камеру, необходимо обеспечить равномерное удельное тепловыделение в образце и предотвратить тепловой контакт между материалом и металлическими элементами камеры, что достигается применением радиопрозрачных материалов, обладающих высоким тепловым сопротивлением.
-
Смещение терыообрабатываемого материала в дальней зоне возбуждения, где основным фактором,определяющим распределение поля, являются электродинамические свойства базовой линии передачи
и применение плавных переходов для передачи СВЧ энергии от источника к камере позволяет найти решение задачи возбуждения волноводої сложной формы без учета процессов, происходящих в ближней зоне возбуждения.
Научная новизна работы заключается в следующем: - исследоьаны особенности распространения электромагнитных волн в
частично заполненных диэлектриком с потерями волноводах сложной форми с емкостным зазором: прят.юугольном волноводе с Т-ребром, подковообразном и Н-волноводе; проведен анализ функции плотности тепловых источников в материале для данных линий передачи;
установлены структуры температурных полей в волноводных камерах на волноводах с емкостным зазором, исследо'вано влияние теплофизи-ческих параметров термообрабатнваемых материалов, стенок и других конетрухтивных элементов на гепловне характеристики рабочих камер, найдено необходимое и достаточное условия равномерности нагрева диэлектриков в волноводах сложных сечений;
впервые проведен анализ собственных параметров новой линии передачи - Т-волнонода с Т-ребром, частично заполненного поглошашим материалом, опіюделенн условия, при которых данная геометрия мо-тт быть использована для равномерного объемного нагрева диэлектрических материалов;
на базе метода эквивалентных схем получены формулы для приближенного расчета критических длин волн основного и первого вьешего гипов волн частично заполненного подковообразного волновода, установлена погрешность вычислений ( не более 5% ) по этим формулам относительно метода конечных элементов в широком интервале изменения геометрик и диэлектрической проницаемости заполнения;
исследованы диапазонные свойства плавного перехода для сочленения ірямоугольного волновода и частично заполненного подковообразного їолношда, а также перехода для сочленения полого и частично запол-іенного прямоугольного волновода с Т-ребром.
Практическая ценность:
- разработан и внедрен в практическое использование пакет программ
[ля ЭВМ серии ЕС, реализуют?, алгоритм численного решения совмест-
[ой краевой задачи;
даны практические рекомендации по оптимизации конструктивных раз-;еров рабочих камер СГЯ на прямоугольном волноводе с Т-ребром и '-волноводе с Т-ребром, заполнению подковообразного волновода, вы-іашчшании теплового поля в материале для'прямоугольного волново-а с Т-ребром;
разработаны конструкции рабочих камер СВЧ для термообработки. «злкчшес материалов на волноводах слокннх сечений ( пастеризации )Лочно-белкового концентрата, суши мелкодисперсионных материалов, фкодгшшрования текстильних тканей) ; ' т;рос';і;г.лизк])оваіш устройства возбуждения волноводов слояннх сече-;й, ирадтавляжке собой плавные одномодовыэ двухсекционные пере-
ходы с прямоугольного волновода на частично заполненные прямоугольные волновод с Т-ребром и подковообразный волновод.
Реализация. Осуществлено внедрение пакета'программ, реализованного в данной- работе, в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки ПО "Контакт", СГТУ (Саратов), Хмельницкого технологического института (Украина).
Личный вклад соискателя. П]>едставлешше в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно, кроме того,в совместно опубликованных работах автор принимая непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу этих .публикаций.
Апробация работы и публикации. Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1987 по 1993 год. Материалы всех разделов работы докладывались на Декадах науки СПИ с 1987 по 1993 г., на Всесоюзном семинаре "Матема тическое моделирование физических процессов в антенно-фидерных трак тах" (Саратов,IS90 ) , на Всесоюзной УІ научно-практической конференции "Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях^Саратов,1991), Научно-техническом семинаре "Ра--спространение и дифракция электромагнитных волн в' неоднородных средах" (Смоленск, 1992), У-й Международной" конференции по исследованию электромагнитных полей (США,1992) , на Международном симпозиуме по антеннам и устройствам СВЧ(Канада,1992) и на Международной конференции "Современные проблемы применения СВЧ энергии"(Саратов^1993).
Основной материал диссертации изложен в 7 печатных работах и одном патенте на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Полный объем работы - 189 страниц, из них 105 страниц с машинописным текстом, 67 - с рисунками, 2-е таблицами; текст прогры.м на ЭВМ занимает 15 страниц. Библиография включает 104 наименован-я.
