Электротехнологические СВЧ установки равномерного нагрева диэлектрических материалов

Актуальность проблемы.

Одним из основных технологических процессов в различных от->аслях народного хозяйства является термообработка диэлектрических пделий (сушка древесины, спекание керамики, вулканизация резино-'ехнических изделий, термообработка пищевых продуктов и так да-[ее). При этом главными требованиями, предъявляемыми к электро-ехнологическим нагревательным установкам, являются равномерность [ скорость нагрева обрабатываемого материала. При традиционных 1етодах термообработки эти требования взаимно исключают друг дру-а, не позволяя достичь существенного ускорения процессов производ-тва и улучшения качества готовой продукции, особенно при обработ-:е материалов с низкой теплопроводностью, к которым относится по-[авляющее большинство диэлектриков.

Альтернативой традиционным методам термообработки является нагрев, в основе которого лежит явление поглощения электромаг-[итной энергии. При этом проблема равномерности СВЧ нагрева рас-[адается на две задачи: первая заключается в обеспечении равномер-[ого тепловыделения в поглощающем СВЧ мощность материале и дос-игается использованием волноводов с четко выраженным емкостным азором, таких как ПВТР, П и Нволноводы, подковообразный волно-од, якорный, лунарный, секторный волновод и другие, чем обеспечи-ается равномерность электромагнитных полей в поперечном сечении бласти взаимодействия. При этом спад напряженности электромаг-итного поля по длине волновода, возникающего в результате поглощения СВЧ мощности в обрабатываемом материале, компенсируется зменением внешней и (или) внутренней геометрии камеры в продольюм направлении, что обеспечивает равномерность тепловыделения по (лине нагреваемого образца.

Однако равномерное распределение СВЧ мощности в обрабаты-(аемом материале является необходимым, но не достаточным условием >авномерного нагрева. Поэтому вторая задача состоит в предотвраще-ши тепловых потерь с поверхности обрабатываемого материала в ок->ужающую среду, что достигается благодаря созданию теплоизоляции [агреваемого образца. Значительная трудность при этом заключается в «ом, что размеры камеры накладывают ограничения на толщину и ха->актер размещения теплоизоляционных вставок, которые оказывают шияние на характер распределения и структуру электромагнитного юля, что требует решения совместной краевой задачи электродинами-:и и теплопроводности для ВСС. Необходимо также отметить, что эффективность использования теплоизоляции сильно зависит от режима ермообработки, под которым понимают скорость и время нагрева, гровень поглощенной мощности и тип камеры (стационарный или кони и еиерныи).

Поэтому задача создания надежной теплоизоляции нагреваемого штериала в электротехнологических СВЧ камерах представляет больной интерес и является весьма актуальной, поскольку позволяет ре-нить проблему равномерности нагрева, повысить КПД установки за чет предотвращения тепловых потерь и интенсифицировать электро-ехнологический процесс термообработки.

Цель диссертационной работы:

Исследование факторов, влияющих на равномерность нагрева, раз->аботка принципов создания теплоизоляции обрабатываемого материа-[а и минимизация ее влияния на характер распространения и структуру лектромагнитного поля в СВЧ нагревательных электротехнологиче-ких установках, а также выбор оптимальной мощности, подаваемой в: амеру, для интенсификации процесса производства и улучшения каче-тва готовой продукции.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— разработан алгоритм и пакет программ, позволяющий проводить исследование процессов СВЧ нагрева в электротехнологических камерах, выполненных на основе волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), содержащих в емкостном зазоре поглощающие диэлектрические материалы, помещенные в теплоизоляционную оболочку;

— введены коэффициенты, позволяющие оценить степень равномерности нагрева, которые служат критерием эффективности теплоизоляции обрабатываемого материала;

— определены условия оптимального режима термообработки и выбора требуемой СВЧ мощности, подаваемой в камеру.

Методы и средства исследования.

Для решения электродинамической части совместной задачи элек-родинамики и теплопроводности был использован пакет программ OPS (joint problem solution), основанный на методе конечных элемен-ов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок. Для [сследования тепловых процессов, происходящих в камерах СВЧ на-ревательных установок, был разработан численно-аналитический ал-оритм, основанный на решении дифференциального уравнения тепло-[роводности методом разделения переменных с использованием обратюго преобразования Фурье для функции искомой температуры. При [ахождении коэффициентов Фурье использовалась операция численно-о интегрирования, корни дисперсионного уравнения определяются: пециальной подпрограммой, основанной на методе половинного де-[ения.

Научная новизна работы.

— исследовано влияние тепловых потерь на равномерность нагрева в различных режимах термообработки;

— разработана методика расчета теплоизоляции обрабатываемого материала, обеспечивающая заданную равномерность температурного поля и предотвращающая нагрев металлических конструкций камеры;

— исследовано влияние теплоизоляционных диэлектрических вставок на характер распространения и структуру электромагнитного поля в камерах СВЧ нагревательных установок на базе ВСС;

— рассмотрены проблемы создания теплоизоляции в СВЧ нагревательных камерах конвейерного типа, и факторы, влияющие на равномерность нагрева и скорость транспортировки обрабатываемого диэлектрика.

Практическая значимость результатов работы.

Рассмотренные вопросы анализа и синтеза теплоизоляционных ди-лектрических включений, размещенных в емкостном зазоре ВСС, по-воляют дать рекомендации по увеличению равномерности нагрева, -ыбору оптимального режима работы и требуемой СВЧ мощности, по-[аваемой в технологическую нагревательную установку, а также мишмизировать влияние теплоизоляции на характер распространения итруктуру электромагнитного поля.

Апробация работы.

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского госу-(арственного технического университета в период 1993;2003 гг. Ос-ювные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной «аботы результаты докладывались и обсуждались на:

— Международной научно — технической конференции «Актуальные [роблемы электронного приборостроения» (АПЭП-96), СГТУ, Саратов, 996;

— III Международной научно-технической конференции «Антенношдерные устройства. Системы и средства радиосвязи», ВГУ, Воронеж, 997;

— Международной научно — технической конференции «Актуальные [роблемы электронного приборостроения» (АПЭП-98), СГТУ, Саратов, 998.

Положения, выносимые на защиту.

— Математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ волн с [иэлектрическими средами, описывающая электродинамические и теп-:овые процессы в произвольных волноводных структурах с много-лойным (диэлектрик — поглотитель) заполнением с учетом динамики [зменения электрофизических и тепловых параметров поглотителя, по-воляет исследовать диапазонные свойства собственных электродина-шческих параметров и структуру ЭМГ и теплового поля в конвейер-[ых электротехнологических СВЧ нагревательных системах;

— Метод, алгоритм и программа численно-аналитического решения овместной ВКЗ электродинамики и теплопроводности, основанные на 1етоде конечных элементов, при решении ВКЗЭ и аналитическом ре-аении краевой задачи теплопроводности, позволяют повысить эффек-ивность комплексного исследования электродинамических и тепловых [роцессов в волноводных структурах с многослойным заполнением ди-лектрическим и поглощающим материалом;

— Разработанные критерии оценки равномерности нагрева произ-ольных диэлектрических материалов в электротехнологических СВЧ [агревательных системах, позволяют оценить уровень неравномерно-ти нагрева материала, определить пути создания произвольных элек-ротехнологических СВЧ нагревательных систем и способы повыше-[ия равномерности нагрева произвольных диэлектрических материале;

— Предложенные конструкции рабочих камер и система теплоизо-яции внешней поверхности обрабатываемого материала позволяют «беспечить равномерный нагрев произвольного диэлектрического ма-ериала в конвейерных электротехнологических СВЧ установках с бе-ущей волной.

Публикации.

По материалам исследований, выполненных при работе над дис-ертацией, опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, имеющих под-•азделы, заключения и списка использованной литературы. Общий |бъем диссертации составляет 209 страниц, в том числе основной.

Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации.

— проведенный анализ дисперсионных характеристик волноводных труктур различной конфигурации произвольного поперечного сечения ри слоистом заполнении области взаимодействия показал, что экран-ая теплоизоляция обрабатываемого материала за счет дополнитель-ых диэлектрических вставок, обладающих высоким тепловым сопроивлением, в СВЧ установках с бегущей волной оказывает заметное лнянне на электродинамические свойства и структуру ЭМГ поля в ра-очей камере установки;

— показано, что подбором диэлектрической проницаемости тепло-золяционных вставок можно наиболее полно обеспечить однород-ость электрического поля в емкостном зазоре ВСС, максимально со-редоточив его в объеме обрабатываемого материала, что позволяет овысить темп нагрева;

— установлено, что наличие незначительных омических потерь в иэлектрических вставках позволяет демпфировать теплоотдачу с по-грхности обрабатываемого материала, что приводит к увеличению })фективности тепловой изоляции;

— проведенный анализ влияния изменения е^), материала, астично заполненного волновода на характер распространения доми-антной волны, структуру ЭМГ поля и распределение удельной плот-эсти тепловых источников при постоянстве тепловых параметров ма—риала, а также изменения тепловых параметров в рабочем диапазонемператур при в/=соп8г и г§ 5=сопзг на структуру теплового поля поюлил установить основные закономерности взаимодействия ЭМГ злн с материалами, электрофизические и тепловые свойства которых шеняются в процессе нагрева, что является основой создания СВЧ угановок равномерного нагрева термопараметрических материалов;

— показано, что температурное изменение электрофизических и те-ювых параметров исследуемого термопараметрического материала эиводит к тому, что средняя установившаяся температура — 1уст пре-лшает аналогичную, рассчитанную при условии постоянства физиче—их параметров материала, поэтому не учет температурной зависимо—и электрофизических и тепловых параметров термопараметрического атериала может привести к погрешности определения действительной емпературы нагрева материала;

— на основе комплексного анализ диапазонных свойств различных олноводных структур с многослойным комбинированным (диэлектрик поглотитель) заполнением, разработана методика синтеза рабочей амеры конвейерной СВЧ установки на основе ВСС, при этом оптими-ация конструкции РК обусловлена минимизацией отражения СВЧ ощности от входа камеры, что достигается посредством плавного из-енения внешней и внутренней геометрии в направлении распростра-ения волны (X, а).

— разработана математическая модель процесса взаимодействия лектромагнитных волн со слоистыми средами (диэлектрик — поглоти-ель), позволяющая исследовать влияние диэлектрических вставок, об-адающих высоким тепловым сопротивлением, на тепловое поле в по-лощающем СВЧ мощность материале и, соответственно, определить ффективность теплоизоляции в установках конвейерного типа на ос-ове ВСС;

— показано, что математическая модель совместной внутренней раевой задачи электродинамики и теплопроводность для слоистых за-олнений базируется на системе взаимосвязанных обобщенных волно-ых уравнений для векторов напряженности электрического и магнит-ого поля и уравнении теплопроводности;

— предложен оперативный комбинированный численноаналити-еский метод решения совместной внутренней краевой задачи электро-инамики и теплопроводности, при котором задача электродинамики ля рабочих камер на основе ВСС решается численным методом (МКЭ использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок), а зада-а теплопроводности — аналитическим методом, поскольку конфигура-ия обрабатываемого материала в устройствах конвейерного типа име-г простую форму;

— разработан численно — аналитический алгоритм решения внут-енней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, позво-яющий исследовать электродинамические и тепловые процессы в роизвольных волноводных структурах с частичным слоистым запол-ением, а также исследовать влияние диэлектрических теплоизоляци-нных вставок на процесс распространения и структуру ЭМГ поля до-инантной волны ВСС, что принципиально важно при создании на-ежной теплоизоляции обрабатываемого материала;

— разработана программа численно — аналитического решения «КЗЭиТ, позволяющая исследовать электродинамические и тепловые роцессы в устройствах конвейерного типа, выполненных на основе ¡-СС, и определить оптимальную геометрию экранной теплоизоляции брабатываемого материала;

— проведено тестирование программы расчета нестационарных роцессов СВЧ нагрева диэлектрических материалов, обладающих оп-еделенными джоулевыми потерями на СВЧ в устройствах конвейер-ого типа, выполненных на основе ВСС, и определены факторы, лияющие на точность и достоверность полученных решений;

— показано, что представленный численно — аналитический алго-итм решения задачи нестационарной теплопроводности может быть есьма эффективен (с точки зрения снижения затрат компьютерной па-[яти и погрешности вычислений) при моделировании процессов взаи-[одействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в абочих камерах произвольного поперечного сечения.

— проведен комплексный анализ структур теплового поля в волно-одных камерах сложного поперечного сечения, частично заполненных оглощающим материалом и определено влияние тепловых параметров удельной плотности тепловых источников на равномерность нагрева [атериала при.

— показано, что в стационарном режиме при увеличении коэффици-нта теплопроводности образца Хм повышается равномерность темпе-атурного поля, при этом величина максимальной температуры тела нижается за счет большего отвода тепла от нагреваемого материала в кружающую среду;

— показано, что с уменьшением коэффициента теплопроводности: атериала неравномерность нагрева увеличивается, при этом макси-альное значение градиента температуры смещается к теплоотдающей оверхности, а в центральной области образца г) минимален и епловое поле близко к однородному;

— показано, что в стационарном режиме коэффициент теплоотдачи лияет только на перепад температуры между поверхностью тела и ок-ужающей средой и не оказывает влияния на градиент температуры в бъеме материала;

— показано, что с увеличением плотности тепловых источников в бъеме обрабатываемого материала происходит увеличение устано-ившейся температуры и градиента температуры, максимальное значе-ие которого наблюдается у теплоотдающей поверхности, что приво-ит к снижению уровня равномерности нагрева материала;

— установлено, что в нестационарном режиме с увеличением плот-ости внутренних источников тепла и уменьшением коэффициента те-лопроводности, равномерность теплового поля в объеме обрабаты-аемого материала увеличивается, в то время, как в стационарном меньшалась;

— проведенный анализ дисперсионных характеристик волноводных труктур различной конфигурации произвольного поперечного сечения ри слоистом заполнении области взаимодействия показал, что экран-ая теплоизоляция обрабатываемого материала за счет дополнитель-ых диэлектрических вставок, обладающих высоким тепловым сопро-ивлением, в СВЧ установках с бегущей волной оказывает заметное лияние на электродинамические свойства и структуру ЭМГ поля в ра-очей камере установки;

— показано, что подбором диэлектрической проницаемости тепло-золяционных вставок можно наиболее полно обеспечить однород-ость электрического поля в емкостном зазоре ВСС, максимально со-редоточив его в объеме обрабатываемого материала, что позволяет овысить темп нагрева;

— установлено, что наличие незначительных омических потерь в иэлектрических вставках позволяет демпфировать теплоотдачу с поерхности обрабатываемого материала, что приводит к увеличению ффективности тепловой изоляции;

— проведенный анализ влияния изменения е7(1-), материала, астично заполненного волновода на характер распространения доми-антной волны, структуру ЭМГ поля и распределение удельной плот-ости тепловых источников при постоянстве тепловых параметров ма-ериала, а также изменения тепловых параметров в рабочем диапазоне емператур при е/=сопз1 и 1§-5=сопз1 на структуру теплового поля поволил установить основные закономерности взаимодействия ЭМГ олн с материалами, электрофизические и тепловые свойства которых зменяются в процессе нагрева, что является основой создания СВЧ становок равномерного нагрева термопараметрических материалов;

— показано, что температурное изменение электрофизических и те-ловых параметров исследуемого термопараметрического материала риводит к тому, что средняя установившаяся температура — 1уст пре-ышает аналогичную, рассчитанную при условии постоянства физиче-ких параметров материала, поэтому не учет температурной зависимо-ги электрофизических и тепловых параметров термопараметрического атериала может привести к погрешности определения действительной емпературы нагрева материала;

— на основе комплексного анализ диапазонных свойств различных олноводных структур с многослойным комбинированным (диэлектрик поглотитель) заполнением, разработана методика синтеза рабочей амеры конвейерной СВЧ установки на основе ВСС, при этом оптими-ация конструкции РК обусловлена минимизацией отражения СВЧ ощности от входа камеры, что достигается посредством плавного из-енения внешней и внутренней геометрии в направлении распростра-ения волны (1, а);