Процесс взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах

Широкое распространение среди электротехнологических процессов термообработки диэлектрических материалов получил нагрев посредством электромагнитной энергии сверхвысоких частот. Это вызвано рядом причин:

— интенсификацией процесса за счет объемного нагрева изделия;

— «стерильностью» в процессе воздействия;

— «хорошим качеством» обработки за счет более равномерного распределения удельных тепловых источников по всему по всему объему;

— возможностью автоматического управления технологическим процессом посредством изменения уровня подводимой СВЧ мощности и частоты.

В то же время использование СВЧ энергии обладает и рядом недостатков. Так, опасность электромагнитного излучения для обслуживающего персонала и современные мировые нормативы на излучение вынуждают предпринимать ряд дорогостоящих мер по защите окружающей среды и обслуживающего персонала [1]. Стоимость электроэнергии делает в ряде случаев не выгодным использование более качественного, но и более дорогого способа обработки материалов, и вынуждает добиваться повышения КПД электротехнологических установок СВЧ нагрева. Также существенным недостатком является то, что режим термообработки диэлектрических материалов зависит от их формы и от электрои теплофизических параметров, которые, как правило, имеют нелинейную зависимость от температуры.

Последнее обстоятельство привело к тому, что электротехнологические установки специализированного назначения, например, на основе камер с бегущей волной, являются узкоспециализированными. Это позволяет добиться высокой равномерности нагрева обрабатываемого материала, но делает невозможным применение этой камеры для изделий иной формы или с иными свойствами [2,3].

Более универсальны СВЧ нагревательные установки резонатор-ного типа. Низкая стоимость изготовления и относительная универсальность камеры, позволяющая нагревать материалы различной формы и с различными свойствами, а также высокая безопасность эксплуатации позволили СВЧ резонаторным устройствам практически полностью занять нишу в пищевой промышленности и в сфере бытового применения. Однако в данных установках наиболее острой проблемой является обеспечение равномерного нагрева диэлектрических материалов, что связано с невозможностью возбуждения большого числа типов колебаний на заданной рабочей частоте.

Универсальность камер со стоячей волной приводит к тому, что найти аналитическое решение внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) даже для простых резона-торных структур (прямоугольной, цилиндрической) становится невозможным из-за разнообразия и сложности форм изделий и изменения их параметров в процессе обработки. Поэтому решение (ВКЗЭиТ) можно получить в основном только численными и комбинированными методами (численно-аналитическими методами). При этом для установок на основе камер со стоячей волной актуальной является задача оптимизации, которая может проводиться по нескольким направлениям. В ряде случаев основным критерием при оптимизации служит повышение качества (равномерности) нагрева диэлектрических материалов.

Существуют различные способы достижения равномерности нагрева [4]:

— использование камер сложных форм, обеспечивающих однородное электрическое поле в месте размещения нагреваемого объекта [5];

— механическое перемещение нагреваемого объекта в рабочее камере [6];

— применение выравнивающих электромагнитное поле структур, таких как металлические решетки, гребни, механически перемещающиеся возбудители [7];

— использование нескольких источников излучения, различной частоты [8];

— изменение фазы излучаемых в резонаторе колебаний;

— путём усложнения геометрии резонаторной камеры достижение большого числа собственных колебаний возбуждаемых в резонаторе.

Все перечисленные методы имеют, как определённые достоинства, так и недостатки. Так, любой механически движущийся элемент снижает надежность системы и повышает ее стоимость, а вращение поддона с нагреваемым объектом приводит к возникновению радиальной неравномерности нагрева. Усложнение формы рабочей камеры ведёт к повышению технологической сложности ее изготовления. Использование нескольких источников излучения различной частоты увеличивает стоимость устройства и затраты на его использование, а также требует качественного согласования работы СВЧ источников.

В любом случае для достижения требуемого уровня равномерности температуры нагрева заданного материала, как для узкоспециализированных волноводных, так и для универсальных резонаторных рабочих камер, необходимо иметь возможность уже на стадии проектирования оценить непосредственное влияние обрабатываемого материала на параметры установки. Эта задача становится особенно актуальной и трудноразрешимой в случае нагрева термопараметрических материалов. Одним из путей решения этой задачи является экспериментальный метод подбора конструкций и режимов работы. Но такой подход требует, как больших затрат времени и ресурсов, так и существенно ограничен возможностями измерительных устройств. В то же время современные скорости вычислений и объемы памяти вычислительной техники позволяют решить задачу подбора параметров и конструкций, а также смоделировать всю установку в целом, численными методами.

Таким образом, исследование процессов взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах и повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов, в наиболее распространенных установках резонаторного типа представляет собой актуальную и практически важную задачу, при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, поскольку позволяет резко расширить класс материалов, обрабатываемых в СВЧ нагревательных установках. Решение данной задачи требует создания математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими средами в резонаторных и волноводных структурах, разработки эффективных численных методов решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для указанных систем.

Цель работы.

Исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими материалами в резонаторных и волноводных структурах при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, расширение номенклатуры материалов, подвергаемых СВЧ термообработке и повышение равномерности нагрева в камере резонаторного типа.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач были использованы: методы математической физикиэлементы векторного анализаметод конечных разностей (МКР) — метод быстрого преобразования Фурье (БПФ) — линейная алгебра и геометрияметод разделения переменныхкомбинированный численно-аналитический методметоды экспериментального исследования.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

— оперативная математическая модель, алгоритм программы численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением на основе метода конечных разностей и быстрого преобразования Фурье;

— методика численного анализа и комплексные исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

— основные условия обеспечения требуемого электротехнологического режима термообработки диэлектрических материалов с изменяющимися электрофизическими и тепловыми свойствами в процессе нагрева в СВЧ установках резонаторного типа;

— повышение равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости.

Научная новизна:

— предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности на основе метода конечных разностей и быстрого преобразования Фурье (БПФ), позволяющие провести комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств произвольных рабочих камер СВЧ установок с применением волноводов и резонаторов при термообработке диэлектрических материалов;

— предложена методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств СВЧ установок волноводного и резонаторного типов, предназначенных для нагрева диэлектрических термопараметрических материалов;

— выполнен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок волноводного и резонаторного типов для материалов с изменяющимися физическими свойствами в рабочем диапазоне температур, позволяющий определить условия обеспечения требуемого электротехнологического процесса;

— установлены критерии обеспечения требуемого электротехнологического процесса обработки термопараметрических материалов в резонаторных СВЧ нагревательных установках и повышения равномерности и качества термообработки;

— предложен способ повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора диэлектрических вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости и теплового сопротивления.

Практическая значимость:

— разработаны алгоритм и программа, позволяющие проводить численное моделирование СВЧ установки нагрева термопараметрического материала во временной области;

— определен характер поведения частот собственных колебаний прямоугольного резонатора при изменяющихся электродинамических свойствах обрабатываемого диэлектрического материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки материала с известными физическими свойствами оценить собственные частоты резонатора с учётом физических и геометрических свойств обрабатываемого образца;

— предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение a-tgS, на основании предложенных критериев было проведено исследование и установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в рабочей камере;

— предложено для выравнивания температуры нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере вводить вдоль боковых стен камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемости, и определены габаритные размеры камеры, физические свойства и размеры вставок, при которых низшая собственная частота близка к возбуждающей частоте и для некоторых материалов достигается эффективное выравнивание температуры нагрева по всему объёму;

— предложена методика, позволяющая определять параметры процесса СВЧ термообработки при проектировании конвейерных СВЧ установок на основе ПВТР или П-волновода, устанавливать связь между временем термообработки, заданной температурой на выходе и напряжённостью электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

— Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2004 г;

— Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2005 г;

— Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2006 г.

Публикации.

По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объём диссертационной работы.

Диссертационная работа содержит 200 е., состоит из введения, трёх глав и заключения, включает 78 рисунков и список литературы из 85 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работы проведено решение актуальной задачи СВЧ энергетики — исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими поглощающими материалами в резонаторных и волноводных структурах при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, позволяющие расширить номенклатуру материалов b ассортимент готовых изделий, подвергаемых термообработке посредством энергии сверхвысоких частот, и повысить равномерность нагрева в камере на основе резонаторной структуры. Основные результаты работы заключаются в следующем:

— предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ на основе явной разностной схемы метода конечных разностей для волноводных и резонаторных структур, частично заполненных термопараметрическим диэлектрическим материалом;

— предложена методика численного анализа и комплексного исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов на основе численных методов конечных разностей и быстрого преобразования Фурье при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, и оценена вычислительная погрешность нахождения амплитуды и частоты электромагнитных колебаний, возбуждаемых в исследуемой структурена основании предложенной методики проведен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов;

— проведено исследование собственных электродинамических параметров камеры на основе прямоугольного резонатора, частично заполненной термопараметрическим материалом, установлено, что всё множество частот собственных колебаний изменяется на одну и ту же величину, при равномерном изменении диэлектрической проницаемости материала, при этом происходит смена основного колебанияполучены зависимости значений собственных частот камеры от электродинамических свойств обрабатываемого материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки диэлектрического материала оценить собственные частоты рабочей камеры;

— предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение co-tgS, характеризующие физические свойства материала, на основании предложенных критериев установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в камере (распространяющееся поле или поле стоячих волн), что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного электротехнологического процесса термообработки диэлектрического материала с известными физическими свойствами оценить, каким типом поля предпочтительнее вести обработку заданного материала;

— предложена методика определения зависимости времени термообработки от заданной температуры на выходе и напряжённости электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру, позволяющая определять параметры электротехнологического процесса СВЧ термообработки в конвейерных СВЧ установках на основе ПВТР или П-волноводанайдены зависимости указанных величин для полиэтилена, полиметилметакрилата (оргстекла) и воды;

— для повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в рабочей камере на основе прямоугольного резонатора при обработке в одномодовом режиме предложено вводить вдоль боковых стенок камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемостипоказано, что введение вставок позволяет существенно выровнять температурное поле по всему объёму образца, при условии, что нагрев осуществляется в одномодовом режиме на частоте, близкой к низшей резонансной частоте собственных колебаний камеры;

— проведено моделирование процесса СВЧ нагрева мышечной ткани говядины, полиэтилена, полиметилметакрилата и картофеля в прямоугольном резонаторе при отсутствии и при введении вдоль боковых стен диэлектрических вставокпоказано, что при использовании предложенной методики комплексного исследования электродинамических свойств рабочих СВЧ камер достаточно просто вычисляется критерий равномерности теплового поля — интегральный коэффициент равномерности нагревадля образцов из указанных материалов определены габариты камеры, при которых низшая собственная резонансная частота камеры близка заданной возбуждающей частоте, а также определены интегральные коэффициенты равномерности нагрева для термообработки при отсутствии и введении диэлектрических вставок.