WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В первой главе представлена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольными диэлектрическими, поглощающими СВЧ-мощность материалами, позволяющая проводить комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитных процессов в рабочей камере, что дает возможность определить основные принципы построения распределенных, многощелевых систем возбуждения, которые обеспечивают требуемый уровень однородности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, заданный электротехнологический процесс термообработки. В основе данной модели лежат обобщенные волновые уравнения Гельмгольца и уравнение теплопроводности.

В основе решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ для СВЧ нагревательных систем резонаторного типа лежит метод частичных областей, который для пространства рабочей камеры, не занятого обрабатываемым материалом, представляется неоднородным уравнением

Гельмгольца:

,

, (1)

и соответственно для области, занятой диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность материалом, ВКЗЭиТ определяется системой однородных уравнений Гельмгольца и неоднородным уравнением теплопроводности,

тепловой источник в котором определяется напряженностью электрического поля в объеме обрабатываемого материала:

,

, (2)

,

, (3)

где, – вектора напряженности электрического и магнитного полей в резонаторной камере; 0 и 0 – диэлектрическая и магнитная проницаемости воздушной среды, а и – диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрического материала; - удельная теплоемкость и плотность, а Т – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; - температура нагрева; – удельная электропроводность материала;, - сторонние токи и заряды.

Соотношения (1)-(3) в совокупности с граничными и начальными условиями определяют ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных однородным, изотропным, поглощающим СВЧ-мощность материалом, с произвольной системой возбуждения электромагнитного поля. При этом неоднородная ВКЗЭиТ решается в приближении независимости сторонних источников поля от порождаемого ими электромагнитных полей, что позволяет сосредоточить основное внимание на оценке эффективности распределенной системы возбуждения для достижения требуемого уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала.

Показано, что наиболее эффективным способом решения ВКЗЭиТ при произвольном заполнении рабочей камеры диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность материалом и вариации электрофизических и тепловых свойств материала являются численные методы. В данной работе расчет собственных электродинамических параметров, структуры электромагнитного и теплового полей осуществлялся методом конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок, а также методом конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье.

В данной главе приведены алгоритм и программа численного решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных поглощающим материалом, позволяющие не только провести комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств рабочей камеры, но и оценить эффективность распределенных, многощелевых систем возбуждения для реализации требуемого технологического процесса термообработки. Таким образом, предложенные математическая модель, метод решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ, алгоритм и программа численного исследования электродинамических и тепловых свойств позволяют определить структуру электромагнитного поля в резонаторе и удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, следовательно, равномерность его нагрева.

Во второй главе проведен комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур прямоугольной формы, частично заполненных диэлектрическим материалом произвольной формы при распределенных, многощелевых системах возбуждения электромагнитного поля. Основное внимание при этом было уделено исследованию излучающих свойств трех- и четырехщелевых систем возбуждения, распределению электрического поля в рабочей камере и теплового поля в объеме обрабатываемого материала.

Излучающие щели прямоугольной формы (рис.1) расположены на расстоянии В/2 друг от друга (В – длина волны в подводящем в рабочую камеру СВЧ-мощность прямоугольном волноводе), при этом сечение волновода для трехщелевой системы возбуждения – 4590 мм, а для четырехщелевой системы – 45110 мм.

Рис. 1

В ходе исследований электродинамических и тепловых свойств варьировались объем и положение поглощающего СВЧ-мощность материала, электрофизические и тепловые параметры обрабатываемого материала, а также размеры излучающих щелей. Расчет собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля проводился методом конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок. При расчете теплового поля в образцах стандартной формы использовался аналитический метод решения, то есть в данном случае ВКЗЭиТ решалась комбинированным (численно-аналитическим) методом.

Наиболее сложной задачей техники и энергетики СВЧ является обеспечение требуемого уровня распределения тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в самых распространенных установках резонаторного типа, при котором максимально полно реализуется заданный технологический процесс термообработки. Это объясняется тем, что в выпускаемых промышленностью бытовых СВЧ-печах образец располагается на дне рабочей камеры, в то время как источник электромагнитного поля (одиночная прямоугольная щель) - на верхней поверхности резонатора, то есть обрабатываемый материал находится в дальней зоне возбуждения, где структура электромагнитного поля в основном определяется электродинамическими свойствами рабочей резонаторной камеры. Поскольку для целей бытового использования СВЧ- энергии отпущен достаточно узкий диапазон рабочих частот (=2450±2,5 МГц), то это приводит к резкой неоднородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а следовательно, к неравномерности его нагрева. На рис.2 приведена структура теплового поля в образце расположенном на дне рабочей камеры печей СП-23-1 ЗИЛ (Россия) и LG MS-192U (Южная Корея), соответственно рис.2, а и рис.2, б, в которых наглядно показано, что в данных установках без использования механического перемещения образца наблюдается высокий уровень неравномерности нагрева обрабатываемого материала. В качестве поглотителя СВЧ-мощности использовалась вода, разлитая в 16 пластиковых стаканчиков. Уровень неравномерности теплового поля, приведенного на рис.2, составляет =1,5 (печь СП-23-1 ЗИЛ) и =1,62 (печь LG MS-192U), при установленной международной норме (0,3) для бытовых микроволновых печей резонаторного типа (; где, и -соответственно максимальная и минимальная температуры в образце; -средняя температура нагрева воды; - температура воды до начала процесса нагрева.

В данной главе диссертационной работы показано, что единственным способом повышения уровня равномерности нагрева является использование в резонаторных камерах распределенных, многощелевых систем возбуждения требуемой структуры электрического поля в области размещения обрабатываемого материала и создание систем электронного управления потоком СВЧ-мощности, излучаемой трех- и четырехщелевыми решетками в процессе термообработки. Это требует проведения комплексных исследований электродинамических свойств многощелевых излучающих систем, а также структуры теплового поля в различных диэлектрических, поглощающих СВЧ-мощность материалах. На рис.3 приведены результаты численного решения неоднородной ВКЗЭ для резонаторной структуры прямоугольной формы с частичным диэлектрическим заполнением, электромагнитное поле в которой возбуждается трех- и четырехщелевой системой возбуждения. Структура электрического поля приведена для первого типа колебания и диэлектрического материала, расположенного на нижней стенке рабочей

=1,5; РВЫХ=700 Вт; =6 мин; =1,62; РВЫХ=700 Вт; =3 мин;

V=2400 мл; tНАЧ=7 0С; V=1280 мл; tНАЧ=9 0С;

t=19,56 0С; КСВ=2,7 t=14,6 0С; КСВ=4,1

а) 6)

Рис. 2

камеры. Учитывая, что электромагнитное поле в резонаторе носит трехмерный характер, то его пространственное представление (рис.3) дано в сечениях (перпендикулярных оси ОХ) с использованием цветовой гаммы. Преимуществом данного подхода решения ВКЗЭиТ является возможность теоретически оценить влияние положения короткозамыкающих поршней в подводящем СВЧ-мощность прямоугольном волноводе на структуру электромагнитного поля в резонаторной камере и в области расположения обрабатываемого материала.

В третьей главе предложена методика экспериментального определения эффективности распределенных, многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторных структурах с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность заполнением в достижении требуемого уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, при котором наиболее полно реализуется заданный электротехнологический

а)

б)

Рис. 3

процесс термообработки. Данная методика состоит из двух этапов независимых измерений. На первом этапе проводятся «холодные» панорамные измерения (на малых уровнях СВЧ-мощности), в ходе которых определяются КСВ резонаторной камеры с частичным диэлектрическим заполнением и оптимальное положение короткозамыкающих поршней в прямоугольном волноводе, посредством которого СВЧ-мощность от магнетрона подается в рабочую камеру при помощи многощелевой системы возбуждения электромагнитного поля. На втором этапе проводятся динамические исследования, в ходе которых определяются распределение теплового поля в обрабатываемом материале и уровень поглощенной мощности Рпогл, то есть КПД установки. Поглотителем СВЧ-мощности в данных исследованиях является вода, разлитая в пластиковые стаканчики, которые равномерно расположены на нижней стенке резонатора. Измерения проводились для различных объемов поглотителя (20, 40, 60 г. в стаканчике) и различных положений нагреваемого материала по высоте рабочей камеры.

Проведенные в данной главе диссертации исследования позволили установить, что распределенные системы возбуждения более эффективны в достижении требуемого уровня однородности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, нежели традиционно используемые, однощелевые системы возбуждения. При этом оценка эффективности произвольной системы возбуждения определяется посредством коэффициента уровня равномерности нагрева –. На рис. 4 приведены результаты экспериментального исследования структуры теплового поля в обрабатываемом материале при трех- (рис.4, а) и четырехщелевых (рис.4, б) системах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ печи LG MS-192U (Южная Корея), поглощающий материал в которой расположен на нижней стенке резонатора, при этом система возбуждения находится на верхней стенке резонатора.

В данной диссертационной работе исследуется наиболее жесткий режим возбуждения электромагнитного поля, при котором обрабатываемый материал находится в дальней зоне возбуждения, в которой наиболее полно проявляются резонансные свойства рабочей камеры, что приводит к максимальной неоднородности теплового поля. Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных на рис.2 и рис.4, показывает, что применение распределенных систем возбуждения позволяет повысить уровень равномерности нагрева материала на 30-40%. Данное положение представляет значительный практический интерес, поскольку улучшение качества термообработки практически не связано с увеличением стоимости СВЧ- печи.

Дальнейшее повышение эффективности распределенных систем возбуждения электромагнитного поля связано с электронным управлением подачей СВЧ мощности в рабочую камеру. Управление потоком мощности, направляемой многощелевой решеткой в резонатор, может осуществляться различными способами, в частности, посредствам переключающих p-i-n диодов. В данной диссертационной работе предложена методика определения режима управления подачей СВЧ- мощности в рабочую камеру путем изменения конструкции излучающей щели посредством металлических перемычек в каждой из излучающих щелей.

На рис.5 приведена схема возможных перемыканий щели, которая изменяет режим подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру. Исследуя уровень СВЧ-мощности, поглощенной материалом, и распределение

Таблица № 1 распределения температур по 16 зонам.

T

5

5

7

3

TCP =

35,4

6

37

31

31

36

135

T0 =

22

4

39

36

35

38

148

T =

13,4

4

39

35

38

35

147

=

0,6

7

34

31

33

38

136

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»