WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

РЫБКОВ Вадим Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИКОВ в СВЧ - УСТАНОВКАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА

С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ СИСТЕМАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Архангельский Юрий Сергеевич

доктор технических наук, профессор Кошелев Василий Сергеевич

Ведущая организация:

ОКБ «Тантал–наука», г. Саратов

Защита состоится 18 декабря 2008 г. В 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корпус 2, ауд. 404.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан 17 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Актуальной задачей проектирования нагревательных СВЧ-установок является обеспечение минимального градиента температур в объеме диэлектрического материала, подвергаемого СВЧ-термообработке. Снижение градиента температуры позволяет повысить ее интенсивность и качество.

Самым известным путем решения указанной задачи является механическое перемещение нагреваемого продукта (поворотные стойки в микроволновых печах). Однако, при этом возникает радиальная составляющая неоднородности напряженности электрического поля, что приводит к снижению качества термообработки различных диэлектрических материалов. Альтернативой механическому способу повышения равномерности нагрева является использование распределенной системы возбуждения электромагнитного поля посредством введения нескольких сторонних источников – излучающих щелей. При этом обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников осуществляется за счет вариации размеров, формы и расположения щелей на стенках рабочей камеры.

Данный способ решения осложнен необходимостью комплексного исследования электродинамических процессов в связанных системах (волновод, щели возбуждения, резонатор). Также необходимо учитывать, что основным выходным параметром, характеризующим качество термообработки, является распределение температуры в объеме обрабатываемого материала. Следовательно, исследование и оптимизация многощелевых распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в установках резонаторного типа требуют решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ).

Цель работы

Исследование и оптимизация многощелевых распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ-установок резонаторного типа, направленные на обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.

Задачи работы

  1. Разработать методику решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности с учетом стороннего источника возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере.
  2. Провести модернизацию алгоритмов и программ расчета электродинамических и тепловых свойств рабочих камер резонаторного типа.
  3. Провести корректировку необходимого и достаточного условий возбуждения электромагнитного поля в резонаторных камерах на основе анализа структуры поверхностных токов на импедансной стенке волновода связи и на стенках резонаторной камеры.
  4. Провести комплексное исследование щелевых и многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере.
  5. Провести экспериментальное исследование процесса СВЧ-нагрева диэлектрического материала в установках резонаторного типа при различных распределенных системах возбуждения и сравнение структур электрического и теплового полей в объеме обрабатываемого материала.

Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы численные методы решения ВКЗЭиТ: метод конечных и объемных элементов с применением принципов Галеркина и взвешенных невязок и метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье. Также были применены объектно-ориентированные методы вычислений и программирования, методы математической физики, графоаналитические методы, метод частичных областей, метод последовательных приближений и методы экспериментального исследования.

Научная новизна

  1. Предложена методика решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением для различных щелевых и многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах.
  2. Модернизированы алгоритмы и программы для численного решения неоднородной совместной ВКЗЭиТ для резонаторных камер, частично заполненных диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, материалом.
  3. Предложена методика графической визуализации данных четырехмерного массива, то есть пространственного распределения физической величины (температуры и квадрата модуля напряженности электрического поля в объеме обрабатываемого СВЧ--полем материала) посредством среднеинтегральных поверхностей.
  4. Проведено комплексное исследование электродинамических свойств СВЧ- нагревательных установок резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах, различных габаритах, электрофизических свойствах и расположении обрабатываемого материала в рабочей камере.
  5. Проведено экспериментальное исследование процесса нагрева диэлектрического материала в СВЧ-установках резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитного поля.

Практическая значимость

  1. Даны практические рекомендации по построению многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере, обеспечивающих направленную передачу СВЧ-мощности от источника, а также заданный электротехнологический процесс термообработки произвольных диэлектрических материалов;
  2. Предложена методика оценки эффективности произвольных систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере путем анализа степени неоднородности электрического поля в объеме обрабатываемого материала.
  3. Материалы диссертационной работы могут быть использованы студентами 4, 5 курсов Саратовского государственного технического университета и других вузов, обучающимися по специальностям «Радиотехника», «Электронные приборы и устройства» и «Радиофизика», при изучении учебных дисциплин, связанных с электродинамикой и распространением радиоволн и взаимодействием электромагнитного поля с поглощающими СВЧ-мощность материалами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

  1. Методика решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа, позволяющая учитывать и оптимизировать параметры источников возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере.
  2. Структура пространственного распределения квадрата модуля напряженности возбужденного электрического поля в резонаторной камере, частично заполненной диэлектрическим материалом различных геометрических и электрофизических параметров, по уровню однородности которой можно судить об удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, то есть о равномерности нагрева, и методика визуализации данной структуры в трехмерной системе координат.
  3. Результаты экспериментального исследования процесса СВЧ-нагрева диэлектрического материала в установках резонаторного типа, доказывающие эффективность распределенного способа возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами численных расчетов и экспериментальных исследований, а также корректностью используемой математической модели процесса возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа.

Реализация результатов

Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, грантах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, и могут быть иcпользованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности: ЗАО НПУ «Алмаз-Фазотрон», ОАО «НПП «Контакт», ОКБ «Тантал-Наука», ОАО «Электроприбор» и др.

Апробация работы

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2006, 2007, 2008); «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, ОАО «НПП «Контакт», 2007); «Математические методы в технике и технологиях. MMТТ-21» (Саратов, СГТУ, 2008).

Публикации

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 15 печатных работ, 2 из которых в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа содержит 144 страницы, состоит из введения, трех глав, заключения, включает 38 рисунков, 11 таблиц и список использованной литературы из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первой главе предложена методика решения неоднородной совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа с учетом стороннего источника возбуждения. Данная методика позволяет проводить комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа при различных распределенных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, что позволяет определить основные принципы построения многощелевых систем возбуждения, которые обеспечивают требуемый уровень однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. В основе предложенной методики лежит решение обобщенных волновых уравнений Гельмгольца и уравнения теплопроводности, составляющих суть ВКЗЭиТ, методом частичных областей.

В связи с тем, что возбуждение рабочей камеры осуществляется со стороны верхней стенки резонаторной камеры, то есть вне области расположения обрабатываемого материала, математическая модель для пространства рабочей камеры, не занятого материалом, представляется неоднородным уравнением Гельмгольца и однородным уравнением теплопроводности:

(1)

.

В области расположения обрабатываемого материала ВКЗЭиТ определяется системой однородных уравнений Гельмгольца и неоднородным уравнением теплопроводности, тепловой источник в котором определяется напряженностью электрического поля:

,

, (2)

,

, (3)

где, – векторы напряженности электрического и магнитного полей в резонаторной камере; 0 и 0 – диэлектрическая и магнитная проницаемость воздушной среды, а и – диэлектрическая и магнитная проницаемость диэлектрического материала; – удельная теплоемкость и плотность, а t – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; – температура нагрева; – удельная электропроводность материала; – плотность стороннего тока, – удельная плотность сторонних зарядов.

Соотношения (1)-(3) в совокупности с граничными и начальными условиями составляют ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных однородным изотропным поглощающим материалом, при произвольной системе возбуждения электромагнитного поля. В первом приближении неоднородная ВКЗЭиТ решается с учетом независимости сторонних источников поля от порождаемого ими электромагнитного поля. Во втором приближении учитывается влияние электромагнитных процессов, возникающих в резонаторной камере с частичным диэлектрическим заполнением, на структуру токов смещения в щелях и, соответственно, их влияние на источник СВЧ-мощности.

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 и структуры электромагнитного и теплового полей осуществляется методом конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок, а также методом конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье.

Проведена модернизация алгоритмов и программ численного решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных поглощающим материалом. Модернизированные программы позволяют не только провести комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств рабочей камеры, но и оценить эффективность распределенных многощелевых систем возбуждения для реализации требуемого электротехнологического процесса термообработки.

Pages:     |
|



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.