WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Проведено тестирование программ численного решения неоднородной ВКЗЭиТ, показавшее их высокую точность и эффективность при расчете как простых, так и сложных электродинамических структур. Таким образом, в первой главе представлена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с обрабатываемым материалом с учетом стороннего источника возбуждения, даны методы решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ, проведены модернизация и тестирование алгоритмов и программ численного исследования электродинамических и тепловых свойств рабочих камер.

Во второй главе проведена корректировка необходимого и достаточного условий возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере с учетом влияния возбужденного поля на токи сторонних источников. В основе необходимого и достаточного условий возбуждения электромагнитного поля лежит анализ структуры поверхностных токов на внутренних стенках волновода и резонаторной камеры, частично заполненной диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, материалом (рис.1). При этом необходимым условием возбуждения является расположение щели ортогонально линиям поверхностного тока, а достаточным – расположение щели в области максимальной плотности поверхностного тока. При этом учитывается влияние возбужденного электромагнитного поля на структуру поверхностных токов на импедансной стенке волновода связи и токов смещения в многощелевой системе возбуждения.

Проведено комплексное исследование электродинамических свойств резонаторных камер прямоугольной формы с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением при щелевом и многощелевом возбуждении электромагнитного поля.

Рис.1. Структура поверхностных токов на стенках волновода

и резонаторной камеры и оптимальное расположение щели возбуждения

Чтобы не возникало взаимного переизлучения между щелями при многощелевом возбуждении электромагнитного поля, они должны быть расположены на расстоянии /2 друг от друга; – длина волны подводящего в рабочую камеру СВЧ-мощность прямоугольного волновода, которая определяется соотношением:

(4)

где = 122,4 мм – длина волны источника СВЧ-мощности, – критическая длина волны прямоугольного волновода. При использовании волновода сечением 9045 мм (двух- и трехщелевые системы возбуждения) оптимальное расстояние между щелями равно 83,5 мм, а при использовании волновода сечением 11045 мм (четырехщелевая система) оптимальное расстояние – 73,6 мм.

В ходе исследований варьировались электрофизические и геометрические параметры поглощающего СВЧ-мощность материала, а также размеры и расположение излучающих щелей. Расчет собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля проводился методом конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок.

Визуализация структуры электрического поля в резонаторной камере, частично заполненной диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, материалом проводилась посредствам среднеинтегральных поверхностей (рис.2).

а)

б)

Рис.2. Структура электрического поля в резонаторной камере:

а) однощелевое возбуждение электромагнитного поля;

б) многощелевое возбуждение

Уровень однородности структуры электрического поля в объеме обрабатываемого материала оценивается с помощью коэффициента неравномерности электрического поля, который определяется соотношением:

, (5)

где ||2max, ||2min и ||2cp – максимальное, минимальное и среднее значения квадрата модуля вектора напряженности электрического поля в объеме обрабатываемого материала соответственно. Данная величина определяется численным расчетом структуры электрического поля в обрабатываемом материале при компьютерном моделировании процесса СВЧ-термообработки и позволяет оценить уровень равномерности нагрева однородных изотропных сред.

В большинстве выпускаемых промышленностью микроволновых печей образец располагается на дне рабочей камеры, а источник электромагнитного поля – на верхней или боковой поверхности рабочей камеры. Следовательно, обрабатываемый материал находится в дальней зоне возбуждения, где структура электромагнитного поля определяется электродинамическими свойствами резонаторной камеры. Для использования энергии СВЧ в бытовых целях отпущен узкий диапазон частот (2450 МГц2,5), что приводит к высокой неоднородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.

В связи с этим проведена оценка размеров ближней зоны возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере и выполнен расчет коэффициента неравномерности электрического поля при различной высоте расположения обрабатываемого материала (табл.1). Результаты расчетов показывают, что при термообработке диэлектрического, поглощающего СВЧ-мощность, материала предпочтительнее располагать его именно в ближней зоне, так как по мере увеличения высоты расположения обрабатываемого материала наблюдается тенденция к увеличению однородности электрического поля.

Таблица 1

Коэффициенты неравномерности электрического поля

Высота расположения диэлектрика, мм

0

40

80

120

Трехщелевое возбуждение

электромагнитного поля

1,85

1,82

1,71

1,69

Четырехщелевое возбуждение

электромагнитного поля

1,76

1,74

1,59

1,58

В третьей главе приведены количественные характеристики (критериальные параметры), характеризующие электротехнологический процесс термообработки различных диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа и качество готовой продукции. Основными критериальными параметрами являются: коэффициент равномерности нагрева, интегральный коэффициент равномерности нагрева, градиентный коэффициент равномерности нагрева и коэффициент неравномерности нагрева t. Установлено, что самым эффективным параметром качества термообработки является величина t, определяемая соотношением:

(6)

где – начальная температура обрабатываемого материала; – средняя температура нагрева обрабатываемого материала. Заметим, что величина однозначно определяет уровень поглощаемой СВЧ-мощности в обрабатываемом материале, а величина – неравномерность нагрева обрабатываемого материала.

При СВЧ-термообработке различных диэлектрических материалов необходимым условием является максимальное поглощение СВЧ-мощности обрабатываемым материалом, что предъявляет определенные требования к согласованию рабочей камеры с источником СВЧ-мощности, который определяется коэффициентом стоячей волны (КСВ) рабочей камеры. Именно данная величина определяет КПД процесса термообработки.

Проведено комплексное экспериментальное исследование электродинамических и тепловых свойств рабочих камер СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа при различных распределенных четырехщелевых системах возбуждения электромагнитного поля (рис.3). Использование четырехщелевых систем возбуждения позволяет резко увеличить число степеней свободы, определяющих электродинамические свойства рабочей камеры, что даст возможность достичь минимального уровня неравномерности нагрева материала.

При проведении экспериментов в качестве диэлектрического поглощающего материала использовалась вода, разлитая в определенной пропорции в 16 стаканах, расположенных на нижней стенке рабочей камеры. Исследовался чисто электродинамический процесс термообработки без применения механических перемещений обрабатываемого материала. Данный подход позволяет наиболее полно оценить эффективность распределенных систем возбуждения рабочих камер СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа. В ходе экспериментальных исследований определялись: распределение теплового поля в обрабатываемом материале, уровень поглощаемой образцом СВЧ-мощности, а, следовательно, КПД процесса термообработки, и коэффициент неравномерности нагрева t по 16 зонам (диэлектрические стаканы) и по 9 зонам (общепринятое международное определение) согласно формуле (6).

а)

б)

в)

Рис.3. Структура электрического и теплового полей в объеме

обрабатываемого материала и параметры системы возбуждения:

а) параметры различных четырехщелевых систем возбуждения;

б) структура электрического поля в объеме обрабатываемого материала;

в) структура теплового поля

Показано, что при использовании распределенного способа возбуждения электромагнитного поля можно добиться существенного увеличения уровня однородности электрического и теплового полей в объеме обрабатываемого материала, то есть повышения равномерности нагрева, путем вариации параметров возбуждающих щелей. Уровень согласования источника СВЧ-мощности с рабочей камерой при этом изменяется незначительно. Указанное обстоятельство подтверждается значениями коэффициентов неравномерности электрического и теплового полей, а также КПД процесса нагрева диэлектрического материала, приведенными в табл.2.

Данное обстоятельство позволяет заключить, что применение распределенного способа возбуждения представляется оправданным, и с его помощью можно добиться повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов, не используя систем механического перемещения.

Таблица 2

Значения коэффициентов неравномерности и КПД процесса нагрева

при различных распределенных системах возбуждения

Номер опыта

1

2

3

4

5

Коэффициент неравномерности электрического поля

1,91

1,57

1,67

1,59

1,39

Коэффициент неравномерности теплового поля по 16 зонам

1,76

1,24

1,29

1,31

0,82

Коэффициент неравномерности теплового поля по 9 зонам

0,42

0,62

0,38

0,31

0,36

КПД процесса нагрева

0,64

0,71

0,64

0,63

0,70

Сравнение коэффициентов неравномерности электрического и теплового полей при нагреве однородных и изотропных сред показывает очевидную связь данных величин, причем значения коэффициента неравномерности электрического поля несколько выше:. Данное обстоятельство объясняется тем, что при нагреве жидкости происходит перераспределение и усреднение температуры за счет конвективного теплообмена. Как следует из данных, приведенных в табл.2, экспериментальное исследование процесса СВЧ-нагрева однородного изотропного материала целесообразно проводить, если значение коэффициента неравномерности электрического поля, полученное численным расчетом, находится в пределе.

Согласно данным, приведенным в табл.2, при стандартном международном определении коэффициента неравномерности t по девяти зонам можно заключить, что распределенные системы позволяют при отсутствии дополнительных систем механического перемещения обрабатываемого материала добиться значений коэффициента неравномерности теплового поля, то есть приблизиться к установленным международным требованиям.

Основные результаты и выводы

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.