WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Карпов Дмитрий Игоревич

ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

В СВЧ-УСТРОЙСТВАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА

Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

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 физико-математических наук, профессор

Иванченко Владимир Афанасьевич

- кандидат технических наук

Семенов Владимир Константинович

Ведущая организация ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Защита состоится «23» декабря 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп. 2, ауд. 404.

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

Автореферат разослан “21” ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Среди основных направлений развития новых технологий производства продукции различного назначения важное место занимает термообработка диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Перспективным способом термообработки является использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. Технологии, использующие СВЧ-энергию для нагрева и сушки диэлектрических материалов, нагрева и размораживания пищевых продуктов, являются экологически чистыми и достаточно эффективными.

В 1970 – 1990 годах в нашей стране и за рубежом были разработаны и освоены производством источники СВЧ-энергии, предназначенные для использования в электротермических установках бытового и промышленного назначения с уровнем выходной средней мощности от 600 Вт до нескольких киловатт.

Одновременно проводились исследования электромагнитных и тепловых процессов в волноводах и резонаторах, частично заполненных поглощающими материалами, совершенствовались конструкции рабочих камер, что позволило создать промышленные установки и бытовые СВЧ-печи. Наиболее значительный вклад в развитие теоретических основ техники и энергетики СВЧ-нагрева, проектирования СВЧ-технологических установок, математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в диэлектрических материалах при СВЧ-нагреве внесли отечественные ученые: В.П. Вологдин, Д.И. Воскресенский, И.И. Девяткин, Н.Д. Девятков, С.В. Некрутман, А.В. Нетушил, Ю.С. Архангельский и др., зарубежные: Э. Окресс, О. Andrade, J.Cannon, C. Chew, A. Conrad, D. Foster, R. Grubb, M. Ebadian, L. T. White и др.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние десятилетия в теории и практике создания СВЧ-нагревательных установок, для перехода к технике и технологии более высокого уровня и обеспечения максимальной эффективности технологических процессов СВЧ-нагрева необходимо использование достижений в различных областях электроники, радиотехники, микроэлектроники, в частности, в сфере полупроводниковых коммутирующих устройств СВЧ. Важной народно-хозяйственной задачей и актуальной проблемой технологий СВЧ-нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов является совершенствование конструкций рабочих камер резонаторного типа на основе применения полупроводниковых переключательных диодов в распределенных системах возбуждения электромагнитного поля с целью повышения уровня равномерности нагрева. Разработка конструкций рабочих камер резонаторного типа с использованием полупроводниковых переключательных диодов позволит улучшить основной показатель качества процесса нагрева – равномерность нагрева и создать новые потребительские качества установок СВЧ-нагрева и бытовых СВЧ-печей.

Несмотря на достаточное количество разработанных конструкций рабочих камер, к моменту начала работы над диссертацией совершенно отсутствовали сведения об использовании полупроводниковых переключательных диодов (pin-диодов) в системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах установок СВЧ-нагрева.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является решение актуальной научно-технической задачи: повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа на основе применения распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере с электронным управлением процессом возбуждения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Исследовать методы нагрева, обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева в СВЧ-нагревательных установках.
  2. Обосновать необходимость электронного управления процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа для обеспечения повышения равномерности нагрева обрабатываемого материала и повышения эффективности технологического процесса термообработки.
  3. Установить степень влияния процесса управления системой возбуждения электромагнитного поля на распределение плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и определить характеристики процесса управления системой возбуждения, в наибольшей степени влияющие на уровень равномерности нагрева.
  4. Выбрать метод управления процессом изменения характера распределения электромагнитного поля в диэлектрическом материале, частично заполняющем рабочую камеру резонаторного типа, обеспечивающий максимальный уровень равномерности нагрева.

Методы исследования

Для решения вышеприведенных задач были использованы: методы математической физики, методы статистической физики, метод моделирования задач теплопроводности, метод эквивалентных схем, метод экспериментального исследования.

Научная новизна

  1. Предложен и апробирован способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа, основанный на применении распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах с электронным управлением процессом возбуждения.
  2. Показано, что изменение в процессе нагрева состояния элементарных излучателей распределенной системы возбуждения, осуществляемое переключением диодов, приводит к повышению плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и, как следствие, к улучшению равномерности его нагрева.
  3. Проведены исследования длительности процессов выравнивания температуры в процессе нагрева материала СВЧ-нагревательной установкой резонаторного типа с управляемой системой возбуждения в случае непрерывного и импульсного режимов работы источника СВЧ-энергии.
  4. На основе статистических испытаний модели нагреваемого материала показано повышение уровня равномерности нагрева при электронном управлении процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонаторного типа.
  5. Предложена и практически реализована конструкция распределенной системы возбуждения, позволяющая обеспечить управление процессом возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в следующем:

  1. Предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов может найти применение в установках СВЧ- нагрева резонаторного типа и повысить эффективность технологического процесса термообработки.
  2. Впервые предложена конструкция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа с переключательными диодами, позволяющая повысить в процессе нагрева плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, тем самым, улучшить равномерность его нагрева.
  3. Конструкция СВЧ-печи, использующая предложенный способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов, защищена патентом РФ.
  4. Результаты работы могут быть использованы в НИОКР, проводимых СГТУ и предприятиями радиоэлектронного профиля.

Апробация работы

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период 2004-2008 гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на: Федеральной итоговой научно-технической конференции Всероссийского конкурса на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам (Москва, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004 г.), Второй и Третьей конференциях молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, СФ ИРЭ РАН, 2007, 2008 гг.).

Публикации

По материалам исследований, выполненных по теме диссертации, опубликовано семь печатных работ, в том числе две работы в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Диссертация изложена на 176 страницах, из них 147 страниц текста, 29 рисунков. Список использованной литературы содержит 68 наименований.

Личный вклад автора

Автор предложил способ повышения равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа, обосновал и сформулировал научные положения и технические решения, изложенные в работе, лично проанализировал и обобщил полученные результаты. В практических результатах автору принадлежит приоритет в постановке и реализации задач.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

  1. Способ управления распределением в объеме нагреваемого материала СВЧ-энергии, подаваемой в рабочую камеру, основанный на электронном управлении распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющий повысить уровень равномерности нагрева обрабатываемого материала и улучшить выходные параметры технологического процесса термообработки.
  2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния переключения диодов распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа на уровень равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов, улучшающего параметры технологического процесса термообработки.
  3. Конструкция распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки резонаторного типа с переключательными полупроводниковыми диодами, методика управления системой возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, позволяющие повысить равномерность нагрева обрабатываемого материала.

Достоверность результатов и выводов

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована фундаментальными закономерностями теории электромагнитного поля, термодинамики, теории теплопроводности и теплообмена, статистической физики, теории информации, теории антенн и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована задача достижения высокого уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного типа, поставлена цель работы, определены задачи исследований, отражены научная новизна, практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы.

В первой главе «Исследование путей повышения уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-установках резонаторного типа» исследованы методы нагрева, принципиально обеспечивающие требуемый уровень равномерности нагрева, в основе которых лежит условие достижения изолированной системой равновесного состояния. Важнейшим выходным параметром технологического процесса СВЧ-нагрева является равномерность нагрева. В резонаторных СВЧ-нагревательных установках обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала, и, соответственно, равномерности нагрева, сдерживается большим объемом рабочей камеры (по сравнению с камерой с бегущей волной), большой неоднородностью электрического поля в объеме рабочей камеры. Высокая неравномерность нагрева в СВЧ-нагревательных установках с рабочими камерами резонаторного типа является следствием универсальности их применения и конструкции. Представляя процесс СВЧ-нагрева как изменение состояния нагреваемого объекта (макроскопической системы), происходящее вынужденно, благодаря работе электродинамических сил, и рассматривая только начальное и конечное состояния нагреваемой системы, возможно применение термодинамического метода для изучения состояний нагреваемого объекта. Нагреваемый материал может быть представлен как гетерогенная система, состоящая из нескольких гомогенных систем (подсистем). Равновесное состояние замкнутой системы характеризуется максимальным значением энтропии, при котором в системе, в частности, отсутствуют градиенты температуры, и, следовательно, равномерность температуры по объему системы максимальная.

Первый метод равномерного СВЧ-нагрева может быть представлен следующей последовательностью действий: – сообщение нагреваемой системе посредством работы электродинамических сил необходимого количества энергии в форме тепла – адиабатическая изоляция нагреваемой системы – выдержка нагреваемой системы до истечения времени релаксации. Рассмотренный метод равномерного нагрева является практически реализуемым, теоретически обеспечивает высокий уровень равномерности нагрева, тем не менее, он обладает рядом практических недостатков, самым существенным из которых является невозможность обеспечения требуемого уровня равномерности нагрева в процессе сообщения нагреваемой системе энергии.

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.