WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Второй метод равномерного СВЧ-нагрева может быть представлен следующей последовательностью действий: – периодическое сообщение в процессе нагрева нагреваемой гетерогенной системе посредством работы электродинамических сил заданного количества энергии в форме тепла в течение времени, значительно меньшего времени релаксации – адиабатическая изоляция нагреваемой системы. Рассмотренный метод теоретически обеспечивает равномерность нагрева объекта в процессе нагрева, что важно для СВЧ-нагревательных установок с рабочими камерами резонаторного типа, не требует выдержки объекта нагрева для завершения процессов релаксации. Недостатком рассмотренного метода равномерного нагрева, кроме требования адиабатической изоляции объекта нагрева, является большая длительность процесса нагрева.

Показано, что рассмотренные методы нагрева указывают направление, в котором необходимо вести техническую работу по созданию СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа с высоким уровнем равномерности нагрева.

Предлагаемый метод равномерного нагрева базируется на основных положениях термодинамики и результатах анализа первого и второго методов равномерного нагрева. Сущностью предлагаемого метода равномерного СВЧ-нагрева установками резонаторного типа является технический процесс распределения энергии источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала в процессе нагрева и увеличения длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме нагреваемого материала в процессе нагрева. В предлагаемом методе используется наличие в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки стоячих волн, характерное для рабочих камер резонансного типа, как основы механизма распределения энергии источника СВЧ-колебаний по объему нагреваемого материала. Преимущество предлагаемого метода равномерного нагрева, относительно первых двух, заключается в отсутствии требования адиабатической изоляции нагреваемого объекта, определенной и меньшей длительности процесса нагрева, обеспечиваемой совмещением технического процесса распределения энергии по объему нагреваемого объекта и процесса выравнивания температуры в объеме нагреваемого объекта.

Определены границы применения предлагаемого метода равномерного нагрева, которые определяются наличием в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки основы механизма распределения энергии по объему нагреваемого объекта – стоячих волн.

Рассмотрены критерии оценки равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-установках, необходимые для оценки соответствия выбранного технологического процесса нагрева заданному, выбору конструкции элементов установки нагрева, определению влияния теплофизических параметров и геометрических размеров нагреваемого материала на равномерность и однородность температурного поля в объеме материала.

Рассмотрены вопросы выбора практических критериев равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева. Для оценки степени обеспечения требуемого технологического процесса термообработки обычно используется коэффициент уровня равномерности нагрева, определяемый следующим выражением:

,

где - максимальная и минимальная температуры в объеме нагреваемого материала соответственно, °С;, а - средняя температура нагрева материала и температура окружающей среды соответственно. Данный критерий является основополагающим в СВЧ-энергетике.

Показано, что критерием качества процесса нагрева материала может служить коэффициент неравномерности нагрева, определяемый из соотношения:

,

где - максимальная температура в объеме материала,°С; - максимальная температура в объеме материала относительно,°С; - температура окружающей среды, °С; - разность максимального и минимального значений температуры в объеме материала, °С. При равномерном нагреве = 0 и = 0 – идеально равномерный случай нагрева. Выражение стремится к такому идеальному случаю при », степень приближения к которому может быть выбрана из практических соображений: =0,1 или =0,05. Эти соотношения устанавливают практические значения границ разницы температуры в объеме материала, при достижении которых принимается решение о степени равномерности нагрева.

В СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа при нагреве материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками температура нагрева элементарного объема нагреваемого материала носит случайный характер.

Рассмотрен статистический подход к определению критерия равномерного нагрева материалов произвольной формы и с произвольными электрофизическими и теплофизическими характеристиками. Показано, что критерием равномерности технологического процесса СВЧ-нагрева в данном случае может являться функция неравномерности нагрева. Приведенные функции неравномерности удобны для исследования процессов нагрева объектов различных конфигураций. Объемная функция неравномерности определяется, при указанных условиях, только разностью величин нагретой части объема объекта и ненагретой части объема, ее значение может являться критерием равномерности нагрева объекта и может применяться для характеристики тех или иных процессов нагрева, рассматриваемых со статистической точки зрения.

Исследованы пути создания СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа, обеспечивающие требуемый процесс термообработки. Показано, что для анализа процессов выравнивания температуры в нагреваемом материале необходимы распределения температуры в элементах объема нагреваемого материала после воздействия протяженного и точечного внутренних источников тепловой энергии.

Приведены результаты, показывающие, что длительность процессов выравнивания температуры в элементарных объемах материала играет важную роль в обеспечении равномерности теплового поля нагреваемого материала. Для обеспечения равномерного теплового поля в процессе нагрева необходимо увеличение времени выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

Показано, что в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа для обеспечения равномерного теплового поля в нагреваемом материале в процессе нагрева необходимо:

  • обеспечить в процессе нагрева последовательное производство внутренних источников тепловой энергии;
  • увеличить длительность локальных процессов выравнивания температуры в элементарных объемах нагреваемого материала в процессе нагрева.

Выбрано направление создания СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа, обеспечивающей требуемый уровень равномерности нагрева диэлектрических материалов и пищевых продуктов. Основой выбранного направления является процесс распределения энергии СВЧ-источника по объему обрабатываемого материала в процессе нагрева. Указанный процесс обеспечивает: повышение плотности тепловых источников в объеме нагреваемого материала и увеличение длительности локальных процессов выравнивания температуры в объеме материала, что позволяет улучшить равномерность нагрева обрабатываемого материала.

Во второй главе «Распределенные системы возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа» рассмотрен процесс распределения внутренних тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля. Показано, что выражение для функции плотности тепловых источников, применительно к СВЧ-нагревательным установкам резонаторного типа, указывает на возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме нагреваемого материала при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке.

Изменение направления концентрации энергии электромагнитного поля в пространстве, посредством применения апертурных антенн, и возможность изменения положения внутреннего источника тепловой энергии в объеме нагреваемого материала, при условии изменения напряженности электрического поля в рассматриваемой точке, создают предпосылки управления положением внутренних тепловых источников в нагреваемом материале в процессе нагрева, и, следовательно, плотностью источников.

Сформулированы условия, обеспечивающие возможность изменения направления или направлений концентрации энергии электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа:

  • рабочая камера установки должна быть «сильно» нагруженной;
  • система возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки должна быть многоэлементной (распределенной);
  • конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояния между нормалями излучения элементарных излучателей системы возбуждения.

Изменение расстояний между нормалями излучения элементарных излучателей в общем случае может быть плавным (аналоговым) или ступенчатым (дискретным). Плавное изменение расстояний между элементами антенных решеток в процессе нагрева сопряжено со значительными техническими трудностями. Дискретное изменение расстояния возможно посредством применения специального класса полупроводниковых приборов – СВЧ-переключательных диодов, имеющих два устойчивых состояния и определяющих, тем самым, количество состояний элементарного излучателя системы возбуждения.

Рассматривая процесс распределения плотности тепловых источников по объему обрабатываемого материала с произвольными теплофизическими характеристиками как случайный процесс, возможно использовать характеристики такого процесса, одной из которых является энтропия случайного дискретного процесса. Таким процессом может быть стационарный дискретный процесс распределения зон повышенного нагрева в объеме нагреваемого объекта, обеспечиваемый управляемой системой возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательной установки.

Показано, что изменения в процессе нагрева расстояния между нормалями максимумов излучения элементарных излучателей многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа обеспечивают максимальную вероятность реализации равномерного распределения внутренних тепловых источников по объему нагреваемого материала.

Проведено исследование длительности процесса выравнивания температуры нагреваемого материала в установках резонаторного типа с распределенной управляемой системой возбуждения электромагнитного поля.

Приведены расчетные одномерные распределения температуры в сечении элементарного объема нагреваемого материала с известными теплофизическими характеристиками после воздействия внутреннего источника тепловой энергии. Показано, что длительность процессов выравнивания температуры более нагретых элементов объема нагреваемого материала зависит от числа возможных состояний системы возбуждения.

На рисунке 1 представлена полученная зависимость относительного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала от числа возможных состояний системы возбуждения.

Рис. 1

На рисунке 2 представлена зависимость абсолютного увеличения среднего времени локальных процессов выравнивания температуры в зонах повышенного нагрева модели нагреваемого материала для случая нагрева импульсным источником СВЧ-энергии с длительностью импульса 6,5 мс и скважностью 3 от числа возможных состояний системы возбуждения.

Рис. 2

Полученные зависимости показывают значительное увеличение времени выравнивания температуры в зоне повышенного нагрева материала в случае использования управляемой многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля и определяют тенденцию повышения равномерности нагрева.

Рассмотрены электронно-управляемые системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере нагревательных установок резонаторного типа. Выработаны требования, которым должна удовлетворять управляемая система возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах нагревательных установок резонаторного типа:

  • система возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере установки должна быть многоэлементной (распределенной);
  • конструкция системы возбуждения электромагнитного поля должна обеспечивать изменение расстояний между нормалями максимумов излучений входящих в нее элементов;
  • изменение расстояний между нормалями максимумов излучений элементов системы возбуждения должно быть ступенчатым (дискретным).

Кроме выработанных требований, отвечающих решаемой задаче, управляемая система возбуждения должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к устройствам деления СВЧ-мощности. Такими основными требованиями, применительно к рассматриваемой задаче, являются следующие требования:

  • система возбуждения должна быть согласована с источником СВЧ-энергии во всех своих возможных состояниях;
  • система возбуждения должна обеспечивать равное деление мощности между элементарными излучателями;
  • элементарные излучатели, составляющие систему возбуждения, для обеспечения динамического фазирования системы возбуждения при изменении своего состояния должны вносить минимально возможный относительный фазовый сдвиг коэффициента передачи.

Показано, что основой конструктивной реализации управляемой системы возбуждения электромагнитного поля является Н-образная поперечная излучающая щель в широкой стенке волновода, снабженная двумя парами СВЧ-переключательных диодов.

Получены эквивалентная схема излучающей части H-образной щели и аналитическое выражение передаточной функции резонансной излучающей щели в волноводе, которые позволяют создать на основе метода эквивалентных схем модель управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа и провести исследование многощелевой управляемой системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа.

Показано, что переключение пар диодов элементарного излучателя системы возбуждения приводит к смещению его нормали максимума излучения вдоль щели на четверть длины волны и приводит к изменению характера распределения электромагнитного поля в рабочей камере. При расположении нормалей максимума излучения излучателей в ряд система возбуждения является линейной, в случае расположения нормалей на плоскости система возбуждения является двумерной. Для распределенной четырехщелевой управляемой системы возбуждения из шестнадцати возможных вариантов условий возбуждения электромагнитного поля два обеспечиваются линейными системами возбуждения, остальные – двумерными системами возбуждения.

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.