Исследование и разработка свч устройств для формирования равномерного температурного поля диэлектрических материалов
На правах рукописи
ПОТАПОВА Татьяна Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2006 2
Работа выполнена на кафедре: “Лазерные и микроволновые информационные системы” факультета Информатики и Телекоммуникаций Московского государственного института электроники и математики (Технического университета)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Нефедов Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мухин Сергей Владимирович;
кандидат технических наук Кулеватов Михаил Валентинович
Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие “Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина” (ГУП “ВЭИ” им. В.И.Ленина)
Защита состоится “ _ ” _ 2006 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (Технический университет) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.
Автореферат разослан ““ _ 2006 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.133.06, профессор Н.Н. Грачев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные тенденции в области термообработки диэлектрических материалов направлены на поиск новых высокоэффективных и экологически чистых технологий. Одним из таких направлений является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ энергии). При разработке СВЧ устройств, предназначенных для технологических процессов термообработки диэлектрических материалов, используются свойства СВЧ нагрева: объемный характер, избирательность и чистота нагрева, высокий коэффициент преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии. Известны и описаны СВЧ устройства, реализующие технологии термообработки диэлектрических материалов в различных отраслях промышленности.
Разработка новых моделей и методов расчета как самих СВЧ устройств, так и технологических процессов нагрева диэлектрических материалов является актуальной задачей в различных отраслях промышленности. Решение этой задачи позволит улучшить качество обрабатываемых материалов за счет высокого коэффициента полезного действия СВЧ устройств, объемного и равномерного характера нагрева, поднять на более высокий уровень показатели самих технологических процессов, характеризующихся экологической чистотой и отсутствием тепловой инерции.
В настоящее время существует потребность в новых технологических процессах равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов, которые характеризуются тем, что максимальных разброс температурного поля в материале от номинального значения составляет не более 7%. К таким технологическим процессам, в частности, относятся процессы полимеризации пластических масс для стеклопластиковой арматуры, склейка древесины и многие другие.
Для высокой производительности процесса термообработки листовых материалов целесообразно использовать волноводные или замедляющие системы в режиме бегущей волны.
Проведенный анализ научных публикаций в области расчета и проектирования СВЧ устройств типа бегущей волны для равномерной термообработки диэлектрических материалов позволил выявить и сформулировать основные недостатки в этой области.
К ним, в основном, следует отнести отсутствие:
– метода расчета зависимости диэлектрических параметров материала от формы и размеров волноводных и замедляющих систем для реализации в материале равномерного температурного поля;
– моделей и методик расчета СВЧ устройств в режиме бегущей волны, которые бы учитывали зависимость постоянной затухания как от температуры, так и от влажности диэлектрического материала.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств на основе волноводных и замедляющих систем типа бегущей волны для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
– разработка моделей, методов расчета и новых конструкций СВЧ устройств волноводного типа и на основе замедляющих систем, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля в материале в режиме бегущей волны;
– исследование и разработка модели, методики и программы расчета распределения температурного поля в материале в поле бегущей волны с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.
Методы исследования Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики;
теории электромагнитного поля;
теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств (волноводного типа с изменяющимися размерами широкой и узкой стенок волноводов, замедляющих систем штыревого типа со связками).
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных физических моделей, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований (расхождение теоретических и экспериментальных результатов распределения температурного поля в исследуемых листовых диэлектрических материалах не превышает 5%), внедрением разработанных СВЧ устройств в технологические процессы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. На основе принципа суперпозиции распределения температурных полей в материале и линейного изменения геометрических размеров волновода созданы новые СВЧ устройства волноводного типа, состоящие из двух одинаковых по параметрам секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях и которые обеспечивают равномерное распределение температурного поля в материале.
2. Модели и метод расчета СВЧ устройств равномерного распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах, состоящих из одинаковых секций замедляющих систем, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно - противоположных направлениях и учитывается зависимость постоянной затухания от замедленной длины волны.
3. Модель и методика расчета распределения температурного поля в листовом материале в устройствах СВЧ нагрева типа бегущей волны, которые основаны на представлении материала в виде слоистого диэлектрика и на учете линейной зависимости постоянной затухания от температуры и влажности.
Практическая ценность результатов диссертации:
1. Разработанные модели, методы, алгоритмы, программы расчета и проектирования новых конструкций СВЧ устройств равномерного нагрева диэлектрических материалов открывают перспективы внедрения их в высокоэффективные технологические процессы различных отраслей промышленности.
2. Использование разработанных моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств позволит реализовать технологические процессы, обеспечивающие заданное распределение температуры в листовых диэлектрических материалах в режиме бегущей волны.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Представлены новые модели, методы расчета конструкций СВЧ устройств и параметров технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, отличающиеся равномерным распределением температурного поля в материале;
2. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции волноводных систем с переменным поперечным сечением для равномерной термообработки листовых материалов;
3. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции замедляющих системах и учитывающие зависимость постоянных затухания от коэффициента замедления и параметров диэлектрического материала для равномерной термообработки листовых материалов;
4. Разработана модель и методика расчета распределения температурного поля в материалах для СВЧ устройств в режиме бегущей волны, учитывающая зависимость диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно– конструкторской работе, выполненной в ЗАО НТЦ “Альфа-1”;
пяти научно– исследовательских работах, выполненных в ГНУ НИИ “Перспективные материалы и технологии” и ГОУВПО МИЭМ (ТУ);
внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ (ТУ).
Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
– на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики;
– на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17–18 мая, 2006 г. Доклад: “Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах”;
– на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17–18 мая, 2006 г. Доклад: “Распределение температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах”;
– на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20–21 сентября 2006 г.
Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах волноводного типа»;
– на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20–21 сентября 2006 г.
Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах на замедляющих системах».
Публикации. По теме диссертации сделано 4 научных доклада на всероссийских научных конференциях, опубликовано 8 статей, выпущено научно–технических отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 153 страницы, в том числе 44 рисунка, таблицы, 110 наименований списка использованных источников на страницах, 4 страницы приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Показаны основные достоинства использования сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов. Определены конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в настоящей диссертационной работе цели.
В первой главе ”СВЧ устройства термообработки листовых диэлектрических материалов ” дан аналитический обзор по отечественным и зарубежным научным публикациям в этой области, показаны недостатки и перспективы развития СВЧ устройств типа бегущей волны в применении к конкретным технологическим процессам.
Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и показаны перспективы их использования в устройствах для термообработки диэлектрических материалов. Рассмотрены основные конструкции волноводных и замедляющих систем для СВЧ устройств термообработки листовых диэлектрических материалов.
Представлены результаты анализа научных публикаций по моделям и методам расчета СВЧ устройств волноводного типа и на замедляющих системах для равномерного нагрева листовых диэлектрическими материалов с различными электрофизическими параметрами. Результаты анализа научных публикаций по созданию волноводных электродинамических систем для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов отражают три основных направления работ.
В первом направлении рассмотрены СВЧ устройства типа бегущей волны, в которых для термообработки листовых диэлектрических материалов используется прямоугольный волновод на основной волне типа H10. Материал транспортируется через узкие щели, прорезанные вдоль волновода в середине широких стенок. Для увеличения коэффициента полезного действия СВЧ устройства волновод изгибают, и такие волноводы называют меандровыми.
Анализ модели и метода расчета таких конструкций СВЧ устройств рассмотрен по известным научным публикациям [1]. В этих работах СВЧ устройство с нагреваемым листовым диэлектрическим материалом в поле бегущей волны представляют периодически нагруженной передающей линией и полагают, что величина поглощенной мощности пропорциональна постоянной затухания. Основной недостаток предлагаемой модели и метода расчета технологических режимов состоит в том, что не учитывается зависимость постоянной затухания от температуры и влажности. Кроме того, такой расчет дает оценочный характер длины электродинамической системы и коэффициента полезного действия СВЧ устройства.
Второе направление представлено работой [2], в которой приводится расчет аналогичных конструкций СВЧ установок с учетом теплообмена с окружающей средой. В работах решается краевая задача электродинамики и тепломассопереноса для капиллярно–пористых материалов. При расчете технологических режимов термообработки листовых диэлектрических материалов полагают константой величину постоянной затухания в пределах каждой секции, то есть не учитывают зависимость постоянной затухания от температуры и влажности. Кроме того, при использовании данного метода расчета параметры технологического процесса могут быть рассчитаны по определенным методикам и специальным таблицам, что ограничивает его применение.
Третье направление представлено в работе [3]. СВЧ устройство состоит из двух одинаковых секций, в которых энергии электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях. Каждая секция состоит из источника СВЧ энергии, волновода, через который проходит листовой материала, и согласованной водяной нагрузки. Используется принцип суперпозиции распределения температурного поля в материале от каждой секции СВЧ устройства. Однако разброс температурного поля в материале в таких конструкциях не всегда удовлетворяет условиям технологического процесса.
Представлены результаты анализа научных публикаций по моделям и методам расчета СВЧ устройств на замедляющих системах для равномерного нагрева листовых диэлектрическими материалов с различными электрофизическими параметрами. Так, в работе [4] на примере обобщенной модели плоской замедляющей системы показана принципиальная возможность эффективного нагрева поверхности с конечной проводимостью. К недостаткам данной работы следует отнести отсутствие экспериментальных исследований, подтверждающих справедливость предложенной модели.
Отражены основные недостатки существующих моделей и методов расчета СВЧ устройств типа бегущей волны, а также сформулированы основные научные задачи, которые необходимо решить для их преодоления.
Во второй главе “Разработка моделей и методов расчета СВЧ устройств волноводного типа” разработаны модели, метод расчета и проектирования и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов.
Показаны особенности нагрева диэлектрических материалов с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. С точки зрения классической физики рассмотрены процессы взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с материалом, приводящие к поглощению энергии поля в материале с учетом макроскопических свойств диэлектрической среды.
Поставлена и решена задача уменьшения разброса температурного поля в листовых диэлектрических материалах с использованием новых конструкций СВЧ устройств волноводного типа путем:
– анализа уравнений электродинамики, связывающих параметры диэлектрического материала с параметрами СВЧ устройства;
– исследования влияния изменения размеров узкой и широкой стенок волновода на распределение температурного поля в обрабатываемом диэлектрическом материале;
– определения границ изменения параметров волноводных систем.
Модель основана на следующих допущениях:
1. Полагаем, что волноводная система идеально согласована как с источником СВЧ энергии с одной стороны, так и с нагрузкой с другой стороны;
2. Потери тепла за счет теплоотдачи в окружающее пространство и омические потери в системе малы, и ими можно пренебречь;
Диэлектрический материал толщиной d и шириной l является 3.
однородным и обладает малой величиной теплопроводности:
Вт д = (0,17...0,19), которой в расчетах можно пренебречь.
м С o Параметры материала, который исследуется в настоящей работе:
Дж г н = 0,12;
cд = 0,8 o ;
д = 2,4 3 ;
а = 50 мм;
d = 6 мм;
l = 500 мм г С см Из уравнений Максвелла и расчета постоянной затухания методом эквивалентных схем для рассматриваемого случая получено распределение температурного поля Т ( z ) в материале:
2 d z 0,239 2 Pвх a 1 T ( z ) = Tнач ( z ) + 2 a e, сд д b a 1 2a где: Рвх – величина входной мощности;
а – размер широкой стенки волновода;
b – размер узкой стенки волновода;
– комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости материала (фактор потерь);
– время нахождения материала в поле сверхвысоких частот;
cд – теплоемкость материала;
д – плотность материала;
– длина волны источника СВЧ энергии;
Т нач ( z ) – начальное распределение температуры в материале;
z – направление распространения энергии;
d – толщина листового материала.
Предложено два способа сохранения постоянной величины напряженности электрического поля в волноводе в направлении распространения энергии электромагнитного поля:
1 способ. Изменение размера узкой стенки волновода.
Условие постоянной температуры в материале в направлении распространения СВЧ энергии определяется выражением:
2 d z 0,239 2 Pвх a 1 T ( z ) = Tнач + 2 a e = const.
сд д b ( z ) a 1 2a В этом случае необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие:
2 d z a 1 b( z ) = b(0 ) e 2 a.
На рис. 1 показано СВЧ устройство, которое состоит из двух одинаковых по конструкции и параметрам секций.
Рис. 1. СВЧ устройство волноводного типа для равномерного нагрева листовых материалов:
1 – источник СВЧ энергии;
2 – согласованная водяная нагрузка;
3 – прямоугольный волновод с линейным изменением размера узкой стенки;
4 – обрабатываемый листовой материал В каждой секции в качестве электродинамической системы используется волновод с линейной аппроксимацией узкой стенки волновода с 34 мм до мм. Энергия электромагнитного поля в секциях распространяется во взаимно– противоположных направлениях. Ограничением размера узкой стенки волновода является величина пробивного напряжения.
На рис. 2 представлен разброс теоретических и экспериментальных значений распределения температурного поля в материале после прохождения двух секций СВЧ устройства.
Т /Т 1, 1, 0, 0, 0,85 z,с м 0 10 20 30 40 Рис. 2. Разброс распределения температурного поля в материале после прохождения двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. 1: расчет (1), эксперимент (2) Таким образом, максимальный разброс температурного поля в материале в экспериментах составил не более 16°С при нагреве материала до температуры 180°С, а расхождение между теоретическими и экспериментальными характеристиками не превышало 7°С. Измерение температуры проводилось с использованием датчиков (термопара MY–64) с ценой деления 1°С.
2 способ. Изменение размера широкой стенки волновода.
Изменение широкой стенки предпочтительно, так как не изменяется объем обрабатываемого материала по сечению волновода.
В работе показано, что распределение температуры в материале определяется выражением:
2 d Pвх 1 a( z ) a( z ) z q ( z ) z T ( z ) = Tнач ( z ) + 1 e, b cд д q ( z ) q 2 (z ) где q( z ) = a( z ) 1.
2a ( z ) Ограничением размера широкой стенки волновода является критическая длина волновода.
Анализ уравнения показал, что если выбрать ширину волновода так, чтобы спад температуры в каждой секции имел линейный характер, то сложение двух характеристик даст постоянное распределение температурного поля в материале.
На рис. 3 представлено СВЧ устройство, состоящее из двух одинаковых по параметрам и конструкции секций.
Рис.3. Конструкция двухсекционного СВЧ устройства: 1 – источник СВЧ энергии;
2 – согласованная водяная нагрузка;
3 – прямоугольный волновод с линейным изменением размера широкой стенки;
4 – обрабатываемый листовой материал В каждой секции размер широкой стенки волновода изменяется по линейному закону от 72 мм до 67 мм.
На рис. 4 представлены теоретическая характеристика (прямая линия 1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля в материале при линейном изменении широкой стенки волновода от 72 мм до мм на длине 500 мм.
Т /Т m ax 1,0 0,6 0,40 z,с м 0 10 20 30 40 Рис. 4. Разброс температурного поля в листовом диэлектрическом материале после прохождения им двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. 3: расчет (1), эксперимент (2) Разброс температурного поля в материале составил не более 7°С, а расхождение между теоретическими и экспериментальными характеристиками распределения температурного поля в материале не превышает 4°С при нагреве материала до температуры 180°С.
Проведены экспериментальные исследования по распределению температурного поля в листовом материале в волноводных конструкциях устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями температуры не превышает 5%.
Таким образом, разработаны модели и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа, которые основаны на изменении геометрических размеров узкой и широкой стенок волновода и использовании принципа суперпозиции распределений температурных полей в диэлектрических материалах с различными электрофизическими параметрами.
В третьей главе диссертации: “ Разработка моделей и методов расчета СВЧ устройств на основе замедляющих систем”, предложены модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем для термообработки листовых диэлектрических материалов. Представлены аналитические методы их расчета и рассмотрены технические решения создания равномерного распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах с различными электрофизическими параметрами в режиме бегущей волны.
Показано, что для плоской конструкции замедляющей системы распределение СВЧ мощности в обрабатываемом диэлектрическом материале спадает по экспоненциальному закону от ее поверхности (ось у) и в направлении распространения СВЧ энергии (ось z). С учетом параметров обрабатываемого материала имеем:
k 2 k k зам 1 + y z P( z, у ) = Pвх e 2 4 k зам k зам k зам e, где: k – волновое число свободного пространства k = ;
k зам – коэффициент ;
– действительная часть относительной замедления k зам = зам диэлектрической проницаемости материала;
– мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости материала;
– длина волны в свободном пространстве.
1 и 1, то уравнение Если соблюдаются условия: 2 4 k зам k зам приобретает вид:
k z P( z, у ) = Pвх e 2 k k зам y e k зам.
На поверхности замедляющей системы, при условии y = 0, уравнение можно записать в виде:
k z Р ( z ) = Pвх е k зам.
Таким образом, распределение мощности вдоль оси z, в плоскости распределения максимальной температуры в обрабатываемом диэлектрическом материале y = 0, зависит только от коэффициента замедления и фактора потерь. Именно это отличие от волноводных систем позволяет реализовывать требуемые технологические процессы.
Пусть толщина обрабатываемого материала равна d, а ширина замедляющей системы и обрабатываемого материала равна а.
Распределение температуры в направлении распространения СВЧ энергии для сечения y = 0 имеет вид:
k 0,239 k z T ( z ) = Tн ( z ) + Pвх k зам е.
k зам a d cд д Предложена модель построения СВЧ устройств термообработки относительно тонких диэлектрических материалов. Модель рассмотрена при тех же предположениях, что и для волноводных систем. Конструкция СВЧ устройства представляет собой две секции, расположенные друг над другом и смещенные друг относительно друга на половину периода пространства взаимодействия с целью предотвращения «полосатого эффекта». Энергия в секциях распространяется во взаимно–противоположных направлениях, как это показано на рис. 5.
Рис. 5. Конструкция СВЧ устройства термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны: 1 – штырь;
2 – пластины;
3 – элементы типа “связка”;
4 – экран;
5 – обрабатываемый материал;
d – толщина материала;
a – ширина материала Экспериментальные точки выбирались между штырями. Основные параметры замедляющей системы ( f = 2450 МГц;
k зам = 5;
Рвх = 600 Вт ) и обрабатываемого материала:
Дж г н = 0,12;
cд = 0,8 o ;
д = 2,4 3 ;
а = 50 мм;
d = 1мм;
l = 400 мм.
г С см Область разброса экспериментальных значений распределения температурного поля в материале представлена на рис. 6.
Т /Т 1,0 0,7 8 1 z,с м 0,4 0 10 20 30 40 Рис. 6. Теоретическая характеристика (1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля в листовом диэлектрическом материале после прохождения двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температурного поля в диэлектрическом материале не превышает 5% для рассматриваемой модели построения СВЧ устройства. При этом максимальный разброс температурного поля материала в эксперименте составил 8%.
С учетом распределения температурного поля по толщине диэлектрических материалов СВЧ устройство представляет собой четыре секции, расположенные таким образом, как это показано на рис. 7.
a d v 3 4 3 Рис. 7. Устройство СВЧ термообработки диэлектрических материалов: 1 – штырь;
2 – короткозамкнутые пластины;
3 – элемент типа “связка”;
4 – металлический экран;
– диэлектрический материал;
а – ширина секции замедляющей системы;
d – толщина обрабатываемого материала Энергия в каждой из секций имеет взаимно–противоположное направление по отношению к соседним секциям.
Разброс экспериментальных значений температурного поля в листовых диэлектрических материалах после прохождения СВЧ устройства представлен на рис. 8.
Т /Т 1,0 0, 2 0, 0, 0, 0, 5 y,с м 0 0,1 0,2 0,3 0, Рис. 8. Теоретическая характеристика (1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля по толщине материала после прохождения СВЧ устройства, представленного на рис. Максимальный разброс температурного поля по толщине материала составил не более 9%.
Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик температурного поля не превышало 4 %.
Таким образом, разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля по толщине обрабатываемых материалов в поле бегущей волны.
В четвертой главе диссертации: “Модель и методика расчета СВЧ устройств с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности” рассмотрена модель и методика расчета распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.
В общем случае мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости материала при фиксированной частоте колебаний электромагнитного поля зависит от начальных и конечных значений температуры и влажности: н = (Wн, Т н );
к = (Wк, Т к ).
Распределение мощности вдоль направления распространения энергии электромагнитного поля в материале можно записать в виде:
Р( z ) = f ( z, T, W ) Рвх е 2 н (Wн,Tн ) z, где функция f ( z, T,W ) учитывает зависимость постоянных затухания от температуры и влажности по параметру z. Необходимо было найти функцию f ( z, T,W ).
В работе рассмотрена модель представления листового влажного материала в виде слоистого диэлектрика, состоящего из сухой основы и слоя воды.
Для сухих материалов параметр (T ) при начальной и конечной температуре известен и подчиняется за редким исключением прямолинейной зависимости. Зависимость = (T ) для воды на рассматриваемой частоте электромагнитного поля 2450 МГц также является линейной. Толщина слоя воды может быть определена через погонное количество воды mж :
mж d=, l b ж где: l – ширина тонкого материала;
ж – объемная плотность воды.
Метод расчета состоит в том, что постоянная затухания материала представляется в виде суммы постоянной затухания сухого материала и постоянной затухания воды. Для волноводных систем, рассмотренных во второй главе настоящей работы, имеем:
m (Т ) ж (Т н ) 2 z (Tн ) = н = d c(Т н ) + ж н, l b ж 2 a 1 2a m (Т ) ж (Т к ) 2 z (Tк ) = к = d c(Т к ) + ж к.
l b ж 2 a 1 2a Таким образом, сделан переход от зависимости диэлектрических параметров материала от влажности к единой зависимости их от температуры.
В работе приведены расчеты, подтверждающие справедливость представленной модели для древесины с влажностью 14% и 30%.
На рис. 9 показано, что расхождение рассчитанной величины постоянной затухания от температуры для экспериментальных значений фактора потерь [5] и для многослойной модели составляет менее 5%.
,1 /м Т,° С 25 35 45 55 65 75 Рис. 9. Теоретические зависимости постоянной затухания от температуры по экспериментальным значениям фактора потерь (1,3) и для многослойной модели (2,4): для влажности материала 14% (3,4) и 30% (1,2) Представляя электродинамическое устройство с нагреваемым материалом в виде нагруженной длинной линии с граничными условиями, определен закон распределения СВЧ мощности по длине материала с учетом зависимости фактора потерь от температуры:
н Р( z ) = Рвх е 2 н z.
к ( к н ) е 2 н z Зная закон распределения мощности в материале, можно рассчитать необходимую длину электродинамического устройства (l ) и коэффициент полезного действия ( z ) СВЧ установки:
Pвх Р( z ) н е 2 н z (z ) = = 1.
к ( к н ) е 2 н z Рвх Таким образом, разработана методика расчета СВЧ устройств термообработки материалов в поле бегущей волны, которая учитывает зависимость диэлектрических параметров обрабатываемого материала от температуры и влажности.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в исследовании и разработке новых конструкций СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов. При решении поставленной задачи в работе разработаны модели, методики, алгоритмы и программы расчета, научно обоснованные технические решения, которые позволили создать новые СВЧ устройства и реализовать высокоэффективные технологические процессы термообработки материалов. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволившая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно–практических задач.
Основные результаты работы:
1. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа, работающие на основной волне H10 для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов. СВЧ устройство состоит из двух одинаковых по параметрам и конструкции волноводных секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях.
В основе моделей построения новых СВЧ устройств равномерного нагрева листовых материалов лежит принцип суперпозиции распределения температурных полей в материале и линейное изменение поперечного размера узкой или широкой стенок волновода по ширине листового материала.
Если линейное изменение размера узкой стенки волновода каждой секции дает постоянное распределение температурного поля в материале, то суперпозиция распределений температуры от двух секции также будет постоянной величиной. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 9%.
Если размер широкой стенки волновода в каждой секции СВЧ устройства изменяется по линейному закону таким образом, что распределение температурного поля в материале в каждой секции изменяется также по линейному закону, то суммарное распределение температуры в материале будет постоянной величиной. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 7%.
2. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем для равномерного нагрева материала.
Модели основаны на том, что СВЧ устройства состоит из двух одинаковых секций, в которых энергия распространяется во взаимно–противоположных направлениях. С целью исключения «полосатого эффекта» секции сдвинуты друг относительно друга на половину периода пространства взаимодействия. В основе моделей построения СВЧ устройств равномерного нагрева материала лежит принцип суперпозиции распределений температурных полей в материале и зависимость постоянной затухания от диэлектрических параметров материала и замедленной длины волны. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 8%.
3. Теоретические и экспериментальные исследования по определению распределения температурного поля в материале в СВЧ устройствах волноводного типа и на основе замедляющих систем показали, что расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями температуры не превышает 5%.
4. Разработана модель и методика расчета СВЧ устройств термообработки материалов в поле бегущей волны, которая основана на представлении материала в виде слоистого диэлектрика. Для каждого слоя многослойного диэлектрического материала зависимость постоянной затухания от температуры является линейной. Расхождение теоретических и экспериментальных значений величины постоянной затухания при различной влажности материала (14% и 30%) не превышало 5%.
5. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки листовых диэлектрических материалов по толщине на основе замедляющих систем в поле бегущей волны. СВЧ устройство состоит из четырех одинаковых по конструкции и параметрам секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях. Модель основана на принципе суперпозиции распределений температурных полей в материале и учете зависимости распределения температуры по толщине материала от коэффициента замедления и диэлектрических параметров материала. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 9%.
Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:
1. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В. Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”.
2006. № 3. с. 6–8.
2. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В. Измерение распределения температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”.
2006. № 3. с. 9–19.
3. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В., Мамонтов А.В. Измерение распределения температурного поля поверхности диэлектрических материалов в лучевых СВЧ устройствах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”. 2006. № 3. с. 20–25.
4. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В., Мамонтов А.В. Измерение распределения температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”. 2006. № 3. с. 26–37.
5. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах//Труды 61 Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва.
2006. т.2. с. 314–316.
6. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Изменение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах//Труды 61 Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва.
2006. т.2. стр. 317–318.
7. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах волноводного типа//Труды международной научно– технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов. 2006. с. ??
8. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах на замедляющих системах//Труды международной научно– технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов. 2006. с. ??
Цитируемая литература:
1. Окресс Э. СВЧ–энергетика. М.: Мир. 1971. т. 2.
2. Архангельский Ю.С. СВЧ–электротермия. Саратов: СГТУ. 1998. – 408с.
3. Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В., Черкасов А.С. Методы создания равномерного температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны //Труды YI Межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”. Москва: МГУ.
2005. с. 41–45.
4. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. 2002. – 200с.
5. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. Москва: Лесная промышленность. 1986.