СВЧ нагревательные устройства резонаторного типа с регулируемым подводом электромагнитной мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СВЧ нагревательные устройства резонаторного типа с регулируемым подводом электромагнитной мощности

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ - устройства и их технологии

СЕМЕНОВ Александр Эдгарович

Саратов 2008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

нагревательный установка резонаторный электродинамика

Актуальность темы.

Основным требованием к СВЧ нагревательным установкам, позволяющим интенсифицировать процесс термообработки диэлектрических материалов является создание однородной удельной плотности тепловых источников (q_V=const) в объеме обрабатываемого материала. Особую актуальность данная задача приобретает в наиболее распространенных в технике и энергетике СВЧ установках резонаторного типа, поскольку наличие резонансных свойств в рабочих камерах данного типа, приводит к резкой неоднородности распределения электрического поля в области расположения материала и, соответственно, к неравномерности его нагрева. Попытки механического перемещения обрабатываемого материала в рабочей камере (вращение поддона с продуктом) не позволяют снизить перепад температур ?t нагреваемого материала в силу радиальной неоднородности распределения тепловых источников в поглощающем СВЧ-мощность материале. Также малоэффективным оказывается использование диссекторов в области источников электромагнитного поля, поскольку продукт в СВЧ-печах находится в дальней зоне возбуждения, а эффективность влияния диссектора на электрическое поле определяется лишь ближней зоной возбуждения.

Данное положение в основном определяется тем, что во всех бытовых СВЧ нагревательных установках резонаторного типа используется однощелевое возбуждение рабочей камеры без электронного управления подачей электромагнитной мощности в область взаимодействия поля с обрабатываемым материалом. При этом отличительной чертой системы возбуждения в данных установках является расположение источника возбуждения в рабочей камере установки (излучающая щель, как правило, располагается на верхней или боковой стенках резонатора). Данное техническое решение не позволяет увеличить число степеней свободы для достижения требуемого уровня распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, обеспечивающего заданный режим термообработки. Это принципиальная и важная в технике и энергетике СВЧ задача, требующая принципиально новых технических решений, связанных с созданием возбуждающих систем с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа, при котором обеспечивается заданное распределение тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. При этом указанная задача должна быть решена чисто электродинамическим методом без использования механического перемещения нагреваемого материала. Данный подход позволяет создать СВЧ нагревательные установки резонаторного типа бытового назначения нового поколения, отличающиеся более высоким уровнем равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов.

Это весьма актуальная и практически важная задача, которая требует проведения комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением и различными распределенными системами возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах с электронным управлением подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру. Данные исследования требуют решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ), которая для резонаторных систем с произвольным диэлектрическим заполнением представляет значительные трудности. Учитывая данное положение, для решения указанной задачи необходимо разработать эффективные методы решения ВКЗЭиТ, которые позволят оптимизировать систему возбуждения резонаторной рабочей камеры, обеспечивающую заданный электротехнический процесс термообработки.

Цель диссертационной работы.

Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ-установок резонаторного типа при различных системах распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, направленных на достижение требуемого уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, при котором обеспечивается заданный технологический процесс термообработки.

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи были использованы: методы математической физики решения задач электродинамики и теплопроводности; методы линейной алгебры; графоаналитический метод; метод эквивалентных схем; теория графов; метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье; объектно-ориентированные методы вычислений.

Научная новизна.

1._Предложена математическая модель процесса возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок резонаторного типа посредством распределенных, многощелевых систем возбуждения, позволяющая определить эффективность влияния управлением потоком электромагнитной мощности на уровень распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.

2._Предложена методика решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных СВЧ нагревательных структур с распределенными системами возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере с частичным поглощающим СВЧ-мощность диэлектрическим заполнением.

3._Определены численный метод и алгоритм решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности при произвольном характере заполнения рабочей камеры обрабатываемым материалом с учетом изменения электрофизических и тепловых свойств нагреваемого материала.

4._Проведено комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств рабочих камер, позволяющее оценить степень влияния распределенных, многощелевых систем возбуждения на уровень однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, равномерности его нагрева.

5._Предложена методика повышения эффективности управления подачей СВЧ-мощности в рабочую камеру СВЧ нагревательных установок резонаторного типа, направленная на достижение требуемого уровня однородности теплового поля в объеме обрабатываемого материала.

6. Проведены экспериментальные исследования электродинамических свойств различных распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах резонаторного типа, которые показали перспективность их использования для достижения требуемого уровня равномерности нагрева.

7._Предложена и экспериментально апробирована методика определения режима управления потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру резонаторного типа, при котором достигается минимальный градиент температурного поля в объеме обрабатываемого материала без использования механического перемещения образца, что является основой создания СВЧ нагревательных установок нового поколения.

8. Установлены критерии оценки уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и равномерности его нагрева в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа, позволяющие определить эффективность использования распределенных систем возбуждения для обеспечения заданного технологического процесса термообработки.

Практическая значимость.

1._Даны практические рекомендации по оптимизации численных методов решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности применительно к исследованию электродинамических и тепловых свойств рабочих камер СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с распределенными, многощелевыми системами возбуждения электромагнитного поля.

2._Разработаны конструкции распределенных, многощелевых (трех- и четырехщелевых) систем возбуждения электромагнитного поля резонаторных рабочих камер прямоугольной формы, которые обладают большими функциональными возможностями в достижении требуемого уровня равномерности нагрева, чем стандартные системы возбуждения микроволновых печей.

3._Даны практические рекомендации по оптимизации режима подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру посредством электронного управления распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющие уменьшить градиент температуры нагрева в объеме обрабатываемого материала в СВЧ-установках резонаторного типа.

4._Даны практические рекомендации по созданию СВЧ нагревательных установок резонаторного типа нового поколения с электронным управлением потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру, позволяющие обеспечить требуемый уровень равномерности нагрева без применения устройств механического перемещения обрабатываемого материала.

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, 2004, 2006, 2007), «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы.» (Саратов, ОАО «НПП «Контакт», 2007), «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-ХХI, Саратов, СГТУ, 2008).

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлены корректностью постановки неоднородной математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с произвольными диэлектрическими, поглощающими СВЧ-мощность материалами в резонаторных системах с распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, точной формулировкой граничных условий на внутренней поверхности рабочей камеры и на границе раздела сред, использованием современных, высокоточных численных методов решения совместной неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, экспериментальным исследованием электродинамических свойств различных распределенных, многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля.

Реализация результатов.

Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, грантах, и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО «НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука», ЗАО НПЦ «Алмаз - Фазотрон».

Публикации.

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них три работы - в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа содержит 181 страницу, состоит из введения, трех глав, заключения и включает 63 рисунка, а также список использованной литературы, содержащий 102 наименования.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертационной работе результаты расчета электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур с распределенной системой возбуждения электромагнитного поля получены автором самостоятельно, кроме того в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методики и проведении экспериментальных исследований СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с распределенной системой возбуждения электромагнитного поля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1._Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность заполнением, в установках резонаторного типа с многощелевой, распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, позволяющая определить конструкцию системы возбуждения и режим подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру, при котором обеспечивается заданный технологический процесс термообработки.

2._Методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств резонаторных систем с частичным, поглощающим СВЧ-мощность заполнением с учетом особенностей поверхностного, распределенного источника возбуждения, базирующаяся на решении неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности и позволяющая определить эффективность многощелевой системы возбуждения для обеспечения заданного режима термообработки.

3._Методика определения режима изменения электродинамических параметров распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере резонаторного типа в процессе термообработки, основанного на электронном управлении свойствами излучающей щели и позволяющего обеспечить требуемое распределение тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, соответствующее заданному процессу термообработки.

4._Результаты экспериментальных исследований электродинамических свойств распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах резонаторного типа и определение режима управления потоком СВЧ-мощности, при котором достигается минимальный градиент температурного поля в объеме обрабатываемого материала без механического перемещения образца, что является основным условием создания нового класса СВЧ нагревательных установок бытового назначения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольными диэлектрическими, поглощающими СВЧ-мощность материалами, позволяющая проводить комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок резонаторного типа при различных системах возбуждения электромагнитных процессов в рабочей камере, что дает возможность определить основные принципы построения распределенных, многощелевых систем возбуждения, которые обеспечивают требуемый уровень однородности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, заданный электротехнологический процесс термообработки. В основе данной модели лежат обобщенные волновые уравнения Гельмгольца и уравнение теплопроводности.

В основе решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ для СВЧ нагревательных систем резонаторного типа лежит метод частичных областей, который для пространства рабочей камеры, не занятого обрабатываемым материалом, представляется неоднородным уравнением Гельмгольца:

,

, (1)

и соответственно для области, занятой диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность материалом, ВКЗЭиТ определяется системой однородных уравнений Гельмгольца и неоднородным уравнением теплопроводности, тепловой источник в котором определяется напряженностью электрического поля в объеме обрабатываемого материала:

,

, (2)

,

, (3)

где , - вектора напряженности электрического и магнитного полей в резонаторной камере; е₀ и ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости воздушной среды, а е и - диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрического материала; - удельная теплоемкость и плотность, а л_Т - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; - температура нагрева; у - удельная электропроводность материала; , - сторонние токи и заряды.

Соотношения (1)-(3) в совокупности с граничными и начальными условиями определяют ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных однородным, изотропным, поглощающим СВЧ-мощность материалом, с произвольной системой возбуждения электромагнитного поля. При этом неоднородная ВКЗЭиТ решается в приближении независимости сторонних источников поля от порождаемого ими электромагнитных полей, что позволяет сосредоточить основное внимание на оценке эффективности распределенной системы возбуждения для достижения требуемого уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала.

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

В данной главе приведены алгоритм и программа численного решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ для резонаторных структур, частично заполненных поглощающим материалом, позволяющие не только провести комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств рабочей камеры, но и оценить эффективность распределенных, многощелевых систем возбуждения для реализации требуемого технологического процесса термообработки. Таким образом, предложенные математическая модель, метод решения совместной неоднородной ВКЗЭиТ, алгоритм и программа численного исследования электродинамических и тепловых свойств позволяют определить структуру электромагнитного поля в резонаторе и удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, следовательно, равномерность его нагрева.

Во второй главе проведен комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур прямоугольной формы, частично заполненных диэлектрическим материалом произвольной формы при распределенных, многощелевых системах возбуждения электромагнитного поля. Основное внимание при этом было уделено исследованию излучающих свойств трех- и четырехщелевых систем возбуждения, распределению электрического поля в рабочей камере и теплового поля в объеме обрабатываемого материала.

Излучающие щели прямоугольной формы (рис.1) расположены на расстоянии Л_В/2 друг от друга (Л_В - длина волны в подводящем в рабочую камеру СВЧ-мощность прямоугольном волноводе), при этом сечение волновода для трехщелевой системы возбуждения - 4590 мм, а для четырехщелевой системы - 45110 мм.

Рис. 1

В ходе исследований электродинамических и тепловых свойств варьировались объем и положение поглощающего СВЧ-мощность материала, электрофизические и тепловые параметры обрабатываемого материала, а также размеры излучающих щелей. Расчет собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля проводился методом конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок. При расчете теплового поля в образцах стандартной формы использовался аналитический метод решения, то есть в данном случае ВКЗЭиТ решалась комбинированным (численно-аналитическим) методом.

Наиболее сложной задачей техники и энергетики СВЧ является обеспечение требуемого уровня распределения тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в самых распространенных установках резонаторного типа, при котором максимально полно реализуется заданный технологический процесс термообработки. Это объясняется тем, что в выпускаемых промышленностью бытовых СВЧ-печах образец располагается на дне рабочей камеры, в то время как источник электромагнитного поля (одиночная прямоугольная щель) - на верхней поверхности резонатора, то есть обрабатываемый материал находится в дальней зоне возбуждения, где структура электромагнитного поля в основном определяется электродинамическими свойствами рабочей резонаторной камеры. Поскольку для целей бытового использования СВЧ- энергии отпущен достаточно узкий диапазон рабочих частот (х=2450±2,5 МГц), то это приводит к резкой неоднородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а следовательно, к неравномерности его нагрева. На рис.2 приведена структура теплового поля в образце расположенном на дне рабочей камеры печей СП-23-1 ЗИЛ (Россия) и LG MS-192U (Южная Корея), соответственно рис.2, а и рис.2, б, в которых наглядно показано, что в данных установках без использования механического перемещения образца наблюдается высокий уровень неравномерности нагрева обрабатываемого материала. В качестве поглотителя СВЧ-мощности использовалась вода, разлитая в 16 пластиковых стаканчиков. Уровень неравномерности теплового поля, приведенного на рис.2, составляет з=1,5 (печь СП-23-1 ЗИЛ) и з=1,62 (печь LG MS-192U), при установленной международной норме (з0,3) для бытовых микроволновых печей резонаторного типа (; где , и -соответственно максимальная и минимальная температуры в образце; -средняя температура нагрева воды; - температура воды до начала процесса нагрева.

В данной главе диссертационной работы показано, что единственным способом повышения уровня равномерности нагрева является использование в резонаторных камерах распределенных, многощелевых систем возбуждения требуемой структуры электрического поля в области размещения обрабатываемого материала и создание систем электронного управления потоком СВЧ-мощности, излучаемой трех- и четырехщелевыми решетками в процессе термообработки. Это требует проведения комплексных исследований электродинамических свойств многощелевых излучающих систем, а также структуры теплового поля в различных диэлектрических, поглощающих СВЧ-мощность материалах. На рис.3 приведены результаты численного решения неоднородной ВКЗЭ для резонаторной структуры прямоугольной формы с частичным диэлектрическим заполнением, электромагнитное поле в которой возбуждается трех- и четырехщелевой системой возбуждения. Структура электрического поля приведена для первого типа колебания и диэлектрического материала, расположенного на нижней стенке рабочей камеры. Учитывая, что электромагнитное поле в резонаторе носит трехмерный характер, то его пространственное представление (рис.3) дано в сечениях (перпендикулярных оси ОХ) с использованием цветовой гаммы. Преимуществом данного подхода решения ВКЗЭиТ является возможность теоретически оценить влияние положения короткозамыкающих поршней в подводящем СВЧ-мощность прямоугольном волноводе на структуру электромагнитного поля в резонаторной камере и в области расположения обрабатываемого материала.



а) 6)

з=1,5; Р_ВЫХ=700 Вт; ф=6 мин; з=1,62; Р_ВЫХ=700 Вт; ф=3 мин;

V=2400 мл; t_НАЧ=7 ⁰С; V=1280 мл; t_НАЧ=9 ⁰С;

Дt=19,56 ⁰С; КСВ=2,7 Дt=14,6 ⁰С; КСВ=4,1

Рис. 2

В третьей главе предложена методика экспериментального определения эффективности распределенных, многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторных структурах с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность заполнением в достижении требуемого уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, при котором наиболее полно реализуется заданный электро-технологический процесс термообработки.



а)

б)

Рис. 3

Данная методика состоит из двух этапов независимых измерений. На первом этапе проводятся «холодные» панорамные измерения (на малых уровнях СВЧ-мощности), в ходе которых определяются КСВ резонаторной камеры с частичным диэлектрическим заполнением и оптимальное положение короткозамыкающих поршней в прямоугольном волноводе, посредством которого СВЧ-мощность от магнетрона подается в рабочую камеру при помощи многощелевой системы возбуждения электромагнитного поля. На втором этапе проводятся динамические исследования, в ходе которых определяются распределение теплового поля в обрабатываемом материале и уровень поглощенной мощности Р_погл, то есть КПД установки. Поглотителем СВЧ-мощности в данных исследованиях является вода, разлитая в пластиковые стаканчики, которые равномерно расположены на нижней стенке резонатора. Измерения проводились для различных объемов поглотителя (20, 40, 60 г. в стаканчике) и различных положений нагреваемого материала по высоте рабочей камеры.

Проведенные в данной главе диссертации исследования позволили установить, что распределенные системы возбуждения более эффективны в достижении требуемого уровня однородности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, нежели традиционно используемые, однощелевые системы возбуждения. При этом оценка эффективности произвольной системы возбуждения определяется посредством коэффициента уровня равномерности нагрева - з. На рис. 4 приведены результаты экспериментального исследования структуры теплового поля в обрабатываемом материале при трех- (рис.4, а) и четырехщелевых (рис.4, б) системах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере СВЧ печи LG MS-192U (Южная Корея), поглощающий материал в которой расположен на нижней стенке резонатора, при этом система возбуждения находится на верхней стенке резонатора.

В данной диссертационной работе исследуется наиболее жесткий режим возбуждения электромагнитного поля, при котором обрабатываемый материал находится в дальней зоне возбуждения, в которой наиболее полно проявляются резонансные свойства рабочей камеры, что приводит к максимальной неоднородности теплового поля. Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных на рис.2 и рис.4, показывает, что применение распределенных систем возбуждения позволяет повысить уровень равномерности нагрева материала на 30-40%. Данное положение представляет значительный практический интерес, поскольку улучшение качества термообработки практически не связано с увеличением стоимости СВЧ- печи.

Дальнейшее повышение эффективности распределенных систем возбуждения электромагнитного поля связано с электронным управлением подачей СВЧ мощности в рабочую камеру. Управление потоком мощности, направляемой многощелевой решеткой в резонатор, может осуществляться различными способами, в частности, посредствам переключающих p-i-n диодов. В данной диссертационной работе предложена методика определения режима управления подачей СВЧ- мощности в рабочую камеру путем изменения конструкции излучающей щели посредством металлических перемычек в каждой из излучающих щелей.

На рис.5 приведена схема возможных перемыканий щели, которая изменяет режим подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру. Исследуя уровень СВЧ-мощности, поглощенной материалом, и распределение теплового поля в объеме обрабатываемого материала в процессе термообработки для каждого из приведенных на рис. 5 вариантов излучающей системы, можно определить наиболее приемлемый режим электронного управления системой возбуждения, при котором наиболее полно реализуется заданный технологический процесс термообработки

Рис. 4

Таблица № 1 распределения температур по 16 зонам.

ДT	5	5	7	3			TCP =	35,4
6	37	31	31	36	135		T0 =	22
4	39	36	35	38	148		ДT =	13,4
4	39	35	38	35	147		з =	0,6
7	34	31	33	38	136		Tmax =	39,0
	149	133	137	147	TУ		Tmin=	31,0
							PПОГ =	675



Рис. 5

. При этом время термообработки для каждой вариации конструкции излучающей решетки в совокупности должно соответствовать времени термообработки материала. Данная методика универсальна тем, что не требуется конкретизации технического решения перемыкания щели в процессе термообработки, которое может быть реализовано различными способами. При этом режим электронного управления процессом излучения СВЧ-мощности существенно зависит от технологического процесса термообработки, габаритов и физических свойств нагреваемого материала.

На рис. 6 приведено итоговое тепловое поле, полученное при вариации геометрии источника в процессе термообработки для поглощающего материала (вода в объеме 40 г. в стаканчике), расположенного на нижней поверхности рабочей камеры. Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 5 и рис. 6, показывает, что электронное управление распределенной системой возбуждения позволяет повысить уровень равномерности нагрева и соответственно качество готовой продукции. Данное положение представляет несомненный интерес для разработчиков в СВЧ -энергетике, поскольку создает основу для создания установок бытового назначения нового поколения без использования механического перемещения обрабатываемого материала.

Таблица № 2 распределения температур по 16 зонам

Таблица № 3 распределения температур по 9 зонам

Рис. 6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1._Предложена математическая модель процесса возбуждения электромагнитного поля с диэлектрическим, поглощающим СВЧ- мощность материалом в резонаторных структурах, позволяющая провести комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств рабочих камер с учетом особенностей распределенной системы возбуждения электромагнитного поля и определить эффективность использования данных систем для достижения требуемого уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала.

2._Приведена методика оперативного численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных камер с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением при различных распределенных, многощелевых системах возбуждения электромагнитного поля, позволяющая определить удельную плотность тепловых источников и уровень равномерности теплового поля в объеме обрабатываемого материала.

3._Предложен эффективный подход численного решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных структур прямоугольной формы с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением с произвольной распределенной системой возбуждения электромагнитного поля, в основе которого лежат метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок и метод конечных разностей с использованием быстрого преобразования Фурье.

4._Проведен комплексный анализ электродинамических свойств резонаторных камер прямоугольной формы с частичным диэлектрическим заполнением при различных конструкциях распределенной, многощелевой системы возбуждения электромагнитного поля, который показал, что применение данных систем возбуждения в технике и энергетике СВЧ позволяет достичь более высокого темпа нагрева и большей равномерности распределения тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, чем при использовании традиционных систем возбуждения.

5._Предложена методика экспериментального исследования эффективности распределенных систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторных структурах с частичным поглощающим СВЧ- мощность заполнением, направленная на достижение требуемого уровня распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материла, при котором обеспечивается заданный электротехнологический процесс термообработки.

6._Разработаны конструкции трех- и четырехщелевых систем возбуждения электромагнитного поля в резонаторных структурах прямоугольной формы с частичным диэлектрическим заполнением и проведены экспериментальные исследования электродинамических и тепловых свойств данных систем, а также определены уровень потока СВЧ- мощности в рабочую камеру и распределение теплового поля в объеме обрабатываемого материала, показавшие целесообразность применения распределенных систем возбуждения для реализации заданного процесса термообработки и улучшения выходных параметров готовой продукции.

7._Показано, что использование электронного управления потоком СВЧ-мощности, излучаемой в рабочую камеру резонаторного типа распределенной системой возбуждения, приводит к увеличению уровня рассеиваемой в материале электромагнитной энергии и повышению уровня однородности распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, то есть улучшению равномерности нагрева.

8._Предложена методика экспериментального исследования эффективности распределенных, многощелевых систем возбуждения электромагнитного поля с электронным управлением потоком СВЧ- мощности в рабочую камеру резонаторного типа и определения режима управления системой возбуждения, соответствующего заданному электротехнологическому процессу термообработки.

9._Проведена экспериментальная оптимизация электронного управления распределенными системами возбуждения электромагнитного поля в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа, исследованы электродинамические и тепловые свойства рабочих камер, частично заполненных поглощающим материалом, при всех возможных изменениях конструкции системы возбуждения и определен режим управления потоком СВЧ-мощности, при котором обеспечивается заданный технологический процесс термообработки.

10._Показано, что в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа с электронным управлением потоком СВЧ-мощности от распределенных систем возбуждения в рабочую камеру можно достичь требуемого технологического уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала без использования устройств механического перемещения образца (вращающийся столик), что является необходимым условием создания бытовых СВЧ -печей нового поколения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1._Семенов А.Э. Собственные параметры и структура электромагнитного поля СВЧ-резонаторов произвольной конфигурации / Е.А. Куриленко, В.В. Одуев, А.Э. Семенов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. №1 (10). Вып.1. С.72-78.

2._Семенов А.Э. Временные характеристики импульсного СВЧ нагрева элементарного объема изотропного материала / Д.И. Карпов, А.Э. Семенов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. №4 (1). Вып.1. С.146-150.

3. Семенов А. Э. Электродинамические и тепловые свойства СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с многощелевым возбуждением / В. А. Коломейцев, В. С. Ремнев, А. Э. Семенов / / Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №2 (32). Вып. 1. С.126-131.

В других изданиях:

4._Семенов А.Э. Автоматизированный расчет плавных нелинейных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и П-волноводом / А.Э. Семенов, В.А. Коломейцев, А.А. Марковский, А.В.Иванов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника и связь»: Саратов: СГТУ, 2004. С.178-182.

5._Семенов А.Э. Численный метод совместного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением / А.Э. Семенов, Т.Р. Салахов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника и связь»: Саратов: СГТУ, 2006. С.233-239.

6._Семенов А.Э. Исследования влияния короткозамкнутых поршней на структуру поля резонаторной камеры с многощелевой системой возбуждения / В.А. Коломейцев, А.Э. Семенов, В.С. Ремнев, Ф.З. Хамидуллин // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника и связь»: Саратов: СГТУ, 2007. С.241-244.

7._Семенов А.Э. Исследование тепловых свойств резонаторных камер с распределенным возбуждением электромагнитного поля / А.Э. Семенов, В.А. Коломейцев, В.С. Ремнев, Ф.З. Хамидуллин // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника и связь»: Саратов: СГТУ, 2007. С.237-241.

8._Семенов А.Э. Анализ структуры электромагнитного поля собственных колебаний прямоугольной резонаторной камеры, частично заполненной диэлектрическим материалом / А.Э. Семенов, П.В. Замоторин, В.С. Рыбков, Ф.З. Хамидуллин // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Радиотехника и связь»: Саратов: СГТУ, 2007. С.231-237.

9._Семенов А.Э. Плавные линейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводными структурами сложного поперечного сечения / И.И. Салимов, А.Э. Семенов, А.И. Сухов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы». Вып. II. Саратов: СГТУ, 2007. С.178-181.

10._Семенов А.Э. Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводными структурами сложного поперечного сечения / И.И. Салимов, А.Э. Семенов, И.И. Наврузов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы». Вып. II. Саратов: СГТУ, 2007. С.181-187.

11._Семенов А.Э. Структура поверхностных токов в циллиндрическом и коаксиальном волноводах / А.Э. Семенов, В.А. Коломейцев, В.А. Косолап // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-ХХI). Саратов: СГТУ, 2008.С.55-57

Размещено на Allbest.ru

...