Моделирование тепловых режимов диэлектриков в СВЧ камерах с бегущей волной на нерегулярном прямоугольном волноводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование тепловых режимов диэлектриков в СВЧ камерах с бегущей волной на нерегулярном прямоугольном волноводе

С.В. Тригорлый, Н.С. Голинских Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Аннотация

Рассчитана камера с бегущей волной на нерегулярном прямоугольном волноводе для нагрева диэлектриков. Для равномерного нагрева и снижения тепловых потерь рассчитана тепловая изоляции камеры. Проведенные тепловые расчеты подтвердили эффективность установленной тепловой изоляции

Ключевые слова: СВЧ установка, камера с бегущей волной, нерегулярный волновод, нагрев диэлектриков, тепловая изоляция, математическое моделирование

Abstract

Designed camera with traveling wave on irregular rectangular waveguide dielectric heating. For even heating and reduce heat loss calculated thermal isolation chamber. Conducted heat calculations confirmed the efficiency of the installed thermal insulation

Keywords: microwave installation, camera with traveling wave, irregular waveguide, dielectric heating, thermal insulation, mathematical modeling

диэлектрик тепловой изоляция волновод

Для термообработки небольших объемов диэлектрических материалов применяются СВЧ камеры с бегущей волной (КБВ) на нерегулярном прямоугольном волноводе, которые позволяют при определенных условиях получить высокий КПД и высокую равномерность распределения температуры в диэлектрике. В ряде технологических процессов, например, при получении новых материалов с заранее заданными свойствами, равномерность нагрева диэлектрика является ключевым требованием.

Целью данной работы является расчет оптимальных параметров СВЧ камеры для заданного диэлектрика и расчет теплоизоляции для достижения необходимой равномерности нагрева. Конструкции СВЧ рабочих камера на нерегулярном прямоугольном волноводе приведены в [1], а также на рис. 1.

Методика расчеты оптимальных размеров камеры (длины и ширины обрабатываемого диэлектрика) представлены в [2]. Результаты математического моделирования СВЧ камеры на нерегулярном волноводе для термообработки керамики при средней температуре 200 ^оС выполнены с помощью программы MathCAD [2]. Для приведенных выше исходных данных оптимальная длина рабочей камеры составила 25 сантиметров, а оптимальная толщина объекта термообработки 1 сантиметр. Эскиз конструкции СВЧ камеры для нагрева керамики представлен на рис. 1.

Рисунок 1 - СВЧ рабочая камера на нерегулярном прямоугольном волноводе: 1 - неоднородный волновод; 2 - нагреваемый диэлектрик; 3 фланец.

Для повышения энергетической эффективности работы СВЧ установки для нагрева керамики необходимо предусмотреть тепловую изоляцию рабочей камеры. В качестве теплоизоляции предлагается использовать легковесный пенодиатомитовый кирпич типа КПД-400 с низким коэффициентом теплопроводности (см. табл. 1).

Расчет толщины тепловой изоляции проводим, исходя из следующих положений:

- максимальная температура нагрева керамики составляет 573К (300 ⁰С);

- допустимая температура наружной поверхности в процессе термообработки не должна превышать 343К (70 ⁰С);

- расчет проводим в предположении, что плоская внутренняя стенка теплоизоляции нагрета до температуры 573К, а теплопередача осуществляется в направлении одной координаты.

В Приложении А проведен расчет толщины изоляции при указанных выше исходных данных с применением системе MathCAD. Для пенодиатомитовой изоляции в стационарном тепловом режиме расчетная толщина составляет 3,9 см.

Для определения необходимого времени нагрева керамики в СВЧ камере на нерегулярном волноводе с теплоизоляцией проведено математическое моделирование процесса нестационарной теплопроводности в среднем поперечном сечении СВЧ рабочей камеры (см. рис.2).

Расчеты выполнялись для двумерной задачи теплопроводности в предположении, что теплопередачей в продольном направлении можно пренебречь, поскольку длина камеры значительно превышает ее ширину. Предполагалось также, что за счет конструкции СВЧ генератора, удается добиться равномерного тепловыделения в нагреваемом диэлектрике по всей длине камеры.

В этом случае задача сводится к решению дифференциального уравнения теплопроводности

Рисунок 2 - Поперечное сечение теплоизолированной СВЧ камеры с разбивкой области на треугольные элементы: 1 - воздушный промежуток; 2 - теплоизоляция; 3 - нагреваемый диэлектрик; 4 - СВЧ камера

,

где с, , - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности;

- мощность внутренних источников тепла в керамике, обусловленная диэлектрическими потерями в поле СВЧ;

Р =600 Вт - мощность СВЧ генератора;

V = 25•1•9 = 225 см³ -объем нагреваемого диэлектрика.

Тогда .

Граничные условия на внешней поверхности теплоизоляции имеют вид

(Т_с - Т_в) = -(Т/n)_с,

где - коэффициент теплоотдачи, равный 10 Вт/(м²К);

Т_в = 293К - температура окружающего воздуха.

Данная задача нестационарной теплопроводности решалась с помощью метода конечных элементов с использованием программы ELCUT. При этом рассматриваемая область разбивалась на треугольные конечные элементы (рис. 2.). Теплофизические свойства материалов керамики, СВЧ камеры и теплоизоляции приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Теплофизические свойства объекта нагрева, элементов СВЧ камеры с бегущей волной и теплоизоляции

Результаты расчетов поля температуры и зависимости температуры керамики, стенки камеры и теплоизоляции от времени представлены на рис. 3 и 4.

По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Для достижения необходимой температуры нагрева керамик 573К при мощности СВЧ генератора 600 Вт требуется около 7 мин.

2. Перепад температур по ширине и толщине диэлектрика составляет около 50К. Поэтому для выравнивания температуры по объему диэлектрика требуется периодическое отключение мощности (работа СВЧ генератора в импульсном режиме).

3. За время термообработки диэлектрика до 10 мин теплоизоляция нагревается на толщину около 2 - 3 см (при общей толщине 3,9 см). Поэтому при использовании СВЧ камеры в кратковременном режиме толщина изоляции может быть уменьшена до 3 см.

Рисунок 3 - Температурное поле после 10 мин нагрева

Рисунок 4 - Зависимости температуры керамики, стенки камеры и теплоизоляции от времени:

Литература

1. Архангельский Ю.С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки: учебное пособие / Ю.С. Архангельский. - Саратов: Сарат. гос. техн. Ун-т, 2008. 343 с.

2. Компьютерное моделирование СВЧ электротермических процессов и установок / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. 212 с.

Приложение А

Размещено на Allbest.ru