Моделирование тепловых режимов диэлектриков в СВЧ камерах с бегущей волной на нерегулярном прямоугольном волноводе
Расчет оптимальных параметров камеры сверхвысокой частоты с бегущей волной на нерегулярном прямоугольном волноводе для получения высокой равномерности распределения температуры в диэлектрике. Определение тепловой изоляции камеры для снижения потерь.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 23.02.2019 |
Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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
(Тс - Тв) = -(Т/n)с,
где - коэффициент теплоотдачи, равный 10 Вт/(м2К);
Тв = 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
Наименование материала |
, Вт/(м•К) |
С, Дж/(кг•К) |
, кГ/м3 |
|
Воздух |
0,037 |
1035 |
0,723 |
|
Медь |
399 |
383 |
8933 |
|
Керамика |
1,4 |
800 |
2500 |
|
Кирпич пенодиатомитовый КПД-400 |
0,12 |
980 |
400 |
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
...Подобные документы
Электромагнитные волны, распространяющиеся в линиях передачи. Особенности решения уравнений Максвелла, расчет характеристик электромагнитного поля в проводящем прямоугольном волноводе. Сравнение полученных результатов с установленными по ГОСТ значениями.
курсовая работа [660,7 K], добавлен 23.05.2013Распространение волны в прямоугольном волноводе. Система уравнений, описывающая волновод. Активная передаваемая мощность. Критическая частота при решении уравнений Максвелла. Зависимость коэффициента фазы волны от частоты в неограниченном диэлектрике.
презентация [505,9 K], добавлен 13.08.2013Расчет лампы бегущей волны О-типа. График дисперсионной характеристики. Определение коэффициента замедления и скорости электромагнитной волны. Выбор диодов СВЧ для конкретного применения. Определение энергетической накачки и частоты квантового перехода.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 13.04.2012Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков.
реферат [968,8 K], добавлен 12.02.2013Свойства монохроматического электромагнитного поля. Нахождение токов на верхней стенке волновода. Определение диапазона частот, в котором поле является волной, бегущей вдоль оси. Нахождение комплексных амплитуд векторов с помощью уравнения Максвелла.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.12.2012Характеристика тепловой нагрузки. Определение расчётной температуры воздуха, расходов теплоты. Гидравлический расчёт тепловой сети. Расчет тепловой изоляции. Расчет и выбор оборудования теплового пункта для одного из зданий. Экономия тепловой энергии.
курсовая работа [134,1 K], добавлен 01.02.2016Вектор напряжённости электрического поля в воздухе, вектора напряжённости магнитного поля, вектор Пойтинга. Цилиндрическую систему координат, с осью аппликат, направленной вдоль оси волновода. Волна первого высшего типа в прямоугольном волноводе.
задача [614,1 K], добавлен 31.07.2010Исследование распределения температуры в стенке и плотности теплового потока. Дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат. Определение максимальных тепловых потерь. Вычисление критического диаметра тепловой изоляции.
презентация [706,5 K], добавлен 15.03.2014Выбор расчетных температур и способа шлакоудаления. Расчет энтальпий воздуха, объемов воздуха и продуктов сгорания. Расчет КПД парового котла и потерь в нем. Тепловой расчет поверхностей нагрева и топочной камеры. Определение неувязки котлоагрегата.
курсовая работа [392,1 K], добавлен 13.02.2011Расчетные характеристики топлива. Материальный баланс рабочих веществ в котле. Тепловой баланс котельного агрегата. Характеристики и тепловой расчет топочной камеры. Расчет фестона, пароперегревателя, воздухоподогревателя. Характеристики топочной камеры.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 21.06.2015Краткое описание котла ДКВР-10. Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Тепловой расчет топки, определение температуры газов на выходе. Расчет ограждающей поверхности стен топочной камеры. Геометрические характеристики пароперегревателя.
курсовая работа [381,0 K], добавлен 23.11.2014Описание конструкции котла и топочного устройства. Расчет объемов продуктов сгорания топлива, энтальпий воздуха. Тепловой баланс котла и расчет топочной камеры. Вычисление конвективного пучка. Определение параметров и размеров водяного экономайзера.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 20.01.2014Поверочный тепловой и аэродинамический расчет котельного агрегата и подбор вспомогательного оборудования. Расчет расхода топлива, тепловых потерь, КПД котлоагрегата, температуры и скорости газов по ходу их движения в зависимости от его параметров.
дипломная работа [656,6 K], добавлен 30.10.2014Расчет топочной камеры котельного агрегата. Определение геометрических характеристик топок. Расчет однокамерной топки, действительной температуры на выходе. Расчет конвективных поверхностей нагрева (конвективных пучков котла, водяного экономайзера).
курсовая работа [139,8 K], добавлен 06.06.2013Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива. Составление теплового баланса котла. Определение температуры газов в зоне горения топлива. Расчет геометрических параметров топки. Площади поверхностей топки и камеры догорания.
курсовая работа [477,7 K], добавлен 01.04.2011Конструктивные характеристики котельного агрегата, схема топочной камеры, ширмового газохода и поворотной камеры. Элементарный состав и теплота сгорания топлива. Определение объёма и парциальных давлений продуктов сгорания. Тепловой расчёт котла.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 05.08.2012Определение наружного диаметра изоляции стального трубопровода с установленной температурой внешней поверхности, температуры линейного коэффициента теплопередачи от воды к воздуху; потери теплоты с 1 м трубопровода. Анализ пригодности изоляции.
контрольная работа [106,4 K], добавлен 28.03.2010Определение величин тепловых нагрузок района и годового расхода теплоты. Выбор тепловой мощности источника. Гидравлический расчет тепловой сети, подбор сетевых и подпиточных насосов. Расчет тепловых потерь, паровой сети, компенсаторов и усилий на опоры.
курсовая работа [458,5 K], добавлен 11.07.2012Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды, геометрических характеристик поверхностей нагрева, тепловой изоляции экономайзера. Проверка значений газодинамических сопротивлений. Определение изменения температуры по высоте стенки.
курсовая работа [124,3 K], добавлен 25.12.2013Описание конструкции котлоагрегата, его поверочный тепловой и аэродинамический расчет. Определение объемов, энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Расчет теплового баланса и расхода топлива. Расчет топочной камеры, разработка тепловой схемы котельной.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 07.01.2016