Суперпозиционный метод формирования заданного распределения температурного поля в СВЧ нагревающих устройствах лучевого типа
Краткая история, источники и характеристики микроволнового излучения. Свойства и применение диэлектрических материалов. Особенности распространение электромагнитных волн. Использование принципа Гюйгенса-Кирхгофа при расчете СВЧ устройства лучевого типа.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | аттестационная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.08.2016 |
| Размер файла | 3,3 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://allbest.ru
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Московский институт электроники и математики
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Суперпозиционный метод формирования заданного распределения температурного поля в СВЧ нагревающих устройствах лучевого типа
Студента Жиляковой Марии
образовательной программы бакалавриата
Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Руководитель ВКР к.т.н., доцент Мамонтов А.В.
Руководитель ВКР к.т.н., доцент Назаров И.В
Рецензент: д.т.н., доцент Хриткин С.А.
Москва 2016 г.
Оглавление
Введение
Глава 1. Микроволновое излучение
1.1 Краткая история микроволнового излучения
1.2 Преимущества СВЧ нагрева перед конвективными методами нагрева
1.3 Сферы применения СВЧ нагрева
1.4 Источники СВЧ энергии
Глава 2. Свойства диэлектрических материалов
2.1 Физические основы термообработки диэлектрических материалов
2.2 Распространение электромагнитных волн
2.3 Передача тепла при СВЧ нагреве
2.4 Неравномерность микроволнового нагрева
2.5 Прямоугольный волновод как излучающая антенна
2.6 Принцип Гюйгенса-Кирхгофа
2.7 Факторы, влияющие на микроволновый нагрев
Глава 3. Расчет СВЧ устройства
3.1. Расчет СВЧ устройства лучевого типа
3.2 Перспективы микроволнового нагрева
Заключение
Список источников
Введение
СВЧ нагрев является широко используемой технологией термообработки диэлектрических материалов, так как обладает рядом преимуществ перед конвективными методами нагрева. Данная область является динамично развивающейся сферой исследований, в которой существует ряд задач, решение которых позволит резко увеличить эффективность нагрева, а также найти новые возможности применения СВЧ установок в обработке диэлектрических материалов. Одной из таких задач является разработка новых методов расчета СВЧ устройств и технологических процессов равномерного нагрева диэлектрических материалов.
В работе приведен метод расчета СВЧ устройства лучевого типа для термообработки диэлектрических материалов. В качестве вводов используются антенны в виде открытых прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10. Данный метод расчета основан на принципе суперпозиции, с учетом уравнений Гюйгенса - Кирхгофа, а также использованием эмпирических коэффициентов. Результаты расчета сопоставляются с данными, полученными в ходе эксперимента.
Глава 1. Микроволновое излучение
1.1 Краткая история микроволнового излучения
До ранних 1940 годов использование микроволнового излучения ограничивалось коммуникациями и системами обнаружения, в которых сверхвысокие частоты использовались для передачи сообщения в виде сигнала. микроволновый излучение электромагнитный волна
В 1944 году был обнаружен потенциал для применения микроволнового излучения для термообработки материалов П. Спенсером.
В 1947 году фирма Raytheon представила СВЧ установку для размораживания продуктов, а в 1955 году была запатентована первая бытовая СВЧ печь. В последствии были обнаружены значительные преимущества СВЧ нагрева перед конвективными методами нагрева, что позволило СВЧ нагреву найти широкое применение в промышленной обработке пищевых продуктов для таких процессов, как размораживание, сублимационная сушка, стерилизация и пастеризация.
Ранние применения СВЧ нагрева в промышленности ограничивались вулканизацией каучука. Микроволновое излучение до сих пор используется для решения этих задач, а также многих других, указанных в разделе 1.2.
1.2 Преимущества СВЧ нагрева перед конвективными методами нагрева
Термообработка с помощью СВЧ нагрева обладает принципиальными отличиями от конвективного метода нагрева. Традиционные методы нагрева основываются на одном или нескольких методах теплопередачи благодаря конвекции, теплопроводности или излучения для передачи тепловой энергии материалу.
Во всех трех случаях энергия распределяется по поверхности материала, таким образом, градиент температуры направлен внутрь материала, при этом на поверхности материала показатели температуры максимальны. При СВЧ нагреве микроволновая энергия взаимодействует не только с поверхностью обрабатываемого материала, но и распределяется по всему объему материала.
Проникновение СВЧ излучения внутрь материала не зависит от его проводимости. Поскольку скорость нагрева не ограничена проводимостью через поверхностный слой, материал может быть нагрет значительно быстрее. Основные преимущества СВЧ нагрева по сравнению с традиционными технологиями:
· Избирательный нагрев. Достигается за счет зависимости мощности нагрева от тангенса угла диэлектрических потерь.
· Объемный нагрев. При СВЧ нагреве распределение тепла происходит по всему объему материала независимо от его теплопроводности.
· Высокая скорость нагрева. Благодаря предыдущему свойству нагрев материала осуществляется значительно быстрее.
· Саморегуляция нагрева. После высушивания обработанных участков материала их нагрев автоматически прекращается за счет уменьшения тангенса угла диэлектрических потерь.
· Экологически чистая технология. Термообработка микроволновым излучением является безотходным процессом.
· Контролируемое распределение полей. Изменяя геометрию расположения СВЧ излучателей можно добиться требуемого температурного распределения полей.
· Чистый нагрев. Ввиду бесконтактности нагрева, а также возможности подведения энергии к материалу через защитные оболочки, сохраняется высокая чистота обрабатываемого материала.
· Быстрое управление. Мощность СВЧ может быть мгновенно скорректирована. Это свойство позволяет применять СВЧ установки в автоматизированных системах.
· Высокий коэффициент преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию.
1.3 Сферы применения СВЧ нагрева
Различия между конвективным способом нагрева и СВЧ нагревом обеспечивают преимущества использования СВЧ нагрева в следующих областях.
Пищевая промышленность. Пищевая промышленность является одной из наиболее успешных и крупнейших сфер применения микроволнового излучения благодаря наличию в обрабатываемом материале влаги. Микроволновая печь широко используется в качестве бытового устройства для приготовления пищи и нагревательных процессов, в частности, для следующих целей [1-10]:
· пастеризация молочных продуктов;
· концентрация фруктовых соков;
· уничтожения нежелательных микроорганизмов из пищевых продуктов или сырья;
· удаление влаги;
· ферментация вина;
· размораживание;
· сублимированная сушка;
· приготовление пищи;
Сельскохозяйственная промышленность. После пищевой промышленности, сельскохозяйственная промышленность является второй отраслью, где СВЧ нагрев находит широчайшее применение. Так, например, микроволновое излучение применяется для сушки древесины, зерна, сена [11]. При обработке сена также является важным удалением нежелательных семян. СВЧ нагрев является преимущественным для дезинсекции сушеной древесины, фруктов и орехов, т.к. химические фумиганты, такие как метилбромид, запрещены к использованию. Такая обработка обеспечивает высокий процент избавления от вредителей с минимальным воздействием на качество продукции.
Керамическая обработка. Последние два десятилетия СВЧ нагрев играет важную роль в обработке керамики, так как это процесс обычно требует высокой температуры. [12]
Экологическая безопасность. С ростом индустриализации появляется потребность в новых технологиях для обработки промышленных отходов и уменьшения отходов, загрязняющих окружающую среду. Микроволновая энергия применяется для очистки сточных вод методом пиролиза [13], термического разложения пластиковых отходов [14,15], органических отходов , ядерных отходов [16], больничных отходов [17], а также для термического обеззараживания почвы [18,19].
Медицина. Микроволновое излучение используется в лечебных целях для термопенетрации, или диатермии, т.е. местном нагреве тканей и органов.
Обработка биоматериалов. Микроволновый нагрев находит широкое применение в обработке биопродуктов, например, таких как биодизельное топливо, обычно получаемое из растительных масел или животных жиров. Микроволновый нагрев используется для ускорения реакций преобразования. Кроме того, СВЧ нагрев используется для синтеза пептидов, углеводов, олигопептидов [20-21].
Химические реакции. СВЧ излучение применяется в качестве альтернативного источника тепла для некоторых химических реакций. Влияние микроволнового излучения на химические реакции носит сложный характер и оказывает как тепловые (например, точки перегрева), так и атермические (например, стабилизация поля, молекулярная подвижность) эффекты. СВЧ нагрев используется для синтеза широкого спектра органических и неорганических веществ, а также для таких химических реакций, как реакция Дильса-Адлера [22], Финкельштейна [23], Мэтьюса [24].
СВЧ нагрев имеет преимущества быстрой сушки перед конвективным нагревом для сушки катализаторов [25].
Обработка полимеров. В работах [26-28] приведены результаты исследований, в рамках которых было обнаружено, что микроволновый нагрев существенно увеличивает скорость полимеризации, позволяет получать материалы с улучшенными физико-механическими свойствами.
1.4 Источники СВЧ энергии
Большинство систем микроволнового нагрева использует источники от 100КВт до 1 МВт. В СВЧ устройствах для термообработки диэлектрических материалов применяется многочисленный спектр источников СВЧ энергии, различных по конструкции и параметрам. В мощных СВЧ установках используются источники от 25 кВт и выше, и, в зависимости от технологического процесса, на частотах 2450 МГц или 915 МГц.
Основные требования, предъявляемые к источникам СВЧ:
· постоянная работа в пределах предписанного диапазона;
· высокий КПД;
· износостойкость в условиях, характерных для промышленной эксплуатации: агрессивная окружающая среда, скачки напряжения, неправильная регулировка рабочих режимов, вибрации;
· простота в эксплуатации;
· простота в обслуживании, в поиске неисправностей и их устранений;
· Низкие капитальные затраты на киловатт выходной мощности; этот пункт важен, т.к. часто генератор представляет большую часть стоимости установки;
· продолжительность срока службы.
К недостаткам таких мощных источников можно отнести:
· большой вес и большие габаритные размеры;
· необходимость использования ферритового циркулятора в качестве защиты, ввиду высокой чувствительности магнетрона к отраженной мощности;
· необходимость в использовании водяного охлаждения для магнетрона;
· высокая стоимость СВЧ источника;
· сложность подвода СВЧ энергии для реализации равномерного нагрева.
В настоящее в мощных СВЧ установках преимущественно используются магнетроны, которые более полно удовлетворяют перечисленным требованиям по сравнению с клистронами и другими источниками СВЧ энергии.
Глава 2. Свойства диэлектрических материалов
2.1 Физические основы термообработки диэлектрических материалов
Так как микроволновый нагрев диэлектрических материалов происходит посредством взаимодействия электромагнитного поля и материала, необходимо рассмотрение данного процесса с молекулярной точки зрения.
На сверхвысоких частотах поглощение электромагнитной энергии диэлектрическими материалами прежде всего обусловлено наличием постоянного электрического дипольного момента молекул.
Полярные молекулы обладают некоторым дипольным моментом и в отсутствие внешнего электрического поля. Из-за теплового движения ориентация молекул носит идеальный изотропный статистический характер, т.е. суммарный дипольный момент равен 0.
Под воздействием электрического поля дипольный момент полярных молекул приобретает вращательный момент, происходит переориентация оси молекулы по направлению поля.
Потенциальная энергия минимальна, когда угол и между диполем и электрическим полем равен 0. При изменении направлении вектора напряженности электрического поля, направленность молекулы также изменяется, что вызывает трение между молекулами. Это нарушает межмолекулярные связи, что в свою очередь ведет к выделению тепла.
Для неполярных молекул при воздействии электромагнитного поля характерно приобретение дипольного момента, который направлен вдоль внешнего поля.
2.2 Распространение электромагнитных волн
Уравнения Максвелла описывают изменяющееся во времени электрическое поле, как порождающее изменение магнитного поля, и наоборот. В сочетании с соответствующими граничными условиями, они полностью определяют поведение электромагнитных полей при СВЧ нагреве.
(2.1)
где - векторы напряженности электрического и магнитного поля;
- относительная диэлектрическая проницаемость среды;
- относительная магнитная проницаемость среды;
с - плотность стороннего электрического заряда.
Диэлектрические свойства материала описываются с помощью диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь, которые составляют действительную и мнимую части относительной комплексной диэлектрической проницаемости, заданной выражением:
. (2.2)
где действительная часть - диэлектрическая постоянная, представляет энергию, накопленную в материале, а мнимая часть - диэлектрические потери, описывает способность материала рассеивать электрическую энергию в виде тепла.
Выражение 2.2 может быть записано в виде:
, (2.3)
где д - угол диэлектрических потерь. Способность диэлектриков рассеивать энергию в электрическом поле может быть описана отношением коэффициентом диэлектрических потерь к диэлектрической проницаемости, т.е. тангенсом угла диэлектрических потерь:
, (2.4)
Коэффициент диэлектрических потерь связан с проводимостью диэлектрика:
, (2.5)
где - круговая частота,
- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
Взаимодействие поля со свободными электронами в пределах среды определяется следующим соотношением:
. (2.6)
Данное уравнение показывает, что воздействие электрического поля на материал приводит к появлению электрического тока, направление вектора которого и амплитуда зависят вектора напряженности электрического поля.
Количественно взаимодействие электрического поля с диэлектрической проницаемостью материала отражает уравнение плотности электрического потока:
. (2.7)
Плотность магнитного потока связывает вектор напряженности магнитного поля и магнитную проницаемость материала:
, (2.8)
где - вектор магнитного поля,
- относительная магнитная проницаемость среды,
- абсолютная магнитная проницаемость вакуума,
- вектор напряженности магнитного поля.
Относительная магнитная проницаемость может быть представлена в виде комплексной записи:
, (2.9)
где и - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды соответственно.
В данной работе исследуются материалы, которые имеют значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости .
Величина относительной диэлектрической проницаемости среды может быть записана в виде:
(2.10)
Величина относительной диэлектрической проницаемости среды может быть записана в виде:
(2.11)
Для математического выражения факта того, что выделение тепла в среде за счет токов проводимости неотлично от выделения тепла за счет поляризации, и записав для этого относительную диэлектрическую проницаемость среды с учетом ее проводимости в виде:
, (2.12)
где: , (2.13),
а (2.14).
Для количественного выражения мощности используется вектор Пойтинга. Поток мощности через конечную площадку S данного объема V равен:
, (2.15)
где - вектор Пойтинга. Использования теорему дивергенции и уравнения Максвелла, получим:
(2.16)
Из уравнения (2.16) следует, что средняя мощность равна:
(2.17)
С учетом (2.17), получим:
. (2.18)
Предположив, что поле однородно по всему объему, тогда упрощенной выражение для среднего значения мощности будет следующим:
, (2.19) или
, (2.20)
где f - частота колебаний электромагнитного поля;
- удельная мощность тепловых потерь.
Из предыдущих выражений можно сделать вывод, что удельная мощность тепловых потерь имеет прямую зависимость от частоты электромагнитного поля.
Плотность падающей мощности, переносимой плоской волной, распространяющейся в среде, связана с напряженностью электрического поля соотношением:
, (2.21)
где R0 - характеристическое сопротивление среды.
После достижения границы материала часть мощности отражается обратно к источнику.
Оставшаяся часть мощности передается материалу, при этом поле затухает в материале по следующему закону:
, (2.22)
где б - постоянная затухания.
Глубина скин слоя является мерой глубины проникновения, определяющееся выражением:
. (2.23)
Постоянная затухания связана с диэлектрическими свойствами материала выражением:
. (2.24)
Параметр «б» постоянная затухания материала показывает, насколько глубоко поле проникает в материал. Он зависит от частоты и диэлектрических свойств материала.
Глубина проникновения d также является мерой проникновения мощности в материал и определяется как расстояние, на котором плотность мощности падает до 1/е = 37% от его значения на поверхности материала.
Таким образом:
, (2.25)
Для данного выражения предполагается, что потери мощности в металлических стенках электродинамической системы отсутствуют.
Глубина проникновения является важным параметром, так как позволяет быстро оценить температурное распределение в материале.
Диэлектрические свойства большинства материалов зависят от нескольких различных факторов.
В первую очередь от частоты электрического поля.
В гигроскопических материалах, таких как пищевые продукты, как правило определяющим фактором, как правило, является количество воды.
Диэлектрические свойства также зависят от температуры материала, его плотности, химического состава и структуры материала.
При падении плоской волны на материал, уровень энергии падает экспоненциально:
, (2.26)
где Pо - уровень мощности на поверхности материала, х - расстояние вглубь материала от поверхности.
Рисунок (1) показывает графическое изображение данного закона.
Рис. 1. График изменения энергии в зависимости от расстояния вглубь материала от поверхности.
2.3 Передача тепла при СВЧ нагреве
Уравнение сохранения энергии для СВЧ нагрева имеет вид:
, (2.27)
где Р - среднее значение мощности из уравнения (2.28),
- теплоемкость материала;
- плотность материала.
Если значение поглощаемой плотности мощности Р не меняется со временем, то скорость повышения температуры постоянна и носит линейный характер.
Подставив уравнение 2.21 в 2.23 можно получить выражение:
(2.29).
Используя данное уравнение можно оценить электромагнитное поле Е с помощью измерения изменения температуры .
2.4 Неравномерность микроволнового нагрева
Микроволновый нагрев носит неравномерный характер. На равномерность нагрева оказывает влияние многие факторы:
· форма материала;
· размер обрабатываемого образца;
· диэлектрические свойства материала;
· многокомпонентность материала;
· близость к стенкам СВЧ камеры;
· движущиеся подставки;
· частотная непостоянность ;
· распределение электромагнитного поля;
· геометрия СВЧ камеры.
В работе (29) представлены результаты исследования влияния геометрии камеры, внутри которой производится обработка материала, на равномерность нагрева. На рисунке (2) представлены контуры температурного распределения вдоль продольной оси обрабатываемого образца агарового геля цилиндрической формы высотой 80 мм с разными значениями радиусов цилиндра при нагреве внутри прямоугольной камеры в течение 90 секунд: в случае а) радиус составлял 25 мм; в случае б) радиус составлял 65 мм.
Рис. 2. (а) (б)
Контуры температурного распределения вдоль продольной оси обрабатываемого образца агарового геля цилиндрической формы.
Более светлые зоны соответствуют более высоким температурам. Как видно из рисунка (2) расположение образца цилиндрической формы с меньшим радиусом позволяет получить более равномерное температурное распределение по высоте цилиндра, в то время как в цилиндре с большим радиуса более высокие температурные зоны располагаются на поверхности оснований цилиндра вследствие суперпозиции тепловых эффектов.
Проблема неравномерности нагрева требует решения для многих отраслей, использующих СВЧ нагрев.
Одной из наиболее значимых проблем микроволновой термообработки материалов является контроль скорости нагрева, которая резко увеличивается из-за присутствия «горячих точек».
Горячие точки - области высоких температур, появляющиеся в процессе микроволнового излучения.
Горячие точки нежелательны, например, для спекания керамики, так как приводят к повреждению материала. Для расчета таких точек используются математические модели, представленные в работах [30-32].
2.5 Прямоугольный волновод как излучающая антенна
Прямоугольные волноводы были одним из самых ранних типов линий, используемых для транспортировки СВЧ сигналов, и они до сих пор имеют широкое применение. Из-за тенденции к миниатюризации и интеграции, большинство современных микроволновых установок чаще изготовляются с использованием плоских линий передачи, таких как микрополосковые линии передачи, чем с использованием волноводов. Однако, все еще существует потребность в волноводах во многих случаях, в том числе для спутниковых систем и мощных систем. В данной работе рассматриваются и используются волноводы, работающие на типе волны H10.
Геометрия прямоугольного волновода размерами схематически представлена на рисунке 3, где широкая стенка волновода располагается вдоль оси х.
Рис. 3. Схематически представленная геометрия прямоугольного волновода.
Размеры волновода выбираются из условий:
,
где: а - широкая стенка волновода;
b - узкая стенка волновода.
Уравнения электромагнитного поля для волны типа Н10 в прямоугольном волноводе имеют вид:
, (2.30)
где (2.31) - постоянная распространения.
Обычно прямоугольный волновод конструируется таким образом, чтобы работать на Н10.
Выбор оптимальных размеров волновода для распространения волны определенного типа является компромиссным решением между минимизацией мощностных потерь и отсутствия возможности распространения волн высших типов.
2.6 Принцип Гюйгенса-Кирхгофа
Решение задачи расчета излучения из раскрыва прямоугольного волновода с высокой точностью представляется возможным благодаря использованию метода Гюйгенса-Кирхофа.
Пусть известны значения касательных составляющих электрического и магнитного поля, создаваемого реальными источниками в объеме V, ограниченном поверхностью S.
Плоский элемент поверхности dS, в пределах которого касательные составляющие E и Н сохраняют постоянные значения, можно считать элементом Гюйгенса.
Рассмотрим поле в дальней зоне, создаваемый антенной, имеющей плоский раскрыв произвольной формы S.
В соответствии с принципом Гюйгенса поле на раскрыве однозначно определяет поле во всем внешнем пространстве.
С учетом принципа суперпозиции поле в точке наблюдения можно записать следующим образом:
, (2.32)
где dE - поле элементарного участка dS,
r - расстояние между излучателем и точкой, в котором определяется поле.
В дальней зоне, характеризующейся условием kr>>1, где r - расстояние между излучателем и точкой, в котором определяется поле, электромагнитное поле определяется выражениями:
(2.33)
(2.34),
где Е0 - значение напряженности электрического поля, возбуждающего элемент Гюйгенса,
и- угол между осью излучателя и направлением на точку наблюдения.
В направлении, характеризуемом координатами и и ц комплексные амплитуды вектора напряженности электрического поля рассчитываются по формулам:
(2.35)
, (2.36)
Элемен Гюйгенса излучает поле с максимальной амплитудой в направлении и =0.
Вектор напряженности магнитного поля в дальней зоне в любом направлении определяется выражением:
, (2.37)
где - поверхностное сопротивление поверхности в месте нахождения .
В свободном пространстве .
2.7 Факторы, влияющие на микроволновый нагрев
Физические параметры: СВЧ нагрев является сложным процессом, который зависит от многих факторов, таких как диэлектрические свойства, размер и конструкция СВЧ установки. Критическими факторами, оказывающими влияние на поглощение микроволнового излучения материалом являются объем, площадь поверхности, геометрия материала.
Различные формы материала влияют на поглощение энергии при СВЧ нагреве. Например, изогнутые образцы материалов имеют тенденцию поглощать больше энергии в центре, чем на поверхности [33]. Увеличение площади поверхности ведет к более быстрому нагреву, т.к. увеличивается площадь взаимодействия микроволновой энергии. Реммен и др. [34]. разработали модель переноса тепла для различных форм одного и того же типа пищи - гель агар-агара - разных форм: плит, сфер и цилиндров, для изучения влияния формы обрабатываемого образца на равномерность нагрева. В работе приведены данные о влиянии изменения формы модели на такие параметры, как напряженность электрического поля и диэлектрические свойства.
Для изучения способов увеличения равномерного нагрева [35] провели исследование, в ходе которого было установлено, что объем обрабатываемого материала значительно влияет на скорость нагрева и равномерность нагрева. Было сделано заключение, что материалы малой толщины будут значительно быстрее нагреваться, т.к. микроволновой энергии намного легче проникнуть внутрь. Рекомендовано, чтобы толщина загружаемого материала была меньше в 2.5 раза, чем глубина проникновения СВЧ излучения.
Химические параметры. Влажность нагреваемого материала имеет значительное влияние на поглощение микроволновой энергии из-за их влияния на диэлектрические свойства. Чем выше содержание влаги, тем выше скорость нагрева. Это связано с тем, что направление оси поляризованных молекул воды изменяется соответственно с изменением электрического поля, что приводит к нагреванию.
Продукт с высоким показателем влажности поглощает большую часть энергии вблизи поверхности продукта и вызывает эффект экранирования - меньше микроволновой энергии достигает центра продукта, что приводит к неравномерному нагреву.
Таким образом, для более влажных продуктов рекомендовано выбирать меньшую толщину, чтобы добиться равномерного нагрева. Для органических веществ важными факторами, оказывающих влияние на равномерность нагрева являются содержание жиров, углеводов и белков. Жир является еще одним важным фактором при определении скорости нагрева пищевого продукта.
Жиры имеют низкий коэффициент диэлектрических потерь; продукт с более высоким содержанием жира потребует больше времени на достижение желательной температуры. Кресс-Роджерс и Кент (1987) изучали влияние углеводов на СВЧ-нагрева и обнаружили, что при нагревании в микроволновой печи в продуктах с большим содержанием углеводов, углеводы связываются с большим количеством молекул воды, так, количество молекул воды, доступных для взаимодействия с электромагнитным полем уменьшается, что приводит к замедлению нагрева. Эффект содержания белков в продукте схож с эффектом углеводов.
Системные и технологические факторы.
Существует несколько процессов и характеристик микроволновой установки, оказывающих влияние на СВЧ нагрев. Эти факторы включат в себя мощность, рабочую частоту, размеры полости, вращение подставки, положение обрабатываемого материала. Мощность, потребляемая материалом, напрямую связана со скоростью нагрева.
Глава 3. Расчет СВЧ устройства
3.1 Расчет СВЧ устройства лучевого типа
Предлагаемый в данной работе расчет СВЧ устройства лучевого типа проводится на основе принципа Гюйгенса-Кирхгофа, а также принципа суперпозиции.
Расчет СВЧ устройств лучевого типа проводится в несколько этапов.
1 этап. Воспользуемся уравнениями Гюйгенса-Кирхгофа для расчета излучения мощности из раскрыва прямоугольного волновода.
Прямоугольный волновод размерами 72ммх34мм работает на волне типа Н10.
Мощность электромагнитного поля, излучаемая из раскрыва волновода источника СВЧ энергии, неравномерно распределена в пространстве.
Для описания зависимости истечения мощности излучения от величины угла , характеризующий необходимое нам направление относительно направления распространения энергии в волноводе, можно записать выражения:
в Е - плоскости:
(3.1)
в Н - плоскости:
(3.2).
На рисунке (3.1) представлены диаграммы направленности по мощности, рассчитанные по формулам (3.1) и (3.2).
Рис. 3.1. Диаграмма направленности излучения по мощности в Е - плоскости.
Рис. 3.2. Диаграмма направленности излучения по мощности в Н - плоскости.
Для величины поглощенной мощности в случае малого параметра с учетом уравнения (2.22) можно записать:
, (3.3)
- величина поглощенной мощности.
Поскольку 1 ·сек = 0,239, температура материала будет расти со скоростью
, (3.4)
где - теплоемкость материала;
Уравнения (3.2) и (3.4) являются приемлемыми приближениями для расчета нагрева влажных материалов, если известны их диэлектрические параметры в виде функций содержания воды и температуры.
Нарастание температуры в резонаторной камеры, в которой система волноводных излучателей поддерживает равномерное распределение температуры материала, можно определить как:
, (3.5)
где - общая СВЧ мощность, подведенная к материалу;
- общая масса диэлектрического материала.
Для данного метода прелагается соотнести относительное распределение температуры с полученными в ходе эксперимента данными относительного распределения температуры.
При условии, что масса и теплоемкость материала постоянны, с учетом 2.24 для относительного распределениея температуры можно записать выражение:
(3.6)
При проведении экспериментальных исследований использовались источники СВЧ энергии со средней выходной мощностью 600 Вт при разбросе мощности от источника к источнику не более 20 Вт.
Эксперимент проводился на устройстве СВЧ для термообработки зерновых культурю
Размеры камеры:
длина - 1200 мм;
ширина - 900 мм;
высота - 600 мм.
На верхней крышке установлены 8 источников СВЧ энергии, мощность каждого - 600 Вт; частота - 2450 МГц.
Внутри камеры помещался лист сухой древисины размером (900 х 1200) мм, на котором под одним источником СВЧ энергии в заданных точках располагались пробные тела измерительных эталонных сосудов, наполненных водой.
С помощью термопара были измерены температуры пробных тел измерительных эталонных сосудов.
В ходе эксперимента было определено распределение температурного поля пробных тел на разных расстояниях от стенки (200, 300 и 400 мм) с источниками СВЧ энергии.
Рис. 3.4. Эталонные сосуды, пасположенные под СВЧ источником.
2 этап. На втором этапе производился расчет распределения мощности из раскрыва волновода от источника СВЧ энергии на различных расстояниях (200 мм; 300 мм; 400 мм) до материала. На рис. (3.4) показаны уровни постоянной мощности излучения на различных расстояниях от материала до раскрыва волновода.
Рис. 3.4. Уровни постоянной мощности излучения на расстояниях от материала до раскрыва волновода.
3 этап. На третьем этапе распределение температурного поля корректируются с помощью эмпирических коэффициентов и , расчитанных на основе уравнений Гюйгенса - Кирхгофа .
Данные коэффициенты зависят от величины угла (и), а также от расстояния до поверхности диэлектрического материала:
(3.5)
(3.6)
На рис. (3.5) и рис. (3.6) представлены распределение температурного поля на расстоянии 200 мм от раскрыва волновода по узкой и по широкой стенке. Было рассчитано и измерено распределение температурного поля как по узкой, так и по широкой стенке волновода.
Рис. 3.5. Рассчитанное и измеренное распределение температурного поля материала на расстоянии 200 мм от источника СВЧ энергии по узкой стенке волновода.
Рис. 3.6 Рассчитанное и измеренное распределение температурного поля материала на расстоянии 200 мм от источника СВЧ энергии по широкой стенке волновода.
4 этап. Определение распределения температурного поля материала с использованием принципа суперпозиции.
На рис. (3.7) и на рис. (3.8) показано измеренное и рассчитанное распределение температурного поля материала между двумя источниками СВЧ энергии, как по узкой, так и по широкой стенке на расстоянии 200 мм от источников СВЧ энергии.
Рис. 3.7 (а). - эксперимент. - расчет.
- область экспериментальных значений,
- расчет.
Рис. 3.7 (б).
Рассчитанное и измеренное распределение температурного поля материала между двумя источниками СВЧ энергии на расстоянии 200 мм в Е - плоскости: а) от каждого источника в отдельности; б) суммарное распределение.
Рис. 3.8 (а). - эксперимент. - расчет.
Рис. 3.8 (б). - область экспериментальных значений, - расчет.
Расхождение рассчитанных и экспериментальных характеристик не превышало 10%.
Таким образом, данный метод расчета позволяет рассчитать СВЧ устройство с высокой точностью.
3.2 Перспективы микроволнового нагрева
В работах [36, 37] утверждается, что для увеличения сферы применения СВЧ нагрева необходимо решить ряд задач, таких как:
1. Наличие горячих точек. Несмотря на то, что в данный момент уже существуют модели прогнозирования горячих точек, необходимы дальнейшие экспериментальные исследования в этой области.
2. Развитие гибридных систем нагрева, которые буду способны оптимально совместить микроволновый конвективный способ термообработки.
3. Разработка методов точного сбора температурных данных при микроволновом нагреве.
Заключение
Использование СВЧ нагрева для обработки диэлектрических материалов обладает рядом преимуществ перед конвективными методами нагрева. Как было показано в Главе 1, СВЧ нагрев находит широкое применение в различных промышленных сферах, где требуется высокоэффективная и экологически чистая технология.
Проведенный анализ литературы позволяет утверждать, что данная технология является перспективной областью для дальнейших исследований. Решение ряда задач, связанных с обеспечением равномерного нагрева, позволит совершить качественный скачок технологии термообработки, а также найти новые возможности применения СВЧ излучения для нагрева диэлектрических материалов.
В данной работе представлена модель расчета СВЧ устройств лучевого типа, который основывается на уравнениях Гюйгенса - Кирхгофа, а также принципе суперпозиции. Данные расчета подтверждаются значениями, полученными в ходе экспериментального исследования, расхождение между рассчитанными и экспериментальными значениями температурного поля не превышает 10%.
Список источников
1. Nelson SO, Bartley PG. Measuring frequency and temperature-dependent dielectric properties of food materials. Transactions of the ASAE. 2000.
2. Sosa-Morales ME, Valerio-Junco L, Lopez-Malo A, Garcia HS. Dielectric properties of foods: Reported data in the 21st century and their potential applications. LWT- Food Science and Technology. 2010.
3. Ryynanen S, Ohlsson T. Microwave heating uniformity of ready meals as affected by placement, composition, and geometry. Journal of Food Science. 1996.
4. Vilayannur RS, Puri VM, Anantheswaran RC. Size and shape effect of nonuniformity of temperature and moisture distributions in microwave heated food materials: Part II experimental validation. Journal of Food Process Engineering. 1998;.
5. Geedipalli SSR, Rakesh V, Datta AK. Modeling the heating uniformity contributed by a rotating turntable in microwave ovens. Journal of Food Engineering. 2007.
6. Tajchakavit S, Ramaswamy HS. Continuous-flow microwave inactivation kinetics of pectin methyl esterase in orange juice. Journal of Food Processing and Preservation.1997.
7. Tajchakavit S, Ramaswamy HS, Fustier P. Enhanced destruction of spoilage microorganisms in apple juice during continuous flow microwave heating. Food Research International. 1998.
8. Heddleson R.A., Doores S. Factors affecting microwave-heating of foods and microwave-induced destruction of foodborne pathogens - a review. Journal of Food Protection. 1994.
9. Zhang H., Datta A.K., Taub I.A., Doona C. Electromagnetics, heat transfer, andthermokinetics in microwave sterilization. AIChE Journal. 2001.
10. Ben-Lalli A., Meot J.M., Collignan A., Bohuon P. Modelling heat-disinfestation of dried fruits on “biological model” larvae Ephestia kuehniella (Zeller). Food Research International. 2011.
11. R.J.Meredith. Engineers' Handbook of Industrial Microwave Heating (IEE Power). 1998.
12. Ramesh P.D., Brandon D., Schachter L. Use of partially oxidized SiC particle bed for microwave sintering of low loss ceramics. Materials Science and Engineering Structural Materials Properties Microstructure and Processing.
13. Menendez J.A., Inguanzo M., Pis J.J. Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge. Water Research. 2002.
14. Ludlow-Palafox C., Chase H.A. Microwave-induced pyrolysis of plastic wastes. Industrial and Engineering Chemistry Research. 2001.
15. Appleton T.J., Colder R.I., Kingman S.W., Lowndes I.S., Read AG. Microwave technology for energy-efficient processing of waste.
16. Schulz R.L., Folz D.C., Clark D.E., Wicks G.G. Microwave energy for waste remediation applications. Materials Research Society Symposium Proceedings. 1994.
17. Tata A., Beone F. Hospital waste sterilization - A technical and economic comparison between radiation and microwaves treatments. Radiation Physics and Chemistry. 1995.
18. Kawala Z., Atamanczuk T. Microwave-enhanced thermal decontamination of soil. Environmental Science and Technology. 1998.
19. Cravotto G., Di Carlo S., Ondruschka B., Tumiatti V., Roggero C.M. Decontamination of soil containing POPs by the combined action of solid Fenton-like reagents and microwaves. Chemosphere. 2007.
20. Leadbeater N.E., Barnard T.M., Stencel L.M. Batch and continuous-flow preparation of biodiesel derived from butanol and facilitated by microwave heating. Energy and Fuels. 2008.
21. Barnard T.M., Leadbeater N.E., Boucher M.B., Stencel L.M., Wilhite B.A. Continuous flow preparation of biodiesel using microwave heating. Energy and Fuels. 2007. 24. Chemat F. Towards the rehabilitation of the Mathews' `dry' hydrolysis reaction using microwave technology. Tetrahedron Letters. 2002.
22. Razzaq T., Kappe C.O. On the energy efficiency of microwave-assisted organic reactions. ChemSusChem. 2008.
23. Majetich G, Hicks R. The use of microwave heating to promote organic reactions. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1995..
25. Toukoniitty B., Mikkola J.P., Murzin D.Y., Salmi T. Utilization of electromagnetic and acoustic irradiation in enhancing heterogeneous catalytic reactions. Applied Catalysis A-General. 2005.
26. Mallon F.K., Ray W.H. Enhancement of solid-state polymerization with microwave energy. Journal of Applied Polymer Science. 1998.
27. He W.D., Pan C.Y., Lu T. Soapless emulsion polymerization of butyl methacrylate through microwave heating. Journal of Applied Polymer Science. 2001.
28. Li J.E., Zhu X.L., Zhu J., Cheng Z.P. Microwave-assisted nitroxide-mediated miniemulsion polymerization of styrene. Radiation Physics and Chemistry. 2007.
29. Brodie G., Jacob M.V., Farrell P. Microwave and Radio-frequency Technologies in Agriculture: An Introduction for Agriculturalists and Engineers. 2008.
30. Zhu S.P., Zhang Y.L., Marchant T.R. A DRBEM model for microwave-heating problems. Applied Mathematical Modelling. 1995.
31. Hill J.M., Marchant T.R. Modelling microwave heating. Applied Mathematical Modelling. 1996.
32. Kriegsmann G.A. Hot spot formation in microwave heated ceramic fibres. IMA Journal of Applied Mathematics. 1997.
33. Vriezinga CA. Thermal profiles and thermal runaway in microwave heated slabs. Journal of Applied Physics.
34. Microwave Heating Distributions in Slabs, Spheres and Cylinders with Relation to Food Processing. HENK H.J. VAN REMMEN,; CARINA T.
35. The Handbook of Microwave Technology for Food Applications. Marcel Dekker, Inc. 2001.
36. che.iitm.ac.in/~srinivar/PrePrint/MWAIChE.Chandrasekaran.2012.pdf
37. bsuir.by/m/12_100229_1_85506.pdf
38. Силин Р.А. Анализ многоэтажных и многорядных штыревых замедляющих систем. Труды конференции по электронике СВЧ. Госэнергоиздат, 1959.
39. Нефедов В.Н. Сверхвысокочастотные устройства для термообработки диэлектрических материалов больших площадей (обзор). // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника, вып. 2, 1998.
40. Нефедов В.Н. Термообработка диэлектрических материалов с использованием многоэтажных замедляющих систем. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника, вып. 1, 1999.
41. Пчельников Ю.Н., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. и др. Исследование воздействия СВЧ энергии на бетон и железобетон при тепловлажностной обработке. Научно-технический отчет по НИР. - № гос. Регистрации 01920000799, М.: МИЭМ, 1991.
42. Пчельников Ю.Н., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Елизаров А.А. Применение СВЧ энергии для интенсификации технологических процессов тепловой обработки бетона. Передовой опыт в строительстве Москвы. Реферативный сборник, № 2, 1992.
43. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Елизаров А.А. Использование СВЧ энергии для сушки древесины. Передовой опыт в строительстве Москвы. Реферативный сборник, № 3, 1992.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Применение антенн как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Существование большого многообразия различных антенн. Проектирование линейной решетки стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 03.12.2010Структура электромагнитного поля основной волны. Распространение электромагнитных волн в полом прямоугольном металлическом волноводе. Резонансная частота колебаний. Влияние параметров реальных сред на процесс распространения электромагнитных волн.
лабораторная работа [710,2 K], добавлен 29.06.2012История исследования электромагнитных волн различной длины, их общая характеристика и свойства. Особенности распространения волн коротковолнового диапазона, поверхностных и пространственных радиоволн. Сверхдлинные, длинные, средние и короткие волны.
реферат [1,6 M], добавлен 17.03.2011Первые устройства для приема электромагнитных волн и начальный этап развития беспроволочного телеграфа. Передача радиотелеграфных сигналов волнами различной длины, суть гетеродинного метода. Использование электронной лампы как усилительного элемента.
реферат [811,4 K], добавлен 10.03.2011Разработка структурной схемы электронно-лучевого осциллографа. Методика расчета базовых усилительных каскадов и расчет элементов принципиальной электрической схемы. Выбор тактового генератора - кварцевого автогенератора с буферным выходным элементом.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.03.2013Основы построения оптических систем передачи. Источники оптического излучения. Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона. Фотоприемные устройства оптических систем передачи. Линейные тракты оптических систем передачи.
контрольная работа [3,7 M], добавлен 13.08.2010Характеристики полупроводниковых материалов. Классификация источников излучения. Светоизлучающие диоды. Лазер как прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного или стимулированного излучения, его применение.
курсовая работа [551,5 K], добавлен 19.05.2011Падение плоской волны на границу раздела двух сред, соотношение волновых сопротивлений и компонентов поля. Распространение поляризованных волн в металлическом световоде, расчет глубины их проникновения. Определение поля внутри диэлектрического световода.
курсовая работа [633,8 K], добавлен 07.06.2011Анализ дальности связи в радиосети гектометрового диапазона при использовании направляющей линии и стационарных Г-образных антенн, в метровом диапазоне волн для заданного типа трассы. Определение типа трассы для перегона ВГ согласно заданному профилю.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 17.11.2013Типы направляющих систем и классификация направляемых волн. Сущность и сфера использования линии передач. Свойства и электродинамические методы анализа многопроводных нерегулярных линий передач. Микрополосковая линия в приближении квази-Т волны.
курсовая работа [396,9 K], добавлен 24.05.2015Излучение и прием электромагнитных волн. Расчет антенной решетки стержневых диэлектрических антенн и одиночного излучателя. Сантиметровый и дециметровый диапазоны приема волн. Выбор диаметра диэлектрического стержня. Определение числа элементов решетки.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 17.10.2011Использование громкоговорителя прямого излучения для преобразования механических колебаний в акустические. Особенности устройства диффузора. Излучение пульсирующей сферы. Формула звукового давления. Зависимость коэффициента направленности от угла.
контрольная работа [285,2 K], добавлен 16.11.2010Расчёт напряжённости электрического поля на входе радиоприёмного устройства при заданной мощности излучения. Определение скорости распространения и направления прихода электромагнитного поля. Изучение поляризационных характеристик и искажений сигнала.
курсовая работа [198,7 K], добавлен 23.12.2012- Центр электронных технологий и технической диагностики технологических сред и твердотельных структур
Организационная структура Центра технической диагностики. Технологии ионно-лучевого и ионно-плазменного формирования тонких пленок. Магнетронная распылительная система. Изучение конструкции и принципа действия. Нормативно-техническая документация.
отчет по практике [683,4 K], добавлен 07.08.2013 Основные активные элементы, применяемые в устройствах, работающих в диапазоне радиоволн. Важные характеристики интегральных микросхем. Полупроводниковые и гибридные интегральные микросхемы. Источники и приемники оптического излучения, модуляторы.
реферат [30,6 K], добавлен 14.02.2016Локация как область техники, использующая явления отражения и излучения электромагнитных волн различными объектами для обнаружения этих объектов. Структурная схема радиолокатора. Основные цели и задачи определения трех групп навигационных параметров.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 21.08.2015Исследование поведения микрополосковой антенны типа "спираль Архимеда" и аналогичной синфазной антенны. Расчет физических параметров, моделирование и практическое использование СВЧ антенного устройства на частоте стандартного Wi-Fi-устройства 2,4 ГГц.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 15.09.2013Предпосылки и этапы проведения измерения параметров по длине кабеля, его количественное измерение с помощью коэффициента отражения. Сущность принципа импульсных измерений. Расчет скорости распределения электромагнитных волн в кабеле прибором Р5-15.
лабораторная работа [117,8 K], добавлен 04.06.2009Особенности передачи сигналов по оптическому кабелю, распространение излучения по световоду. Частотные и временные, собственные и частные характеристики оптического кабеля. Диаграмма излучения и поглощения энергии в световоде. Искажения сигналов.
реферат [113,8 K], добавлен 20.02.2011Экспериментальное исследование поляризационных явлений плоских электромагнитных волн. Методы формирования заданных поляризационных характеристик волн. Расчет коэффициентов эллиптичности для горизонтальной, вертикальной и диагональной поляризации.
лабораторная работа [224,6 K], добавлен 13.01.2015
