авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование и разработка свч устройств для формирования равномерного температурного поля диэлектрических материалов

На правах рукописи

ПОТАПОВА Татьяна Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 2

Работа выполнена на кафедре: “Лазерные и микроволновые информационные системы” факультета Информатики и Телекоммуникаций Московского государственного института электроники и математики (Технического университета)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Нефедов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мухин Сергей Владимирович;

кандидат технических наук Кулеватов Михаил Валентинович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие “Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина” (ГУП “ВЭИ” им. В.И.Ленина)

Защита состоится “ _ ” _ 2006 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (Технический университет) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан ““ _ 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.133.06, профессор Н.Н. Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные тенденции в области термообработки диэлектрических материалов направлены на поиск новых высокоэффективных и экологически чистых технологий. Одним из таких направлений является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ энергии). При разработке СВЧ устройств, предназначенных для технологических процессов термообработки диэлектрических материалов, используются свойства СВЧ нагрева: объемный характер, избирательность и чистота нагрева, высокий коэффициент преобразования СВЧ энергии в тепловую энергию.

Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии. Известны и описаны СВЧ устройства, реализующие технологии термообработки диэлектрических материалов в различных отраслях промышленности.

Разработка новых моделей и методов расчета как самих СВЧ устройств, так и технологических процессов нагрева диэлектрических материалов является актуальной задачей в различных отраслях промышленности. Решение этой задачи позволит улучшить качество обрабатываемых материалов за счет высокого коэффициента полезного действия СВЧ устройств, объемного и равномерного характера нагрева, поднять на более высокий уровень показатели самих технологических процессов, характеризующихся экологической чистотой и отсутствием тепловой инерции.

В настоящее время существует потребность в новых технологических процессах равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов, которые характеризуются тем, что максимальных разброс температурного поля в материале от номинального значения составляет не более 7%. К таким технологическим процессам, в частности, относятся процессы полимеризации пластических масс для стеклопластиковой арматуры, склейка древесины и многие другие.

Для высокой производительности процесса термообработки листовых материалов целесообразно использовать волноводные или замедляющие системы в режиме бегущей волны.

Проведенный анализ научных публикаций в области расчета и проектирования СВЧ устройств типа бегущей волны для равномерной термообработки диэлектрических материалов позволил выявить и сформулировать основные недостатки в этой области.

К ним, в основном, следует отнести отсутствие:

– метода расчета зависимости диэлектрических параметров материала от формы и размеров волноводных и замедляющих систем для реализации в материале равномерного температурного поля;

– моделей и методик расчета СВЧ устройств в режиме бегущей волны, которые бы учитывали зависимость постоянной затухания как от температуры, так и от влажности диэлектрического материала.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств на основе волноводных и замедляющих систем типа бегущей волны для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

– разработка моделей, методов расчета и новых конструкций СВЧ устройств волноводного типа и на основе замедляющих систем, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля в материале в режиме бегущей волны;

– исследование и разработка модели, методики и программы расчета распределения температурного поля в материале в поле бегущей волны с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.

Методы исследования Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики;

теории электромагнитного поля;

теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств (волноводного типа с изменяющимися размерами широкой и узкой стенок волноводов, замедляющих систем штыревого типа со связками).





Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных физических моделей, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований (расхождение теоретических и экспериментальных результатов распределения температурного поля в исследуемых листовых диэлектрических материалах не превышает 5%), внедрением разработанных СВЧ устройств в технологические процессы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. На основе принципа суперпозиции распределения температурных полей в материале и линейного изменения геометрических размеров волновода созданы новые СВЧ устройства волноводного типа, состоящие из двух одинаковых по параметрам секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях и которые обеспечивают равномерное распределение температурного поля в материале.

2. Модели и метод расчета СВЧ устройств равномерного распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах, состоящих из одинаковых секций замедляющих систем, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно - противоположных направлениях и учитывается зависимость постоянной затухания от замедленной длины волны.

3. Модель и методика расчета распределения температурного поля в листовом материале в устройствах СВЧ нагрева типа бегущей волны, которые основаны на представлении материала в виде слоистого диэлектрика и на учете линейной зависимости постоянной затухания от температуры и влажности.

Практическая ценность результатов диссертации:

1. Разработанные модели, методы, алгоритмы, программы расчета и проектирования новых конструкций СВЧ устройств равномерного нагрева диэлектрических материалов открывают перспективы внедрения их в высокоэффективные технологические процессы различных отраслей промышленности.

2. Использование разработанных моделей и методов расчета новых конструкций СВЧ устройств позволит реализовать технологические процессы, обеспечивающие заданное распределение температуры в листовых диэлектрических материалах в режиме бегущей волны.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Представлены новые модели, методы расчета конструкций СВЧ устройств и параметров технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, отличающиеся равномерным распределением температурного поля в материале;

2. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции волноводных систем с переменным поперечным сечением для равномерной термообработки листовых материалов;

3. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств, использующие в качестве нагревательных элементов секции замедляющих системах и учитывающие зависимость постоянных затухания от коэффициента замедления и параметров диэлектрического материала для равномерной термообработки листовых материалов;

4. Разработана модель и методика расчета распределения температурного поля в материалах для СВЧ устройств в режиме бегущей волны, учитывающая зависимость диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.

Реализация результатов диссертационной работы:

Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно– конструкторской работе, выполненной в ЗАО НТЦ “Альфа-1”;

пяти научно– исследовательских работах, выполненных в ГНУ НИИ “Перспективные материалы и технологии” и ГОУВПО МИЭМ (ТУ);

внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ (ТУ).

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

– на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики;

– на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17–18 мая, 2006 г. Доклад: “Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах”;



– на 61-ой Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 17–18 мая, 2006 г. Доклад: “Распределение температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах”;

– на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20–21 сентября 2006 г.

Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах волноводного типа»;

– на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 20–21 сентября 2006 г.

Доклад: «Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах на замедляющих системах».

Публикации. По теме диссертации сделано 4 научных доклада на всероссийских научных конференциях, опубликовано 8 статей, выпущено научно–технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 153 страницы, в том числе 44 рисунка, таблицы, 110 наименований списка использованных источников на страницах, 4 страницы приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Показаны основные достоинства использования сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов. Определены конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в настоящей диссертационной работе цели.

В первой главе ”СВЧ устройства термообработки листовых диэлектрических материалов ” дан аналитический обзор по отечественным и зарубежным научным публикациям в этой области, показаны недостатки и перспективы развития СВЧ устройств типа бегущей волны в применении к конкретным технологическим процессам.

Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и показаны перспективы их использования в устройствах для термообработки диэлектрических материалов. Рассмотрены основные конструкции волноводных и замедляющих систем для СВЧ устройств термообработки листовых диэлектрических материалов.

Представлены результаты анализа научных публикаций по моделям и методам расчета СВЧ устройств волноводного типа и на замедляющих системах для равномерного нагрева листовых диэлектрическими материалов с различными электрофизическими параметрами. Результаты анализа научных публикаций по созданию волноводных электродинамических систем для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов отражают три основных направления работ.

В первом направлении рассмотрены СВЧ устройства типа бегущей волны, в которых для термообработки листовых диэлектрических материалов используется прямоугольный волновод на основной волне типа H10. Материал транспортируется через узкие щели, прорезанные вдоль волновода в середине широких стенок. Для увеличения коэффициента полезного действия СВЧ устройства волновод изгибают, и такие волноводы называют меандровыми.

Анализ модели и метода расчета таких конструкций СВЧ устройств рассмотрен по известным научным публикациям [1]. В этих работах СВЧ устройство с нагреваемым листовым диэлектрическим материалом в поле бегущей волны представляют периодически нагруженной передающей линией и полагают, что величина поглощенной мощности пропорциональна постоянной затухания. Основной недостаток предлагаемой модели и метода расчета технологических режимов состоит в том, что не учитывается зависимость постоянной затухания от температуры и влажности. Кроме того, такой расчет дает оценочный характер длины электродинамической системы и коэффициента полезного действия СВЧ устройства.

Второе направление представлено работой [2], в которой приводится расчет аналогичных конструкций СВЧ установок с учетом теплообмена с окружающей средой. В работах решается краевая задача электродинамики и тепломассопереноса для капиллярно–пористых материалов. При расчете технологических режимов термообработки листовых диэлектрических материалов полагают константой величину постоянной затухания в пределах каждой секции, то есть не учитывают зависимость постоянной затухания от температуры и влажности. Кроме того, при использовании данного метода расчета параметры технологического процесса могут быть рассчитаны по определенным методикам и специальным таблицам, что ограничивает его применение.

Третье направление представлено в работе [3]. СВЧ устройство состоит из двух одинаковых секций, в которых энергии электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях. Каждая секция состоит из источника СВЧ энергии, волновода, через который проходит листовой материала, и согласованной водяной нагрузки. Используется принцип суперпозиции распределения температурного поля в материале от каждой секции СВЧ устройства. Однако разброс температурного поля в материале в таких конструкциях не всегда удовлетворяет условиям технологического процесса.

Представлены результаты анализа научных публикаций по моделям и методам расчета СВЧ устройств на замедляющих системах для равномерного нагрева листовых диэлектрическими материалов с различными электрофизическими параметрами. Так, в работе [4] на примере обобщенной модели плоской замедляющей системы показана принципиальная возможность эффективного нагрева поверхности с конечной проводимостью. К недостаткам данной работы следует отнести отсутствие экспериментальных исследований, подтверждающих справедливость предложенной модели.

Отражены основные недостатки существующих моделей и методов расчета СВЧ устройств типа бегущей волны, а также сформулированы основные научные задачи, которые необходимо решить для их преодоления.

Во второй главе “Разработка моделей и методов расчета СВЧ устройств волноводного типа” разработаны модели, метод расчета и проектирования и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов.

Показаны особенности нагрева диэлектрических материалов с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. С точки зрения классической физики рассмотрены процессы взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с материалом, приводящие к поглощению энергии поля в материале с учетом макроскопических свойств диэлектрической среды.

Поставлена и решена задача уменьшения разброса температурного поля в листовых диэлектрических материалах с использованием новых конструкций СВЧ устройств волноводного типа путем:

– анализа уравнений электродинамики, связывающих параметры диэлектрического материала с параметрами СВЧ устройства;

– исследования влияния изменения размеров узкой и широкой стенок волновода на распределение температурного поля в обрабатываемом диэлектрическом материале;

– определения границ изменения параметров волноводных систем.

Модель основана на следующих допущениях:

1. Полагаем, что волноводная система идеально согласована как с источником СВЧ энергии с одной стороны, так и с нагрузкой с другой стороны;

2. Потери тепла за счет теплоотдачи в окружающее пространство и омические потери в системе малы, и ими можно пренебречь;

Диэлектрический материал толщиной d и шириной l является 3.

однородным и обладает малой величиной теплопроводности:

Вт д = (0,17...0,19), которой в расчетах можно пренебречь.

м С o Параметры материала, который исследуется в настоящей работе:

Дж г н = 0,12;

cд = 0,8 o ;

д = 2,4 3 ;

а = 50 мм;

d = 6 мм;

l = 500 мм г С см Из уравнений Максвелла и расчета постоянной затухания методом эквивалентных схем для рассматриваемого случая получено распределение температурного поля Т ( z ) в материале:

2 d z 0,239 2 Pвх a 1 T ( z ) = Tнач ( z ) + 2 a e, сд д b a 1 2a где: Рвх – величина входной мощности;

а – размер широкой стенки волновода;

b – размер узкой стенки волновода;

– комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости материала (фактор потерь);

– время нахождения материала в поле сверхвысоких частот;

cд – теплоемкость материала;

д – плотность материала;

– длина волны источника СВЧ энергии;

Т нач ( z ) – начальное распределение температуры в материале;

z – направление распространения энергии;

d – толщина листового материала.

Предложено два способа сохранения постоянной величины напряженности электрического поля в волноводе в направлении распространения энергии электромагнитного поля:

1 способ. Изменение размера узкой стенки волновода.

Условие постоянной температуры в материале в направлении распространения СВЧ энергии определяется выражением:

2 d z 0,239 2 Pвх a 1 T ( z ) = Tнач + 2 a e = const.

сд д b ( z ) a 1 2a В этом случае необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие:

2 d z a 1 b( z ) = b(0 ) e 2 a.

На рис. 1 показано СВЧ устройство, которое состоит из двух одинаковых по конструкции и параметрам секций.

Рис. 1. СВЧ устройство волноводного типа для равномерного нагрева листовых материалов:

1 – источник СВЧ энергии;

2 – согласованная водяная нагрузка;

3 – прямоугольный волновод с линейным изменением размера узкой стенки;

4 – обрабатываемый листовой материал В каждой секции в качестве электродинамической системы используется волновод с линейной аппроксимацией узкой стенки волновода с 34 мм до мм. Энергия электромагнитного поля в секциях распространяется во взаимно– противоположных направлениях. Ограничением размера узкой стенки волновода является величина пробивного напряжения.

На рис. 2 представлен разброс теоретических и экспериментальных значений распределения температурного поля в материале после прохождения двух секций СВЧ устройства.

Т /Т 1, 1, 0, 0, 0,85 z,с м 0 10 20 30 40 Рис. 2. Разброс распределения температурного поля в материале после прохождения двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. 1: расчет (1), эксперимент (2) Таким образом, максимальный разброс температурного поля в материале в экспериментах составил не более 16°С при нагреве материала до температуры 180°С, а расхождение между теоретическими и экспериментальными характеристиками не превышало 7°С. Измерение температуры проводилось с использованием датчиков (термопара MY–64) с ценой деления 1°С.

2 способ. Изменение размера широкой стенки волновода.

Изменение широкой стенки предпочтительно, так как не изменяется объем обрабатываемого материала по сечению волновода.

В работе показано, что распределение температуры в материале определяется выражением:

2 d Pвх 1 a( z ) a( z ) z q ( z ) z T ( z ) = Tнач ( z ) + 1 e, b cд д q ( z ) q 2 (z ) где q( z ) = a( z ) 1.

2a ( z ) Ограничением размера широкой стенки волновода является критическая длина волновода.

Анализ уравнения показал, что если выбрать ширину волновода так, чтобы спад температуры в каждой секции имел линейный характер, то сложение двух характеристик даст постоянное распределение температурного поля в материале.

На рис. 3 представлено СВЧ устройство, состоящее из двух одинаковых по параметрам и конструкции секций.

Рис.3. Конструкция двухсекционного СВЧ устройства: 1 – источник СВЧ энергии;

2 – согласованная водяная нагрузка;

3 – прямоугольный волновод с линейным изменением размера широкой стенки;

4 – обрабатываемый листовой материал В каждой секции размер широкой стенки волновода изменяется по линейному закону от 72 мм до 67 мм.

На рис. 4 представлены теоретическая характеристика (прямая линия 1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля в материале при линейном изменении широкой стенки волновода от 72 мм до мм на длине 500 мм.

Т /Т m ax 1,0 0,6 0,40 z,с м 0 10 20 30 40 Рис. 4. Разброс температурного поля в листовом диэлектрическом материале после прохождения им двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. 3: расчет (1), эксперимент (2) Разброс температурного поля в материале составил не более 7°С, а расхождение между теоретическими и экспериментальными характеристиками распределения температурного поля в материале не превышает 4°С при нагреве материала до температуры 180°С.

Проведены экспериментальные исследования по распределению температурного поля в листовом материале в волноводных конструкциях устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями температуры не превышает 5%.

Таким образом, разработаны модели и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа, которые основаны на изменении геометрических размеров узкой и широкой стенок волновода и использовании принципа суперпозиции распределений температурных полей в диэлектрических материалах с различными электрофизическими параметрами.

В третьей главе диссертации: “ Разработка моделей и методов расчета СВЧ устройств на основе замедляющих систем”, предложены модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем для термообработки листовых диэлектрических материалов. Представлены аналитические методы их расчета и рассмотрены технические решения создания равномерного распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах с различными электрофизическими параметрами в режиме бегущей волны.

Показано, что для плоской конструкции замедляющей системы распределение СВЧ мощности в обрабатываемом диэлектрическом материале спадает по экспоненциальному закону от ее поверхности (ось у) и в направлении распространения СВЧ энергии (ось z). С учетом параметров обрабатываемого материала имеем:

k 2 k k зам 1 + y z P( z, у ) = Pвх e 2 4 k зам k зам k зам e, где: k – волновое число свободного пространства k = ;

k зам – коэффициент ;

– действительная часть относительной замедления k зам = зам диэлектрической проницаемости материала;

– мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости материала;

– длина волны в свободном пространстве.

1 и 1, то уравнение Если соблюдаются условия: 2 4 k зам k зам приобретает вид:

k z P( z, у ) = Pвх e 2 k k зам y e k зам.

На поверхности замедляющей системы, при условии y = 0, уравнение можно записать в виде:

k z Р ( z ) = Pвх е k зам.

Таким образом, распределение мощности вдоль оси z, в плоскости распределения максимальной температуры в обрабатываемом диэлектрическом материале y = 0, зависит только от коэффициента замедления и фактора потерь. Именно это отличие от волноводных систем позволяет реализовывать требуемые технологические процессы.

Пусть толщина обрабатываемого материала равна d, а ширина замедляющей системы и обрабатываемого материала равна а.

Распределение температуры в направлении распространения СВЧ энергии для сечения y = 0 имеет вид:

k 0,239 k z T ( z ) = Tн ( z ) + Pвх k зам е.

k зам a d cд д Предложена модель построения СВЧ устройств термообработки относительно тонких диэлектрических материалов. Модель рассмотрена при тех же предположениях, что и для волноводных систем. Конструкция СВЧ устройства представляет собой две секции, расположенные друг над другом и смещенные друг относительно друга на половину периода пространства взаимодействия с целью предотвращения «полосатого эффекта». Энергия в секциях распространяется во взаимно–противоположных направлениях, как это показано на рис. 5.

Рис. 5. Конструкция СВЧ устройства термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны: 1 – штырь;

2 – пластины;

3 – элементы типа “связка”;

4 – экран;

5 – обрабатываемый материал;

d – толщина материала;

a – ширина материала Экспериментальные точки выбирались между штырями. Основные параметры замедляющей системы ( f = 2450 МГц;

k зам = 5;

Рвх = 600 Вт ) и обрабатываемого материала:

Дж г н = 0,12;

cд = 0,8 o ;

д = 2,4 3 ;

а = 50 мм;

d = 1мм;

l = 400 мм.

г С см Область разброса экспериментальных значений распределения температурного поля в материале представлена на рис. 6.

Т /Т 1,0 0,7 8 1 z,с м 0,4 0 10 20 30 40 Рис. 6. Теоретическая характеристика (1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля в листовом диэлектрическом материале после прохождения двух секций СВЧ устройства, представленного на рис. Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температурного поля в диэлектрическом материале не превышает 5% для рассматриваемой модели построения СВЧ устройства. При этом максимальный разброс температурного поля материала в эксперименте составил 8%.

С учетом распределения температурного поля по толщине диэлектрических материалов СВЧ устройство представляет собой четыре секции, расположенные таким образом, как это показано на рис. 7.

a d v 3 4 3 Рис. 7. Устройство СВЧ термообработки диэлектрических материалов: 1 – штырь;

2 – короткозамкнутые пластины;

3 – элемент типа “связка”;

4 – металлический экран;

– диэлектрический материал;

а – ширина секции замедляющей системы;

d – толщина обрабатываемого материала Энергия в каждой из секций имеет взаимно–противоположное направление по отношению к соседним секциям.

Разброс экспериментальных значений температурного поля в листовых диэлектрических материалах после прохождения СВЧ устройства представлен на рис. 8.

Т /Т 1,0 0, 2 0, 0, 0, 0, 5 y,с м 0 0,1 0,2 0,3 0, Рис. 8. Теоретическая характеристика (1) и область экспериментальных значений (2) распределения температурного поля по толщине материала после прохождения СВЧ устройства, представленного на рис. Максимальный разброс температурного поля по толщине материала составил не более 9%.

Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик температурного поля не превышало 4 %.

Таким образом, разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем, обеспечивающих равномерное распределение температурного поля по толщине обрабатываемых материалов в поле бегущей волны.

В четвертой главе диссертации: “Модель и методика расчета СВЧ устройств с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности” рассмотрена модель и методика расчета распределения температурного поля в листовых диэлектрических материалах с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности.

В общем случае мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости материала при фиксированной частоте колебаний электромагнитного поля зависит от начальных и конечных значений температуры и влажности: н = (Wн, Т н );

к = (Wк, Т к ).

Распределение мощности вдоль направления распространения энергии электромагнитного поля в материале можно записать в виде:

Р( z ) = f ( z, T, W ) Рвх е 2 н (Wн,Tн ) z, где функция f ( z, T,W ) учитывает зависимость постоянных затухания от температуры и влажности по параметру z. Необходимо было найти функцию f ( z, T,W ).

В работе рассмотрена модель представления листового влажного материала в виде слоистого диэлектрика, состоящего из сухой основы и слоя воды.

Для сухих материалов параметр (T ) при начальной и конечной температуре известен и подчиняется за редким исключением прямолинейной зависимости. Зависимость = (T ) для воды на рассматриваемой частоте электромагнитного поля 2450 МГц также является линейной. Толщина слоя воды может быть определена через погонное количество воды mж :

mж d=, l b ж где: l – ширина тонкого материала;

ж – объемная плотность воды.

Метод расчета состоит в том, что постоянная затухания материала представляется в виде суммы постоянной затухания сухого материала и постоянной затухания воды. Для волноводных систем, рассмотренных во второй главе настоящей работы, имеем:

m (Т ) ж (Т н ) 2 z (Tн ) = н = d c(Т н ) + ж н, l b ж 2 a 1 2a m (Т ) ж (Т к ) 2 z (Tк ) = к = d c(Т к ) + ж к.

l b ж 2 a 1 2a Таким образом, сделан переход от зависимости диэлектрических параметров материала от влажности к единой зависимости их от температуры.

В работе приведены расчеты, подтверждающие справедливость представленной модели для древесины с влажностью 14% и 30%.

На рис. 9 показано, что расхождение рассчитанной величины постоянной затухания от температуры для экспериментальных значений фактора потерь [5] и для многослойной модели составляет менее 5%.

,1 /м Т,° С 25 35 45 55 65 75 Рис. 9. Теоретические зависимости постоянной затухания от температуры по экспериментальным значениям фактора потерь (1,3) и для многослойной модели (2,4): для влажности материала 14% (3,4) и 30% (1,2) Представляя электродинамическое устройство с нагреваемым материалом в виде нагруженной длинной линии с граничными условиями, определен закон распределения СВЧ мощности по длине материала с учетом зависимости фактора потерь от температуры:

н Р( z ) = Рвх е 2 н z.

к ( к н ) е 2 н z Зная закон распределения мощности в материале, можно рассчитать необходимую длину электродинамического устройства (l ) и коэффициент полезного действия ( z ) СВЧ установки:

Pвх Р( z ) н е 2 н z (z ) = = 1.

к ( к н ) е 2 н z Рвх Таким образом, разработана методика расчета СВЧ устройств термообработки материалов в поле бегущей волны, которая учитывает зависимость диэлектрических параметров обрабатываемого материала от температуры и влажности.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в исследовании и разработке новых конструкций СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов. При решении поставленной задачи в работе разработаны модели, методики, алгоритмы и программы расчета, научно обоснованные технические решения, которые позволили создать новые СВЧ устройства и реализовать высокоэффективные технологические процессы термообработки материалов. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволившая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно–практических задач.

Основные результаты работы:

1. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств волноводного типа, работающие на основной волне H10 для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов. СВЧ устройство состоит из двух одинаковых по параметрам и конструкции волноводных секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях.

В основе моделей построения новых СВЧ устройств равномерного нагрева листовых материалов лежит принцип суперпозиции распределения температурных полей в материале и линейное изменение поперечного размера узкой или широкой стенок волновода по ширине листового материала.

Если линейное изменение размера узкой стенки волновода каждой секции дает постоянное распределение температурного поля в материале, то суперпозиция распределений температуры от двух секции также будет постоянной величиной. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 9%.

Если размер широкой стенки волновода в каждой секции СВЧ устройства изменяется по линейному закону таким образом, что распределение температурного поля в материале в каждой секции изменяется также по линейному закону, то суммарное распределение температуры в материале будет постоянной величиной. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 7%.

2. Разработаны модели, метод расчета и новые конструкции СВЧ устройств на основе замедляющих систем для равномерного нагрева материала.

Модели основаны на том, что СВЧ устройства состоит из двух одинаковых секций, в которых энергия распространяется во взаимно–противоположных направлениях. С целью исключения «полосатого эффекта» секции сдвинуты друг относительно друга на половину периода пространства взаимодействия. В основе моделей построения СВЧ устройств равномерного нагрева материала лежит принцип суперпозиции распределений температурных полей в материале и зависимость постоянной затухания от диэлектрических параметров материала и замедленной длины волны. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 8%.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по определению распределения температурного поля в материале в СВЧ устройствах волноводного типа и на основе замедляющих систем показали, что расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями температуры не превышает 5%.

4. Разработана модель и методика расчета СВЧ устройств термообработки материалов в поле бегущей волны, которая основана на представлении материала в виде слоистого диэлектрика. Для каждого слоя многослойного диэлектрического материала зависимость постоянной затухания от температуры является линейной. Расхождение теоретических и экспериментальных значений величины постоянной затухания при различной влажности материала (14% и 30%) не превышало 5%.

5. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки листовых диэлектрических материалов по толщине на основе замедляющих систем в поле бегущей волны. СВЧ устройство состоит из четырех одинаковых по конструкции и параметрам секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно–противоположных направлениях. Модель основана на принципе суперпозиции распределений температурных полей в материале и учете зависимости распределения температуры по толщине материала от коэффициента замедления и диэлектрических параметров материала. Максимальный разброс температурного поля в эксперименте при нагреве материала до 180°С не превышал 9%.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В. Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”.

2006. № 3. с. 6–8.

2. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В. Измерение распределения температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”.

2006. № 3. с. 9–19.

3. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В., Мамонтов А.В. Измерение распределения температурного поля поверхности диэлектрических материалов в лучевых СВЧ устройствах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”. 2006. № 3. с. 20–25.

4. Потапова Т.А., Нефедов В.Н., Назаров И.В., Мамонтов А.В. Измерение распределения температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах//Метрология, приложение к журналу “Измерительная техника”. 2006. № 3. с. 26–37.

5. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля листовых диэлектрических материалов в волноводах//Труды 61 Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва.

2006. т.2. с. 314–316.

6. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Изменение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах//Труды 61 Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва.

2006. т.2. стр. 317–318.

7. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах волноводного типа//Труды международной научно– технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов. 2006. с. ??

8. Потапова Т.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В. Распределение температурного поля в листовых материалах в СВЧ нагревающих устройствах на замедляющих системах//Труды международной научно– технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов. 2006. с. ??

Цитируемая литература:

1. Окресс Э. СВЧ–энергетика. М.: Мир. 1971. т. 2.

2. Архангельский Ю.С. СВЧ–электротермия. Саратов: СГТУ. 1998. – 408с.

3. Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В., Черкасов А.С. Методы создания равномерного температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны //Труды YI Межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”. Москва: МГУ.

2005. с. 41–45.

4. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. 2002. – 200с.

5. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. Москва: Лесная промышленность. 1986.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.