авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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

Pages:   || 2 | 3 |

Свч-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов волноводного и резонаторного типов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДРОГАЙЦЕВА Ольга Викторовна

СВЧ-УСТРОЙСТВА РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ВОЛНОВОДНОГО И РЕЗОНАТОРНОГО ТИПОВ

Специальность: 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» им. Гагарина Ю.А.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Иванченко

Владимир Афанасьевич,

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Мещанов Валерий Петрович

Ведущая организация – ОАО НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан «___» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Минобрнауки России «___»______2011 г. и на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru «___»_________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в технике и энергетике СВЧ является повышение уровня равно-мерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов. Решение данной задачи требует использования новых типов волноводов, таких как: прямоугольный волновод с Т-ребром; подковообразный волновод; П- и Н-волноводы и др., отличающиеся от стандартных волноводов (прямоугольный, цилиндрический и др.) наличием четко выраженного емкостного зазора, электрическое поле доминантной волны в котором однородно, что является необходимым условием обеспечения однородной удельной плотности тепловых источников - в объеме обрабатываемого материала. Достижение однородности продольной составляющей посредством соответствующего изменения геометрии рабочей камеры в направлении распространения доминантной волны позволит создать новый класс конвейерных СВЧ-устройств на основе волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), которые обеспечивают равномерную интенсивную термообработку листовых, тонкопленочных, брикетированных, сыпучих, жидких, полимерных и др. материалов. Необходимо отметить, что данные установки относятся к СВЧ-устройствам специального назначения, предназначенным для равномерного нагрева конкретного диэлектрического материала. Определение геометрии рабочей камеры конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа применительно к заданному процессу термообработки представляет собой чрезвычайно сложную задачу, связанную с решением нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для ВСС, частично заполненных диэлектрическим материалом, электрофизические и тепловые параметры которого изменяются в процессе нагрева.



Особую актуальность данная задача приобретает в наиболее распространенных в технике и энергетике СВЧ-устройствах резонаторного типа, поскольку наличие резонансных свойств в рабочей камере приводит к резкой неоднородности распределения электрического поля в области расположения материала в силу образования стоячих волн, что приводит к неравномерности нагрева образца. Попытки механического перемещения обрабатываемого материала (вращение поддона с продуктом) не позволяют снизить градиент температур в силу радиальной неоднородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Также неэффективным оказывается использование диссекторов в области расположения ввода СВЧ-мощности в рабочую камеру, поскольку продукт находится в дальней зоне возбуждения, а эффективность влияния диссектора на электрическое поле определяется в ближней зоне возбуждения. Кроме того, до настоящего времени в выпускаемых микроволновых печах используется однощелевой способ возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, который менее эффективен, чем многощелевой способ возбуждения в повышении уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала. Заметим, что распределенный способ возбуждения позволяет улучшить равномерность нагрева диэлектрических материалов чисто электродинамическим путем, а также управлять потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру, что является необходимым условием создания СВЧ-устройств резонаторного типа нового поколения. Это достаточно сложная и перспективная задача техники и энергетики СВЧ.

Значительный вклад в исследование электродинамических свойств волноводов сложного сечения внесли зарубежные ученые – Metaxas A.C., Meridith R.J., Chen T.S., Torres F., а также российские ученые – Вольман В.И., Григорьев А.Д., Михалевский В.С., Гальченко Н.А., Лерер А.М., Коломейцев В.А., Яковлев В.В., Гуревич Л.Г. и др. Показали эффективность использования ВСС в качестве рабочей камеры СВЧ-устройств конвейерного типа для достижения равномерного нагрева листовых, тонкопленочных, жидких, сыпучих и др. материалов российские ученые – Железняк А.Р., Салимов И.И., Комаров В.В., Хомяков С.В. и др. Исследованию электродинамических свойств СВЧ-устройств резонаторного типа были посвящены работы зарубежных ученых – Пюшнера Г., Soriano V., Окресса Э., Уонг Х., Lee J. и др., а также российских ученых – Девяткина И.И., Архангельского Ю.С., Рогова И.А., Некрутмана С.В., Зусмановского С.А., Пиденко А.П., Пименова Ю.В. и др. Наибольший вклад в теорию и практику возбуждения электромагнитного поля в СВЧ-устройствах резонаторного типа, в том числе и многощелевого, внесли – Марков Г.Т., Чаплин А.Ф., Васильев Е.А., Кисунько Г.В., Коломейцев В.А., Григорьев А.Д. и др. Однако, несмотря на такие обширные исследования электродинамических свойств ВСС, частично заполненных диэлектрическим материалом, и резонаторных камер с произвольной системой возбуждения, актуальными и практически важными остаются следующие задачи техники и энергетики СВЧ: разработка эффективных методов решения ВКЗЭиТ для термопараметрических материалов; решение задачи синтеза СВЧ-устройств волноводного типа, то есть определение геометрии рабочей камеры, обеспечивающей равномерный нагрев движущихся диэлектрических материалов; оптимизация системы возбуждения СВЧ-устройств резонаторного типа, направленная на повышение уровня равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов и качества готовой продукции. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы.

Создание специализированных конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа, обеспечивающих равномерный нагрев листовых, тонкопленочных, жидких и порошкообразных диэлектрических материалов, и универсальных СВЧ-устройств резонаторного типа с распределенными системами возбуждения электромагнитного поля, обладающих более равномерным нагревом материалов и КПД по сравнению с однощелевыми системами возбуждения, используемыми в современных микроволновых установках.

Научные задачи.

Для достижения данной цели требуется решить следующие задачи:

1. Создать математическую модель процесса взаимодействия электромагнитных (ЭМГ) полей с диэлектрическими материалами, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева, в СВЧ-установках волноводного и резонаторного типов.

2. Разработать методику решения ВКЗЭиТ для волноводных СВЧ-устройств продольного и поперечного типов, предназначенных для непрерывной обработки листовых, тонкопленочных, жидких, газообразных материалов и задачу возбуждения ЭМГ поля в резонаторных СВЧ-устройствах, частично заполненных однородным диэлектрическим материалом стандартной формы, что позволяет оптимизировать систему возбуждения.

3. Произвести расчет конструкции и режима термообработки рабочей камеры волноводных конвейерных СВЧ-установок на основе ВСС, предназначенных для термообработки произвольных диэлектрических материалов, в том числе и термопараметрических.

4. Провести исследования электродинамических и тепловых характеристик резонаторных СВЧ-устройств с различными системами возбуждения ЭМГ поля, в том числе многощелевыми и комбинированными, и определить пути повышения уровня равномерности нагрева в данных установках.

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи были использованы:

метод частичных областей; метод последовательных приближений; метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод линеаризации исходных данных процесса термообработки материалов, электрофизические и тепловые параметры которых являются функциями температуры; метод разделения переменных (задача теплопроводности для образцов стандартной формы), численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия доминантной волны с термопараметрическими материалами в конвейерных СВЧ-устройствах волноводного типа, позволяющая провести анализ теплового поля в объеме обрабатываемого материала с учетом зависимости электрофизических и тепловых параметров материала от температуры нагрева и определить основные выходные характеристики данных установок для конкретного диэлектрического материала.

2. Предложен численно-аналитический способ решения неоднородной ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств резонаторного типа, в основе которого лежит аналитический метод решения неоднородных уравнений Гельмгольца и теплопроводности (метод Лагранжа) с использованием ортогональных преобразований Фурье. При этом собственные ортогональные функции решения определяются численным методом (МКЭ), что позволяет провести исследования электродинамических свойств различных систем возбуждения ЭМГ поля и определить конструкцию системы возбуждения, обеспечивающую заданный технологический процесс термообработки.

3. Разработан подход расчета конструкции рабочей камеры конвейерных СВЧ-устройств на основе ВСС, обеспечивающих равномерный нагрев листовых, тонкопленочных и жидких материалов с высоким темпом нагрева и производительностью, и позволяющих создать перспективный класс специальных промышленных установок непрерывного действия.

4. Исследован и реализован способ подвода ЭМГ мощности от генератора в рабочую камеру СВЧ-устройств резонаторного типа со стороны нижней поверхности резонатора посредством прямоугольного рупора, что позволило резко повысить уровень равномерности нагрева материала и КПД установки за счет увеличения тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля в области расположения образца.

5. Установлено, что использование распределенных систем возбуждения ЭМГ поля в рабочей камере СВЧ-устройств резонаторного типа позволяет повысить уровень равномерности нагрева материала и создать необходимое условие для управления потоком СВЧ-мощности в резонаторную камеру, что позволит наиболее полно реализовать заданный технологический процесс термообработки.

Практическая значимость.

1. Даны практические рекомендации по применению численных методов решения нелинейной ВКЗЭиТ для конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа на основе ВСС, обеспечивающих равномерный нагрев термопараметрических материалов.





2. Разработаны конструкции рабочих камер конвейерных СВЧ-устройств на основе отрезков волноводов сложного поперечного сечения, предназначенных для равномерного нагрева произвольных термопараметрических материалов.

3. Даны практические рекомендации по совершенствованию систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ-устройств резонаторного типа, направленные на повышение уровня равномерности нагрева образца.

Апробация работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2008 г., 2009 г.), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, ММТТ-ХХI, 2008 г., ММТТ-XXIII, 2010 г., ММТТ-ХХIV, 2011 г.).

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов

обусловлена корректностью постановки нелинейной математической модели процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольными диэлектрическими материалами в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов, точной формулировкой краевых условий на внутренней поверхности рабочей камеры и на границе раздела сред, использованием высокоточных численных методов решения краевых задач математической физики, экспериментальными исследованиями электродинамических и тепловых свойств СВЧ-устройств резонаторного типа с различными распределенными системами возбуждения ЭМГ поля в рабочей камере.

Реализация результатов.

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

Публикации.

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

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа содержит 207 страниц, состоит из введения, трех глав, заключения и включает 78 рисунков, а также список используемой литературы, содержащий 103 наименования.

Личный вклад автора.

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

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса взаимодействия электромагнит-ного поля с диэлектрическими материалами в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов, базирующаяся на системе уравнений Максвелла и уравнении Фурье, и позволяющая определить эффективность распределенных систем возбуждения ЭМГ поля в резонаторной камере в обеспечении заданного процесса термообработки и конструкцию рабочей камеры СВЧ-устройств на основе отрезков ВСС, обеспечивающих равномерную конвейерную термообработку материалов, электрофизические и тепловые параметры которых изменяются в процессе нагрева.

2._Методика приближенного решения нелинейной ВКЗЭиТ для волноводных конвейерных СВЧ-устройств волноводного типа, базирующаяся на предположении постоянства физических параметров термопараметрического материала на каждом итерационном промежутке температурной зависимости - и позволяющая определить геометрию рабочей камеры, обеспечивающую равномерный нагрев листовых, тонкопленочных, жидких и др. материалов.

3. Численно-аналитический подход к решению ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств резонаторного типа при различных системах возбуждения ЭМГ поля, в котором решение неоднородной системы волновых уравнений и уравнения теплопроводности проводится аналитическим методом вариации произвольных постоянных на основе ортонормированных функций, которые определяются на основе численного решения однородной системы уравнений, что позволяет определить оптимальную конструкцию системы возбуждения применительно к заданному процессу термообработки.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований электродинамических и тепловых свойств нагревательных СВЧ-устройств резонаторного типа с многощелевыми системами возбуждения ЭМГ поля при различном расположении данных систем на внутренней поверхности рабочей камеры, позволяющие определить пути оптимизации конструкции системы возбуждения, направленной на повышение уровня равномерности нагрева и качества готовой продукции.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе предложена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с диэлектрическими материалами, электрофизические и тепловые параметры которых изменяются в процессе нагрева в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов, базирующаяся на системе уравнений Максвелла для векторов напряженности электрического и магнитного полей и уравнении Фурье для теплового потока. Для рабочих камер, частично заполненных термопараметрическим материалом, данная математическая модель на основе метода частичных областей распадается на две – для области, заполненной диэлектрическим материалом, и воздушной средой. Для воздушной среды математическая модель представлена неоднородными уравнениями Гельмгольца для векторов и :

(1)

где: (2)

(3)

- вектора напряженности электрического и магнитного поля в воздушной среде; - источник электромагнитного поля; , - удельная плотность сторонних токов и зарядов; - абсолют-ные значения диэлектрической и магнитной проницаемости воздуха; - радиус-вектор, определяющий положение исследуемой точки в пространстве; - время. Для области рабочей камеры, заполненной термопараметрическим материалом, математическая модель представляет собой систему взаимосвязанных нелинейных уравнений Гельмгольца и уравнение теплопроводности:

; (4)

; (5)

где:

(6)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.