Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Журавлев Александр Николаевич. Электротехнологические конвейерные СВЧ установки равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 : Саратов, 2004 235 c. РГБ ОД, 61:04-5/4062

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопро
водности для СВЧ электротехнологических установок рав
номерного нагрева термопараметрических, материалов и ме
тоды ее решения 14-80

  1. Математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ волн в электротехнологических СВЧ установках равномерного нагрева с произвольными диэлектрическими материалами на основе ВСС 14

  2. Методы решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных волноводных структур с частичным поглощающим заполнением 22

  1. Алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ для квазистационарных ВСС, частично заполненных поглощающим СВЧ мощность материалом, на основе МКЭ 40

  2. Тестирование и модернизация алгоритма и программы численного решения ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе ВСС 63

2. Электродинамические свойства квазистационарных

ВСС с частичным диэлектрическим заполнением и их применение в электротехнологических процессах СВЧ

термообработки 81-147

2.1 Исследование электродинамических свойств и
^ структуры электромагнитного поля полых квазиста-
ционарных одно и многогребневых волноводных
структур 81

  1. Расчет и проектирование плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и многогребневыми волноводными структурами с П-выступом и квазистационарными ВСС 108

  2. Структура ЭМГ поля в квазистационарных ВСС и МГВ с частичным диэлектрическим заполнением 130

3. Электротехнологический процесс нагрева термопара
метрических материалов в конвейерных СВЧ нагре
вательных установках на основе квазистационарных
ВСС 148-220

  1. Моделирование СВЧ установок равномерного нагрева листовых термопараметрических материалов поперечного типа на основе ВСС 148

  2. Оптимизация конструкции СВЧ установок равномерного нагрева произвольных поглощающих ЭМГ мощность диэлектрических термопараметрических материалов 168

  3. Структура теплового поля в термопараметрическом материале при конвейерной СВЧ термообработке в установке поперечного типа на основе квазистационарных ВСС 191

  4. Управление электротехнологическим процессом нагрева термопараметрических материалов в конвейерных СВЧ установках поперечного типа на основе ВСС 209

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 221

ЛИТЕРАТУРА 225

Введение к работе:

Актуальность темы диссертации.

Одним из широко распространенных электротехнологических процессов термообработки является нагрев диэлектрических материалов посредством энергии СВЧ поля. Добиться увеличения скорости термообработки диэлектрических материалов, повысить интенсивность нагрева в установках СВЧ нагрева можно обеспечив однородную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Задача обеспечения равномерного нагрева распадается на две части: обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала (qv= const) и теплоизоляция нагреваемого материала. Наиболее трудоемкую часть представляет задача обеспечения qv= const, которая состоит из двух частей - qs= const

и qL= const. Первая часть обеспечивается выбором соответствующей волноводной системы, а вторая путем продольного изменения геометрии камеры в соответствии с требуемым законом изменения затухания по длине нагревательной системы.

Одним из перспективных классов волноводов сложного поперечного сечения являются многогребневые волноводы (МГВ), которые выделяются среди ВСС большим количеством степеней свободы, что позволяет наиболее эффективно управлять структурой ЭМГ поля в поперечном сечении РК. В связи с этим исследование электродинамических и тепловых свойств МГВ и квазистационарных ВСС с частичным диэлектрическим включением представляет существенный практический интерес. Однако, в силу сложности граничных условий, невозможно применение аналитических методов для анализа электродинамических и тепловых свойств квазистационарных ВСС и МГВ с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением и особенно при частичном термопараметрическом заполнении, а методы

5 экспериментального исследования достаточно дороги, то представляется актуальным разработка и проведение численных расчетов электродинамических и тепловых процессов в квазистационарных ВСС и многогребневых волноведущих структурах и создание на их основе нового класса СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов.

Цель работы: Проведение комплексных исследований электродинамических свойств и структуры ЭМГ поля квазистационарных ВСС и многогребневых волноводов и создание на их основе нового перспективного класса электротехнологических СВЧ установок поперечного типа с равномерным нагревом произвольных тонкопленочных и листовых диэлектрических материалов. Исследование процесса нагрева термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева в СВЧ установках на основе квазистационарных ВСС. Оптимизация конструкции рабочей камеры данных установок, направленная на минимизацию отражения СВЧ мощности от входа РК и достижения наиболее высокого темпа нагрева обрабатываемого материала. Автоматизация процесса численного расчета и построение согласующих переходов между стандартными волноводами и квазистационарными ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в РК СВЧ установки, выполненной на основе ВСС или МГВ. Научная новизна:

- разработаны оптимизированный алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для квазистационарных ВСС или МГВ, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, позво-

ляющие провести комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств данных волноводных структур с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров материала в рабочем диапазоне температур; -- проведены комплексные исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля МГВ с частичным диэлектрическим включением, позволяющие оценить возможность использования многогребневых волноводов как базовых элементов рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов и различных устройств СВЧ (аттенюаторы, фазовращатели, оконечные согласованные нагрузки и

т.д.);

установлено, что изменением геометрии П - выступов и их взаимного расположения в МГВ можно достичь увеличения коэффициента заполнения волновода - rj, то есть области существования однородного электрического поля в поперечном сечении МГВ по сравнению с квазистационарными ВСС (прямоугольный волновод с Т-ребром, якорный и секторный волноводы и др.), что позволяет использовать данные волноводы для создания СВЧ установок равномерного нагрева более габаритных диэлектрических материалов, особенно на частотах 433 и 915 МГц

проведены комплексные исследования, процесса нагрева конкретных термопараметрических материалов в конвейерных электротехнологических СВЧ установках поперечного типа на основе прямоугольного волновода с Т-ребром и установлено, что изменение температуры нагрева материала происходит только в направлении его перемещения и по нелинейному зако-

7 ну, при этом характер изменения температуры однозначно определяется зависимостями электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

предложена методика прямого автоматизированного численного расчета продольной геометрии плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (СВ-прямоугольный, цилиндрический волноводы и др.) и ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на основе СВ в рабочую камеру СВЧ нагревательной установки, выполненной на отрезке нерегулярного ВСС или МГВ;

установлено, что неотражающая передача СВЧ мощности в РК СВЧ нагревательной установки на основе ВСС или МГВ во всем доминантном диапазоне длин волн СВ может быть осуществлена только посредством СП с нелинейным изменением геометрии перехода в направлении распространения ЭМГ волны, при этом превалирующее влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение/ внутренней геометрии перехода (например П-выступа в МГВ);

предложена методика расчета продольного изменения волнового сопротивления рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе квазистационарных ВСС и МГВ, базирующаяся на методе эквивалентных схем и позволяющая оценить уровень согласования РК с генератором при изменении продольного профиля камеры, при котором достигается однородная плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала;

- установлено, что наиболее плавное монотонное изменение вол
нового сопротивления в рабочих камерах СВЧ установок рав
номерного нагрева термопараметрических материалов на осно
ве квазистационарных нерегулярных ВСС в направлении рас
пространения основной волны волновода наблюдается при од
новременном нелинейном изменении как внешней, так и внут
ренней геометрии рабочей камеры, что позволяет минимизиро
вать отражение СВЧ мощности по длине РК.

Практическая значимость:

даны практические рекомендации по построению оптимальных конструкций СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов применительно к заданному технологическому процессу термообработки;

даны практические рекомендации по построению согласующих переходов со стандартных волноводов на МГВ или ВСС, что позволяет решить задачу неотражающей передачи СВЧ мощности в РК электротехнологической СВЧ установки на основе МГВ или ВСС;

предложены конкретные СВЧ установки равномерного нагрева термопараметрических материалов (белок и желток куриного яйца, говядина) на основе ПВТР и МГВ, в которых обеспечивается наиболее плавное изменение волнового сопротивления по длине рабочей камеры;

даны практические рекомендации по нагреву термопараметрических материалов (пищевые продукты, полимерные материалы) в СВЧ нагревательных установках конвейерного типа на основе ПВТР;

даны практические рекомендации по использованию многогребневых волноводов в качестве базовых элементов рабочих камер электротехнологических СВЧ нагревательных

9 камер электротехнологических СВЧ нагревательных установок с равномерным нагревом материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева;

- результаты исследований внедрены в учебном процессе и НИР,
проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, а также могут
быть использованы на предприятиях радиоэлектронной про
мышленности: ГНПП «Алмаз - Фазотрон», СЭПО, НПП «Кон
такт» и дрі

Апробация работы: Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период с 1999 - 2004гг. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

- международной научно-технической конференции «Проблемы
управления и связи», СГТУ, Саратов, 2000;

научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (Саратов 2001г.);

международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», ФГУП НПП «Контакт», Саратов, 2003;

международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», СГТУ, Саратов, 2004.

Публикации: По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 10 печатных работ. Структура и объем диссертационной работы: Диссертационная работа содержит 235 с, состоит из введения, трех глав, заключения, а также включает 82 рисунка и список литературы из 95 наименований.

10 Краткое содержание работы. Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы, оцисана структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

$ В первой главе сформулирована совместная внутренняя краевая

задача электродинамики и теплопроводности для рабочих камер
электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева тер-
** мопараметрических материалов на основе квазистационарных ВСС

или МГВ, базирующаяся на системе волновых уравнений Гельмголь-ца и уравнении теплопроводности и совокупности граничных и начальных условий применительно к конкретному электротехнологическому процессу термообработки заданного диэлектрического материала. Разработаны оптимизированный алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ на основе метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок. Предложен алгоритм автоматического выбора степени дискретизации, позволяющий оптимизировать процесс расчета РК путем выбора оптимального сеточного разбиения и на его основе модернизирован пре-процессор программы WGA. Показано, что основной частью программы выбора степени дискретизации является алгоритм пересчета

fit на регулярную сетку, результатом работы которого является воз-

можность нормировки полученных результатов расчета ЭМГ поля и сравнения их между собой. Также приведены результаты тестирования программы численного решения ВКЗЭиТ на примере квазистационарных ВСС прямоугольного поперечного сечения, лежащих в

основе рабочих камер электротехнологических СВЧ - нагревательных установок.

Во второй главе проведены комплексные исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры ЭМГ поля квазистационарных ВСС и многогребневых волноводных структур, сравнительный анализ которых показал, что МГВ (двугребневый, четырехгребневый, шестигребневый, восьми-гребневый и десятигребневый волноводы) обладают меньшими значениями критических длин волн основного и первого высшего типов, что позволяет на их основе создать РК электротехнологических установок для равномерного нагрева более габаритных диэлектрических материалов, нежели в установках на основе ВСС.

Предложена методика формирования заданной структуры ЭМГ поля в поперечном сечении МГВ посредством изменения геометрии каждого из гребней и их взаимного расположения относительно друг друга. Показано, что применение МГВ, за счет наличия большего количества степеней свободы позволяет увеличить область однородного электрического поля в поперечном сечении волновода, что приводит к повышению коэффициента заполнения данных структур т}. Данное положение принципиально важно при построении РК электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева крупногабаритных диэлектрических материалов.

Предложена и апробирована методика автоматизированного расчета согласующих переходов (СП) между стандартными волноводами (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.), на основе которых выполнены большинство выводов энергии генераторов СВЧ с квазистационарными ВСС и МГВ. Предложены наиболее оптимальные конструкции согласующих переходов СВ-ВСС или СВ-МГВ.

12 В третьей главе разработана математическая модель процесса равномерного нагрева термопараметрических материалов в СВЧ установках поперечного типа на основе ВСС с прямоугольным емкостным зазором. Введены эквивалентные электрофизические параметры (є'зкві tgS^),

позволяющие наиболее просто определить электрофизические и тепловые свойства ВСС с частичным термопараметрическим заполнением, как базовых элементов РК СВЧ установок равномерного нагрева материалов с s'(t) tgS{t) поперечного типа по методике исследования электродинамических свойств ВСС с частичным однородным диэлектрическим включением. Проведено исследование процесса нагрева конкретных термопараметрических материалов в СВЧ установках равномерного нагрева поперечного типа. Показано, что. в данных установках изменение температуры нагрева происходит в направлении его перемещения, при этом характер нарастания температуры нагрева происходит по нелинейному закону и однозначно определяется зависимостями электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур. Предложена методика расчета и проведено исследование изменения волнового сопротивления рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева поперечного типа на основе квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения и МГВ по длине РК с учетом продольного изменения профиля камеры, при котором обеспечивается однородная удельная плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Данное положение является определяющим при оптимизации РК применительно к конкретному технологическому процессу термообработки. Показано, что наиболее оптимальными конструкциями РК поперечного типа, в которых осуществляется равномерный нагрев термопараметрических материалов с

13 точки зрения наиболее плавного изменения волнового сопротивления в направлении распространения волны являются камеры, в которых продольная геометрия изменяется по нелинейному закону. Приведены продольные профили РК, обеспечивающие максимально плавное изменение волнового сопротивления в направлении распространения волны, а также реализовать заданный электротехнологический процесс равномерного нагрева конкретных термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе термообработки.

В заключении приведены основные результаты и выводы по диссертационной работе.

Подобные работы
Цыганков Алексей Викторович
Электротехнологические СВЧ установки равномерного нагрева диэлектрических материалов
Салимов Ильдар Ибрагимович
Исследование процесса термообработки диэлектрических материалов в СВЧ установках с распределенным возбуждением электромагнитного поля
Доценко Анастасия Владимировна
Оптимизация ущерба и резервирования с целью повышения эффективности установок СВЧ диэлектрического нагрева
Рыбков Вадим Сергеевич
Повышение равномерности нагрева диэлектриков в СВЧ - установках резонаторного типа с распределенными системами возбуждения
Слепцова Салима Курмангалиевна
Влияние модифицирующего нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства полимерного волокнистого материала
Данилушкин Василий Александрович
Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти
Шакин Константин Валериевич
СВЧ-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноводных структур
Бубнов Александр Владимирович
Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов
Кузнецова Екатерина Львовна
Математическое моделирование тепломассопереноса в композиционных материалах при высокоинтенсивном нагреве
Комаров Вячеслав Вячеславович
Специализированные системы обработки образцов диссипативных материалов и сред СВЧ-излучением

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net