Исследование и разработка рабочих камер для СВЧ нагрева с улучшенными характеристиками

• Автор: Бондаренко, Светлана Михайловна
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ОБЪЕМНОГО СВЧ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Бытовые СВЧ печи. Их конструкция и тенденции развития

1.2. Нагрев диэлектриков переменным электромагнитным полем

1.3. Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими средами в призматических резонаторах.
1.4. Современные тенденции развития методов решения внутренних краевых задач электродинамики и теплопроводности

1.5. Выводы по первой главе

2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПРИЗМАТИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ

2.1. Расчет электромагнитных полей в многомодовом полностью заполненном диэлектриком с потерями призматическом резонаторе при его возбуждении от одного источника энергии.

2.1.1. Структура электромагнитного поля в волноводе.

2.1.2. Структура электромагнитного поля в резонаторе
2.1.3. Программная реализация алгоритма.
2.2. Расчет электромагнитных полей в частично заполненном диэлектриком с потерями многомодовом призматическом резонаторе при его возбуждении от одного источника энергии.
2.3. Расчет электромагнитных полей в частично заполненном диэлекгриком с потерями многомодовом призматическом резонаторе при его возбуждении от двух источников энергии
2.3.1. Электромагнитные поля в волноводах и резонаторе
2 Программная реализация алгоритма.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В МНОГОМОДОВОМ РЕЗОНАТОРЕ
3.1. Выбор объекта исследования
3.2. Выбор места расположения вводов энергии
3.3. Влияние геометрических размеров камеры на ее электродинамические характеристики
3.4. Влияние места расположения нагрузки на электродинамические характеристики камеры.
3.5. Выводы по третьей главе
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Конструкция исследуемой СВЧ печи.
4.2. Исследование электродинамических параметров
экспериментальной установки на низком уровне мощности.
4.2.1. Зависимость КСВ от частоты при использовании в качестве нагрузки камеры стаканов с водой
4.2.2. Зависимости КСВ от частоты при использовании в качестве нагрузки камеры пробирок с водой
4.2.3. Зависимости КСВ от частоты при использовании в качестве нагрузки деревянных брусков .
4.3. Анализ распределений плотностей токов в стенках камеры
4.4. Экспериментальные исследования распределения теплового поля в многомодовом резонаторе
4.4.1. Выбор методики измерений.
4.4.2. Результаты исследования равномерности распределения теплового поля при использовании в качестве нагрузки сосудов с водой
4.4.3. Результаты исследования равномерности распределения теплового поля при использовании в качестве нагрузки пробирок с водой
4.4.4. Результаты исследования равномерности распределения теплового поля при использовании в качестве нагрузки деревянных брусков
4.5. Выводы по четвертой главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список
ПРИЛОЖЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ
Достижения современной СВЧ электроники нашли широкое применение во многих областях человеческой деятельности. В значительной степени это связано с простотой преобразования электромагнитной энергии из одного вида в другой и. возможностью передачи энергии СВЧ колебаний на значительные расстояния. Основными областями применения электромагнитных колебаний диапазона СВЧ являются радиолокация, радионавигация, связь и ускорительная техника. Названные области применения СВЧ колебаний характеризуются большой мощностью излучения, используемых генераторов, в частности магнетронов.
Совершенно новые области применения СВЧ энергии открылись с развитием в х годах XX века магнетронов. В частности, устройства на основе СВЧ колебаний стали применять в технологических установках, предназначенных для нагрева, сушки и обработки различных материалов. Интерес к методам СВЧ обработки материалов обусловлен рядом особых свойств электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, таких как объемный характер поглощения СВЧ энергии, проникновение на достаточную глубину СВЧ полей в нагреваемый материал и, бесконтактность передачи энергии объекту воздействия.
При обработке пищевых продуктов, пластмасс, сушке продуктов сельского хозяйства и древесины СВЧ нагрев имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с обычной тепловой обработкой. Вопервых микроволновое излучение обеспечивает быстрый нагрев по всему объему материала, поэтому при приготовлении пищевых продуктов уменьшается разрушение содержащихся в продуктах витаминов, а также происходит эффект стерилизации вредной микрофлоры. Это позволяет получать экологически чистые, богатые витаминами продукты питания с длительным сроком хранения. Вовторых, при использовании микроволновой энергии заметно сокращается время нагрева, поэтому производительность СВЧ установок выше, чем у установок традиционного типа нагрева при одинаковой потребляемой мощно
сти от силовой электросети. Кроме того, использование СВЧ энергии вносит существенный вклад в программу энергосбережения 1.
Достоинствами нагревательных установок,, использующих СВЧ энергию являются также постоянная готовность к работе высокий кпд малая инерционность нагрева и возможность полной автоматизации процесса, что в целом позволяет получать более высокое качество продукции.
Актуальность


Результаты исследований позволят без существенных материальных затрат проектировать установки с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. Цель и задачи диссертационной работы. Составлены аналитические соотношения для расчета электромагнитных полей в призматической камере, частично заполненной поглощающим материалом, при возбуждении камеры от нескольких источников энергии. Проведен анализ распределения плотности тепловых источников в нагреваемом материале для призматических камер. СВЧ энергии и их количества можно обеспечить однородное распределение удельной плотности тепловых источников в вертикальной плоскости. Разработаны алгоритм и на его основе пакет программ для решения внутренней краевой задачи электродинамики применительно к призматическим резонаторам, возбуждаемым несколькими источниками энергии. Предложено использовать в нагревательных камерах два когерентных ввода энергии, что позволяет увеличить равномерность нагрева обрабатываемого материала на . Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими средами, описывающая электродинамические и тепловые процессы в произвольных резонаторных системах, частично заполненных поглощающим материалом с учетом динамики изменения электрофизических и тепловых параметров материала, позволяющая исследовать дисперсионные свойства, характер распространения электромагнитных волн, структуру электромагнитного и теплового поля в камерах СВЧ печи. Достоверность научных положений проверена на тестовых задачах, имеющих строгое аналитическое решение, и получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных результатов, что показывает правомерность применения использовавшихся аналитических соотношений. Научные положения и выводы базируются на результатах численных расчетов корректно развитых из фундаментальных постановок задач линейного программирования, системного анализа, математической физики. При этом резонаторы могут возбуждаться от нескольких источников СВЧ энергии. СВЧ печи при различных способах возбуждения камеры и для разных вариантов заполнения камеры диэлектриком. ФГУП ЦНИИ им. А.Н. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе в научных журналах и сборниках трудов международной и межвузовской конференций. Текст диссертации изложен на 8 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит рисунок, и библиографический список из наименований. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, изложены новые научные результаты, полученные в работе, практическая ценность диссертации. В первой главе рассмотрены проблемы создания равномерного объемного микроволнового нагрева диэлектрических материалов и пути их решения. Предложена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими поглощающими средами, базирующаяся на системе уравнений Максвелла и законе сохранения электромагнитной и тепловой энергии. Составлен алгоритм решения поставленной задачи, а также проведен обзор современных тенденций в развитии методов решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности. Во второй главе получены расчетные соотношения для нахождения пространственного распределения структуры электромагнитных полей в многомодовом призматическом резонаторе, полностью или частично заполненном диэлектриком с потерями, возбуждаемом системой когерентных или некогерентных прямоугольных волноводов. Для решения поставленной задачи использовался метод частичных областей, когда в каждой из частичных областей неизвестное поле представлялось в виде разложения по собственным функциям соответствующей области, и выполнялись условия непрерывности полей на общих границах частичных областей. Представлено описание программ, по которым проводились расчеты. Рассмотрен случай возбуждения резонатора двумя когерентными источниками энергии, располагающимися на одной боковой стенке резонатора. В рабочем диапазоне частот передача энергии по волноводам осуществляется волной типа Н0.