СВЧ-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов волноводного и резонаторного типов

Из широкого класса СВЧ нагревательных установок промышленного и бытового назначения для термообработки диэлектрических материалов наибольшее распространение получили конвейерные и стационарные СВЧ-устройства волноводного и резонаторного типов. В данных установках используется принцип объемного выделения тепловой энергии в обрабатываемом материале электромагнитным полем СВЧ, что выгодно отличает их от установок конвекционного нагрева [1−3]. Глубина-проникновения СВЧ-мощности в материал определяется частотой, на которой производится термообработка [4]. Наибольшая глубина проникновения наблюдается на частоте — у = 433 МГц — наименьшей частоте из частот, отпущенных для целей промышленного и бытового назначения. Наименьшая глубина проникновения СВЧ-мощности в материал наблюдается на частоте у = 2450 МГц. Однако, несмотря на объемное выделение тепловой энергии электромагнитным полем, в диэлектрическом материале распределение удельной мощности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, как правило, неоднородно, что приводит к неравномерности нагрева материала и возникновению термоупругих напряжений. Данное положение приводит к ухудшению качества готовой продукции и снижению интенсивности термообработки. В' связи с этим, актуальной задачей в технике и энергетике СВЧ является повышение' уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, то есть, равномерности нагрева. Это достаточно сложная задача, особенно в установках стационарного типа, предназначенных для термообработки неподвижных диэлектрических материалов (микроволновые бытовые печи).

Задача достижения равномерности нагрева в волноводных и резонаторных СВЧ-устройствах резко усложняется, если электрофизические и тепловые параметры обрабатываемого материала изменяются в процессе термообработки, поскольку внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности в данном случае представляет собой систему взаимосвязанных нелинейных волновых уравнений Гельмгольца для векторов напряженности электрического и магнитного полей и уравнения' теплопроводности. Данная задача может быть решена только приближенными методами с применением современных численных методов решения задач математической физики (метод конечных и объемных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок или методом конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье) на каждом итерационном интервале [5]. Это связано не только с нелинейностью исходной системы уравнений, но и невозможностью аналитического представления функциональной зависимости электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала от температуры нагрева. Указанные зависимости определяютсятолько экспериментально, при этом методики определения температурных зависимостей электрофизических и тепловых параметров существенно различаются между собой, что резко усложняет решение ВКЗЭиТ для широкого класса диэлектрических материалов, физические параметры которых зависят от температуры нагрева.

Создание волноводных конвейерных СВЧ-установок равномерного нагрева поперечного типа, когда обрабатываемый материал перемещается перпендикулярно направлению распространения волны, и продольного типа, в которых образец перемещается в направлении распространения волны, как показано в работах [6, 7], может быть осуществлено только на основе отрезков волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), имеющих четко выраженный емкостной зазор, электрическое поле доминантной волны в котором однородно, что приводит к однородному распределению удельной плотности тепловых источников в поперечном сечении волновода — д5 = const. Условие — qv = const является необходимым условием равномерного нагрева обрабатываемого материала. Достаточным условием равномерности нагрева является обеспечение однородности удельной плотности тепловых источников в продольном направлении рабочей камеры — q, = const, что достигается соответствующим изменением профиля камеры, в направлении распространения доминантной волны ВСС. Для того чтобы, конструкция рабочей камеры удовлетворяла необходимому и достаточному условиям равномерного нагрева обрабатываемого материала, расчет ее геометрии должен быть проведен на основе комплексного анализа электродинамических и тепловых свойств ВСС, частично заполненных диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, материалом, электрофизические и тепловые параметры которого зависят от температуры нагрева. Это достаточно сложная и трудоемкая задача, требующая больших вычислительных ресурсов, которая является одной из" основных целей данной диссертационной работы.

Совершенно другой подход наблюдается при решении задачи достижения равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов в СВЧ-установках резонаторного типа. В данныхустановках повысить уровень равномерности нагрева возможно за счет применения новых систем возбужденияэлектромагнитного поля — многощелевых и комбинированных систем возбуждения, а не за счет изменения геометрии рабочей камеры [8]. Увеличение числа степеней свободы в данных системах возбуждения позволяет расширить потенциальные возможности рабочей камеры в повышении уровняравномерности нагрева обрабатываемого материала. Решение задачи оптимизации распределенных систем возбуждения требует проведения комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств резонаторных камер, частично заполненных диэлектрическим материалом, при различных многощелевых и комбинированных системах возбуждения на основе численного решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики для данных электродинамических структур. В данной работе приведены не только результаты численного исследования электродинамических и тепловых свойств резонаторных структур, частично заполненных диэлектрическим материалом, при различных конструкциях распределенных систем возбуждения, но и обширные данные экспериментальных исследований данных электродинамических структур.

Таким образом, в данной диссертационной работе решается актуальная задача техники и энергетики СВЧ — создание волноводных конвейерных установок равномерного нагрева на базе ВСС для термообработки широкого класса диэлектрических материалов, в том числе и термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые параметры которых изменяются в процессе нагрева, а также повышение уровня равномерности нагрева обрабатываемого материала в установках резонаторного типа путем использования многощелевых и комбинированных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере, что позволяет повысить уровень равномерности нагрева по сравнению с традиционным однощелевым возбуждением на 30%. Управление потоком СВЧ-мощности в рабочую камеру путем использования в распределенных системах возбуждения переключающих р-1-п диодов, попарно расположенных в каждой щели, позволит создать новый перспективный класс СВЧ-установок резонаторного типа бытового назначения.