СВЧ-УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам СВЧ нагрева и может быть использована для нагрева движущихся цилиндрических изделий из диэлектрических материалов, в частности для полимеризации стержней для стеклопластиковой арматуры или толстых труб, работающих в агрессивных средах и обладающих малой теплопроводностью для специальных трубопроводов и т.п.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии.
Известно устройство для СВЧ нагрева диэлектрических стержней, включающее источник СВЧ энергии, защитное устройство для поглощения избыточной энергии и соединенную с источником СВЧ энергии и защитным устройством для поглощения избыточной энергии замедляющую систему типа диафрагмированный волновод. (Девяткин И.И. и другие. Замедляющие системы для СВЧ нагрева диэлектрических стержней. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1972, №5, стр.106-111.)
Недостатком известного устройства состоит в том, что при термообработке диэлектрических стержней температура спадает от внешней боковой поверхности стержня к центру по радиусу достаточно быстро по экспоненциальному закону. Причем степень спада определяется коэффициентом замедления системы. Именно по этим причинам достигнуть равномерного нагрева стержня по поперечному сечению не удается.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева цилиндрических изделий из диэлектрических материалов.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для термообработки диэлектрических материалов, содержащее секцию, включающую источник СВЧ энергии, защитное устройство для поглощения избыточной энергии и соединенную с источником СВЧ энергии и защитным устройством для поглощения избыточной энергии замедляющую систему типа диафрагмированный волновод, согласно предложенной полезной модели, снабжено второй секцией, включающей источник СВЧ энергии, защитное устройство для поглощения избыточной энергии и соединенный с источником СВЧ энергии и защитным устройством для поглощения избыточной энергии круглый волновод, причем первая и вторая секции соединены последовательно в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот.
01
Первая секция СВЧ устройства, включающая замедляющую систему типа диафрагмированный волновод, обеспечивает максимальное значение температуры на внешней поверхности цилиндрического изделия из диэлектрического материала и ее спад по радиусу к его внутренней поверхности, а вторая секция СВЧ устройства, включающая круглый волновод на основном типе волны Е, обеспечивает максимальное значение
температуры на внутренней поверхности цилиндрического изделия из диэлектрического материала и спад температуры по радиусу к его внешней поверхности, тем самым формируется равномерное распределение температурного поля в нагреваемых диэлектрических материалах
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является формирование равномерного распределения температурного поля в нагреваемых диэлектрических материалах, за счет чего обеспечивается равномерный нагрев обрабатываемого материала.
Сущность предложенной полезной модели поясняется рисунками, где на фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства;
на 2 представлены рассчитанные (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению трубы для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме.
на фиг.3 представлены рассчитанные (3) и экспериментальные (4) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме.
на фиг.4 представлены рассчитанные (5) и экспериментальные (6) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению трубы в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении круглого волновода
на фиг.5 представлены рассчитанные (7) и экспериментальные (8) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении круглого волновода.
на фиг.6 представлены рассчитанные (9) и экспериментальные (10) характеристики распределения температуры по поперечному сечению диэлектрической трубы после прохождения двух секций СВЧ устройства
на фиг.7 представлены рассчитанные (11) и экспериментальные (12) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня после прохождения двух секций СВЧ устройства.
Предложенное устройство (фиг.1) для термообработки диэлектрических материалов содержит, по крайней мере, две секции, соединенные последовательно в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот, то есть в направлении движения цилиндрических изделий из диэлектрического материала,
Первая секция содержит источник 1 СВЧ энергии, защитное устройство 2 для поглощения избыточной энергии и соединенную с
источником 1 СВЧ энергии и защитным устройством 2 для поглощения избыточной энергии замедляющую систему типа диафрагмированный волновод 3.
Вторая секция содержит источник 4 СВЧ энергии, защитное устройство 5 для поглощения избыточной энергии, и соединенный с источником 4 СВЧ энергии и защитным устройством 5 для поглощения избыточной энергии круглый волновод 6.
Первая секция СВЧ устройства, включающая замедляющую систему типа диафрагмированный волновод, обеспечивает максимальное значение температуры на внешней поверхности цилиндрического изделия из диэлектрического материала и ее спад по радиусу к его внутренней поверхности. Спад температуру к внутренней поверхности определяется экспоненциальной зависимостью, а скорость спада температуры определяется коэффициентом замедления диафрагмированного волновода.
В направлении радиуса в электродинамической системе температура спадает в первом приближении по экспоненциальному закону:
T[R) - температура на внешней поверхности трубы радиуса R (температура цилиндрического изделия из диэлектрического материала на поверхности замедляющей системы);
зам
k - коэффициент замедления
зам
λ - Длина волны в замедляющей системе (диафрагмированном волноводе).
На фиг.2 представлены рассчитанные (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температурного поля по поперечному
сечению диэлектрической трубы для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме.
На фиг.3 представлены рассчитанные (3) и экспериментальные (4) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме.
01
Вторая секция СВЧ устройства, включающая круглый волновод на основном типе волны Е, обеспечивает максимальное значение
температуры на внутренней поверхности цилиндрического изделия из диэлектрического материала и спад температуры по радиусу к его внешней поверхности.
Закон распределения температуры по поперечному сечению цилиндрического изделия из диэлектрического материала, например диэлектрического стержня или диэлектрической трубы:
01
Для волны E закон распределения температуры по поперечному сечению цилиндрического диэлектрического изделия в первом приближении имеет вид:
где:
k - волновое число свободного пространства
λ - длина волны источника СВЧ энергии;
β - фазовая постоянная
волн
λ - Длина волны в круглом волноводе;
ε' - действительная составляющая относительной диэлектрической проницаемости материала изделия;
T(0) - температура на внутренней поверхности поперечного сечения диэлектрического изделия.
На фиг.4 представлены рассчитанные (5) и экспериментальные (6) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению трубы в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении круглого волновода
На фиг.5 представлены рассчитанные (7) и экспериментальные (8) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении круглого волновода.
После последовательного прохождения цилиндрическим диэлектрическим изделием двух секций предложенного СВЧ устройства и соответствующей термообработки разброс температурного поля по его поперечному сечению не превышает 8%, что удовлетворяет требованиям технологического процесса.
В качестве иллюстрации на фиг.6 и 7 приведены графики рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры по поперечному сечению диэлектрической трубы и диэлектрического стержня соответственно после прохождения двух секций СВЧ устройства.
Все приведенные в качестве примеров графики расчетных и экспериментальных кривых получены для цилиндрических изделий (труба и стержень), выполненных из диэлектрического материала с параметрами:
- коэффициент теплопроводности материала
Предложенное устройство обеспечивает равномерный нагрев цилиндрических изделий из диэлектрических материалов.