Повышение энергоэффективности СВЧ электротермических установок с камерами лучевого типа путем управления источниками внутреннего тепла в объекте

УДК 621.365

К.Н. Огурцов, Т.Ю. Дунаева

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СВЧ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С КАМЕРАМИ ЛУЧЕВОГО ТИПА ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКАМИ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛА В ОБЪЕКТЕ

Представлены способы повышения энергетической эффективности СВЧ электротермических установок с камерами лучевого типа путем повышения равномерности нагрева и управления внутренними источниками тепла в объекте.

Энергетическая эффективность, СВЧ электротермическая установка, камера лучевого типа, внутренние источники тепла, математическое моделирование

K.N. Ogurtsov, T.Yu. Dunaeva

INCREASING ENERGY EFFICIENCY OF MICROWAVE ELECTROTHERMAL UNITS WITH BEAM-TYPE CAMERAS BY CONTROLLING INTERNAL HEAT SOURCES IN OBJECTS

The paper presents ways to improve energy efficiency of microwave electrothermal appliances with beam-type cameras by improving uniformity of heating and controlling internal heat sources in objects.

Energy efficiency, microwave electro thermal appliance, beam-type camera, internal heating sources, mathematical simulation

Актуальной проблемой промышленного производства в настоящее время является повышение энергетической эффективности термообработки диэлектриков. Существующие традиционные методы термообработки диэлектриков являются достаточно энергозатратными. Доказано, что в некоторых отраслях промышленности СВЧ диэлектрический нагрев успешно конкурирует с традиционными видами энергоподвода, позволяя значительно снизить энергопотребление и улучшить качество выпускаемой продукции, повышая тем самым ее конкурентоспособность [1, 2]. Основным преимуществом СВЧ нагрева диэлектриков перед альтернативными способами энергоподвода, позволяющим значительно сократить энергозатраты, является достаточно быстрый равномерный нагрев диэлектриков за счет наличия внутренних источников тепла непосредственно в нагреваемом объекте. Так, например, в СВЧ установках с КБВ на нерегулярном волноводе равномерность распределения внутренних источников тепла обеспечивается подбором геометрии камеры. В КСВ применяют диссекторы и вращение обрабатываемого объекта, а также регулирование влажности воздуха в рабочей камере. В камерах лучевого типа улучшения равномерности термообработки объекта можно достичь, используя многогенераторные камеры, а также специальные отражающие поверхности [3]. Равномерность термообработки, как правило, оценивается в процентном соотношении и достигает, например, 5% в КБВ. Одним из основных требований технологического процесса является не только высокая равномерность распределения температуры в нагреваемом объекте, но и строгое соблюдение темпов нагрева/остывания, а также точность поддержания температуры в объекте. Основным способом решения данной проблемы в СВЧ электротермических установках является двухпозиционное регулирование, при котором количество энергии, подводимой к нагреваемому объекту, регулируется путем изменения скважности работы магнетрона. Другой способ регулирования подачи СВЧ мощности в рабочую камеру - использование магнетрона с регулируемым током анода.

Как известно, при СВЧ термообработке количество выделяемой энергии в глубине нагреваемого объекта (при условии, что размеры объекта соизмеримы с длиной волны) зачастую больше, чем на поверхности. В таких случаях можно говорить о недостаточном нагреве поверхности объекта. Это снижает равномерность нагрева объекта и повышает энергетические затраты на технологический процесс. Решить эту проблему можно, управляя распределением внутренних источников тепла в нагреваемом объекте.

Рассмотрим эту проблему на примере нагрева плоского объекта в поле рупорного излучателя (рис. 1), расположенного в КЛТ. Математическая постановка этой задачи подробно рассмотрена в [3, 4]. На некотором расстоянии от объекта располагается металлическая стенка. В результате отражений от границ воздух - среда и металл - воздух образуется стоячая волна, распределение напряженности которой в зависимости от расстояния от излучателя показано на рис. 2.

В диэлектрике с потерями при этом возникают внутренние источники тепла, мощность которых определяется по

qv=0,5 we о e'tg 5 ;

при этом распределение мощности источников тепла по толщине нагреваемого объекта имеет характер, показанный на рис. 3.

Рис. 1. Распространение электромагнитной волны в многослойной среде: 1, 3 - воздух; 2 - обрабатываемый объект

Рис. 2. Распределение напряженности электромагнитного поля внутри объекта

Рис. 3. Распределение мощности внутренних источников тепла по толщине диэлектрика

Изменяя расстояние от нагреваемого объекта до металлической отражающей стенки можно менять распределение внутренних источников тепла, а следовательно, увеличить равномерность нагрева. Диапазон изменения тепловыделения при этом будет равен половине длины волны. Наибольшая разница в распределении внутренних источников тепла будет наблюдаться при расстояниях от отражателя, кратных 1, где X - длина волны в пространстве между диэлектриком и отражателем. На 4

рис. 4 представлено распределение внутренних источников тепла при расстоянии до отражателя на

1 больше, чем на рис. 3. 4

Рис. 4. Распределение мощности внутренних источников тепла по толщине диэлектрика

1

при увеличенном расстоянии до отражателя на —

4

Таким образом, при конструировании СВЧ электротермических установок лучевого типа возможно осуществить управление внутренними источниками тепловыделения. На рис. 4 представлен вариант конструкции рабочей камеры периодического действия с плавной регулировкой расстояния до металлического отражателя. В качестве механизма перемещения объекта в данном случае используется гидропривод.

Рис. 4. Камера лучевого типа с изменяющимся расстоянием до отражающей поверхности

При конструировании рабочей камеры лучевого типа, работающей в методическом режиме, можно использовать несколько излучающих систем с разными расстояниями от объекта до отражателя (рис. 5).

Для обеспечения симметрии теплового распределения СВЧ энергия подается к объекту с двух

сторон, отражатели расположены на разных расстояниях от нагреваемого объекта на расстоянии 1

4

друг от друга.

д V_Я_ ,

III III ^—

;-И II

ь V V

Рис. 5. Камера лучевого типа с четырьмя излучающими антеннами и разными расстояниями от обрабатываемого объекта до отражающей поверхности

При разработке рабочих камер лучевого типа с регулируемыми источниками тепловыделения в первую очередь необходимо рассчитать начальное расстояние от объекта до отражающей плоскости. На наш взгляд, это расстояние должно быть выбрано таким образом, чтоб максимум тепловыделения приходился на поверхностные слои диэлектрика. Это позволит скомпенсировать тепловые потери в окружающую среду и, в конечном счете, увеличить равномерность нагрева. При этом это расстояние следует минимизировать для уменьшения металлоемкости конструкции и размеров рабочей камеры.

Вывод: повышения энергетической эффективности термообработки диэлектриков в СВЧ электромагнитном поле возможно достичь путем увеличения равномерности тепловыделения. Для этого предлагается в установках с камерами лучевого типа предусматривать возможность плавного регулирования расстояния от объекта до отражающей стенки, а также от излучателей до объекта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Огурцов К.Н., Дунаева Т.Ю. Использование СВЧ диэлектрического нагрева для высокотемпературной обработки материалов [Электронный ресурс] // Материалы XV Междунар. зимней школы-семинара по электронике сверхвысоких частот и радиофизике: тез. лекций и докл. г. Саратов, 6-11 февр. 2012 г. Саратов: СГУ, 2012.

2. Дунаева Т.Ю., Архангельский Ю.С. Технико-экономическое сравнение СВЧ-и тепловых сушилок зерна // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 274-278.

3. Архангельский Ю.С., Огурцов К.Н., Гришина Е.М. Камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок. Саратов: Изд. дом «Полиграфия Поволжья», 2010. 229 с.

4. Огурцов К.Н. СВЧ рабочие камеры для высокотемпературного нагрева диэлектриков // Вопросы электротехнологии. 2013. № 1. С. 40-45.

Огурцов Константин Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Дунаева Татьяна Юрьевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 10.05.15, принята к опубликованию 10.11.15

Constantin N. Ogurtsov -

Ph.D., Associate Professor

Department of Automated Electrical Technology

Devices and Systems

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Tatyana Yu. Dunaeva -

Ph.D., Associate Professor

Department of Automated Electrical Technology

Devices and Systems

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov