Сравнение структур электрического и теплового полей в области расположения диэлектрического материала при боковом способе возбуждения резонаторной камеры

УДК 621.372

В.С. Рыбков, Д.И. Карпов, А.А. Евсейкин СРАВНЕНИЕ СТРУКТУР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ТЕПЛОВОГО ПОЛЕЙ В ОБЛАСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПРИ БОКОВОМ СПОСОБЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАТОРНОЙ КАМЕРЫ

Приводятся структуры электрического и теплового полей в резонаторной камере, частично заполненной диэлектрическим материалом в форме слоя, при боковом способе возбуждения четырьмя прямоугольными щелями. Подсчитаны коэффициенты неравномерности электрического и теплового полей при различной высоте расположения обрабатываемого материала.

Резонатор, электрическое поле, тепловое поле, система возбуждения.

V.S. Rybkov, D.I. Karpov, A.A. Evseykin ELECTRIC AND HEAT FIELDS STRUCTURES COMPARISON IN THE AREA OF DIELECTRIC MATHERIAL WITH THE LATERAL METHOD OF THE EXCITATION

The structures of electric and heat fields in the resonator chamber, partially loaded with dielectric material in the form of layer with the lateral method of the excitation by four rectangular splits are represented. The values of the electric and temperature field no homogeneity coefficients with different height of the arrangement of the material are calculated.

Resonator, electric field, heat field, system of excitation.

При проектировании СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа основной задачей является обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала qV. Самым известным путем решения указанной задачи является механическое перемещение нагреваемого продукта (поворотные стойки в микроволновых печах). Однако, при этом возникает радиальная составляющая неравномерности нагрева, что приводит к снижению качества термообработки различных диэлектрических материалов [1]. Альтернативой механическому способу является создание распределенной системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере. При этом обеспечение требуемого уровня однородности qV осуществляется за счет вариации структурой сторонних источников электромагнитного поля [2].

Во многих современных микроволновых печах подвод СВЧ-мощности в рабочую камеру осуществляется с боковой стенки. При этом доминирующей является тангенциальная составляющая электрического поля в объеме обрабатываемого материала, которая обеспечивает более равномерный нагрев диэлектрического образца в форме слоя [3]. Данный способ ввода мощности в рабочую камеру представляется перспективным при

разработке устройств СВЧ-нагрева нового типа. Следовательно, необходимы расчет и

экспериментальное исследование

электродинамических и тепловых свойств рабочих камер при боковом распределенном способе возбуждения.

Численный расчет структур

электрического поля осуществляется с помощью программы WGTA, работающей по методу конечных объемных элементов с применением принципов Галеркина и взвешенных невязок [4]. С ее помощью смоделирована система (рис. 1), состоящая из прямоугольной резонаторной камеры размером 300x270x250 мм, что соответствует размерам рабочей камеры СВЧ-печи LG М8-192И. Возбуждение

электромагнитного поля осуществлялось посредством отрезка прямоугольного волновода сечением 110x45 мм и длиной 300 мм, соединенного с генератором стандартной частоты 2,45 ГГц. Проводимость стенок волновода и резонаторной камеры считалась идеальной. На дне камеры расположен диэлектрический образец в форме сплошного слоя высотой 50 мм с относительной диэлектрической проницаемостью в' = 81, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне температур 20-50°С. Система возбуждения представляет собой четыре щели прямоугольного профиля,

шириной 110 мм, расположенные на расстоянии половины длины волны Н10 в прямоугольном волноводе, определяемой соотношением [5]:

л = Ь

1 — Г Ь 0 1

^ кд)

где Хкр - критическая длина волны прямоугольного волновода; Ь0 - длина волны источника СВЧ-мощности. Учитывая значения Л для указанного волновода, щели располагались на расстоянии 73,6 мм друг от друга. Продольные размеры щелей равны 3,

5, 7 и 10 мм, то есть ширина щели увеличивается по мере удаления от источника СВЧ-мощности, что повышает уровень согласования с рабочей камерой [6]. Для количественного анализа однородности структур электрического и температурного полей во всех проведенных опытах были рассчитаны значения коэффициентов неравномерности электрического цЕ и температурного цТ полей по формулам [7]:

Па =

I 1шах I 1шт

\Е\

\ср

I — I •

^ шах шт

= г — I

пд 10

где Е

|Е| и |Е| - максимальное, минимальное и среднее значения квадрата модуля

I 1шах ' I 1шт I \ср

вектора напряженности электрического поля в объеме обрабатываемого материала соответственно. Данные величины определяются численным расчетом. А ^шах, ^ш;„, tcp -максимальное, минимальное и среднее значения температуры нагретого материала соответственно и начальная температура ^ определяются экспериментально.

2

При проведении экспериментов в данной

Рис. 1. Схема СВЧ-установки работе в качестве диэлектрического

с боковым способом возбуждения

7 поглощающего материала используется вода,

разлитая в определенной пропорции в 12 стаканах. В ходе экспериментальных исследований рассчитывается распределение теплового поля в обрабатываемом материале и коэффициент неравномерности согласно формуле (2). Кроме того, проводится расчет коэффициента неравномерности нагрева по 9 зонам (общее международное определение) [1, 7].

На рис. 2 приведены структуры электрического и теплового полей при боковом способе возбуждения. Анализируя приведенные результаты, заметим, что при боковом способе возбуждения уровень однородности структуры электрического и теплового полей в объеме обрабатываемого материала достаточно высок, однако не удовлетворяет установленным международным требованиям [1]. Данное обстоятельство объясняется тем, что диэлектрический образец находится на дне камеры, то есть в дальней зоне возбуждения, где структура электрического и теплового полей определяется в первую очередь резонансными свойствами исследуемой системы [2].

а б

Рис. 2. Структура электрического (а) и теплового (б) полей в объеме обрабатываемого материала

В связи с этим представляет интерес исследовать процесс нагрева диэлектрического материала в ближней зоне возбуждения, поднимая диэлектрический слой при численном расчете и поднос со стаканчиками, наполненными водой, при экспериментальном исследовании. При этом возможно добиться повышения однородности электрического и теплового полей за счет того, что данные величины будут определяться параметрами системы возбуждения.

Далее происходило исследование структур электрического и теплового полей при различной высоте расположения диэлектрического образца (стаканчиков с водой). Проведены эксперименты при расположении образца на дне резонаторной камеры (рис. 2) и на высоте подъема 30, 60 и 90 мм, то есть рассмотрен нагрев диэлектрического материала как в ближней, так и в дальней зоне возбуждения, которая при щелевом возбуждении определяется по методике, описанной в работе [5]. Считая щель прямоугольным поверхностным излучателем, оценить ближнюю зону возбуждения возможно по формуле:

Я <

где х и у - размеры прямоугольной щели; Л - длина волны в волноводе связи, определяемая по формуле (1). Согласно формуле (4) при заданных параметрах системы возбуждения ближняя зона определяется условием Я < 35 мм. Структуры электрического и теплового полей при различной высоте расположения образца приведены на рис. 3-5, а

значения коэффициентов неравномерности электрического цЕ и теплового П? полей - в таблице.

Рис. 3. Результаты исследований процесса нагрева образца, находящегося на высоте 30 мм: а - структура электрического поля в объеме обрабатываемого материала; б - теплового поля

Рис. 4. Результаты исследований процесса нагрева образца, находящегося на высоте 60 мм: а - структура электрического поля в объеме обрабатываемого материала; б - теплового поля

Рис. 5. Результаты исследований процесса нагрева образца, находящегося на высоте 90 мм: а - структура электрического поля в объеме обрабатываемого материала; б - теплового поля Значения коэффициентов неравномерности при боковом способе возбуждения электромагнитного поля

Высота подъема диэлектрического образца, мм 0 30 60 90

Коэффициент неравномерности электрического поля пе 1,5 0,94 1,07 1,01

Коэффициент неравномерности теплового поля по 12 зонам 0,60 0,51 0,56 0,44

Коэффициент неравномерности теплового поля по 9 зонам 0,41 0,41 0,36 0,35

Анализируя полученные результаты, можно заключить, что значения коэффициентов неравномерности электрического поля выше, чем теплового: ЦЕ> П?. Данное обстоятельство объясняется тем, что при нагреве жидкости происходит перераспределение и усреднение температуры за счет конвективного теплообмена [8]. Значения коэффициентов неравномерности теплового поля снижаются по мере приближения образца к ближней зоне возбуждения, что особенно заметно при анализе данных по 12 зонам: 0,44<nt<0,60. При определении коэффициента неравномерности п по девяти зонам можно заключить, что распределенный способ возбуждения электромагнитного поля со стороны боковой стенки рабочей камеры позволяет добиться значений коэффициента неравномерности теплового поля 0,35<nt<0,41, то есть максимально приблизиться к установленным международным требованиям п?<0,3 [1, 7].

При проектировании СВЧ-печей нового типа (без механического перемещения обрабатываемого материала) боковой распределенный способ возбуждения предпочтителен тем, что обрабатываемый материал произвольной формы легче расположить в ближней зоне возбуждения электромагнитного поля. При этом возможно эффективно варьировать распределением электрического поля в объеме обрабатываемого материала за счет изменения параметров системы возбуждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Салимов И.И. Исследование процесса термообработки диэлектрических материалов в СВЧ-установках с распределенным возбуждением электромагнитного поля: дис. ... канд. техн. наук / И.И. Салимов. Саратов, 2007. 202 с.

2. Коломейцев В. А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Ч. 1 / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров. Саратов: СГТУ, 1997. 160 с.

3. Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника / А.Д. Григорьев. СПб.: Лань, 2007. 704 с.

4. Сегерленд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд. М.: Мир, 1979. 392 с.

5. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн / Б.М. Петров. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. 558 с.

6. Рыбков В.С. Сравнение структуры поверхностных токов волноводов различного поперечного сечения с целью выбора оптимального для дальнейшего щелевого возбуждения резонаторной камеры / В.С. Рыбков, П.В. Замоторин, И.И. Салимов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 1 (30). Вып. 1. С. 80-86.

7. Коломейцев В.А. Критерии оценки равномерности теплового поля в области взаимодействия при СВЧ-нагреве / В. А. Коломейцев, В.В. Комаров, А.В. Цыганов, А. А. Скворцов // Технологические СВЧ-установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998. С. 35-40.

8. Комаров В.В. Специализированные системы обработки образцов диссипативных материалов и сред СВЧ-излучением: дис. . доктора техн. наук / В. В. Комаров. Саратов, 2007. 369 с.

Рыбков Вадим Сергеевич - Rybkov Vadim Sergeyevich -

аспирант кафедры «Радиотехника» Graduate Student

Саратовского государственного of the Department of «Radio techniques»

технического университета

of Saratov State Technical University

Карпов Дмитрий Игоревич -

аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Karpov Dmitriy Igorevich -

Graduate Student

of the Department of «Radio techniques» of Saratov State Technical University

Евсейкин Алексей Александрович -

начальник отдела математического моделирования компании «АЛСиТЕК», г. Саратов

Статья поступила в редакцию 02.07.08, принята к опубликованию 05.09.08

Evseykin Aleksey Aleksandrovich -

Head of Mathematical Modeling Division of ALSiTEK Company in Saratov