автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование процесса термообработки диэлектрических материалов в СВЧ установках с распределенным возбуждением электромагнитного поля

На правах рукописи

САЛИМОВ Ильдар Ибрагимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ УСТАНОВКАХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Специальность 05 09 10 - Электротехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□030594Т8

Саратов 2007

003059478

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель -

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Кошелев Василий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, лауреат государственной премии Семенов Владимир Константинович

Ведущая организация -

ИПТМУ РАН, г Саратов

Защита состоится 29 мая 2007 года в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212 242 10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу 410054, Саратов, ул Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корпус 1, ауд 414

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета

Автореферат разослан 27 апреля 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

Казинский А А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Одной из ключевых проблем СВЧ техники и энергетики является обеспечение равномерного нагрева различных диэлектрических материалов в микроволновых установках резонаторного типа Уменьшение градиента температуры и термоупругих напряжений позволяет увеличить темп нагрева, интенсивность термообработки и повысить качество обрабатываемого материала Сложность данной задачи заключается в том, что установки резонаторного типа характеризуются резким изменением напряженности электрического поля, а, следовательно, удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала ¡¡V, что соответственно приводит к значительному перепаду температуры нагрева материала Величина градиента qY существенно зависит от режима термообработки - одночастотного или многочастотного Многочастотный режим термообработки позволяет в значительной степени снизить градиент путем соответствующего распределения СВЧ мощности в частотном диапазоне Однако узкая полоса частот, отпущенных для целей СВЧ энергетики, приводит к необходимости поиска иных способов уменьшения градиента ду и соответственно равномерности нагрева

Существуют различные способы достижения равномерности нагрева в одночастотном режиме термообработки, которые в основном связаны с изменением конструкции рабочей камеры, направленным на достижение большего числа собственных колебаний, возбуждаемых в камере, и механическое перемещение обрабатываемого материала

Все перечисленные методы имеют как определенные достоинства, так и недостатки Так, любой механически движущийся элемент снижает надежность системы и повышает ее стоимость, а вращение поддона с нагреваемым объектом приводит к возникновению радиальной неравномерности нагрева Усложнение формы рабочей камеры ведет к повышению технологической сложности ее изготовления Попытки использования диссекторов для уменьшения градиента оказываются малоэффективными, поскольку их влияние на электромагнитное поле максимально лишь в зоне возбуждения, а не в области расположения обрабатываемого материала Применение в некоторых конструкциях микроволновых печей замедляющих систем в области расположения материала позволяет несколько уменьшить перепад температур в образце, однако, данное техническое решение оказывается эффективным только для тонких листовых материалов, при этом не удается достичь коэффициента неравномерности теплового поля ниже, чем в конструкциях с вращающимся поддоном Данные обстоятельства свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование микроволновых печей, направленное

на повышение уровня равномерности нагрева материала, может быть связано с оптимизацией системы возбуждения рабочей камеры

В настоящее время почти во всех микроволновых печах используется система возбуждения рабочей камеры через прямоугольное отверстие Отличительной чертой является лишь место расположения ввода энергии Данный достаточно простой способ подвода СВЧ мощности не позволяет, однако, достигнуть требуемого уровня равномерности нагрева материала, в связи с чем в данных конструкциях микроволновых печей предусмотрено вращение поддона с нагреваемым материалом, что, как было отмечено выше, приводит не только к усложнению конструкции микроволновой печи, но и к радиальной неоднородности нагрева продукта

В связи с этим, задача определения оптимальной конструкции системы возбуждения резонаторных камер микроволновых печей, позволяющей достичь требуемого распределения напряженности электрического поля в области расположения нагреваемого материала, является, несомненно, актуальной и представляет значительный практический интерес Указанная задача чрезвычайно сложна с электродинамической точки зрения, поскольку требует комплексного исследования электромагнитных процессов в связанных системах (прямоугольный волновод, резонатор) Кроме того, задача резко усложняется при помещении в резонатор поглощающего СВЧ мощность материала, поскольку при этом требуется решение внутренней краевой задачи электродинамики в комплексной плоскости Необходимо также учитывать тот факт, что основным выходным параметром любой СВЧ нагревательной установки является температура нагрева материала, и именно ее распределение в объеме обрабатываемого материала является главным критерием оценки качества приготовления продукта В связи с этим, для определения оптимальной системы возбуждения резонаторных камер необходимо совместно с внутренней краевой задачей электродинамики решать и задачу теплопроводности, что даже при постоянстве электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в процессе нагрева представляет трудоемкий процесс при произвольности формы обрабатываемого материала Цель диссертационной работы

Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах, исследование и оптимизация распределенных систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением, направленные на обеспечение требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, и,

соответственно, электротехнологического процесса термообработки произвольных диэлектрических материалов с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в процессе нагрева Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы метод конечных и объемных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок, метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье, теория графов, объектно-ориентированные методы вычислений, линейная алгебра, методы математической физики, метод эквивалентных схем, графоаналитический метод, методы экспериментального исследования Научная новизна

1 Предложена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с различными диэлектрическими материалами в СВЧ нагревательных установках волноводного и резонаторного типов с учетом стороннего источника электромагнитного поля, обеспечивающего требуемое распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала

2 Разработаны алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, с учетом характера изменения физических свойств материала в процессе нагрева

3 Предложена методика решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением для различных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах — прямое возбуждение и щелевое возбуждение поля, а также распределенное возбуждение резонаторных камер

4 Проведено комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах посредством сосредоточенных источников, щелевого и многощелевого распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах

5 Показано, что линейные переходы между стандартными волноводами и квазистационарными волноводами сложного поперечного сечения - СВ-ВСС позволяют обеспечить направленную неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру волноводных СВЧ нагревательных установок как продольного, так и поперечного типов,

»

что является наиболее удобным способом возбуждения данного класса установок в конструкционном плане

6 Предложена методика исследования распределенных систем возбуждения (многощелевого возбуждения) резонаторных рабочих камер с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением на основе решения неоднородной ВКЗЭ для произвольных электродинамических систем волноводного и резонаторного типов

7 Проведено комплексное экспериментальное исследование различных систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением при различных системах возбуждения электромагнитного поля (многощелевое распределенное возбуждение), позволяющих обеспечить требуемое распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а, следовательно, необходимый режим термообработки материала

8 Предложен подход к решению задачи обеспечения заданной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, заданного электротехнологического процесса термообработки чисто электродинамическим путем без использования механических перемещений обрабатываемого материала, что является основным условием существенной модернизации СВЧ нагревательных установок резонаторного типа

Практическая значимость

1 Предложены практические рекомендации по построению согласующих переходов СВ-ВСС, обеспечивающих неотражающую направленную передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру СВЧ нагревательных установок волноводного типа и обеспечивающих заданный электротехнологический процесс термообработки произвольных диэлектрических материалов в электромагнитном поле

2 Предложена эффективная методика исследования различных систем возбуждения электромагнитного поля и заданного электротехнологического процесса термообработки различных диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа без использования механических перемещений обрабатываемого материала

3 Даны практические рекомендации по построению оптимальных волноводных конструкций СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов применительно к заданному электротехнологическому процессу термообработки и обеспечивающих требуемое распределение удельной плотности тепловых источников -qv - const в объеме обрабатываемого материала

Апробация

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Проблемы управления и связи» (Саратов, СГТУ, 2000), «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004, 2005, 2006, 2007), «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 2007) Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлены корректностью математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с произвольными диэлектрическими материалами, обладающими определенными джоулевыми потерями на СВЧ, использованием математически обоснованных методов решения и точностью формирования граничных условий для внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, выбором и разработкой высокоточных методов решения ВКЗЭиТ для волноводных и резонаторных СВЧ нагревательных установок, экспериментальным исследованием различных распределенных систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением Реализация результатов

Результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, грантах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности ЗАО НПЦ «Алмаз-Фазотрон», ФГУП НПП «Контакт», ОКБ «Тантал-Наука», ОАО «КБ Электроприбор» Публикации

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 11 печатных работ Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа содержит 202 страницы, состоит из введения, трех глав, заключения и включает 51 рисунок и список использованной литературы из 97 наименований. Личный вклад автора

Представленные в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу этих публикаций

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1 Оперативная математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с произвольными диэлектрическими

материалами, поглощающими СВЧ мощность, базирующаяся на системе неоднородных уравнений Гельмгольца и уравнении теплопроводности и позволяющая проводить комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств рабочих камер СВЧ нагревательных установок при различных системах возбуждения электромагнитного поля

2 Методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств рабочих камер СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов, базирующаяся на решении неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности наиболее эффективными численными методами метод конечных и объемных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок и метод конечных разностей с использованием быстрого преобразования Фурье

3 Необходимые и достаточные условия возбуждения требуемого электрического поля и, соответственно, удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и критерии оценки обеспечения заданного электротехнологического процесса термообработки, при различных распределенных системах возбуждения электромагнитного поля в волноводных и резонаторных структурах

4 Результаты экспериментальных исследований различных распределенных систем возбуждения, позволяющих обеспечить требуемую удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а, следовательно, заданный электротехнологический процесс термообработки произвольных диэлектрических материалов, с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации

В первой главе представлена совместная неоднородная внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов В основе данной задачи лежат однородные обобщенные волновые уравнения Гельмгольца и неоднородное уравнение теплопроводности в области расположения обрабатываемого материала и неоднородные уравнения Гельмгольца в области, не занятой диэлектрическим материалом

Соотношения (1) определяют структуру электромагнитного поля в рабочей камере вне зоны расположения обрабатываемого материала с учетом действия сторонних источников электромагнитного поля. В области же обрабатываемого материала ВКЗЭиТ определяется системой дифференциальных уравнений

дФ(г,т) д2Ф(г,т) ->"стД/(г, г)) --ре«г,т)) = ,

(2)

где

Ф,1

и-

Я/(г, г) при 9 = 1

при 9 = 2,

(3)

гМ-

дет,

V----А—41г\{,т\ при 9 = 1 и 1=1

при = 2 и г = 1

О, при 9 = 1,2 и I = 2,3,4,5,

(4)

=14(М) <=•

[О при 1=2,3,4,5,

при ! = 1

е2 = £вст = сотI при г = 2,3 , е} = е0 при 1 = 4,5,

(5)

8гаа{1(г,г) вгас^г)))-

В соотношениях (1) - (6) е(г,т), я(г,г) - вектора напряженности электрического и магнитного полей, с?(((г,т)), рг(г(г,г)) - удельные теплоемкость и плотность термопараметрического материала, <т(^,г)) -удельная электропроводность, а(/(г,г)) - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, е(г,г) — температура нагрева, /л,е— магнитная и диэлектрическая проницаемость среды

Соотношения (1) - (6) в совокупности с граничными и начальными условиями определяют ВКЗЭиТ для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением и позволяют определить пути достижения требуемого электротехнологического процесса термообработки при изменении структуры системы возбуждения электромагнитного поля Кроме того, данная система уравнений позволяет оценить эффективность тепловой изоляции обрабатываемого материала за счет дополнительных диэлектрических вставок, обладающих высоким тепловым сопротивлением

Показано, что наиболее эффективным подходом решения данной задачи для произвольных термопараметрических материалов является метод последовательных приближений с применением эффективных численных методов решения ВКЗЭиТ (метод конечных элементов и объемных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок, а также метод конечных разностей с использованием быстрого преобразования Фурье) Данный подход позволяет исследовать электродинамические и тепловые свойства произвольных рабочих камер СВЧ нагревательных установок волноводного (установки поперечного и продольного типов конвейерной термообработки различных диэлектрических материалов) и резонаторного типов с произвольным диэлектрическим заполнением

В данной главе исследуется программное обеспечение решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, наиболее эффективное для исследования систем возбуждения произвольных волноводных и резонаторных структур, обеспечивающих заданное распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а также определение требуемой геометрии рабочей камеры в области нагрева, позволяющей повысить универсальность СВЧ нагревательных систем резонаторного типа Таким

образом, предложенные в данной работе математическая модель, метод исследования электродинамических и тепловых свойств различных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением позволяют определить пути создания СВЧ нагревательных установок с управляемым источником возбуждения электромагнитного поля в объеме обрабатываемого материала, то есть СВЧ нагревательных систем нового поколения

Во второй главе диссертационной работы исследуются электродинамические и тепловые свойства рабочих камер СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов при произвольном диэлектрическом, поглощающем СВЧ мощность, заполнении, а также основные принципы оценки качества электротехнологической термообработки различных материалов в электромагнитном поле, базирующиеся на комплексном исследовании теплового поля в обрабатываемом материале Необходимо заметить, что в качестве рабочих камер волноводных установок конвейерного типа в основном используются отрезки неоднородных волноводов сложного поперечного сечения, имеющих четко выраженный емкостной зазор, в области которого электрическое поле однородно, что создает необходимое условие обеспечения однородной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, требуемого электротехнологического процесса термообработки

Однако сложность конструкции волноводной рабочей камеры на основе ВСС и произвольность заполнения резонаторных структур обрабатываемым материалом, анализ электродинамических и тепловых свойств возможно осуществить только численным методом, при этом решения ВКЗЭиТ для СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов существенно различаются между собой Поскольку для исследования РК на основе отрезков неоднородных квазистационарных ВСС может быть использован метод конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок, а также метод эквивалентных схем при исследовании собственных электродинамических параметров, то решение данной задачи для резонаторных структур намного сложнее, поскольку требует применения объемных конечных элементов, что значительно усложняет решение и повышает требования к ресурсам памяти ЭВМ и вычислительным расходам Расчет собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в резонаторных системах при произвольном диэлектрическом заполнении в данной работе проводится методом объемных элементов с использованием взвешенных невязок и принципа Галеркина (программа \VGTA) и методом конечно - разностных объемных элементов с применением быстрого преобразования Фурье, при этом основное внимание уделяется исследованию собственных функций

решения неоднородной ВКЗЭиТ при произвольных сторонних источниках электромагнитного поля. Алгоритм решения данной задачи подробно описан в первой главе диссертации

Основная задача СВЧ энергетики заключается в обеспечении равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов Показано, что применение квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения позволяет обеспечить равномерную конвейерную термообработку листовых и жидких материалов при расположении обрабатываемого материала в области емкостного зазора, в котором электрическое поле однородно (qv - const) В резонаторных же структурах принципиально невозможно достичь однородной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала Для достижения требуемого уровня нагрева произвольных диэлектрических материалов необходимо иметь достаточно широкий диапазон рабочих частот, в котором возможно возбудить множество типов колебаний с заданными амплитудами электрического поля каждого типа колебания, при которых можно обеспечить требуемый электротехнологический процесс термообработки Однако узкий диапазон частот, отпущенных для целей СВЧ энергетики (^±2,5%), создает принципиальные трудности достижения qv = const в резонаторных камерах В данной главе диссертации показано, что при узкой полосе рабочих частот, отпущенных для целей СВЧ энергетики, единственным эффективным путем достижения данной цели является совершенствование систем возбуждения рабочих камер, обеспечивающих требуемое распределение электрического поля в объеме обрабатываемого материала При этом оптимальными системами являются управляемые распределенные щелевые системы возбуждения электромагнитного поля, позволяющие обеспечить требуемый режим электротехнологии термообработки

Также во второй главе приведены различные критериальные параметры, определяющие обеспечение заданного

электротехнологического процесса термообработки различных диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках волноводного и резонаторного типов, а также качества готовой продукции Установлено, что ни один из критериальных параметров (коэффициент

равномерного нагрева - KPinl = gradt, коэффициент уровня равномерности

средняя температура нагрева обрабатываемого материала) не может

равномерного нагрева

равномерного нагрева

интегральный коэффициент

градиентный коэффициент

нагрева - ?j= , где Д/* = Ыср -/0, а /0 - температура среды, Д/с

полностью характеризовать сложный электротехнологический процесс термообработки диэлектрических материалов fi электромагнитном поле СВЧ Однако необходимо учитывать, что совокупное использование данных параметров позволяет определить пути улучшения равномерности нагрева в различных СВЧ нагревательных установках, при этом наиболее весомый вклад в определение эффективности установки и качества готовой продукции вносит коэффициент уровня равномерности нагрева -

Ч-

В третьей главе исследуются процессы возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов, обеспечивающих требуемый уровень однородности удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала Данная задача наиболее актуальна для рабочих камер резонаторного типа, достижение равномерности нагрева в которых чисто электродинамическим путем представляет сложную научно - техническую проблему, решение которой базируется на комплексном исследовании неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением

Возбуждение электромагнитного поля в замкнутых электродинамических структурах может быть осуществлено как прямыми методами (емкостной и индуктивный способы возбуждения), так и посредством щелевого и многощелевого спйсоба возбуждения (фазированные антенные решетки) В волноводных СВЧ нагревательных установках возбуждение электромагнитного поля в рабочих камерах осуществляется посредством плавных согласующих переходов с соответствующим продольным изменением геометрии рабочей камеры, обеспечивающим однородность удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала = const)

Однощелевое возбуждение рабочих камер резонаторного типа, используемое практически во всех микроволновых установках бытового назначения, приводит к резкой неоднородности нагрева диэлектрических материалов (рис 1) Естественным путем повышения уровня равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов в установках резонаторного типа, чисто электродинамическим путем, является использование систем многощелевого возбуждения электромагнитного поля При этом максимальный эффект достигается при использовании систем распределенного возбуждения с автоматическим управлением потоком СВЧ мощности в рабочую камеру, позволяющих обеспечить требуемый электротехнологический процесс термообработки

4 б) ■ -

Рис. 1. Температурное поле в образце в микроволновой печи СП23-1 ЗИЛ: а ~ на дне рабочей камеры; б- на высоте 6 см

Однако это отдельная самостоятельная работа, которая требует управления многощелевыми системами возбуждения, применительно к определенному электротехнологическому процессу термообработки. Многощелевое возбуждение резонаторных структур с частичным, поглощающим СВЧ мощность, заполнением представляет наиболее сложную и трудоемкую задачу СВЧ техники и энергетики. Кроме того, одним из эффективных способов обеспечения требуемого уровня однородности распределения тепловых источников в объеме обрабатываемого материала является соответствующее изменение формы рабочей камеры в области расположения обрабатываемого материала.

В данной главе диссертационной работы подробно исследованы необходимые и достаточные условия возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов, которые базируются на исследовании поверхностных токов в данных структурах. Показано, что наиболее удобными для возбуждения электромагнитного поля в резонаторных рабочих камерах, обеспечивающих требуемое распределение тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, являются квазистационарные волноводные структуры сложного поперечного сечения, имеющие четко выраженный емкостной зазор, электрическое поле в котором однородно. Система многощелевого возбуждения на основе данных волноводов является более универсальной и позволяет обеспечить требуемую конфигурацию электромагнитного поля в объеме обрабатываемого материала. При этом излучающие щели располагаются в области емкостного зазора. Необходимо отметить, что максимальный эффект направленной передачи СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру достигается при равенстве волнового сопротивления системы возбуждения и рабочей камеры. В установках резонаторного типа данное условие обеспечить практически невозможно, в силу произвольности габаритов и электрофизических свойств обрабатываемого материала, В связи с этим, повышение уровня

равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов и КПД СВЧ нагревательных установок резонаторного типа представляет наиболее актуальную и практически важную задачу СВЧ энергетики, которая может быть решена на основе комплексного исследования электродинамических и тепловых свойств резокаторных структур с частичным, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим заполнением.

На рис.2 приведены результаты численного решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных структур прямоугольной формы с частичным, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим заполнением. Расчет проводился методом объемных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок. Возбуждение электромагнитного поля в резонатор ной камере осуществляется посредством двущелевой распределенной системы возбуждения, расположенной на широкой стенке прямоугольного волновода. Объемная визуализация структуры электрического поля в резонаторной камере осуществляется посредством цветовой гаммы. Положение левого и правого короткозамыкающих поршней в системе возбуждения фиксировано. Анализ приведенных на рис.2 структур электрического поля показывает, что изменение положения щелей возбуждения электромагнитного поля существенно влияет на распределение напряженности электрического поля в объеме обрабатываемого материала.

1-й тип колебаний при х? = 389,8]5 2-й Упгт колебаний при хг — 679,805

3-й тип колебаний при 797,6И 4-й тип колебаний при к2= 865,374

Рис, 2

Данный результат позволяет сделать вывод о перспективности распределенных систем возбуждения для обеспечения требуемого

электротехнологического процесса термообработки различных диэлектрических материалов в электромагнитном поле СВЧ.

Также в диссертационной работе приведены результаты экспериментальных исследований теплового поля в обрабатываемом материале при различных распределенных системах возбуждения электромагнитного поля в резонаторной камере. На рис.3 приведены результаты исследования теплового поля в обрабатываемом материале при различных системах распределенного возбуждения электромагнитного поля в резонаторной рабочей камере прямоугольной формы. В качестве поглощающего материала использовалась вода, разлитая в 16 стаканчиках по 20 мл, расположенных на нижней стенке камеры. Данное положение обрабатываемого материала является критическим в микроволновых установках резонаторного типа и позволяет определить эффективность системы возбуждения. Легко видеть, что использование распределенных систем возбуждения дает возможность получить достаточно высокий уровень равномерности нагрева обрабатываемого материала (г| < 0,9), без применения механического перемещения образца в пространстве взаимодействия. Данный результат является наиболее важным в 'СВЧ энергетике, поскольку позволяет существенно упростить конструкцию рабочих камер СВЧ нагревательных установок резонаторного типа, путем устранения системы механического перемещения обрабатываемого материала.

i

0 ©

БГ

дт — га 4! 3

2 1" "- 126

9 144

7 : ■ j . 1. 137

4" i.Ш Sil [ №

NjSl 137 1 Й1 ¡125 Ту,

Рис. 3

Таким образом, полученные результаты позволяют создать основу разработки управляемых систем распределенного возбуждения электромагнитного поля в резон аторных рабочих камерах СВЧ нагревательных установок, что позволит создать микроволновые установки бытового назначения нового поколения с электронным управлением электротехнологическим процессом термообработки. Основные выводы

• Предложена математическая модель решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности в волноводных и резо нагорных структурах, позволяющая проводить комплексные исследования собственных электродинамических параметров

и структуры электромагнитного поля в СВЧ нагревательных установках с бегущей волной и резонаторного типа при различных системах возбуждения рабочих камер

• Предложен метод решения совместной нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных квазистационарных структур сложного поперечного сечения и резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением, с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в процессе нагрева

• Предложены алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением, обеспечивающим оптимальное время решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, которые уменьшают оперативную память ЭВМ и вычислительные расходы при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок

• Показана перспективность использования различных квазистационарных структур сложного поперечного сечения и многогребневых волноводов в качестве рабочих камер СВЧ нагревательных установок волноводного типа, обеспечивающих однородную удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и заданный режим электратехнологической термообработки различных диэлектрических материалов

• Приведены критериальные параметры, позволяющие оценить качество обрабатываемого материала на основе использования результатов расчета теплового поля, основным и наиболее эффективным из которых является коэффициент неравномерности нагрева — т), однако оценка эффективности СВЧ нагревательных установок как волноводного, так и резонаторного типов определяется полной совокупностью параметров Кр, К)Р, КРвга6, Т|, определяющих равномерность нагрева обрабатываемого материала

• Определены необходимые и достаточные условия возбуждения электромагнитного поля в волноводных и резонаторных структурах на основе анализа структуры поверхностных токов со стороны возбуждающей поверхности, а также условия достижения требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, обеспечивающих заданный электротехнологический процесс термообработки

• Показано, что наиболее оптимальным способом достижения требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в

объеме обрабатываемого материала и соответственно заданного электротехнологического процесса термообработки является расположение обрабатываемого материала в ближней зоне возбуждения, где распределение электромагнитного поля в основном определяется пространственным распределением источников поля

• Проведено комплексное экспериментальное исследование различных распределенных систем возбуждения, позволяющих достичь требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и позволяющее определить пути достижения равномерного нагрева в различных резонаторных структурах с частичным диэлектрическим заполнением

• Показано, чго использование распределенных систем возбуждения позволяет достичь приемлемого уровня равномерности нагрева без использования механического перемещения обрабатываемого материала, при этом максимальный эффект обеспечения требуемого электротехнологического процесса термообработки произвольных диэлектрических материалов достигается при автоматизированном процессе управления системой возбуждения электромагнитного поля в произвольных резонаторных рабочих камерах

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Салимов И И Диапазонные свойства волноводов прямоугольного сечения, определяющие эффективность их использования в технике СВЧ / В.А Коломейцев, А Р Железняк, И И Салимов // Радиотехника и связь материалы Междунар науч -техн конф Саратов СГТУ, 2005 - С 282291

2 Салимов И И Основные условия обеспечения равномерности нагрева в микроволновых установках конвейерного типа на основе квазистационарных волноводов /ИИ Салимов, В А Коломейцев, Ким Ун Су // Радиотехника и связь материалы Междунар науч -техн конф Саратов СГТУ, 2005 - С 277-282

3 Салимов И И Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводами сложных поперечных сечений / И И Салимов, А Э Семенов, И И Новрузов // Электроника и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы материалы науч-техн конф Саратов Изд-во Сарат гос ун-та, 2007 -С 181-187

4 Салимов ИИ Плавные линейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводными структурами сложного поперечного сечения /ИИ Салимов, А Э Семенов, A M Сухов //

Электроника и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы: материалы науч-техн конф Саратов Изд-во Сарат гос унта, 2007 -С 178-181

5 Салимов ИИ Повышение равномерности нагрева полимерных материалов в прямоугольной резонаторной камере при термообработке в одномодовом режиме /ИИ Салимов, В А Коломейцев, Т Р Салахов, В С Рыбков // Электроника и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы материалы науч -техн конф Саратов Изд-во Сарат гос ун-та, 2007 - С 187-191

6 Салимов И И Анализ структуры поверхностных токов высокочастотных трактов, выполненных на волноводах различного поперечного сечения /ИИ Салимов, П В Замоторин, В С Рыбков //

Электроника и вакуумная техника Приборы и устройства Технология Материалы материалы науч -техн конф Саратов Изд-во Сарат. гос. ун-та, 2007 - С 191-196

7 Салимов И И Методика квазистационарного расчета критической длины основной волны несимметричных П- и Н-волноводов с диэлектрическим материалом в емкостном зазоре / А А Скворцов, ИИ Салимов // Радиотехника и связь материалы Междунар науч -техн конф Саратов СГТУ, 2006 -С 178-182

8 Салимов И И Частота собственных электромагнитных колебаний прямоугольного резонатора, частично заполненного термическим материалом / ИИ Салимов, ТР Салахов// Радиотехника и связь материалы Междунар. науч-техн конф Саратов СГТУ, 2006 - С 239-246

9 Салимов И И Комбинированное моделирование реберного волновода с поперечно-неоднородным заполнением / А В Потапов, Т Р Салахов, И И Салимов // Радиотехника и связь материалы Междунар науч-техн конф Саратов СГТУ, 2006 - С 261-265

10 Салимов ИИ Математическая модель процесса возбуждения электромагнитного поля в резонаторных структурах с частичным термопараметрическим заполнением / В А Коломейцев, В Ю. Косолап, ИИ Салимов// Вестник СГТУ.2007.№1.Вып 3 - С 101-105

11 Салимов ИИ Сравнительные структуры поверхностных токов волноводов различных поперечных сечений с целью выбора оптимального для дальнейшего щелевого возбуждения резонаторной камеры /ВС Рыбков, П В Заматорин, И И Салимов // Радиотехника и связь материалы Междунар науч-техн конф Саратов СГТУ, 2007 -С 5-10

Салимов Ильдар Ибрагимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ УСТАНОВКАХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Автореферат Корректор О А Панина

Подписано в печать 24 04 07 Формат 60x84 1/16

Бум офсет Уел печ л 1,0 Уч-изд л 1,0

Тираж! 00 экз Заказ 142 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул , 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ 410054, ул Политехническая, 77

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЛНОВОДНЫХ И РЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУРАХ j С ЧАСТИЧНЫМ ТЕРМОПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ЗАПОЛНЕНИЕМ.

1.1. Математическая модель процесса возбуждения электромагнитного поля и нагрева произвольных диэлектрических материалов в установках с бегущей волной и резонаторного типа с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров в процессе СВЧ термообработки.

1.2. Методы решения неоднородной совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных СВЧ нагревательных установок.

1.3. Алгоритм и программа численного решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных СВЧ нагревательных установок.

2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ КАМЕР И ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ.

2.1. Электродинамические и тепловые свойства конвейерных СВЧ нагревательных установок на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения электротехнологической термообработки различных диэлектрических материалов.

2.2. Структура электромагнитного и теплового полей СВЧ нагревательных установок резонаторного типа с произвольным частичным диэлектрическим заполнением.

2.3. Основные критериальные параметры, определяющие качество электротехнологии термообработки диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках волноводного и резонаторного типов.

3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ СВЧ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ВОЛНОВОДНОГО И РЕЗОНАТОРНОГО ТИПОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ТРЕБУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ТЕРМООБРАБОТКИ.

3.1. Необходимые и достаточные условия возбуждения электромагнитного поля и структура поверхностных токов в волноводных и резонаторных структурах.

3.2. Методы и системы возбуждения электромагнитного поля в волноводных и резонаторных рабочих камерах СВЧ нагревательных установок.

3.3. Исследование систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах СВЧ нагревательных установок резонаторного типа и определение путей достижения однородной плотности тепловых источников в данных системах.

Одной из ключевых проблем СВЧ техники и энергетики является обеспечение равномерного нагрева различных диэлектрических материалов в микроволновых установках резонаторного типа. Уменьшение градиента температуры и термоупругих напряжений позволяет увеличить темп нагрева, интенсивность термообработки и повысить качество обрабатываемого материала. Сложность данной задачи заключается в том, что установки резонаторного типа характеризуются резким изменением напряженности электрического поля, а, следовательно, удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала qv, что соответственно приводит к значительному перепаду температуры нагрева материала. Величина градиента qv существенно зависит от режима термообработки -одночастотный или многочастотный. Многочастотный режим термообработки позволяет в значительной степени снизить градиент qv путем соответствующего распределения СВЧ мощности в частотном диапазоне. Однако узкая полоса частот, отпущенных для целей СВЧ энергетики, приводит к необходимости поиска иных способов уменьшения градиента qv и соответственно равномерности нагрева.

Существуют различные способы достижения равномерности нагрева в одночастотном режиме термообработки, которые в основном связаны с изменением конструкции рабочей камеры, направленным на достижение большего числа собственных колебаний возбуждаемых в камере [1,2] и механическое перемещение обрабатываемого материала [3,4].

Все перечисленные методы имеют как определенные достоинства, так и недостатки. Так любой механически движущейся элемент снижает надежность системы и повышает ее стоимость, а вращение поддона с нагреваемым объектом приводит к возникновению радиальной неравномерности нагрева. Усложнение формы рабочей камеры ведет к повышению технологической сложности ее изготовления. Попытки использования диссекторов для уменьшения градиента qv оказываются малоэффективными, поскольку их влияние на электромагнитное поле максимально лишь в зоне возбуждения, а не в области расположения обрабатываемого материала [5]. Применение в некоторых конструкциях микроволновых печей замедляющих систем в области расположения материала позволяет несколько уменьшить перепад температур в образце [6], однако, данное техническое решение оказывается эффективным только для тонких листовых материалов, при этом не удается достичь коэффициента неравномерности теплового поля ниже, чем в конструкциях с вращающимся поддоном. Данные обстоятельства свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование микроволновых печей направленное на повышение уровня равномерности нагрева материала может быть связано с оптимизацией системы возбуждения рабочей камеры.

В настоящее время почти во всех микроволновых печах используется система возбуждения рабочей камеры через прямоугольное отверстие. Отличительной чертой является лишь место расположения ввода энергии. Данный достаточно простой способ подвода СВЧ мощности не позволяет, однако, достигнуть требуемого уровня равномерности нагрева материала, в связи с чем в данных конструкциях микроволновых печей предусмотрено вращение поддона с нагреваемым материалом, что как было отмечено выше приводит не только к усложнению конструкции микроволновой печи, но и к радиальной неоднородности нагрева продукта.

В связи с этим, задача определения оптимальной конструкции системы возбуждения резонаторных камер микроволновых печей позволяющей достичь требуемого распределения напряженности электрического поля в области расположения нагреваемого материала является, несомненно, актуальной и представляет значительный практический интерес. Указанная задача чрезвычайно сложна с электродинамической точки зрения, поскольку требует комплексного исследования электромагнитных процессов в связанных системах (прямоугольный волновод, резонатор). Кроме того, задача резко усложняется при помещении в резонатор поглощающего СВЧ мощность материала, поскольку при этом требуется решение внутренней краевой задачи электродинамики в комплексной плоскости. Необходимо также учитывать тот факт, что основным выходным параметром любой СВЧ нагревательной установки является температура нагрева материала, и именно ее распределение в объеме обрабатываемого материала является главным критерием оценки качества приготовления продукта [7]. В связи с этим, для определения оптимальной системы возбуждения резонаторных камер необходимо совместно с внутренней краевой задачей электродинамики решать и задачу теплопроводности, что даже при постоянстве электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в процессе нагрева представляет чрезвычайно трудную задачу при произвольности формы обрабатываемого материала.

Цель диссертационной работы:

Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах; исследование и оптимизация распределенных систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением, i1 направленные на обеспечение требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, и, соответственно, электротехнологического процесса термообработки произвольных диэлектрических материалов с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в процессе нагрева.

Научная новизна:

- предложена математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с различными диэлектрическими материалами в СВЧ нагревательных установках волноводного и резонаторного типов с учетом стороннего источника электромагнитного поля, обеспечивающего требуемое распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала;

- разработан алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, с учетом характера изменения физических свойств материала в процессе нагрева; предложена методика решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением для различных систем возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах - прямое возбуждение и щелевое возбуждение поля, а также распределенное возбуждение резонаторных камер;

- проведено комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств СВЧ нагревательных установок волноводного и резонаторного типов при различных системах возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах посредством сосредоточенных источников, щелевого и многощелевого распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочих камерах;

- показано, что линейные переходы между стандартными волноводами и квазистационарными волноводами сложного поперечного сечения - СВ-ВСС позволяют обеспечить направленную неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру волноводных СВЧ нагревательных установок как продольного, так и поперечного типов, что является наиболее удобным способом возбуждения данного класса установок в конструкционном плане;

- предложена методика исследования распределенных систем возбуждения (многощелевого возбуждения) резонаторных рабочих камер с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением на основе решения неоднородной ВКЗЭ для произвольных электродинамических систем волноводного и резонаторного типов;

- проведено комплексное экспериментальное исследование различных систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением при различных системах возбуждения электромагнитного поля (многощелевое распределенное возбуждение), позволяющих обеспечить требуемое распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а, следовательно, необходимый режим термообработки материала;

- предложен подход решения задачи обеспечения заданной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, заданного электротехнологического процесса термообработки чисто электродинамическим путем без использования механических перемещений обрабатываемого материала, что является основным условием существенной модернизации СВЧ нагревательных установок резонаторного типа.

Практическая значимость: предложены практические рекомендации по построению согласующих переходов СВ-ВСС, обеспечивающих неотражающую направленную передачу СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру СВЧ нагревательных установок волноводного типа и обеспечивающих заданный электротехнологический процесс термообработки произвольных диэлектрических материалов в электромагнитном поле;

- предложена эффективная методика исследования различных систем возбуждения электромагнитного поля и заданного электротехнологического процесса термообработки различных диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных установках резонаторного типа без использования механических перемещений обрабатываемого материала; даны практические рекомендации по построению оптимальных волноводных конструкций СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов применительно к заданному электротехнологическому процессу термообработки и обеспечивающих требуемое распределение удельной плотности тепловых источников -qv = const в объеме обрабатываемого материала;

- результаты исследований внедрены в учебном процессе и научно-исследовательских работах, грантах, проводимых кафедрой "Радиотехника" СГТУ и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности: ЗАО НПУ "Алмаз - Фазотрон", ФГУП НПП "Контакт", ОКБ "Тантал - Наука" и др.

Апробация работы:

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Радиотехника" Саратовского государственного технического университета. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

- международной научно-технической конференции "Проблемы управления и связи", СГТУ, Саратов, 2000;

- международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь", СГТУ, Саратов, 2004; международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь", СГТУ, Саратов, 2005; международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь", СГТУ, Саратов, 2006; международной научно-технической конференции "Перспективные направления развития электронного приборостроения", ФГУП НИИ "Контакт", Саратов, 2007; международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь", СГТУ, Саратов, 2007.

Публикации:

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы:

Диссертационная работа содержит 202 е., состоит из введения, трех глав, заключения и включает 51 рисунок и список литературы из 94 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

• предложена математическая модель решения неоднородной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности в волноводных и резонаторных структурах, позволяющая проводить комплексные исследования собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в установках с бегущей волной и резонаторного типа с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность заполнением, с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

• предложен метод решения совместной нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных квазистационарных структур сложного поперечного сечения и резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением, базирующихся на методе последовательных приближений с использованием современных численных методов (метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок и метода конечных разностей, с использованием быстрого преобразования Фурье);

• предложены алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением, обеспечивающим оптимальное время решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, уменьшающее оперативную память ЭВМ и вычислительные расходы;

• указаны пути оптимизации методов решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность заполнением, с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала;

• показано, что эффективность предложенных в диссертационной работе методов решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности во многом определяется корректностью математической модели, оперативностью и точностью численных методов на каждом этапе решения, а также числом приближений, обеспечивающих требуемую точность ВКЗЭ и Т;

• показана эффективность применения метода эквивалентных схем для определения собственных электродинамических параметров рабочих камер волноводных и резонаторных СВЧ нагревательных структур на основе отрезков квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения;

• приведена методика численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных структур с частичным диэлектрическим заполнением, базирующаяся на методе объемных конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок;

• установлены критериальные параметры, позволяющие оценить качество обработки материала на основе исследования структуры теплового поля, при этом основным и наиболее эффективным из которых является коэффициент неравномерности нагрева - т|;

• показано, что повышение уровня равномерности нагрева и соответственно качества термообработки в СВЧ нагревательных установках во многом определяется эффективностью системы теплоизоляции обрабатываемого материала, которая обеспечивается за счет диэлектрических вставок обладающих высоким тепловым сопротивлением;

• установлено, что наибольшую трудность в комплексном исследовании электродинамических свойств рабочих камер резонаторного типа с частичным диэлектрическим заполнением представляет визуализация объемной структуры электромагнитного поля, что может быть осуществлено только в четырехмерном пространстве. Показано, что наиболее рациональным путем решения данной задачи является построение объемных характеристик электромагнитного поля в сечениях по каждому координатному направлению с использованием цветовой гаммы;

• определены необходимые условия возбуждения электромагнитного поля в волноводных и резонаторных структурах на основе анализа структуры поверхностных токов со стороны импедансной (возбуждающей) поверхности, а также условия достижения требуемого распределения удельной плотности тепловых источников1 в объеме обрабатываемого материала, обеспечивающих заданный электротехнологический процесс термообработки;

• показано, что наиболее трудоемкую часть задачи возбуждения представляет обеспечение требуемого режима термообработки в резонаторных рабочих камерах с частичным, поглощающим СВЧ мощность, заполнением, что может быть реализовано только на основе распределенных, управляемых источников возбуждения электромагнитного поля;

• предложен численный метод решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности позволяющий с высокой степенью точности определить электродинамические и тепловые свойства различных электродинамических систем с частичным диэлектрическим заполнением при произвольных системах возбуждения электромагнитного поля;

• показано, что наиболее оптимальным способом достижения требуемого распределения тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и соответственно требуемого электротехнологического процесса термообработки является расположение обрабатываемого материала в ближней зоне возбуждения, где распределение электромагнитного поля в основном определяется пространственным распределением источников поля;

• приведено комплексное экспериментальное исследование различных распределенных систем возбуждения позволяющих, достичь требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, позволяющее определить направление развития распространенных систем возбуждения для обеспечения заданного электротехнологического процесса термообработки произвольного диэлектрического материала;

• показано, что использование распределенных систем возбуждения позволяет достичь приемлемого уровня равномерности нагрева без использования механического перемещения обрабатываемого материала, при этом обеспечение требуемого электротехнологического процесса термообработки произвольного диэлектрического материала требует управления системой возбуждения, обеспечивающей направленную передачу СВЧ мощности в обрабатываемый материал при изменении электрофизических, тепловых свойств и габаритов нагреваемого материала.

1. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С. Архангельский // Саратов: СГТУ, 1998. - 408 с.

2. Metaxas А.С. Industrial microwave heating / А.С. Metaxas, R.I. Meredith // London: Peter Peregrimus Publishing, 1986. 356 p.

3. Рогов И.А. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов / И.А. Рогов, С.В. Некрутман//М: Агропромиздат, 1986.-351 с.

4. А.с. №411553 (СССР). Устройства для СВЧ нагрева материалов/И.И. Девяткин, И.В. Соколов, Б.Г. Машин // Б.И., 1974 №2.

5. Патент № 2159992 (Россия). Установка для тепловой обработки, например, текстильных материалов / М.С. Губерман, М.А. Саналов, А.Л. Никифоров, М.Н. Герасимов // Б.И. 2000. №43.

6. А.с. №429796 (СССР) Устройство для пастеризации и стерилизации жидких, вязких и порционных продуктов / С.Н. Галкин, В.М. Кондратьев, О.А. Попов // Б.И. 1974. №20.

7. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермические установки лучевого типа / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый // Саратов: СГТУ, 2000. 122с.

8. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева / В.А. Коломейцев // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Саратов: СГТУ, 1999 г. - с.439.

9. Коломейцев В.А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров // Саратов: СГТУ, 1997.-С.160.

10. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.Н. Никольская / / Москва: Наука главная редакция физико-математической литературы, 1989г. с.543.

11. Железняк А.Р. СВЧ устройства на основе волноводов сложного поперечного сечения для равномерного нагрева диэлектрических материалов

12. А.Р. Железняк // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов: СГТУ, 2002г. - с. 249.

13. Прудников А.П. Интегралы и ряды / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев // Москва, главная редакция физико -математической литературы, 1981.-е. 709.

14. Михеев М.А. Основы теплоотдачи / М.А. Михеев // Москва: госэнергоиздат,1956. с.356.

15. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А.А. Брандт // Москва: физматиздат,1963. с.450.

16. Хинтель А. Диэлектрики и их применение / А. Хинтель // Москва: Госэнергоиздат,1959. с.336.

17. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосных устройств / под редакцией Вольмана В.И. Москва: Радио и связь, 1982 - с. 382.

18. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел // Москва: Энергия, 1975. с.386.

19. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский // Москва: Госэнергоиздат, 1959. с. 426.

20. Шорин С.Н. Теплопередача. Москва: Высшая школа, 1964. - с.490.

21. СВЧ энергетика / под редакцией Э. Окресса: в трех томах // Москва: Мир, 1971. т. 1 - с.464; т.2 - с.272; т.З - с. 248.

22. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Москва: Гостехиздат, 1952. -С.483.

23. Михеев М.А. Краткий курс теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеев // Москва: госэнергоиздат, 1960. с. 412.

24. Мучник Г.Ф. Методы теории теплообмена: В двух частях. / Г.Ф. Мучнин, И.Б. Рубашов // мочква: Высшая школа часть 1, 1970. - с.288; часть 2,1974.-c.270.

25. Цыганков А.В. Электротехнологические СВЧ установки равномерного нагрева диэлектрических материалов на волноводах сложных сечений: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: СГТУ, 2003. - с.206.

26. Шакин В.К. СВЧ устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноведущих структур: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: СГТУ, 2004. - с.231.

27. Коломейцев В.А. Плавные переходы для согласования прямоугольного волновода и прямоугольного волновода с Т ребром / В.А. Коломейцев, В.В. Яковлев // Радиотехника, 1990, №2, с. 89-90.

28. Журавлев А.Н. Электротехнологические конвейерные СВЧ установки равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Саратов: СГТУ, 2004. с.235.

29. Коломейцев В.А. Моделирование нерегулярных волноведущих структур . сложной конфигурации с неоднородным поглощающим заполнением / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров, С.В. Хомяков // Радиотехника и электроника,2000. Т.4, №2. с. 1420- 1425.

30. Kolomeytsev V.A. Ridged waveguides with thin dielectric tabs / V.A. Kolomeytsev, V.V. Komarov, S.V. Khomyakov // Microwave and Optical technology Letters, 2000. vol. 25, №6. P. 419-423.

31. Салахов Т.Р. Процесс взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: СГТУ, 2006. - с.200.

32. Hano М. Finite element analysis of dielectric loaded waveguides / M. Hano//IEEE trans. 1984. V. MMT-32. №10. P. 1275-1279.

33. Сильвестр П. Метод конечных элементов для инженеров и инженеров электриков /П.Сильвестр, Р.Феррари // Москва: Мир, 1986. с.229.

34. Сабониадьер Ж.К. Метод конечных элементов и САПР / Ж.К. Сабониадьер, Ж.Л. Кулон // Москва: Мир, 1989. с. 190.

35. Мс Aklay A.D. Variational finite element solution of dissipative waveguides and transportation application // IEEE trans. 1977. V.MMT-25, №5. P. 382-392.

36. Дульнев Г.Н. Тепло- и маслообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. - с.247.

37. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. М.: Госэнергоиздат, 1963. - с. 520.

38. Кайданов А.Н. О расчете тепловых прово димостей в радиоэлектронных аппаратах сложной конструкции // Изв. ВУЗов Приборостроение. 1965. №6. с. 30-43.

39. Видин Ю.В. Сборник задач по теплопередаче. Красноярск: КПИ, 1984,с. 62.

40. Гребер Г. Основы учения о теплообмене / Г. Гребер, С. Эрк, У. Григуль // Москва: издательство иностранной литературы, 1958, с. 568.

41. Зоммерфельд А. Электродинамика. Пер. с нем. / Под редакцией С.А. Элькинда. М: Иностр. лит-ра, 1958. - 501 с.

42. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов, В.И. Вольман // М.: Радио и связь, 2000. 536 с.

43. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / А.Д. Григорьев // М.: Высшая школа, 1990, 335 с.

44. Кугушев A.M. Основы радиоэлектроники: электродинамика и распространение радиоволн / A.M. Кугушев, Н.С. Голубева, В.Н. Митрохин // Учеб. пособие для ВУЗов, М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 368 с.

45. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин // М.: Энергия, 1967.-376 с.

46. Пименов Ю.В Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов. В.Н. Вольман, А.Д. Муравцов // Учебн. пособие для ВУЗов, М.: Радио и связь, 2002.-537 с.

47. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн / С.И. Баскаков // М.: Высшая школа, 1992. 416 с.

48. Норри Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри, Ж.М. де Фриз // М.: Мир, 1981. 364 с.

49. Григорьев А.Д. Численный расчет электромагнитного поля в полых резонаторах и волноводах методами конечных элементов и конечных разностей / А.Д. Григорьев, С.А. Силаев, В.Б. Янкевич // Электронная техника. Сер. ЭлектроникаСВЧ, 1978, Вып. 5.-е. 27-33.

50. Поршнев С.В. Вычислительная математика / С.В. Поршнев // Курс лекций. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 320 с.

51. Митра Р. Вычислительные методы в электродинамике / Р. Митра // М.: Мир, 1977.-356 с.

52. Марил К. Спектральный анализ: пер. с англ. / К. Марил // М.: Мир, 1977.-552 с.

53. Нефедов Е.И. Современные методы проектирования линий передачи и резонаторов сверх- и крайневысоких частот / Е.И. Нефедов, В.А, Неганов, Г.П. Яровой // М.: Педагогика-пресс, 1988. 327 с.

54. Вайштейн J1.A. Электромагнитные волны // М.: Радио и связь, 1988. -440 с.

55. Марков Г.Т. Возбуждение прямоугольного волновода / Г.Т. Марков // Научн. труды МЭИ, вып. XXI, Радиотехника, 1956.

56. Фальковский О.Н. Техническая электродинамика / О.Н. Фальковский // М.: Связь, 1978. 432 с.

57. Чаплин А.Ф. Возбуждение волны на бесконечном экране / А.Ф. Чаплин // Изв. ВУЗов Радиотехника, 1963 №3. с. 21-27

58. Форстайт Дж. Машинные методы математических вычислений / Дж. Форстайт, М. Мальком, К. Мольер // М.: Мир, 1980. 250 с.

59. D. Dibben, А.С. Metaxas Finite Element Time Domain Analysis of Multimode Applicators Using Edre Elements // IEEE trans, 1984, V/ MTT-32 №10.-p. 1275-1279.

60. Kolomeytsev V.A. Family of operating chambers for microwave thermal processing of dielectric materials / V.A. Kolomeytsev, V.V. Yakovlev // Digits of 28th International Microwave power Symposium/ Montreal, Canada, 1993. - p. 181-186.

61. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики / Г.Н. Марчук // М.: Наука, 1989.-608 с.

62. Вержбицкий В.М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения / В.М. Вержбицкий / М.: Высшая школа, 2000. 266 с.

63. Webb J.P. Finite element analysis of dispersion in waveguides with sharp metal edges / J.P. Webb//IEEE. Trans, 1988. V. MTT-36, №12.-p. 18191824.

64. Хомяков C.B. Моделирование СВЧ нагревательных установок с равномерным объемным тепловыделением на волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом / С.В. Хомяков / дис. канд. физ.-мат. наук, Саратов, 1999. -157 с.

65. Soriano V. Finite elements and finite difference formulation for microwave heating laminar material / V. Soriano, C. Devese, de hos Reges // Int. J. Microwave Power and Electromagnetic Energy, 1998. Vol. 33, №2. p. 67-76.

66. Коломейцев В.А. Синтез прямоугольного волновода с Т-ребром / В.А. Коломейцев, В.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника. -1983. Т.26, №1. - с. 85-87.

67. Бабак В.В. Удельная плотность тепловых источников в термопараметрических поглощающих средах / В.В. Бабак, С.В. Хомяков, Е.А. Егорова // Проблемы управления и связи: Матер. Международной научн,- техн. конф., Саратов: СГТУ, 2000. с. 173-180.

68. Коломейцев В.А. Математическая модель процесса нагрева поглощающих СВЧ мощность материалов в волноводных структурах произвольного поперечного сечения / В.А. Коломейцев, В.В, Бабак, С.В,

69. Хомяков // Проблемы управления и связи: Матер. Международной научн.-техн. конф., Саратов: СГТУ, 2000. с. 180-185.

70. Hano М. Three-dimensional time-domain for solving Maxwell's equations based on eireumeenters of elements / N. Hano, T. Hon // IEEE Trans Magnetie's, 1996. Vol 32, № 3. p.946-949.

71. Nuno L. Analysis of general bossy inhomogeneous and anisotropic waveguides by the finit element method (FFM) using edre elements / L. Nuno, J.V. Balbastre, H. Castane // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1997. Vol. 45, №3. p. 446-449.

72. Miniowitz R Analysis of 3-D microwave resonators using covariant projection elements R.Miniowitz, J.P. Webb // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1991. Vol. 39, №11. -p. 1895-1899.

73. Golias N.A. Efficient mode with adge elements and 3-D adaptive refinement / N.A. Golias, А/G/ Paragiannakis, T.D. Tsiboubis // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1994. Vol. 42, №1. p. 99-107.

74. Коломейцев B.A. Устройство для СВЧ-нагрева материалов / В.А. Коломейцев, Л.Г. Бунин, А.В. Герасимов, Е.Ф. Горюнов // Авторское свидетельство № 807995,1980.

75. Архангельский Ю.С. СВЧ-электрометрия // Саратов: Изд-во СГТУ, 1998.-336 с.

76. Коломейцев В.А. Тепловое поле волноводных нагрузок с тепловым поглотителем на внутренней поверхности / В.А, Коломейцев, Ю.С, Архангельский / Изв. ВУЗов СССР. Сер. Радиоэлектроника. T.XVI, №1,1973. -с. 114-122.

77. Потапов А.В. Комбинированное моделирование реберного волновода с поперечно-неоднородным заполнением / А.В. Потапов, Т.Р. Салахов, И.И. Салимов // Мат. межд. науч.-техн. конференции "Радиотехника и связь", Саратов: СГТУ, 2006. с. 261-265.