Суперпозиционный метод формирования заданного распределения температурного поля в СВЧ нагревающих устройствах лучевого типа - Аттестационная работа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Московский институт электроники и математики Суперпозиционный метод формирования заданного распределения температурного поля в СВЧ нагревающих устройствах лучевого типаСВЧ нагрев является широко используемой технологией термообработки диэлектрических материалов, так как обладает рядом преимуществ перед конвективными методами нагрева. Данная область является динамично развивающейся сферой исследований, в которой существует ряд задач, решение которых позволит резко увеличить эффективность нагрева, а также найти новые возможности применения СВЧ установок в обработке диэлектрических материалов.До ранних 1940 годов использование микроволнового излучения ограничивалось коммуникациями и системами обнаружения, в которых сверхвысокие частоты использовались для передачи сообщения в виде сигнала. микроволновый излучение электромагнитный волна В последствии были обнаружены значительные преимущества СВЧ нагрева перед конвективными методами нагрева, что позволило СВЧ нагреву найти широкое применение в промышленной обработке пищевых продуктов для таких процессов, как размораживание, сублимационная сушка, стерилизация и пастеризация.Термообработка с помощью СВЧ нагрева обладает принципиальными отличиями от конвективного метода нагрева. Традиционные методы нагрева основываются на одном или нескольких методах теплопередачи благодаря конвекции, теплопроводности или излучения для передачи тепловой энергии материалу. Во всех трех случаях энергия распределяется по поверхности материала, таким образом, градиент температуры направлен внутрь материала, при этом на поверхности материала показатели температуры максимальны. При СВЧ нагреве микроволновая энергия взаимодействует не только с поверхностью обрабатываемого материала, но и распределяется по всему объему материала. После высушивания обработанных участков материала их нагрев автоматически прекращается за счет уменьшения тангенса угла диэлектрических потерь.Различия между конвективным способом нагрева и СВЧ нагревом обеспечивают преимущества использования СВЧ нагрева в следующих областях. Микроволновая печь широко используется в качестве бытового устройства для приготовления пищи и нагревательных процессов, в частности, для следующих целей [1-10]: · пастеризация молочных продуктов; После пищевой промышленности, сельскохозяйственная промышленность является второй отраслью, где СВЧ нагрев находит широчайшее применение. Так, например, микроволновое излучение применяется для сушки древесины, зерна, сена [11]. СВЧ нагрев является преимущественным для дезинсекции сушеной древесины, фруктов и орехов, т.к. химические фумиганты, такие как метилбромид, запрещены к использованию.Большинство систем микроволнового нагрева использует источники от 100КВТ до 1 МВТ. В СВЧ устройствах для термообработки диэлектрических материалов применяется многочисленный спектр источников СВЧ энергии, различных по конструкции и параметрам. В мощных СВЧ установках используются источники от 25 КВТ и выше, и, в зависимости от технологического процесса, на частотах 2450 МГЦ или 915 МГЦ. Основные требования, предъявляемые к источникам СВЧ: · постоянная работа в пределах предписанного диапазона; · Низкие капитальные затраты на киловатт выходной мощности; этот пункт важен, т.к. часто генератор представляет большую часть стоимости установки;Так как микроволновый нагрев диэлектрических материалов происходит посредством взаимодействия электромагнитного поля и материала, необходимо рассмотрение данного процесса с молекулярной точки зрения. На сверхвысоких частотах поглощение электромагнитной энергии диэлектрическими материалами прежде всего обусловлено наличием постоянного электрического дипольного момента молекул. Под воздействием электрического поля дипольный момент полярных молекул приобретает вращательный момент, происходит переориентация оси молекулы по направлению поля.Диэлектрические свойства материала описываются с помощью диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь, которые составляют действительную и мнимую части относительной комплексной диэлектрической проницаемости, заданной выражением: . (2.2) где действительная часть - диэлектрическая постоянная, представляет энергию, накопленную в материале, а мнимая часть - диэлектрические потери, описывает способность материала рассеивать электрическую энергию в виде тепла. Способность диэлектриков рассеивать энергию в электрическом поле может быть описана отношением коэффициентом диэлектрических потерь к диэлектрической проницаемости, т.е. тангенсом угла диэлектрических потерь: , (2.4) Данное уравнение показывает, что воздействие электрического поля на материал приводит к появлению электрического тока, направление вектора которого и амплитуда зависят вектора напряженности электрического поля. Плотность магнитного потока связывает вектор напряженности магнитного поля и магнитную проницаемость материала: , (2.

Оглавление

Введение

Глава 1. Микроволновое излучение

1.1 Краткая история микроволнового излучения

1.2 Преимущества СВЧ нагрева перед конвективными методами нагрева

1.3 Сферы применения СВЧ нагрева

1.4 Источники СВЧ энергии

Глава 2. Свойства диэлектрических материалов

2.1 Физические основы термообработки диэлектрических материалов

2.2 Распространение электромагнитных волн

2.3 Передача тепла при СВЧ нагреве

2.4 Неравномерность микроволнового нагрева

2.5 Прямоугольный волновод как излучающая антенна

2.6 Принцип Гюйгенса-Кирхгофа

2.7 Факторы, влияющие на микроволновый нагрев

Глава 3. Расчет СВЧ устройства

3.1. Расчет СВЧ устройства лучевого типа

3.2 Перспективы микроволнового нагрева

Заключение

Список источников