Электрические потери в статоре трехфазных асинхронных двигателей серии АИР (стр. 5 )

       

В качестве линий передачи от СВЧ-генератора к нагрузке использовался прямоугольный волновод 45Ч90 мм. Источник питания позволяет регулировать мощность СВЧ-генератора от 0 до 2,2 кВт.

В процессе эксперимента на временном интервале 0–50 мин нагрев производился при СВЧ-мощности 1,4 кВт, затем мощность увеличивалась до 2,2 кВт, как и в рассмотренном выше математическом эксперименте. В процессе нагрева керамической заготовки с интервалом 15 мин контролировалась ее температура. Измерения температуры проводились с помощью высокотемпературного пирометра через открываемую торцевую крышку камеры при отключении установки. Продолжительность каждого отключения установки для измерения температуры составляла 1–3 мин. По прошествии 30 мин температура достигла 800 °С. На временном интервале от 50 до 60 мин заготовка нагрелась до 1000 °С.

После извлечения заготовки по визуальным признакам (свечение) и с помощью измерений было установлено, что по длине заготовки имеют место два температурных максимума, что согласуется с результатами моделирования. Максимальная температура поверхности камеры составила 230 °С, что также соответствует расчетным данным.

По результатам данной работы можно сделать следующие выводы.

Предложенная математическая модель термообработки керамики в СВЧ-установках с камерами бегущей волны на нерегулярном прямоугольном волноводе может быть использована на стадии их разработки для оптимизации конструкции камер с целью получения требуемой равномерности и темпа нагрева изделий. Температурное поле в процессе СВЧ-нагрева имеет максимум в центре заготовки и спадает к периферии, что на начальной стадии термообработки позволит интенсифицировать процесс удаления влаги и органических прекурсоров из внутренних областей заготовки к наружной поверхности. Выявлена качественная сходимость результатов математического моделирования и результатов натурного эксперимента. Расхождения главным образом связаны с методической погрешностью измерения температуры из-за необходимости отключения СВЧ-мощности при проведении измерений. Полученные экспериментальным путем температуры керамической заготовки (до 1000 °С) показали возможность проведения спекания в данной установке отдельных видов керамик. Для повышения температуры заготовки необходимо увеличение мощности источника питания и оснащение внешней поверхности рабочей камеры теплоизоляцией.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Argawal D. Microwave Sintering of Ceramics, Composites and Metallic Materials, and Melting of Glasses // Transactions of The Indian Ceramic Society. – 2006. – Vol. 65(3). – P. 129–144. Влияние дисперсности частиц и СВЧ излучения на прочность кремнеземистой керамики // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Материалы Всероссийской научно-методической конференции. – Оренбург: Университет, 2014. – С. 1331–1335. , , Микроволновая высокотемпературная обработка материалов // Вакуумная СВЧ электроника: сборник обзоров. – 2002. – С. 26–33. СВЧ электротермия. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1998. – 408 с. Электромагнитные волны. – М.: Радио и связь, 1988. – 440 с. , , Разработка энергоэффективных СВЧ рабочих камер для термообработки керамики // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т., 2016. – С. 355–359.

Статья поступила в редакцию 5 октября 2017 г.

MODELING AND TESTING OF MICROWAVE ELECTROTECHNOLOGICAL INSTALLATION FOR
A HIGH-TEMPERATURE HEAT TREATMENT OF CERAMICS

S. V. Trigorly, V. Yu. Kozhevnikov, V. V. Zakharov

Yuri Gagarin Saratov State Technical University

77, Politechnicheskaya st., Saratov, 410054, Russian Federation

The results of modeling and testing of a microwave installation with a traveling-wave camera on an irregular rectangular waveguide for high-temperature thermal treatment of ceramics are presented. A mathematical model is proposed for the microwave heat treatment of ceramics, based on the coupled equations of electrodynamics and heat conductivity. Mathematical modeling was carried out in a three-dimensional setting using the COMSOL Multiphysics software. To determine the best matching of the microwave generator with the working chamber, cold tests were performed, as a result of which the optimal arrangement of the ceramic preform in the working chamber was determined. The tests of heating the ceramic in the microwave installation showed the qualitative convergence of the results of the simulation with the results of the field experiment.

Keywords: ceramics, high-temperature processing, sintering, microwave heating, electrotechnological installation.

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2017. № 4 (56)

УДК 621.365.5

УСТАНОВКИ СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ЧАСТОТОЙ

Саратовский государственный технический университет имени

Россия, 410054, 7

Рассматриваются вопросы применения генераторов, перестраиваемых по частоте, в установках СВЧ диэлектрического нагрева. Приведены классификация рабочих камер установок СВЧ диэлектрического нагрева и результаты расчетов параметров рабочих камер с бегущей волной и камер лучевого типа в одночастотном и широкополосном режимах. Показано, что изменением частоты СВЧ-генератора в процессе нагрева диэлектрика в камере с бегущей волной, построенной на нерегулярном отрезке прямоугольного волновода, достигается лучшее, чем в одночастотном режиме, согласование СВЧ-генератора с рабочей камерой на всем протяжении нагрева, а в камере лучевого типа с рупорным излучателем удается зафиксировать глубину проникновения электромагнитной волны в диэлектрик на постоянном уровне.

Ключевые слова: камера с бегущей волной, камера лучевого типа, установка СВЧ диэлектрического нагрева, длина волны, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, одночастотный режим, широкополосный режим, глубина проникновения электромагнитной волны.

Исследования и разработки в области нагрева диэлектрических сред, материалов и изделий в сверхвысокочастотном электромагнитном поле (СВЧ диэлектрический нагрев) начались в середине пятидесятых годов XX века. От нагрева конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением этот способ нагрева отличает объемное тепловыделение и, как следствие, ускорение процесса термообработки и большая равномерность нагрева обрабатываемого диэлектрика по объему. СВЧ диэлектрический нагрев широко используется для термообработки пищевых продуктов (СВЧ или микроволновые печи) [1, 2], а также во многих других технологических процессах, таких как нагрев, сушка, дефростация, пастеризация, стерилизация, упрочнение, разрушение, вулканизация и иная модификация полимеров [3, 4].

Структурная схема установки СВЧ диэлектрического нагрева (У СВЧ ДН) приведена на рис. 1. Основными элементами У СВЧ ДН являются рабочая камера, где происходит технологический процесс, и источник СВЧ-энергии, традиционно работающий на одной из частот, установленных для технологических установок.

Рабочие камеры подразделяются на камеры с бегущей волной (КБВ), со стоячей волной (КСВ) и камеры лучевого типа (КЛТ) [5].

Существенным недостатком термообработки диэлектриков энергией СВЧ электромагнитных колебаний является неравномерность распределения теплоты в диэлектрике в процессе нагрева. Это происходит в связи с зависимостью диэлектрических параметров (относительной диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь tg д) обрабатываемого объекта от температуры [5].

Рис. 1. Структурная схема У СВЧ ДН

У нагреваемого объекта е'(T) и tg д(T) при проектировании У СВЧ ДН на КБВ (рис. 2а, б) профиль неоднородного волновода, обеспечивающий равномерный нагрев и согласование КБВ с СВЧ генератором, обычно рассчитывается на средние значения е' и tg д в рабочем диапазоне температур [6]. При изменении этих параметров в процессе нагрева происходит рассогласование рабочей камеры с СВЧ-генератором, отчего снижается энергетическая эффективность, возникает неравномерность нагрева. КБВ рассчитывают для конкретного обрабатываемого диэлектрика, что делает их неуниверсальными, но КБВ обладают наибольшим КПД и наилучшей равномерностью термообработки в сравнении с другими типами рабочих камер.

а	б
в	г

Рис. 2. Рабочие камеры У СВЧ ДН:
а – КБВ на прямоугольном волноводе; б – КБВ на круглом волноводе;
в – КСВ на прямоугольном резонаторе; г – КЛТ с излучающим рупором

КСВ представляет собой обычно прямоугольный резонатор, работающий в режиме стоячей волны. Из-за этого неравномерность нагрева в КСВ значительно больше, чем в КБВ. В определенной степени ситуацию спасает применение в КСВ металлического диссектора или диэлектрического поддона с tg д = 0, вращающихся от отдельных электроприводов, но в КСВ можно обрабатывать диэлектрики разной формы, с разными е' и tg д, а потому У СВЧ ДН на КСВ получили широкое распространение (бытовые СВЧ или микроволновые печи). Разумеется, зависимости е'(T) и tg д(T) обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева влияют на равномерность поглощения диэлектриком энергии СВЧ электромагнитного поля, но это не меняет общей картины термообработки в таких рабочих камерах.

В У СВЧ ДН на КЛТ (рис. 2г) изменение е' и tg д обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева приводит к изменению глубины проникновения электромагнитной волны в обрабатываемый диэлектрик: