Моделирование СВЧ установок на базе камер с бегущей волной для сушки тонких диэлектриков в методическом режиме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование СВЧ установок на базе камер с бегущей волной для сушки тонких диэлектриков в методическом режиме

С.В. Тригорлый, А.А. Гашников Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Аннотация

Путем математического моделирования СВЧ установки методического типа на базе камеры бегущей волны были получены основные характеристики данной установки, в зависимости от выбранного влажного материала и его физических свойств.

Ключевые слова: СВЧ установка, сушка диэлектриков, система управления, математическое моделирование.

Abstract

By mathematical modelling of microwave installation methodical type on the basis of the of the traveling wave chamber were obtained the main characteristics of this installation, depending on the wet material and its physical properties.

Keywords: microwave installation, dielectric drying, control system, mathematical modeling.

диэлектрический термообработка сушка влажность

Применение энергии сверхвысоких частот (СВЧ) позволяет интенсифицировать процессы сушки и повысить производительность промышленных технологических установок [1,2]. В сверхвысокочастотных камерах с бегущей волной (КБВ) наиболее просто обеспечить транспортировку и сушку протяженных тонких диэлектриков. Если ширина такого диэлектрика больше ширины узкой стенки волновода, то обрабатываемый диэлектрик транспортируется через узкие щели, расположенные вдоль волновода в середине широких стенок [1]. На рис. 1 показана схема СВЧ сушилки с поперечным взаимодействием электромагнитной волны и обрабатываемого диэлектрика, на котором показан изогнутый волновод (меандр) с несколькими волноводными секциями.

В данной работе проведено математическое моделирование процессов СВЧ сушки тонких диэлектрических материалов в камерах с КБВ с поперечным взаимодействием с целью достижение необходимого качества термообработки (требуемой температуры и влажности) и выбора оптимальных параметров установки и режимов ее эксплуатации.

На первом этапе работы проведен анализ существующих СВЧ установок для сушки тонких диэлектрических материалов, в результате которого в качестве прототипа установки выбрана СВЧ камера на база прямоугольном волноводе с поперечным взаимодействием электромагнитной волны и обрабатываемого материала [1]. Предлагаемая установка для СВЧ сушки диэлектрических материалов (рис.1) состоит из следующих основных элементов: источника питания и СВЧ генератора, работающего на частоте 2450 МГц; рабочей СВЧ камеры с бегущей волной с поперечным взаимодействием; системы подогрева воздуха в рабочей камеры и удаления паров влаги; электропривода для перемещения диэлектрика в рабочей камере; датчиков технологического процесса (для контроля температуры и влажности диэлектрика); датчиков управляющих воздействий (мощности СВЧ генератора, скорости движения объекта, температуры нагрева воздуха в рабочей камере); датчика расхода воздуха в вентиляционной установке для удаления паров влаги; датчиков внешних воздействий (напряжения сети, температуры окружающего воздуха, потребления электроэнергии); системы управления [2].

Рис. 1. Схемы устройств СВЧ сушки с поперечным взаимодействием

Для моделирования сушки тонких диэлектрических материалов в КБВ с поперечным взаимодействием использовалась методика, изложенная в [2]. Данная методика предназначена для расчета мягкого сушки в поле СВЧ (температура объекта не превышает 100 С). Ниже приведены расчетные формулы для распределения температур (1) и влагосодержания (2) в i - й секции СВЧ сушилки [1]:

, (1)

, (2)

где Р - мощность СВЧ генератора; b - ширина узкой стенки волновода; d - толщина диэлектрика; c, p - удельная теплоёмкость и плотность диэлектрика; v - скорость движения диэлектрика; - коэффициент теплоотдачи конвекцией и испарением; б - постоянная затухания электромагнитной волны; r - удельная теплота испарения.

Постоянная затухания в зависимости от температуры определяется по формуле [1]

, (3)

где - постоянная затухания для сухого материала; - погонная масса жидкости; a - ширина широкой стенки волновода; l - ширина диэлектрика; - объемная плотность воды; л - длина волны; '(t) и tg(t) - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь воды.

Расчетная программа, основанная на изложенной выше методике, позволяет учитывать зависимости диэлектрических параметров ('(t) и tg(t)) от температуры, а также зависимости коэффициента теплоотдачи испарением от теплофизических параметров воздуха, его температуры и скорости движения.

Алгоритм расчета включает следующие этапы. После ввода исходных данных находится поле температур в первой секции. По найденному полю температур рассчитывается погонная влажность диэлектрика. Если влажность больше заданной, то к начальной длине камеры (первой волноводной секции) прибавляется еще одна волноводная секция, и расчет повторяется. Так происходит до тех пор, пока погонная влажность не достигнет требуемой по условиям технологии величины. Результаты расчетов выводятся в виде графиков распределения температур вдоль длины камеры, а также распечатки данных о требуемом количестве волноводных секций.

Для проведения математического моделирования СВЧ сушки выбраны следующие диэлектрические материалы: влажная бумага, влажный шелк, кинематографическая лента. Каждый материал имеет свои геометрические, электро- и теплофизические параметры (табл. 1).

С помощью рассмотренной выше методики проведен анализ влияния мощности СВЧ генератора, начальной и конечной влажности на общее количество волноводных секций. В процессе математического моделирования использовалось 3 типа СВЧ генераторов различной мощности: 600 Вт, 1000 Вт, 1500 Вт.

Таблица 1. Геометрические, электро- и теплофизические свойства диэлектрических материалов

Результаты математического моделирования СВЧ сушки бумаги представлены в таблице 2 и на рис. 2.

Для максимальной температуры бумаги 60C мощность СВЧ генератора составила 750 Вт при максимальной температуре в секции 59,1C, а количество волноводных секций - 22.

Таблица 2. Результаты математического моделирования для сушки бумаги

а б

в

Рис. 2. Изменение температуры по секциям при различной мощности СВЧ генератора: а - 600 Вт; б - 1000 Вт; в - 1500 Вт.

Результаты математического моделирования для сушки шелка представлены в таблице 3 и на рис. 3

Таблица 3. Результаты математического моделирования для сушки шелка

а б

в

Рис. 3. Изменение температуры по секциям при различной мощности СВЧ генератора: а - 600 Вт; б - 1000 Вт; в - 1500 Вт.

Для максимальной температуры шелка 80C мощность СВЧ генератора составила1000 Вт при максимальной температуре в секции 77,7C, а количество волноводных секций - 4.

Результаты математического моделирования для сушки кинематографической ленты приведены в таблице 4 и на рис. 4

Таблица 4. Результаты математического моделирования для сушки кинематографической ленты

При максимальной температуре кинематографической ленты 40C мощность СВЧ генератора составила 600 Вт при максимальной температуре в секции 38,7C, а количество волноводных секций - 11.

а б

в

Рис. 4. Изменение температуры по секциям при различной мощности СВЧ генератора: а - 600 Вт; б - 1000 Вт; в - 1500 Вт.

Как видно из представленных результатов, с увеличение мощности СВЧ генератора количество волноводных секций для достижения требуемой конечной влажности уменьшается, однако, при этом температура нагреваемого материала возрастает, и при определенной мощности может превысить максимально допустимую по условиям технологии. В этой связи при создании соответствующей СВЧ сушилки на основе моделирования рассчитывается оптимальное количество волноводных секций и мощность СВЧ генератора.

Таким образом, результаты моделирования СВЧ сушки тонких материалов в камерах с бегущей волной могут быть использованы при разработке конструкций СВЧ сушильных установок и систем управления технологическими процессами СВЧ сушки.

Литература

1. Архангельский Ю.С. Компьютерное моделирование СВЧ электротермических процессов и установок / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - 212 с.

2. Тригорлый С.В. Оптимизация режимов термообработки диэлектриков в СВЧ электротермических установках на основе интеллектуальных систем управления / С.В. Тригорлый, Д.В. Джема // Материалы VI международной научно-практической конференции 20-21 апреля: 21 век: фундаментальная наука и технология. 2015.- North Charleston, USA, т.1. - С. 75-77.

Размещено на Allbest.ru