Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков

• Название: Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
• Дата: 01.05.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: 1_00676 (1).docx
• Тип: Диссертация; #506934
• страница: 9 из 23

Расчет камер лучевого типа и математическое моделирование процессов тепловой модификации

1. Расчеткамерлучевоготипа

При проектировании КЛТ расчету подлежат излучатель, габариты ра- бочего пространства камеры, длина волны и мощность СВЧ генератора, ко- личество излучателей и их взаимное расположение на стенках камеры. Кро- ме того необходимо рассчитать согласующий четвертьволновый трансфор- матор, обеспечивающий максимальную энергетическую эффективность,

входные и выходные шлюзы для установки, работающей в методическом режиме.

Расчет излучателя, работающего на полупространство, заполненное средой с известными диэлектрическими свойствами, например, воздухом, может быть проведен традиционными для антенной техники методами [12].

Распределение относительной удельной мощности по поверхности модифицируемого объекта при облучении его, например, одиночным рупор- ным излучателем, показано на рис.2.10.

Если площадь поверхности объекта, облучаемого излучателем, мень- ше всей площади его поверхности, то количество рупоров определяется в соответствии с рекомендациями работы [50].

В первом приближении, как указано в п. 2.4. , облучаемая одним излу- чателем площадь модифицируемого объекта равна площади апертуры излу- чателя, тогда общее количество излучателей должно равняться

N= ^S, (3.45)

S

где S– площадь поверхности модифицированного объекта,

S_a– площадь

апертуры антенны, а распределение излучаемой мощности по раскрыву ру- порного излучателя можно считать постоянным и равным

P= ^P, (3.46)

s_S

где Р – мощность СВЧ генератора, которая, в свою очередь, может быть най- дена из уравнения теплового баланса.

Если в КЛТ реализуется тепловая модификация объекта с объемом V в периодическом режиме, то уравнение теплового баланса имеет вид

ρVс^d=^Θ + hS dt

P, (3.47)

где h− коэффициент теплоотдачи с поверхности Sобъекта.

Решение уравнения (3.47) записывается следующим образом

□ ₋^hSt�

^P� cρV<sup>�

�</sup>1−=eΘ ^�,

hS^{� �}

□ �

□ �

откуда время модификации до заданной температуры

^Tзад

равно

t= ^ρVln¹ . (3.48)

об<sub>hS

1-</sub>hSΘ_зад

P

Если производительность КЛТ определить как

G= ^V, (3.49)

^tоб

то с учетом (3.48)

G = ^hS. (3.50)

lρnc¹

₁₋ hSΘ_зад

P

Соотношение (3.50) позволяет рассчитать производительность, если извест-

ны СВЧ мощность Pи заданная температура тепловой модификации
если известны Gи Θ_зад, то из (3.50) можно найти P:

Θ_зад, а

_P= hSΘ<sub>зад.

–</sub>hS

₁₋ cρ G

Если тепловые потери с поверхности Sневелики, то из (3.47) получим

_=ΘPt
, (3.51)

тогда Gи Рпри известном Θ_зад

Vρc

связаны соотношением

РρGΘ_зад

. (3.52)

Если КЛТ работает в методическом режиме, то Р определяется урав- нением теплового баланса в установившемся режиме

РρGΘ_задhSΘ_зад. (3.53)

При заданной величине Р (3.53) определяет G , а если тепловые потери с по- верхности S невелики, то (3.53) упрощается и Р и G связаны между собой соотношением (3.52).

Наконец, если КЛТ является рабочей камерой СВЧ сушилки, то для определения связи Р и G следует решить систему уравнений, описывающих кинетику сушки

Vсρ^dΘ ( hS+) h=SΘР+,

_dtkиkи
^dm= ^hиSиΘ,
(3.54)

dtτ

где

h_k, h− коэффициенты теплоотдачи конвекцией и испарением;

S_k,

S_и−

площади поверхности объекта, с которых идет теплоотдача конвекцией и испарением;m − масса испаряемой жидкости.

Из соотношения (3.54)

□ hS

k^hиk^Sи^�

^{М� −} Vсρ^�

S
=Θ ^�1 − е^�


�

�
h+_kh_иkS_и^{� �}

□ �


(3.55)

^□ � hS+hS�

hSP^�

Vсρ

□ ₋^kиkи�

m= ^kk�1 −

^�1 − е

Vсρ� _.

τ(hS

+ hS)^�

(hS

+ hS)^{� �}

kиkи_�

�

kиkи� �

□ �

Обычно h_k<< h_и, и тогда (3.55) запишутся в виде

□ hS

k^hиk^Sи^�

□ ₋

Θ = ^Р�1 − е


�
h_иS_и^�

�

�

Vсρ�

�

�

�

(3.56)

^□ �

_□ �

PρVс

hSt�

_–^ии�

m^�1 −= ^�1− е

ρVс�

�

�

�
r^� h_иS_и^{� �}

□ ^{� �}

При t= t_об

и Θ = Θ_зад

из (3.56) при мягком режиме сушки

откуда с учетом (3.49)
t_об=,

ρVΘ_зад

Р

P Gcρ(Θ=_зад

+ ^mr) . (3.57)

V

Соотношение (3.57) позволяет рассчитать Р при заданны производительно- сти G(без учета усадки объекта в процессе сушки), предельно допустимой

температуры модификации

^Θзад

и массе испарению жидкости m, а при из-

вестной мощности Рнайти G.

Если в КЛТ реализуется жесткий режим сушки, то

^tоб

^tнагр

t_вып, (3.58)

где

^tнагр

− время нагрева объекта до температуры кипения

^Ткип^;

t_вып− вре-

мя выпаривания заданного количества жидкости.

На стадии нагрева в пренебрежении испарения и конвекции из (3.51)

^tнагр^=,

ρVΘ_кип Р
(3.59)

где Θ

Т _кипТ_0к,_ипа время выпаривания равно

h
^tвып⁼

и

^Sи^Θкип

. (3.60)

Тогда соотношение (3.58) с учетом (3.59), (3.60) примет вид

t=,

ρVΘ_{кип+ mz}

об_Р

^hSи^Θкип

Сушка в методическом режиме имеет свои особенности. Длинномер- ные объекты, например пиломатериалы, в таком режиме не сушат, так как возникает коробление объекта из-за неравномерного влагосодержания по его длине. Сыпучие объекты, например песок, глина, зерно и т.п., обычно сушат в СВЧ сушилках с раздельными зонами тепловой модификации и собствен- но сушки. Первая зона, где происходит нагрев движущегося сыпучего объ- екта до заданной температуры, представляет собой КЛТ, а вторая зона, где происходит собственно сушка, − бункер, в который поступает сыпучий объ- ект из КЛТ и куда подается от воздуходувки воздух для создания конвектив- ной составляющей.

В таком случае связь между Р и G при методическом режиме работы КЛТ определяется соотношением (3.53), если вместо hS подставить

hS_kh_иkS_и, т.е.

РρGΘ=
^hS+k^hзиаkд^Sи^Θзад^.

Что касается выбора длины волны СВЧ генератора, то её обычно вы- бирают с учетом глубины проникновения электромагнитной волны (см. 1.5)) и в первом приближении её можно выбрать по соотношению

′

�
2 1 λ π1 ^�

�

²δtg−ε+l^�.


�
�

Отметим, что Р, λмогут быть оптимизированы с помощью технико- экономических расчетов (см. п.5).

Расчет согласующего четвертьволнового трансформатора следует проводить по соотношениям, приведенным в п.3.2.

Что касается входных и выходных шлюзов, то от их конструкции за- висит уровень излучений из КЛТ в окружающее пространство и, следова-

тельно, возможность ее эксплуатации. Если допустимый уровень излучений

Р_д≤ 10 МкВт/см² при работе установки полную рабочую смену,

S_ш– пло-

щадь поперечного сечения шлюза, то минимальная длина шлюза равно

l=,¹ ln

^ш2α

_ш(1− ГP²K)

Р_дS
(3.61)

где Г– коэффициент отражения от КЛТ,

K_ш– доля мощности СВЧ генера-

тора, поступающая в шлюз со стороны КЛТ, α – коэффициент затухания электромагнитной волны, возбуждаемой в шлюзе и переносящей СВЧ мощ- ность, однако, применению соотношения (3.61) препятствует сложность в

определении α и

K_ш, так что по этой причине величина

l_шподбирается

экспериментально.