УДК 621.385.6.6 Измерение температуры листовых материалов в микроволновых установках типа бегущей волны Нефедов В.Н.- Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), профессор, E-mail: [email protected], телефон 926-6034348 Мамонтов А.В. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), доцент, E-mail: [email protected], телефон 926-6076001 Симонов В.П. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), профессор, E-mail: [email protected], телефон 915-3197750 Афанасьев В.В. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), студент, E-mail: [email protected], телефон 9166415332 Аннотация Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области высокоэффективных микроволновых технологий термообработки листовых материалов. В качестве нагревательных элементов микроволновых устройств использовались секции двумерно-периодических замедляющих систем. Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры в листовом материале не превышает 3%, а отклонение температуры в материале от номинального значения температуры не превышает 5%. Ключевые слова: СВЧ - устройство, распределение температуры, диэлектрический материал, замедляющая система Одним из актуальных направлений в области создания высокоэффективных технологий термообработки листовых материалов больших площадей является использование для этих целей микроволновых установок непрерывного действия. Наиболее перспективными в области создания непрерывных технологических процессов термообработки листовых материалов являются микроволновые устройства, осуществляющие взаимодействие диэлектрического листового материала с полем бегущей волны. Для термообработки листовых материалов больших площадей в качестве нагревательного элемента микроволновых устройств используют секции двумерно-периодических замедляющих систем [1-2]. Основу конструкции двумерно-периодической замедляющей системы составляют проводники многопроводных линий, расположенные вдоль оси z параллельно друг другу и на равных расстояниях друг от друга. На проводниках линии в периодической последовательности расположены элементы конструкции «индуктивные диафрагмы», между которыми расположены элементы «двойные связки». Элементы конструкции обеспечивают необходимые электродинамические параметры замедляющей системы как в поперечном направлении х - направлении движения материала, так и в продольном направлении z – направлении распространения энергии электромагнитного поля. Поперечное направление характеризуется поперечным фазовым сдвигом х на периоде пространства взаимодействия Lx , а продольное направление характеризуется фазовым сдвигом z на периоде системы Lz . В поперечном направлении секция ограничена электрическими стенками, которые расположены в плоскостях симметрии замедляющей системы. Между электрическими стенками устанавливается замедленная стоячая волна. В продольном направлении размер секции двумерно-периодической замедляющей системы определяется шириной обрабатываемого диэлектрического материала . Секция микроволнового устройства для нагрева листовых материалов состоит из секции двумерно-периодической замедляющей системы, которая с одной стороны согласована с источником СВЧ – энергии, а с другой стороны с водяной нагрузкой, на которой установлен датчик проходящей мощности для контроля технологического процесса. Размер секции двумерно-периодической замедляющей системы в направлении оси z определяется шириной обрабатываемого материала и равен N z Lz , где N z - число периодов замедляющей системы вдоль оси z. Размер секции двумерно-периодической системы между двумя электрическими стенками определяется числом периодов замедляющей системы N x в направлении оси х и равен N x Lx . Количество периодов пространства взаимодействия N x в направлении оси х определяется дисперсионными свойствами используемой системы [1-2]. Основой конструкции устройства СВЧ – нагрева является модуль. На рис.1,а представлен модуль для термообработки относительно тонких диэлектрических материалов, в котором распределение температуры по толщине материалаd можно не учитывать, а по ширине – задается условиями технологического процесса. Модуль образован двумя одинаковыми по конструкции и параметрам секциями устройства СВЧ - нагрева, которые расположены одна над другой, а энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно противоположных направлениях. Верхняя секция расположена над обрабатываемым материалом и смещена относительно нижней секции на половину периода пространства взаимодействия в поперечном направлении, вдоль оси х, как это показано на рис.1,б. В качестве рабочего вида колебаний используется x - вид или ближайший к нему по поперечному замедлению. При этом коэффициент замедления замедляющей системы, который используется в настоящей работе k зам 5 . В продольном направлении вдоль оси z устанавливается режим бегущей волны. Каждую секцию устройства СВЧ – нагрева с обрабатываемым материалом можно с физической точки зрения представить эквивалентной моделью в виде нагруженной длинной линии [1, 3]. Рассмотрим нагрев листового материала, расположенного над поверхностью двумерно-периодической замедляющей системы в стационарном режиме. Пусть источник СВЧ - энергии имеет выходную мощность Рвх , а листовой материал нагревается на длине электродинамической системы от начальной температуры материала Т н до конечной температуры материала Т к . Будем полагать, что постоянная затухания амплитуды электрического поля в материале при начальной температуре соответствует величине н , а при конечной температуре к . Пусть величина входной мощности Рвх практически полностью поглощается материалом на длине электродинамической системы . Выражение для распределения мощности в обрабатываемом материале с диэлектрическими потерями можно записать в виде функции, учитывающей зависимость диэлектрических параметров материала от температуры в направлении оси z. P( z) f z, T Pвх e 2 н z , где f z , T – функция, учитывающая зависимость диэлектрических параметров от температуры в направлении распределения энергии электромагнитного поля. Вид функции f z , T получен при условии линейной зависимости мнимых значений относительных диэлектрических проницаемостей материала с ростом температуры на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц [3]: Для источника СВЧ - энергии слева f1 ( z , T ) н . к к н e 2 н z Для источника СВЧ - энергии справа f 2 ( z, T ) н к к н e 2 н z При нагреве относительно тонких листовых диэлектрических материалов конвективный теплообмен играет заметную роль, и пренебрежение им приводит к существенно завышенному значению производительности микроволновой установки. Распределение температуры в материале от нижней секции микроволнового устройства в направлении распространения энергии электромагнитного поля Т1 z имеет вид [1]: 2 Рвх к f12 z , T e 2 н z T1 z Т н N x Lx d д сд Распределение температуры в материале от модуля микроволнового устройства Т 2 z имеет вид [1]: 2 Рвх к f 2 2 z , T e 2 н z T2 z Т1 z N x Lx d д сд где: с д – теплоемкость материала; д – плотность материала; – время обработки материала в микроволновом поле; - коэффициент конвективного теплообмена. Секция двумерно-периодической замедляющей системы и материал характеризуются следующими параметрами: - рабочая частота колебаний электромагнитного поля, МГц ……… 2450 - мощность источника СВЧ - энергии, кВт ............................................ 0,8 - коэффициент стоячей волны в полосе частот 100 МГц, не более ... 1,45 - коэффициент стоячей волны на рабочей частоте ………………..... 1,17 - период замедляющей системы вдоль оси Lz , мм …………...…..… 36 - ширина материала l, мм ……………………………………...…...…. 400 - ширина секции в поперечном направлении Nx·Lx, мм …….............. 200 - продольный фазовый сдвиг на рабочей частоте z ……...…....….... 0,2 - температура материала Tk, °С …………………………………..…… 180 - температура материала Tн, °С …………………………………..…… 20 - значение фактора потерь, н …………………………………....…... 0,18 - значение фактора потерь, к ………………………………………... 0,3 - теплоемкость материала cд , Дж/(г·°С) ……………………………. 0,8 - плотность материала д , г/см3............................................................. 2,4 - толщина материала d , мм ………………………………………….. 3,0 - скорость движения материала, м/мин .................................................. 0,2 - коэффициент конвективного теплообмена ,Вт/(см∙°С) .................. 0,6 На рис. 2 показаны экспериментальные и рассчитанные характеристики распределения температуры композиционного материала в модуле устройства СВЧ – нагрева в относительных единицах. Отклонение температуры в материале от номинального значения температуры не превышает 5%, а расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температуры в материале не превышает 3%. Измерение температуры материала производилось по центральной линии секции микроволновой установки в направлении распространения энергии через каждые 50 мм при выключенном источнике СВЧ - энергии. Полученные результаты могут быть использованы в технологических процессах термообработки листовых материалов в различных отраслях промышленности. ЛИТЕРАТУРА 1. Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Назаров И.В., Потапова Т.А. “Микроволновые технологии”//(Монография), ГНУ НИИ ПМТ МИЭМ (ТУ), 2008, 326с. 2. Шахбазов С.Ю., Нефедов М.В., Никишин Е.В., Лоик Д.А., Никишев А.О. Измерение распределения температурного поля по толщине листовых материалов в СВЧ - устройствах типа бегущей волны //Метрология, № 5, 2008, с. 38-44 3. Назаров И.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А., Мамонтов А.В. Измерение распределения температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ - волны // Метрология, № 3, 2006, с. 920 "Temperature measurement of sheet materials in a traveling wave type microwave system". Nefedov V.N. National Research University Higher School of Economics (HSE), professor, E-mail: [email protected], telephon 926-6034348 Mamontov A.V. National Research University Higher School of Economics (HSE), professor, E-mail: [email protected], telephon 926-6076001 Simonov V.P. National Research University Higher School of Economics (HSE), professor, E-mail: [email protected], telephon 915-3197750 Afanasiev V.V. National Research University Higher School of Economics (HSE), student, E-mail:[email protected], telephon916-6415332 Abstract Theoretical and experimental research results in the field of highperformance microwave technologies of sheet materialsare presented. Sections of two-dimensional periodic slow-wave systems are used as heating elements. Divergence of theoretical and experimental temperature distribution characteristics in the sheet material does not exceed 3%, and the temperature deviation in the material from the nominal temperature value does not exceed 5%. Keywords: microwave device, temperature distribution, dielectric material, slow-wave structure. Рисунки а) б) Рис. 1. Рис. 2 Подписи к рисункам Рис. 1. Устройство СВЧ – нагрева листовых материалов (а) и (б): 1 – секция двумерно-периодической замедляющей системы; 2 – переходное согласующее устройство; 3 – источник СВЧ – энергии; 4 – согласованная нагрузка; 5 – диэлектрический материал, толщиной d; 6 - индуктивная диафрагма; 7 – двойные связки Рис. 2. Рассчитанные (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры в листовом материале для модуля устройства СВЧ – нагрева. Заштрихованная область – область экспериментальных значений в результате проведения серии из 8 экспериментов.