Измерение температуры листовых материалов в микроволно

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: 6034348@mail.ru, телефон 926-6034348
Мамонтов А.В. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ), доцент, E-mail: a.mamontov@hse.ru, телефон 926-6076001
Симонов В.П. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ), профессор, E-mail: vsimonov@hse.ru, телефон 915-3197750
Афанасьев В.В. - Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ), студент, E-mail: drstein418@yandex.ru, 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: 6034348@mail.ru, telephon 926-6034348
Mamontov A.V. National Research University Higher School of Economics (HSE), professor, E-mail: a.mamontov@hse.ru, telephon 926-6076001
Simonov V.P. National Research University Higher School of Economics
(HSE), professor, E-mail: vsimonov@hse.ru, telephon 915-3197750
Afanasiev V.V. National Research University Higher School of Economics (HSE), student, E-mail:drstein418@yandex.ru, 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.