А. Л. Демура, В. Д. Рябчій

Дніпропетровський національний університет

АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ НВЧ НАГРІВАННЯ СКЛОПЛАСТИКІВ

При застосуванні НВЧ енергії для прискорення процесу полімеризації склопластиків і виробів ракетно-космічної техніки виникає задача уникнення надмірного локального перегрівання. Тому важливе значення для відпрацювання технологічного циклу обробки набуває знання електромагнітних і теплофізичних явищ, які мають місце при такому нагріванні. Формулювання спільної задачі електродинаміки та теплопровідності представлено в [1-3]. Проте в публікаціях практично відсутні дані стосовно впливу електричних та теплофізичних параметрів матеріалу. Це не забезпечує, зокрема, достатнього уявлення що до ступеня впливу змінювання параметрів матеріалів на розподіл температури в процесі нагрівання.

Основними цілями приведеного дослідження є: побудова математичної моделі процесу НВЧ нагрівання, яка б максимально відтворювала явища, що мають місце при нагріванні в камері резонансного типу; знаходження виду функції, що апроксимує результуючий розподіл щільності теплових джерел при збуренні електромагнітного поля; дослідження впливу електричних та теплових параметрів матеріалів на процес нагрівання.

На першому етапі дослідження знайдено рішення задачі електродинаміки. Для зменшення нерівномірності нагрівання в НВЧ печах з резонансними камерами безперервно змінюється положення об’єкта нагрівання в камері, або збурюється електромагнітне поле за допомогою дисектора. Тому, якщо рішення рівнянь, що описують електромагнітне поле у нагрівальній камері із зразком, і буде знайдене, то воно буде відповідати тільки зразку певної форми для конкретних електричних параметрів матеріалу та фіксованому розміщенню зразка у камері чи певній структурі поля. Таким чином, точне визначення електромагнітного поля у зразках не завжди має сенс.

Найпростішим електромагнітним процесом є плоска електромагнітна хвиля. Згідно з відомою концепцією Бріллюена електромагнітне поле будь-якої складності можна представити як результат накладання окремих плоских хвиль. Тому була розглянута задача нормально падіння плоскої електромагнітної хвилі на шар діелектрика товщиною (рис.1) з діелектричною проникливістю і втратами, які характеризуються тангенсом кута електричних втрат . Для створення стоячої хвилі паралельно шару на відстані розташовано екран R нескінченної провідності. Для побудови математичної моделі використано метод „зшивання”, що ґрунтується на безперервності тангенціальних компонент полів на границях середовищ.

За допомогою отриманої чисельної моделі виконано широкий спектр досліджень впливу товщини шару та електричних параметрів матеріалу на просторовий розподіл амплітуди напруженості електричного поля. Зокрема встановлено, що ступінь нерівномірності щільності теплових джерел залежить не тільки від нормованої товщини шару (, а і від значення діелектричної проникності, і при цьому слабко залежать від ступеня поглинання. Найгірша ситуація стосовно нерівномірності розподілу внутрішніх джерел тепла при НВЧ нагріванні має місце тоді, коли товщина шару діелектрика є резонансною, тобто при (=1, 2, …). В цьому випадку амплітуда коливань в пучностях стоячої хвилі є максимальною. Показано, що збурення поля, в даному випадку шляхом переміщення екрану, в деякій мірі згладжує розподіл джерел тепла в шарі, проте повністю не усуває нерівномірність. Результуючий розподіл амплітуди коливань при цьому не має яскраво виражених вузлів, як це характерно для окремої картини стоячої хвилі, тому доброю апроксимуючою функцією розподілу щільності джерел тепла може служити косинусоїдальна функція з просторовим періодом .

На другому етапі дослідження знайдено рішення методом функцій Гріна [4] неоднорідного рівняння теплопровідності, що описує лінійний тепловий потік у твердому тілі, обмеженому двома паралельними площинами ( і ). У якості граничних умов вибрано умови, які відповідають вільному теплообміну поверхні матеріалу з навколишнім середовищем.

За допомогою побудованої чисельної моделі досліджено вплив теплофізичних параметрів матеріалу на розподіл температури, зокрема в широкому спектрі змінювання коефіцієнта теплопровідності матеріалу, коефіцієнта зовнішнього теплообміну, середньої щільності теплових джерел. Дослідження виконані виходячи із рівномірного, експоненціального і косинусоїдального розподілів щільності теплових джерел.

Результати досліджень впливу параметрів діелектричного шару на розподіл поля стоячої електромагнітної хвилі доповнюють відомості стосовно процесу нагрівання за допомогою НВЧ енергії. Вони дають адекватне уявлення що до явищ, які мають місце в печах з нагрівальними камерами резонансного типу. Результати досліджень впливу теплофізичних параметрів матеріалу на розподіл температури дозволяє вибрати оптимальні режими обробки з метою підвищення фізико-механічних параметрів склопластиків.

Література:

1. Sekkak A. 3-D FEM magneto-thermal analysis in microwave ovens / A. Sekkak, L. Pichon, A. Razek // IEEE Transactions on Magnetics. – 1994. – V.30. – №9. – P.3347-3350.

2. Комаров В. В. Исследование процессов СВЧ-нагрева диссипативных сред с учетом конвективного теплообмена: теория и эксперимент // Прикладная физика. – 2006. – №4. – С.34-41.

3. Афиногенов В. И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Казань, 2006. – 34 с.

4. Морс Ф. М. Методы теоретической физики, т.1 / Ф. М. Морс, Г. Фешбах. – М.: ИЛ, 1958. – 930 с.