Моделирование классических и гибридных систем СВЧ нагрева для прикладного применения

Будущее микроволновой обработки материалов лежит в прикладных областях в специализированных промышленных применениях. В специализированных областях СВЧ микроволновая обработка имеет явные преимущества перед обычными средствами обработки. Микроволновая обработка СВЧ излучением не может быть применима ко всем материалам по одной и той же технологии. Но, фактически, может быть легко применима узкоспециализированно, к определенным типам материалов.

Неспособность реализовать ожидаемые выгоды от СВЧ технологий является результатом неадекватного взаимодействия между исследователями, инженерами материалов, технологами и специалистами по СВЧ.

В большинстве случаев основное оборудование, например, генераторы, аппликаторы, источники питания, для применений микроволновой обработки коммерчески доступны. Тем не менее, методология системной интеграции, в том числе системное проектирование, специальный конструктив аппликатора, быстрое прототипирование оборудования и управление процессом пока недоработаны.

Гибридные системы СВЧ нагрева

Следует признать, что образцы не могут быть нагреты эффективно и равномерно, если просто поместить их в микроволновую печь без учета технических характеристик конкретной микроволновой печи и материалов взаимодействия. Разработка гибридных систем СВЧ нагрева, которые оптимально сочетают микроволновые источники с обычными источниками для балансировки переменных процесса, таких как требуемая мощность, время процесса, требования к инструменту и т. д., представляет собой очень многообещающую, в значительной степени неиспользованную область в процессе разработки.

Гибридное нагревание может быть обеспечено активно, с использованием отдельного обычного источника тепла, или пассивно, с использованием сорбаторов с более высокими диэлектрическими потерями, изоляции или покрытия, которые легче поглощают падающую силу СВЧ излучения. Разработка гибридных систем промышленного СВЧ нагрева может потребоваться для полной реализации преимуществ микроволновой технологии.

Проектирование и моделирование нагревательных СВЧ систем

Большинство текущих исследований были сосредоточены на лабораторных, исследовательских опытах. Для того, чтобы реализовать потенциальные выгоды от микроволновых и гибридных процессов, необходима работа по расширению процесса и конструкции системы до крупносерийных или непрерывных процессов. Масштабирование процесса включает моделирование модели, проектирование системы и интеграцию, и понимание затрат и выгод, связанных с переходом к производственным масштабам.

Важным элементом развития СВЧ микроволнового процесса и проектирования системы является возможность моделирования электромагнитного взаимодействия. Понимание изменения диэлектрических свойств с температурой и состояние обработки имеет решающее значение для моделирования процесса. Компьютерное моделирование может быть использовано для оптимизации проектирования системы генератора или аппликатора, установление достижимых окон обработки и проведение реалистичного процесса моделирования для заданных диэлектрических свойств, размера образца и желаемых условий обработки.

Условия стабильного и равномерного нагрева в СВЧ установках

Хотя есть свидетельства усиления процессов из-за влияния только СВЧ микроволн (например, улучшенное керамическое спекание, рост зерен, скорости диффузии, более быстрая кинетика в полимерах, синтетическая химия), данные сомнительны из-за сомнительных методов измерения температуры, методов определения неопределенностей процесса и противоречивых экспериментальных данных.

Для конкретных материалов определите условия, при которых СВЧ микроволны обеспечивают равномерную, стабильную обработку. Они могут быть разработаны с помощью соответствующих методов численного моделирования и должны быть представлены в виде графиков обработки, которые содержат информацию о свойствах материала, условиях обработки, размерах образца и его геометрии. Это моделирование требует характеристики теплового и физического свойств материалов, в том числе теплопроводность и коэффициент диффузии, тепловое расширение и температурозависимые диэлектрические свойства. Гибридные схемы нагрева, в которых традиционный нагрев дополнен микроволновым СВЧ теплом, следует учитывать при проектировании.

Этапы работ по внедрению проектных решений СВЧ технологий

Проект начинается с исследовательской работы, которая способствует переходу процессов развития СВЧ в масштаб производства. Работа может включать определение характеристик и свойств материалов, моделирование процесса, разработка схем управления, макетирование оборудования и опытное производство.

Далее создаются междисциплинарные команды, состоящие из инженеров по материалам и процессам, инженеров и конструкторов по СВЧ оборудованию и специалисты по производству, чтобы должным образом понимать микроволновые процессы и процедуры.

Возможно обучение основам технологии микроволновой обработки, в том числе микроволнового взаимодействия с материалами. Определяются общие характеристики конструкции аппликатора и характеризуется результирующее электромагнитное поле, чтобы Заказчик мог успешно применять СВЧ микроволны для обработки материалов.

Изучение диэлектрических свойств материалов, обрабатываемых СВЧ энергией

Не менее важен этап сборки существующей информации о свойствах материала по диэлектрическим, магнитным и термическим свойствам, включая зависимость от частоты и температуры в диапазоне, полезном при обработке материалов. Обеспечиваются более полные и более согласованные измерения основных диэлектрических свойств материалов для обработки с использованием СВЧ микроволн и разрабатываются калибровочные стандарты для сравнения различных методов для измерения диэлектрических свойств.

На этом этапе работы разрабатываются эмпирически упрощенные модели и диаграммы микроволнового нагрева на основе измерений и на обширных данных, собранных из результатов численного моделирования, чтобы сделать численные методы более доступны для вычислительных процессоров.

Пути стандартизации разработанных методик СВЧ нагрева

Далее устанавливаются стандарты для измерения температуры, чтобы обеспечить воспроизводимость. В дополнение методы и процедуры, используемые для измерения температуры, должны быть подробно описаны, поэтому оценка точности должна быть сделана. Уровень неопределенности в измерениях температуры также следует определить.

Специалистами выполняются эксперименты, используя несколько методов для измерения температуры, чтобы определить относительную точность и воспроизводимость различных методов по отношению к известному стандарту (точка плавления, фаза, температура перехода и т. д. хорошо охарактеризованных материалов).

Разработка практических методов контроля температуры

Разрабатываются практические методы контроля или определения внутренней температуры и тепловых профилей (тепловые градиенты) в материале во время технологического цикла.

Проводятся подробные и контролируемые эксперименты, чтобы определить, был ли зарегистрирован «микроволновый эффект» для конкретных материалов. Следует проявлять осторожность, чтобы использовать микроволновый источник СВЧ поля с предсказуемым и воспроизводимым полем и иметь внутреннюю калибровку температуры, чтобы избежать неопределенности измерения температуры.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании