Использование основных теплофизических характеристик в СВЧ энергетике

Важную роль в СВЧ-энергетике играют процессы теплообмена и связанный с ним процесс массообмена, так как они определяющим образом влияют на протекание рабочего процесса в технологических установках и генераторах большой СВЧ-мощности, температуру узлов и механизмов в этих агрегатах и состояние окружающей среды. Правильность расчетов хода и влияния этих процессов делает возможным создание энергосберегающих, экологически чистых установок СВЧ-энергетики, обладающих новыми технологическими возможностями или высокой экономической эффективностью.

Процессы теплообмена между средами с разной температурой сопровождаются нагреванием или кипением, охлаждением или замерзанием.

Парообразование или испарение происходит с поверхности жидкости. Когда давление насыщенного пара достигает внешнего атмосферного, происходит интенсивное парообразование по всему объему жидкости, или кипение.

Температура кипения жидкости всегда постоянна, а при увеличении скорости подачи тепловой энергии увеличивается только интенсивность кипения.

Единственный вид теплопередачи в непрозрачной твердой среде – это теплопроводность, при которой тело переносится из высокотемпературной области в область с пониженной температурой. Скорость переноса тепла, или кондукторный тепловой поток, определяется по закону Фурье.

Анализируя перенос тепла, необходимо, помимо теплопроводности, учитывать конвекцию и излучение.

Процесс конвективного теплообмена происходит при взаимодействии жидкости или газа с поверхностью твердого тела. Существует 2 типа конвекции: свободная и вынужденная.

Свободная конвекция

Свободная конвекция – это процесс теплообмена, обусловленный разностью плотностей жидкости или газа, контактирующих с нагретой поверхностью и удаленных от нее. Данное различие плотностей индуцирует архимедовы (подъемные) силы, инициирующие движение теплоносителя.

Движение теплоносителя (например, воды) в результате вынужденной конвекции стимулируется внешней силой и происходит с большей скоростью, чем при свободной конвекции. Возрастание теплового потока от поверхности к теплоносителю осуществляется за счет работы, затраченной на приведение теплоносителя в движение.

Наиболее трудоемкой частью анализа конвективного теплообмена, какой бы тип конвекции не рассматривался, является расчет среднего коэффициента конвективной теплоотдачи, который может быть найдет теоретически или экспериментально.

Теплопроводность и конвективный теплообмен могут происходить только в материальной среде, но перенос тепла излучением может осуществляться даже в абсолютном вакууме.

Количество энергии определяется температурой

Абсолютная температура и свойства поверхности определяют количество энергии, переносимое от поверхности в виде теплового излучения. Абсолютно черное тело, являясь идеальным излучателем, испускает со всей поверхности радиационный тепловой поток. Реальные тела обычно называются серыми телами, так как не являются идеальными излучателями.

В СВЧ-установках при высоких температурах (больше 370 К) радиационный теплообмен может вносить существенный вклад в общий тепловой баланс. Такие показатели температуры достигаются при обработке металлов.

На особенности многих процессов и явлений в СВЧ-энергетике, а также характер их протекания оказывает сильное влияние распределение температуры по объему обрабатываемого объекта или конструктивных элементов установки.

Плотность, коэффициент теплопроводности и другие теплофизические параметры металлов, жидкостей и газов зависят от температуры, что должно учитываться при расчетах с высокой точностью.

Использование значений теплофизических параметров металлов

Использование значений теплофизических параметров металлов, соответствующих средней или начальной температуре процесса, позволяет получить достаточную для технических расчетов точность. В справочной литературе начальная температура обычно равна 20°С (293 К); при таком значении удобно проводить эксперименты и получать многие данные по теплофизическим характеристикам. Использование этих данных при расчетах дает результат с погрешностью, не превышающей 10% в широком интервале температур.

Расчет теплофизических характеристик чистого железа следует проводить с особой осторожностью, так как в отличие от других металлов его коэффициент теплопроводности имеет существенную зависимость от температуры.

Важнейшие теплофизические свойства веществ, чаще всего применяемых для обработки СВЧ-энергией и используемых в конструкции СВЧ-установок, а также характеристики жидкостей и несовершенных диэлектриках указаны в справочных таблицах.

Уравнение теплопроводности

Анализировать процессы и выявлять эксплуатационные характеристики установок в СВЧ-энергетике можно с использованием стационарных и нестационарных уравнений теплопроводности. Стационарные уравнения применяются для решения задач при непрерывном режиме работы СВЧ-установок, нестационарные – для импульсной СВЧ-энергетики.

При переходе от стационарного типа задач к нестационарному математическая и вычислительная сложность как аналитического, так и численного решения уравнений теплопроводности значительно возрастает. В пределах одного типа задач сложность решения может увеличиться при переходе от одномерного случая к многомерным и при усложнении граничных условий. Одним из труднейших для анализа является решение нестационарной задачи теплопроводности при условии неоднородного распределения источников внутреннего тепловыделения даже при нулевых начальных данных.

Для получения аналитически простого, но инженерно-приемлемого решения задачи, необходимо ясное понимание физического процесса переноса тепла. Также это позволит в большинстве случаев вносить обоснованные предложения и упрощения, которые приведут к снижению количества независимых переменных.

Чтобы проанализировать рабочие характеристики импульсных СВЧ-генераторов, целесообразно рассмотреть решение нестационарного уравнения теплопроводности, которое позволяет рассчитать отношение потока тепловой энергии, поступающего моментально на поверхность пластины, к потоку тепловой энергии, отводимому от второй поверхности пластины при сохранении ее температуры неизменной.

Применительно к импульсной энергетике  решение задач может быть использовано в качестве доказательств несущественности вклада кондуктивного теплообмена при длительности импульсов подводимой энергии, исчисляющейся в наносекундах.

Процессы теплообмена в СВЧ-установках

Важную роль, как в СВЧ-энергетике, так и в энергетике в целом, играют процессы теплообмена. В технологиях, использующих возможности СВЧ-энергетики, широко распространены сушильные процессы, в которых анализируется как энергообмен, так и массообмен. При этом важным условием многих процессов сушки является их проведение при температуре ниже, чем температура кипения воды.

Когда в сушильном процессе температура ниже температуры кипения, жидкость из внутренних слоев обрабатываемого вещества диффундирует во внешние более сухие слои, что влечет за собой образование на наружной поверхности вещества тонкий слой жидкости, удаляемый испарением. При значении температуры меньше температуры кипения производительность процесса высушивания можно существенно увеличить, применив  в установке конвективный массообмен, осуществляемый посредством продувания сухого воздуха над поверхностью жидкости, или уменьшив атмосферное давление, пока температура не сравняется с температурой кипения.

Энергия, требуемая для парообразования испарением, отбирается от воды, температура которой понижается. Разность температур между испаряющейся водой и окружающим ее воздухом обеспечивает компенсацию энергозатрат на испарение, создавая конвективный теплообмен между водой и воздухом.

Важнейшую роль в теплофизике играют коэффициенты теплообмена и массообмена. Для решения уравнений теплопроводности был использован коэффициент конвективного теплообмена, определение численной величины которого через характеристики системы охлаждения (или нагревания) является одним из ключевых разделов инженерной теплофизики, существенный и для СВЧ-энергетики.

Теплообмен при высоких температурах

Зачастую, на практике требуется поддержание температуры, превышающей 2000 К, например, для спекания топливных таблеток. Для таких процессов характерно преобладание радиационного излучения над конвективной и кондуктивной формами теплообмена, которыми при оценке параметров СВЧ-нагревателя можно пренебречь.

В стационарном установившемся режиме работы при достижении максимального значения температуры вся мощность СВЧ-генератора идет на нагрев стенок резонатора. При этом доля мощности обуславливается радиационным излучением нагретого тела, а оставшаяся доля – потерями СВЧ-энергии в стенках резонатора.

Максимальная температура определяется формой и размерами тела, так как именно от них зависят площадь его поверхности и эффективный коэффициент отражения.  На начальном этапе нагрева при малой температуре тела, температурная зависимость практически линейна, при этом скорость возрастания температуры имеет обратно пропорциональную зависимость от  массы и теплоемкости нагреваемого объекта.

Наши контакты

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