STUDY OF THE SHAPE OF A UHF-CHAMBER FOR DIELECTRIC HEATING

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.009

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ СВЧ-КАМЕРЫ ДЛЯ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИКА

Научная статья

Кисель Н.Н.^1, *, Ковалев А.В.²

^{1, 2} Южный федеральный университет, Таганрог, Россия

* Корреспондирующий автор (nnkisel[at]sfedu.ru)

Аннотация

Использование сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля для нагрева и сушки сельскохозяйственных материалов – весьма перспективное направление, так как это значительно сокращает продолжительность технологических операций, не снижает пищевой ценности и обеспечивает высокое санитарное состояние продукции. Для того чтобы обеспечить равномерный нагрев, необходимо получить равномерное распределение поглощаемой мощности в объеме диэлектрика. В данной работе рассмотрено две модели СВЧ-камеры для нагрева диэлектрика – прямоугольной и цилиндрической формы. С помощью программы FEKO выполнено моделирование для случаев с использованием двух и четырех источников излучения и для двух разных диэлектриков, с параметрами, соответствующими воде и пшенице. Полученные результаты показывают, что цилиндрическая камера обеспечивает более равномерное распределение поглощаемой мощности в объеме, а следовательно, более равномерный нагрев диэлектрика, чем прямоугольная. Одним из возможных вариантов реализации камеры для СВЧ-нагрева диэлектрика может являться вращающаяся цилиндрическая камера. Ее применение позволит обеспечить равномерный нагрев при меньшем числе излучателей за счет выбора оптимальной скорости поворота цилиндра.

Ключевые слова: СВЧ-камера, обработка сельскохозяйственных материалов, сельскохозяйственные машины и оборудование, диэлектрик, моделирование.

STUDY OF THE SHAPE OF A UHF-CHAMBER FOR DIELECTRIC HEATING

Research article

Kisel' N.N.^1, *, Kovalev A.V.²

^{1, 2} Southern Federal University, Taganrog, Russia;

* Corresponding author (nnkisel[at]sfedu.ru)

Abstract

The use of ultrahigh-frequency (UHF) electromagnetic field for heating and drying of agricultural materials is a very promising direction, as it significantly reduces the duration of technological operations while not affecting the nutritional value, and ensures a high sanitary condition of products.  In order to achieve uniform heating, it is necessary to achieve a uniform distribution of the absorbed power in the volume of dielectric. In this paper, two models of UHF chamber for heating dielectric in rectangular and cylindrical form. With the help of the FEKO program, simulations were made for cases with two and four radiating units for two different dielectrics with parameters corresponding to water and wheat. The results show that the cylindrical chamber provides a more even distribution of the absorbed power in the volume, and therefore a more uniform heating of the dielectric than the rectangular one.  One of the possible variants of the chamber models for dielectric UHF-heating can be a rotating cylindrical chamber. The use of the model makes it possible to achieve uniform heating at a smaller number of radiating units by selecting the optimal cylinder turning speed.

Keywords: UHF-chamber, processing of crops materials, farming machinery and equipment, dielectric, simulation.

Введение

СВЧ энергия применяется в различных сферах промышленности: в процессах сушки и выпаривания в промышленности особо чистых веществ, для тепловой обработки строительных материалов, в оттаивании мерзлых грунтов, в производстве резинотехнических изделий, например, в сушке и дезинсекции зерна, в текстильной промышленности и др. Использованию СВЧ-нагрева для обработки различных диэлектрических материалов посвящены работы [1], [3], [5], [8]. В пищевой промышленности нагрев в электромагнитном поле позволяет интенсифицировать теплообменные процессы, обеспечить микробиологическую безопасность и повысить пищевую ценность сырья. На основании международных соглашений для СВЧ-установок применяются частоты 895-915 МГц и 2350-2450 МГц [8]. Основной задачей при использовании энергии СВЧ для обработки материалов является необходимость обеспечения равномерного нагрева всего обрабатываемого материала.

Методы и принципы исследования

Для того чтобы обеспечить равномерный нагрев диэлектрика, необходимо добиться равномерного распределения поглощаемой мощности в объеме диэлектрика. Распределение электромагнитного поля внутри СВЧ-камеры напрямую зависит от ее формы и расположения облучателей. В данной работе для определения оптимальной конструкции было рассмотрено две модели СВЧ-камеры, реализация которых является наиболее просто реализуемой.

Первая модель показана на рисунке 1. Она представляет собой прямоугольную камеру, внутри которой на некотором расстоянии от стенок расположен диэлектрик такой же формы. В качестве облучающих антенн используются волноводно-щелевые антенны габаритами 43х86 мм, расположенные вплотную к стенкам камеры. Излучение происходит через щели, прорезанные в широкой стенке волновода. На рис. 1а показана прямоугольная камера с двумя источниками излучения, а на рис. 1б – с четырьмя.

Рис. 1 – Модель прямоугольной СВЧ-камеры: а – с двумя источниками облучения; б – с четырьмя источниками облучения

Вторая модель показана на рисунке 2 и представляет собой цилиндрическую камеру, заполненную диэлектриком. В качестве излучателей используются волноводно-щелевые антенны, аналогично предыдущему случаю. Так же, как и в модели, описанной выше, камеры различаются количеством источников облучения: два на рисунке 2а и четыре на рисунке 2б.

Одновременное использование нескольких облучателей, расположенных на противоположных стенках камеры, обусловлено необходимостью обеспечения равномерного нагрева диэлектрика.

Размеры модели выбраны таким образом, что объем нагреваемого вещества одинаков вне зависимости от используемой формы камеры.

Рис. 2 – Модель цилиндрической СВЧ-камеры: а – с двумя источниками облучения; б – с четырьмя источниками облучения

Для получения распределения электромагнитного поля и удельной поглощенной мощности в объеме диэлектрика используется компьютерное моделирование в программе FEKO. Для решения задачи использовался метод моментов. Чтобы снизить вычислительные требования, решение задачи выполнено в два этапа, на основе декомпозиции. На первом этапе было получено решение антенной задачи о распределении поля в раскрыве, т.е. выполнен расчет распределения полей на прямоугольной площадке, соответствующей излучающей стенке волновода. На втором этапе, используя прямоугольную площадку с уже известным распределением полей в качестве источника электромагнитного поля, был произведен расчет распределения поглощаемой мощности в объеме камеры.

Основные результаты

Было промоделировано распределение удельной поглощаемой мощности в СВЧ-камере, внутри которой был расположен диэлектрик. Проведены расчеты для двух диэлектриков, параметры которых соответствуют воде (ε = 81, tanδ = 0.1) и пшенице (ε = 4, tanδ = 0.1). Электрофизические параметры диэлектриков не изменялись, поскольку расчет производился на одной частоте, которая была принята равной 2.45 ГГц.

На рисунках 3 и 4 представлены распределения удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении прямоугольной камеры при использовании в качестве диэлектрического заполнения воды и пшеницы, соответственно. Рисунки 3а и 4а показывают распределение мощности при использовании двух источников излучения, а Рисунки 3б и 4б – четырех источников.

Рис. 4 – Распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении прямоугольной камеры, заполненной пшеницей: а – с двумя источниками облучения; б – с четырьмя источниками облучения

Рисунки 5 и 6 иллюстрируют распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении цилиндрической камеры при использовании в качестве диэлектрического заполнения воды и пшеницы, соответственно. Распределение мощности при использовании двух источников излучения показано на рисунках 5а и 6а. На рисунках 5б и 6б представлено распределение мощности при использовании четырех источников.

Рис. 5 – Распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении цилиндрической камеры, заполненной водой: а – с двумя источниками облучения; б – с четырьмя источниками облучения

Рис. 6 – Распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении цилиндрической камеры, заполненной пшеницей: а – с двумя источниками облучения; б – с четырьмя источниками облучения

Полученные результаты подтверждают теоретическое предположение, что при использовании четырех источников распределение поглощаемой мощности получается существенно более равномерным, чем при использовании двух источников. Кроме того, видно, что цилиндрическая камера обеспечивает более равномерное распределение поглощаемой мощности, а следовательно, нагрев диэлектрика, чем прямоугольная.

Следует отметить, что использование одновременно нескольких облучателей может быть затруднено в силу материальных или технических причин. Поэтому одним из возможных вариантов реализации камеры для СВЧ-нагрева диэлектрика может являться вращающаяся цилиндрическая камера.

Упрощенная конструкция такой камеры, промоделированная в программе FEKO, показана на рисунке 7. Цилиндрическая камера вращается вокруг металлического стержня, который проходит в центре цилиндра вдоль его оси. На рисунке 8 показано распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении камеры, заполненной пшеницей.

Рис. 8 – Распределение удельной поглощаемой мощности в поперечном сечении цилиндрической камеры

Заключение

В данной работе рассмотрено две модели СВЧ-камеры для нагрева диэлектрика – прямоугольной и цилиндрической формы. С помощью программы FEKO выполнено моделирование для случаев с использованием двух и четырех источников излучения и для двух разных диэлектриков, с параметрами, соответствующими воде и пшенице. Полученные результаты показывают, что цилиндрическая камера обеспечивает более равномерное распределение поглощаемой мощности в объеме, а следовательно, более равномерный нагрев диэлектрика, чем прямоугольная.

Одним из возможных вариантов реализации камеры для СВЧ-нагрева диэлектрика может являться вращающаяся цилиндрическая камера. Ее применение позволит обеспечить равномерный нагрев при меньшем числе излучателей за счет выбора оптимальной скорости поворота цилиндра.

 

Финансирование Научные исследования выполнены в рамках проекта «Создание высокотехнологичного производства аппаратно-программных комплексов обработки сельхозсырья на основе СВЧ излучения» (Соглашение с Минобрнауки РФ № 075-11-2019-083 от 20.12.2019 г., Договор ЮФУ № 18 от 20.09.2019 г., номер работы в ЮФУ № ХД/19-25-РТ).	Funding This work was supported by the project “Creating a high-tech production of hardware and software systems for processing agricultural raw materials based on microwave radiation” (Agreement with the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, No 075-11-2019-083, dated 20.12.2019; Agreement with Southern Federal University, No 18, dated 20.09.2019; work number in Southern Federal University is HD/19-25-RT).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Шаталов А.Л. Интенсификация теплообменных процессов электромагнитным полем сверхвысокой частоты. : дис. ... д-ра техн. наук: 05.17.08 / Шаталов Александр Леонидович. – Москва, 1999. – 275 с.
2. Анфиногентов В.И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков. : дис. ... д-ра техн. наук: 05.13.18, 05.12.07 / Анфиногентов Владимир Иванович. – Казань, 2006. – 340 с.
3. Kubo M.T.K. Thermal process of fruit juices using microwaves: multiphysics modeling and enzyme inactivation / M.T.K. Kubo // Nantes, Ecole nationale vétérinaire. – 2018. [Electronic resource]. URL: semanticscholar.org/paper/Thermal-process-of-fruit-juices-using-microwaves-%3A-Kubo-Tiaki/5eabee9467ba0db067d1f3176b7f33af3bafd836#paper-header (accessed: 14.04.2022).
4. Bykov Y.V. High-Temperature Microwave Processing of Materials / Y.V. Bykov, K.I. Rybakov, V.E. Semenov // Journal of Physics, D-Applied Physics. – 2001. – № 34(13). – Pp. 55–75.
5. Meredith R. Engineers’ Handbook of Industrial Microwave Heating / R. Meredith. – London. : The Institution of Engineering and Technology, 2011. – 380 p. DOI: 10.1049/PBPO025E.
6. Stanculovic S. Theoretical synthesis and experimental measurements of slotted waveguide feeding systems for 2.45 GHz industrial microwave heating installations / S. Stanculovic. – Research Center Karlsruhe (FZKA), 2006. – 146 p. DOI: 10.5445/IR/1000005658.
7. Мамонтов А.В. Разработка и исследование СВЧ устройств для термообработки диэлектрических материалов. : дис. ... канд. техн. наук: 05.12.07 / Мамонтов Александр Владимирович –Москва, 2005. –159 с.
8. Рущиц А.А. Применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности и общественном питании / А.А. Рущиц, Е. И. Щербакова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2014. – Т. 2. – № 1. – С. 9–15.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shatalov A.L. Intensifikaciya teploobmennyh processov elektromagnitnym polem sverhvysokoj chastoty. [Intensification of heat exchange processes by an electromagnetic field of ultrahigh frequency]: dis....of PhD in Technical Science: 05.17.08 / SHatalov Aleksandr Leonidovich. – Мoscow, 1999. – 275 p. [in Russian]
2. Afinogentov V.I. Matematicheskoe modelirovanie SVCH nagreva dielektrikov. [Mathematical modeling of microwave heating of dielectrics]: dis....of PhD in Technical Science: 05.13.18, 05.12.07 / Anfinogentov Vladimir Ivanovich. – Kazan, 2006. – 340 p. [in Russian]
3. Kubo M.T.K. Thermal process of fruit juices using microwaves: multiphysics modeling and enzyme inactivation / M.T.K. Kubo // Nantes, Ecole nationale vétérinaire. – 2018. [Electronic resource]. URL: semanticscholar.org/paper/Thermal-process-of-fruit-juices-using-microwaves-%3A-Kubo-Tiaki/5eabee9467ba0db067d1f3176b7f33af3bafd836#paper-header (accessed: 14.04.2022).
4. Bykov Y.V. High-Temperature Microwave Processing of Materials / Y.V. Bykov, K.I. Rybakov, V.E. Semenov // Journal of Physics, D-Applied Physics. – 2001. – № 34(13). – Pp. 55–75.
5. Meredith R. Engineers’ Handbook of Industrial Microwave Heating / R. Meredith. – London. : The Institution of Engineering and Technology, 2011. – 380 p. DOI: 10.1049/PBPO025E.
6. Stanculovic S. Theoretical synthesis and experimental measurements of slotted waveguide feeding systems for 2.45 GHz industrial microwave heating installations / S. Stanculovic. – Research Center Karlsruhe (FZKA), 2006. – 146 p. DOI: 10.5445/IR/1000005658.
7. Mamontov A.V. Razrabotka i issledovanie SVCH ustrojstv dlya termoobrabotki dielektricheskih materialov. [Development and research of microwave devices for heat treatment of dielectric materials] : dis....of PhD in Technical Science: 05.12.07 / Mamontov Aleksandr Vladimirovich. – Мoscow, 2005. – 159 p. [in Russian]
8. Rushchic A.A. Primenenie SVCH-nagreva v pishchevoj promyshlennosti i obshchestvennom pitanii [The use of microwave heating in the food industry and catering] / A.A. Rushchic, E.I. Shcherbakova // Vestnik YUzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Pishchevye i biotekhnologii. [Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and biotechnologies]. –2 014. – Vol. 2. – № 1. – P. 9–15. [in Russian]