ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА ЗЕРНА ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СВЧ ПОЛЯ

  • Н. Н. Кисель Южный Федеральный Университет
  • А. А. Ваганова Южный Федеральный Университет
  • А. Н. Савицкий Южный Федеральный Университет
Ключевые слова: Имитационное моделирование, нагрев диэлектриков, СВЧ нагрев, сушка зерна, волновод, волноводно-щелевая антенна

Аннотация

Высокая скорость и эффективность нагрева диэлектриков микроволновым излучени-
ем позволяют использовать электромагнитное поле для нагревания и высушивания прак-
тически любых содержащих влагу материалов. Одним из перспективных направлений ис-
пользования СВЧ-энергии является интенсификация процесса сушки зерна. Для обеспечения
быстрого прототипирования и снижения возможности потерь, обусловленных ошибками
на различных стадиях разработки и внедрения оборудования, особую значимость приобре-
тает разработка моделей. Цель данной работы состоит в выполнении имитационного
моделирования волноводно-щелевой решетки для сушки зерна. Основная задача, котораястоит при моделировании, обеспечить равномерное распределение мощности каждой ще-
лью. В качестве среды моделирования используется специализированный программный
комплекс FEKO. Для описания модели используется точный метод расчета – метод мо-
ментов. Получено распределение электрического поля и удельной поглощаемой мощности в
слое зерна, подвергающегося СВЧ облучению. Модели были верифицированы путем сравне-
ния результатов, полученных при различном мешировании элементов поверхности. Моде-
лирование распределения напряженности электрического поля показало, что отдаление
волноводов от кюветы с зерном приводит к выравниванию неравномерностей поля, однако
в этом случае некоторая часть излучаемой мощности рассеивается в пространство.
При этом увеличение расстояния между волноводами и кюветой с зерном не влияет на
КСВ антенн. Следует отметить, что в реальной обстановке волновой характер поля
сглаживается за счет теплопереноса, и это явление не может быть учтено в процессе
электромагнитного моделирования. Кроме того, следует исследовать весь спектр воз-
можного изменения диэлектрических параметров зерна, чтобы проанализировать процесс
распространения волны при высокой влажности зерна. Целесообразно также рассмот-
реть другие модификации волноводно-щелевых антенн, которые смогут обеспечить более
равномерный нагрев внутри кюветы с зерном.

Литература

1. Budnikov D.A. Issledovanie dinamicheskikh svoystv zernovogo sloya pri SVCh-konvektivnom
vozdeystvii [Research of dynamic properties of the grain layer under microwave convective action],
Innovatsii v sel'skom khozyaystve [Innovations in agriculture], 2014, No. 4, pp. 92-96.
2. Budnikov D.A. Planirovanie eksperimenta po kontrolyu izmeneniya kompleksnogo
dielektricheskogo pokazatelya zernovogo sloya pri SVCh-konvektivnom vozdeystvii [Planning an
experiment to control changes in the complex dielectric index of the grain layer under microwave
convective influence], Vestnik VNIIM [Vestnik VNIIM], 2015, No. 4, pp. 39-42.
3. Budnikov D.A. Pogloshchenie elektromagnitnogo polya SVCH sel'skokhozyaystvennymi
materialami [Absorption of the microwave electromagnetic field by agricultural materials],
Vestnik VIESKh [Bulletin of RESh], 2013, No. 2, pp. 38-40.
4. TSymbal A.A., Budnikov D.A. Dielektricheskie svoystva zernovykh [Dielectric properties of
grains], Vestnik VNIIMZh [Bulletin of VNIIMI], 2016, No. 4 (24).
5. Budnikov D.A. Issledovanie raspredeleniya napryazhennosti SVCH polya v zernovom sloe [Investigation
of the distribution of the microwave field strength in the grain layer], Inzhenernyy
vestnik Dona [Engineering Bulletin of the don], 2015, No. 3.
6. Baptista F., Silva L.L., C. de Visser. Energy Efficiency in Agriculture, 5th International Congress
on Energy and Environment Engineering and Management. Lisbon, Portugal 2013.
7. Vasil'ev A.N., Budnikov D.A., Smirnov B.G. Effektivnost' primeneniya polya SVCh dlya
intensifikatsii sushki zerna aktivnym ventilirovaniem [Efficiency of application of the microwave
field for intensification of grain drying by active ventilation], Pererabotka i
khranenie sel'skokhozyaystvennoy produktsii [Processing and storage of agricultural products],
2008, No. 7, pp. 29-30.
8. Vankatesh M.S. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agri-food
Materials, Biosystems Engineering, 2004, Vol. 88 (1), pp. 1-18.
9. Budnikov D.A. Modelirovanie vliyaniya konstruktivnykh parametrov zony obrabotki na
raspredelenie polya SVCh v elektro-tekhnologicheskom module dlya sushki i obrabotki zerna
[Modeling the influence of design parameters of the processing zone on the distribution of the
microwave field in the electro-technological module for grain drying and processing],
Innovatsii v sel'skom khozyaystve [Innovations in agriculture], 2014, No. 4 (9), pp. 88-91.
10. Uy S., Easteal A., Farid M., Keam R., Conner G. Seaweed processing using industrial single–
mode cavity microwave heating: a preliminary investigation, Carbohydrate Research, 2005,
pp. 1357-1364.
11. Dev S.R., Gariepy Y., Orsat V., Raghavan G. FDTD modeling and simulation of microwave
heating of in–shell eggs, Progress in Electromagnetics Research, 2010, Vol. 13, pp. 229-243.
12. Lurie K.A., Yakovlev V.V. Method of control and optimization of microwave heating in waveguide
systems, IEEE Transactions on Magnetics, 1999, Vol. 35, No. 3, pp. 1777-1780.
13. Dominiguez–Tortajada E., Monzo–Cabrera J., Diaz–Morcillo A. Uniform electric field distribution
in microwave heating applicator by means of genetic algorithms optimization of dielectric
multilayer structures, IEEE Transactions on Microwave Theaory and Techniques, 2007,
Vol. 55, No. 1, pp. 85-91.
14. Xie G.Q., Suzuki M., Louzguine–Luzgin D.V., Li S., Tanaka M., Sato M., Inoue A. Analysis of
electromagnetic field distribution in a 915 MHz single mode microwave applicator, Progress
in Electromagnetics Research, 2009, Vol. 89, pp. 135-148.
15. Risman P.O., Celuch-Marcysiak M. Electromagnetic modelling for microwave heating applications.
In Microwaves, Radar and Wireless Communications, MIKON-2000. 13th International
Conference on, 2000, pp. 167-182.
16. Kremenetskiy S.D., Los' V.F., Shamanov A.N. Volnovodno-shchelevye antennye reshetki [Waveguide-
slot antenna arrays], Antenny [Antennae], 2004, No. 8-9 (87-88), pp. 47-55.
17. Evstropov G.A., TSarapkin S.A. Issledovanie volnovodno-shchelevykh antenn s identichnymi
rezonansnymi izluchatelyami [Investigation of waveguide-slit antennas with identical resonant
emitters], Radiotekhnika i elektronika [Radio engineering and electronics], 1965, No. 9,
pp. 1663-1670.
18. Kisel' N.N. Modelirovanie zadach elektrodinamiki i antenn na supervychislitel'noy sisteme v pakete
FEKO: ucheb. posobie [Modeling of electrodynamics and antenna problems on a supercomputing
system in the FEKO package: tutorial]. Taganrog: Izd-vo YuFU, 2013, 326 p.
19. Kisel' N.N. Elektrodinamicheskoe modelirovanie antenn i ustroystv SVCh v pakete FEKO: ucheb.
posobie [Electrodynamic modeling of antennas and microwave devices in the FEKO package:
tutorial]. Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 2010, 263 p.
20. Kisel' N.N. Osnovy komp'yuternogo proektirovaniya RES SAPR SVCh: ucheb. posobie [Fundamentals
of computer design RES CAD microwave: textbook]. Taganrog, izd-vo YuFU, 2016, 196 p.
Опубликован
2020-10-11
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ