книги / Элементы и устройства систем низких и сверхвысоких частот
..pdfфекта приводит к увеличению активного сопротивления обмоток, и как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы трансформатора зависит от температуры на грева, поэтому наличие высших гармоник в токе транс форматора не позволяет использовать его на полную мощность.
Таким образом, в современных условиях возрастает актуальность работ, направленных на изучение влияния различного вида оборудования административных зданий на питающие сети и разработку мероприятий и техниче ских средств, обеспечивающих повышение надежности и эффективности систем электроснабжения в условиях воз растания доли нелинейных электропотребителей. Одно из эффективных направлений - разработка БП с корректора ми коэффициента мощности [5] и широкое их внедрение в системах электроснабжения вычислительной и другой
оргтехники. |
Другое |
решение |
задачи |
может состоять в |
организации |
систем |
централизованного |
электроснабжения |
|
вычислительных комплексов на постоянном токе.
ЛИТЕРАТУРА
1.Головков А.В., Любицкий В.Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM РС-ХТ/АТ. М.: Изд-во ЛАДиН, 1995. 150 с.
2.Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новоси бирск: Изд-во НГТУ, 2003. 664 с.
3.Артюхов И.И., Степанов С.Ф., Тютьманов А.Д. О влия нии современной оргтехники на питающую сеть // Функциональные системы и устройства низких и сверх высоких частот: Межвуз. науч. сб. Саратов,
СГТУ,2003. С.12-16.
4. Ловля В.С., Красовский А.К., Еремеев В.Е. Большие информационно-вычислительные комплексы как объекты электроснабжения // Промышленная энергетика. 1999.
№ 4. С.26 - 29.
5.Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Совре менные методы регулирования качества электроэнергии средствами силовой электроники // Электротехника. 1999. № 4. С.28 - 34.
ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО И КОМБИНИРОВАННОГО
(КОНВЕКЦИОННО-МИКРОВОЛНОВОГО) ВОЗДЕЙСТВИЯ
Приняло считать, что, благодаря своему объемному и селективному воздействию на диэлектрические объекты, СВЧ энергия обеспечивает принципиально более равномер ное высушивание этих объектов, по сравнению, например, с тепловым конвекционным воздействием. Однако в дейст вительности это достижимо лишь при выполнении целого ряда условий.
При разработке каждого конкретного типа оборудова ния микроволнового и комбинированного (конвенционно - микроволнового) воздействия на различные диэлектриче ские объекты и отработке оптимальных режимов взаимо действия представляется чрезвычайно важным правильно рассчитать и на основании этих расчетов подобрать ряд характеристик, связанных с соотношением воздействующей на объекты энергии и массы объектов, их геометрических параметров. Накопившийся по некоторым типам оборудова ния микроволновой и комбинированной сушки [1,2] экспе риментальный материал [3,4] позволяет смоделировать различные режимы воздействия энергетических потоков на разнообразные диэлектрические объекты, установить имеющиеся закономерности и выработать соответствующие рекомендации по выбору параметров и режимов обработки.
Относительная скорость |
1 dtti |
|
с у ш к и ---— пропорциональна |
||
величине воздействующей на |
т |
at |
единицу |
массы СВЧ энергии |
|
с1К |
|
пропорциональности |
^ , однако в качестве коэффициента |
||
выступает энергоемкость техпроцесса R
1dm J_ dE
шdt R dm 9
которая зависит от реальных условий взаимодействия СВЧ энергии с диэлектрическими объектами; в частности, в большой степени она зависит от диэлектрической нагруз ки электродинамической системы (ЭДС), в которой имеет место взаимодействие.
Так, для конкретной ЭДС волноводного типа [1-3] зависимость типа (1) может быть представлена графиком (см. рис.1):
Рис.1. Зависимость энергоемкости процесса микроволновой сушки R от удельной массы загрузки диэлектриком m/s электродинамической системы: 1- влажность х - 00%; 2 X « 60%; 3 - х в 40%; 3 - х = 20%
Данные на рис.1 представлены для случая постоянной для всех значений величины m/s влажности диэлектриче ской массы. Если же изменение величины m/s происходит именно в силу изменения влажности (например, под дей ствием электромагнитного поля СВЧ), то эта зависимость принимает еще более ярко выраженный характер (рис.2).
Рис.2. Зависимость энергоемкости процесса микроволновой сушки R от влажности х диэлектрика: 1- удельная масса начальной загрузки диэлектриком электро-динамической системы m/s=8,0; 2- m/s=4,8; 3- m/s«3,2; 4-*m/s-l,6
Из изложенного выше .следует, что в процессе непре рывного промышленного процесса сушки диэлектрических объектов при снижении их влажности ниже некоего до пустимого значения имеет место существенное повышение
энергоемкости |
и, соответственно, значительное сниже |
ние скорости |
сушки. |
Причем практический опыт реализации этих техпро
цессов [3] показывает, что варьирование параметров
диэлектрической нагрузки электродинамической системы
можно осуществить лишь в достаточно узком диапазоне
значений, что не дает сколь - либо значимого эффекта
в части снижения энергоемкости и увеличения эффектив
ности взаимодействия.
Для преодоления этих негативных явлений, радикаль
ного решения проблемы был предложен и проверен про
стой и эффективный прием, сводившийся фактически к
тому, что при конвейерном способе пропускания продук ции через электродинамическую систему продукт пропус
кался через нее дважды, причем при каждом следующем
проходе на транспортер добавлялась новая порция про
дукции |
той же массы, что и продукт с предыдущего |
про |
||
хода |
(разумеется, |
той |
массы, которую он имел |
перед |
первым |
проходом |
через |
электродинамическую систему). |
|
Причем расположение первой и второй порций продукта осуществлялось таким образом, что бегущая по волноводной системе волна сначала попадала в продукт, осу ществляющий второй проход через электродинамическую систему, а уже затем в продукт, осуществляющий первый проход. Так, например, для электродинамической систе мы, построенной на основе совокупности желобковых волноводов (ЖВ) [3], расположение диэлектрической на грузки можно представить в виде, показанном на рис.З.
При этом достигалось практически полное использо вание энергии СВЧ поля, поскольку продукт, осуществ лявший первый проход, являлся фактически балластом, принимавшим на себя в полном объеме все остатки энер гии, не поглощенной продуктом со второго прохода. На рис.4 представлены экспериментальные .зависимости энергоемкости процесса влагоотделения по ходу процес са для случаев использования "однопроходной" и "двухпроходной" схемы воздействия на диэлектрик электро магнитным полем СВЧ.
Рис.3. Схематическое изображение конфигурации расположения диэлектрических объектов в конвейерной установке микро
волновой сушки с ЭДС на основе ЖВ: 1 |
- секция ЖВ с |
трансформаторами типов колебаний [3]; 2 |
поток диэлек |
трических технологических поддонов; 3 |
места расположе |
ния диэлектрических объектов на первом проходе через ус тановку; 4 - места расположения диэлектрических объектов при втором (финишном) проходе через установку
R, кВт-ч/кг
Рис.4. Зависимость энергоемкости процесса микроволновой сушки R от влажности х диэлектрика: 1 - для "одно проходной" схемы воздействия; 2 для "двухпроход ной" схемы воздействия (во втором случае значения влажности приводятся для продукции, осуществляющей второй проход)
Для корректного сравнения интегральной энергоемкости процессов "однопроходной" и "двухпроходной" микровол новой сушки следует проинтегрировать кривые 1 и 2, рис.4, по всему проходимому в рамках данного техноло гического цикла диапазона влажностей (от х на* до X кон) •
х |
хт |
121 |
|
Расчет, проведенный для |
случаев m/s = 8,0; х нач " |
80% ; х кон ~ Ю % (по кривым, |
представленным на рис.З), |
показал, что в случае использования "двухпроходной" технологии суммарное количество энергии, требуемое для высушивания единицы массы продукта до конечной влажно сти, примерно в 1,7 раза* меньше, чем при использовании "однопроходной" технологии. Соответственно, при задан ной потребляемой мощности оборудования в случае ис пользования "двухпроходной" технологии увеличивается производительность техпроцесса.
Следует отметить, что в случае использования ком бинированной (конвекционно - микроволновой) схемы воз действия двухпроходный метод проявляет еще большую эф фективность, поскольку в этой схеме микроволновая суш ка начинается с принципиально еще меньших значений влажности, при которых критичность зависимости энерго емкости процесса от диэлектрической нагрузки электро динамической системы еще более увеличивается.
Таким образом, предложено простое и эффективное средство снижения энергоемкости и повышения производи тельности техпроцессов микроволновой и комбинированной (конвекционно - микроволновой) сушки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Явчуновская С.В. Повышение качества сушки плодо овощной продукции малой и средней влажности за счет создания и использования электрических конвейерных установок микроволновой сушки: Автореф. дис... канд.
техн. наук. Саратов, 1998.
2. Пути создания сушильного оборудования с минимизиро ванными энергозатратами на базе комбинации различ ных физических механизмов обезвоживания пищевой продукции / Р.М. Долгопятов, В.А. Малярчук, В.Я.
Явчуновский, С. В. Явчуновская //Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве: Тез. докл. междунар. конф. 16-17 февраля 1996г. Минск, 1996.
3.Явчуновский В .Я . Микроволновая и комбинированная сушка: физические основы, технологии и оборудова ние. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999.
4.Явчуновская С.В. Исследование возможности использо вания возобновляемых источников энергии для элек тропитания промышленного оборудования микроволновой сушки. //Функциональные устройства низких и высоких частот. Саратов: Сарат. техн. ун-т, 2002.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ АКУСТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
НА БАЗЕ ПРОЕКЦИОННОГО МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Известно, что на базе любой вариационной формули ровки можно построить метод конечных элементов (МКЭ). При этом после выбора пространства и конечных элемен тов, проводится минимизация функционалов, которая в конечном итоге приводит к системе линейных алгебраи ческих уравнений, имеющих при правильной нумерации узлов ленточную структуру матрицы. Основная задача сводится к вычислению конечного множества узловых значений неизвестных для каждого элемента и определе нию функций и, являющихся решением исходной задачи [1-6].
В сочетании с интерполяционными соотношениями МКЭ самым эффективным при решении краевых задач является проекционный метод. Он исключает необходимость обыч ной вариационной формулировки физической задачи за счет выбора специальных базисных функций. При этом должно выполняться следующее условие: разность между приближенным и точным решениями должна быть ортого нальна базисным функциям, используемым при аппрокси мации .
В большинстве появившихся к настоящему времени ра
бот |
по МКЭ рассматриваются |
расчеты различных полей, |
а не |
реальных характеристик |
и параметров устройства. |
А между тем МКЭ должен быть не просто средством для получения отдельного решения, а связующим звеном всей совокупности вычислений/ позволяющих инженеру произ вести расчет устройства.
Предлагается построение достаточно общей схемы МКЭ на базе проекционных методов для сложных акустических устройств, позволяющих непосредственно определять их параметры, например, такие, как собственные частоты,
матрицы рассеяния, |
проводимости. |
|
|
|
|||
де |
Поставленную задачу сформулируем в операторном ви |
||||||
[7]: |
|
Lu-f= 0, |
|
|
(1) |
||
где |
L |
- оператор, |
f - |
|
|
||
заданная |
функция, а символом и |
||||||
обозначено неизвестное |
решение |
задачи. |
Разлагая |
в ряд |
|||
Фурье |
функцию, стоящую |
в левой |
части |
уравнения |
(1), |
||
должны получить все коэффициенты Фурье, равными нулю. Тогда; выбрав ортогональную систему функций {un}, полу чим
(Lu- f, = |
0, k = l,2,...oo. |
(2) |
Приближенное решение задачи (1) будем |
искать в ви |
|
де ортогонального представления |
|
|
uN = t a > „ , |
(3) |
|
|
П»1 |
|
где а" - неизвестные коэффициенты. |
ортогонали- |
|
При подстановке (3) в |
(2) и проведении |
|
зации приходим к следующей неоднородной системе ли нейных алгебраических уравнений
(LupUja^+fLuj.u^aJ1+ +(LuN,u,)aJJ=(f,ul),
(4)
(Lu,,uN)a,N+(LU2,uN)a?+...+(LuN,uN)aJJ=(f,uN).
Назовем систему (4) проекционной моделью физиче ской системы задачи (1).
Сложное акустическое твердотельное устройство ко нечного объема V, ограниченного поверхностью S, и фи зические процессы в нем в достаточно общем случае мо гут быть описаны уравнениями линейной теории упруго
сти, записанными в векторной форме |
[7]: |
|
||||||||
где |
|
|
V«T-ja>pu = 0, |
Vsu~j© s:T = 0, |
(5) |
|||||
Т - вектор, |
составленный из |
компонент |
тензора на |
|||||||
пряжений : |
|
~ Тхх, |
|
~а/ах |
|
0 |
0 |
|
||
|
|
|
X |
|
|
|
||||
|
|
|
|
^2 = Туу» |
|
0 |
д/ду |
0 |
|
|
|
|
|
Тз |
т = т |
vs- |
0 |
|
0 |
д/д z |
|
|
|
|
* |
0 |
a/az |
д/ду |
|
|||
|
|
|
Т, |
а4 ~ AYZ> |
|
|
||||
|
|
|
|
|
d/dz |
|
0 |
д/дх |
|
|
где |
|
|
X |
*6 ~ ^XY» |
|
д/дУ |
д/дх |
0 |
|
|
о— вектор поля скоростей; р- |
плотность среды; s- |
|||||||||
тензор |
упругой |
податливости; s.-Ts^TsgjT,; t- |
знак транс |
|||||||
понирования, о- |
частота. |
уравнениям |
(5) |
проекционная |
||||||
|
Тогда |
применительно к |
||||||||
форма |
(2) |
примет следующий вид: |
|
|
|
|
||||
|
|
|
J(V*Т~ jсоро)okdv- О, |
|
|
|
|
|||
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
(6 ) |
|
|
|
J(VSо-joos:Т)Ткdv = О, |
|
|
|
|
|||
v
где ик и Тк принадлежат полным ортонормированным сис темам {ип} и {Тп},
V»T.-j®.p,on=0, Vson-j©„s0:T„=0, (7)
возможно даже по расширенному базису, т.е. по объему V0, не равному V, и с определенными граничными усло
виями. Заметим, что пока еще решаемая |
задача не кон |
кретизирована - для этого следует |
сформулировать |
краевые условия на поверхности S/ ограничивающей V. |
|
Неизвестное решение задачи представим в форме: |
|
и т"=Еь:т. • |
(в) |
Но прямая подстановка представлений (8) в (6) до пустима далеко не всегда, так как должно быть оправ дано почленное дифференцирование (8) для сходимости процесса. Указанную трудность легко обойти, исполь зуя в (б) интегрирование по частям и формулу Остро- градского-Гаусса. Тогда из формы (б) получим:
о Jpookdv+co0 Js0:TTk dv-j|[i5kT]nds = 0,
v |
v |
_ |
s _ |
k=l,2,... oo |
(9) |
©0 Jp0oukdv+© Js:TTk dv+jJ[uTk]nds = 0, |
|
||||
v |
v |
|
s |
(8), при этом под |
|
Сюда и |
вносятся |
представления |
|||
знаком поверхностных интегралов обычно фигурируют по ля, заданные в граничных условиях. После этого систе ма (9) относительно коэффициентов разложения в (8), будет представлять собой систему линейных алгебраиче ских уравнений:
|
|
©кЭам +(ФМ° -Q)bN =0, |
|
||
где aN и |
bN - |
ra°aN + © N(M+0)bN =O, |
коэффициентов |
||
векторы, |
составленные из |
||||
ап и Ь", а Э, |
Э°, М, М°, Q и п - матрицы: |
|
|||
3 k„=fukpoI1dv, |
3“,= Jp0uku„dv, M k„= jTks:Tndv, МЦ„ = Js0:TkTodv, |
||||
V |
|
V |
V |
|
V |
|
^K»=S|a,®,/ Qb.=j |
J[«kTn]ds, |
0 kn=j J[ukTJds. |
||
|
|
S+SM |
S+Sy |
|
|
Алгебраическая система (10) представляет собой |
|||||
численную |
динамическую |
модель |
(ЧДМ) |
акустического |
|
твердотельного |
устройства. |
|
|
||
Все выполненные действия можно записать более сжа то. Для этого требуется определить скалярное произве дение в функциональном пространстве двухпозиционных столбцов. Пусть, например е, и h, - векторы, а:
и,
и по определению
Тогда |
задачу (7) |
переформулируем |
в виде: |
|
|
|||||
|
|
|
|
MFm =“m«0Fm BV0; |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
T„ n=0 |
HaS0. |
|
|
|
|
|
Здесь |
|
|
|
|
o j, |
|
m—...» 2, |
1,1,2,.... |
||
Соотношения |
(6), |
получаемые на |
основе |
(2) , |
можно |
|||||
заменить |
следующей формой: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
(MF~G>7CF, Fm)= 0 . |
|
|
|
|
||
Легко проверить , что: |
(Ми,,о2)-(о,,Мо2)«ij{[e,,h2]+[е2,h,]jnds. |
|||||||||
Вместо |
формулы |
(9) получим: |
|
|
|
|
|
|||
|
|
“га(яор.Fm)-0)(nF,Fm)+ij{[u,TJ+[um,T]jnds=0 . |
(11) |
|||||||
Соотношения |
|
|
|
s |
|
|
|
|
||
(11) служат основой для нахождения ал |
||||||||||
гебраических форм типа |
(4). |
|
|
|
|
|
||||
Рассмотрим регулярный резонатор с неоднородной и |
||||||||||
вообще анизотропной средой (изотропия выступает |
как |
|||||||||
частный |
случай) |
со свободной поверхностью. Тогда со |
||||||||
отношения |
(10) |
упрощаются: |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
©N3aN+ObN=:0, |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
fiaN+a>NMbN=0, |
или |
ам . При |
этом |
|||
Из формулы (12) можно исключить bN |
||||||||||
получим: |
|
3",flM-',QaN=(coN)2aN; |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
M “,Q3',QbN=((DN)2bN. |
|
|
|
|
|||
Для нахождения собственных частот исследуемого |
||||||||||
акустического |
устройства |
(резонатора) |
используется |
|||||||
условие: определитель системы (13) приравнивается ну
лю. Затем могут быть найдены собственные векторы |
а* и |
|
Ь" и определены представления полей |
(8). |
могут |
Основные параметры акустических |
устройств |
|
быть рассчитаны на основе решения внутренних задач дифракции. Внутренние задачи дифракции в достаточно общей форме рассмотрим в виде так называемого волноводного трансформатора с конечной областью V, ограни ченной поверхностью S и Sa,a= l,2,...P. Здесь Se есть
входные сечения регулярных волноводов, подходящих к объему V и представляющих так называемый внешний ка нал волноводного трансформатора.
Единый подход к формализации дифракционных процес сов основывается на том, что любое акустическое поле