Электромагнитная сушка влажных материалов с малой глубиной проникновения СВЧ-излучения в условиях теплосброса радиацией и конвекцией. I. Стадия прогрева

Abstract

Актуальность исследования продиктована необходимостью разработки математических моделей СВЧ-нагрева и МВ-сушки влажных материалов для получения технологически оптимальных и экономически выгодных режимов. В силу сложности и нелинейности протекающих процессов внутри влажных материалов при СВЧ-обработке чрезвычайно важно построение моделей, которые давали бы возможность построения аналитически приближенных решений с целью нахождения на их основе главных закономерностей и характерных особенностей рассматриваемых процессов. Цель: постановка первого этапа задачи СВЧ-сушки влажного материала – этапа прогрева. Поиск аналитического решения для температуры слоя в разные моменты времени позволяет определить начало следующего этапа – сушки. Объектом исследования является плоский слой влажного материала – уголь, песок, древесина и др. капиллярно-пористые массивы, на которые воздействует СВЧ-излучение. Такие материалы обладают высокой диэлектрической проницаемостью и как следствие весьма эффективно поглощают СВЧ-излучение, которое почти на 100 % преобразуется в тепловую энергию. Методы исследования связаны с математическим моделированием, в основе которого лежат уравнения электродинамики Максвелла и тепловлагопереноса А.В. Лыкова. В данной статье задача Максвелла решена независимо от задачи тепломассопереноса, поэтому плотность потока поглощенного СВЧ-излучения считается известной. Также одной из особенностей данной задачи является рассмотрение материалов с малой глубиной поглощения, в силу чего в системе уравнений для нагрева источниковый член находится в граничном условии. В результате исследования с помощью асимптотических процедур решена задача тепловлагопереноса при заданной мощности источника тепла. Получены приближенно-аналитические решения для первой из трех характерных стадий СВЧ-сушки в условиях малой глубины проникновения микроволн: стадии прогрева влажного материала. Выполнен анализ построенных решений.

The relevance of the research is determined by the need to develop mathematical models of microwave heating and MW-drying of wet materials to obtain technologically optimal and cost-effective modes. Due to the complexity and non-linearity of the processes taking place inside wet materials during microwave processing, it is extremely important to build models that would allow one to construct analytically approximate solutions in order to find the main laws and characteristic features of the processes under consideration. The aim of the research is to state the first stage of the microwave drying of wet material - the warm-up phase. The search for analytical solution for the temperature of the layer at different points in time allows us to determine the beginning of the next stage - drying. The object of the research is a flat layer of wet material - coal, sand, wood and other capillary-porous arrays, which are affected by microwave radiation. Such materials have a high dielectric constant and, as a result, they very efficiently absorb microwave radiation, which is almost 100 % converted to thermal energy. The methods are associated with mathematical modeling, which are based on Maxwell electrodynamics equations and heat and moisture transfer of A.V. Lykov. In this article, the Maxwell problem is solved independently on the problem of heat and mass transfer; therefore, the flux density of the absorbed microwave radiation is assumed to be known. Also, one of the features of this problem is the consideration of materials with a small depth of absorption, whereby the source term in the system of equations for heating is in the boundary condition. As a result of the research the problem of heat transfer at a given power source of heat was solved using asymptotic procedures. The authors have obtained approximate analytical solutions for the first of the three characteristic stages of microwave drying under conditions of low penetration depth of microwaves: the warm-up stage of a moist material. The constructed solutions were analyzed.