Здравствуйте! У нас в организации появляется новая тема, для которой необходимо использовать волноводы, способные выдержать такую огромную мощность... Не подскажете, как грамотно организовать охлаждение волновода? Что лучше использовать - массивные радиаторы, жидкостное охлаждение или что-нибудь еще... Буду признателен за ссылки на работы, посвященные этой теме... Долго и упорно искал в интернете материал, но что-то ничего подходящего не попалось... помогите пожалуйста ))

Да это вроде бы мощность совсем небольшая.
Если не хватит конвекции, подуйте воздухом - и все.
От гиротронов мегаватты идут по волноводу, и то нет специальной системы охлаждения.

Смотря какой канал будете использовать, могут проблемы появиться не в этом совершенно, а, например, в проблеме электрической прочности. Вы в "библию" по волноводам заглядывали - "Справочник по элементам волноводной техники" Вольмана? А оценить выделяющуюся мощность можно элементарно исходя из известных погонных потерь.

20 квт в импульсе или непрерыв? Диапазон какой (размер волновда)? Из общих рекомендаций- электрохимическая полировка внуренностей волноводов, чтобы небыло условий для возникновения разряда. Заполнение волноводов пеной (но это среднюю мощность надо прикинуть, т.к начентся поглощение в пене, а теплоотвод от нее плохой) или заполнение волноводов элегазом под давлением- там и мегаватты возможны. Наружные стенки волноводов с развитым оребрением обычно достаточны для охлаждения, вода нужна только для поглощающих элементов тракта.

Для самого волновода думаю проблем никаких не должно быть (тем более если импульсная), другое дело неоднородности... там то вот как раз будут проблемы даже на десятках ватт, например, мы разрабатывали волноводные аттенюатор на 30 Вт (непрерывка).. использовали рёбра для охлаждения, ну и сама поглощающая часть тоже имела не тревиальный вид... а без этого всего - горел наполнитель.

Работать планируем в непрерывном режиме... сеансы минут по 40 примерно на передачу. Волноводы сечением 28.5 на 12.5, Х-диапазон.


А можно поподробнее про элегаз?

Вам-то это зачем? Пробои в таких волноводах возможны только на мощностях больше сотен киловатт.
В нашей РЛС на частоте 8 ГГц волноводы поддувались воздухом (даже не элегазом) на мощности 1 МВт в импульсе

Я согласен. Дело тут не в пробое... а в эффективном охлаждении.. как все-таки лучше это сделать? вот главные вопрос.

А зачем охлаждать? В нормально сделаных волноводах Х диапазона потери 2-3дб на 100 футов длины (под рукой были только буржуйские таблицы). Пересчитайте выделевшееся тепло на единицу длины и прикиньте нагрев стенок. Потери меньше половины мощности на 50 метрах. Возьмем грубо 10 квт. т.е 200 вт на метр. При размерах 28.5 на 12.5 стенки будут просто ощутимо теплые, и это без обдува. Вот в вакууме, или если волновод не цельнометаллический (гальванический нарощенный с пластиковым упроченнием)- конечно будут проблемы.
А вот с неровностями осторожнее- мельчайшая пылинка металлическая на стенке волновода или заусенец на фланце- и через секунду КСВ до небес и дыра прожженная.
Кстати, фланцы- отдельная головная боль на таких можностях- если через них начнет "сифонить" то никому мало не покажется.

Антенна будет представлять из себя спутниковую станцию с диаметром зеркала 32 м. Длина подводящего передающего тракта примерно 20 м. В тракте будут, конечно, и волноводные стыки, потому что наверняка придется использовать волноводные уголки, а также секции волноводов разной длины. Вопрос в том, смогут ли стандартно изготовленные волноводы, со стандартным методом соединения фланцев спокойно, без охлаждения, переварить эту мощность... Волноводы будут покрытые, обмедненные

Для WR112 согласно Handbook On High Power Capabilities Of Waveguide Systems (фиг.24-25) даже для перегрева 150 (обычно закладывается не более 80) нет, не смогут.

Ну вот, и хотелось бы узнать, как грамотно обеспечить охлаждение... В этом то и основной вопрос

Спасибо, интересная ссылка. А в нашей литературе были ли подобные графики? Смущает меня отсутствие описания режима охлаждения

Для работы в непрерывном режиме с киловатными мощностями в первую очередь следует обеспечить минимальное затухание в линии передачи. Те четко понять какую линию следует использовать. Самой простой в реализации будет линия на прямоугольном волноводе стандартного сечения. Следует выбрать волновод максимально возможной ширины, даже близкой к критической длине волны Н20, тк она хоть и будет возбуждаться на неоднородностях, но будет иметь очень сильное затухание. Те в Вашем случае возможно это будет волновод 35х15 или 40х20 мм. Затухание посчитайте для конкретной Вашей частоты. Не забывайте, что формулы дают идеальный результат, а конкретные волноводы дадут затухание примерно в 1,5 раза больше. Потери будут так же сильно зависеть от качества изготовления и эксплуатации флацев волноводов. Возможно стоит подумать о волноводах других типов - волноводах увеличенной высоты. Так же в непрерывных режимах возникает устойчивый пробой волновода на мощностях существенно меньших, чем теоретическое значение. Дуга пробоя побежит к генератору выжигая волновод, те следует в местах изгибов ставить оптические датчики. Только после определения мощностей нагрева можно понять, как охлаждать. В первом приближении вроде бы должно хватить регулярных ребер на волноводе. Многие в аспекты Вашей проблемы хорошо освещены в книге "Метрикин А.А. =Антенны и волноводы РРЛ.= (М. Связь, 1977)", в том числе и про элегаз и заполнение жидкостями циркуляторов, для уменьшения вероятности пробоев.

А почему бы не серебренные?

У меня на службе была железка в этом диапазоне.
Выжимал до 1,3кВт непрерывной мощности.
Пролазило через 10 метров волновода с дроссельными фланцевыми соединениями.
Был даже вращающийся переход.
Для просушки волноводов воздухом, стояли допотопные дегидраторы.
Пробоев не было и не слыхал.
Однажды зайчика словил через неплотно притянутый фланец волновода.
Неприятно, но без последствий.
Помню, был пробой волновода у 10см РЛС, но там 300кВт в импульсе.
Пробило на повороте 90 град в плоскости Е из-за воды дыру в палец.
Так что если медный, отполирован и без соплей, должен выдержать.

хм... грубое моделирование в Ansys дало вот такие результаты
(13ГГц, 1метр, 17х8 мм, 20кВТ)
700 градусов однако...

А какие условия охлаждения, температура окружающей среды, материал волновода, чистота обработки внутренних поверхностей и т. д.?

Такое ощущение, что 20кВт решили рассеять, а не пропустить. Что-то вроде стоячей волны в заглушенном резонаторе. Точно модель настроена на пропускание волны?

Коффициент конвекции задан ко всему телу 10 Вт/квм, на боковых (торцевых) поверхностях задана температура 22 грС, откружающая температура 22, материал волновода медь, шероховатость не учитывалась, режим установившийся.

Попросил совета у тепловика. Поработали на сеткой, добавили радиацию (аказывается при нагревании она вносит всё больший вклад), на торцах изменили ГУ (теперь анализируемый кусок трубы как бы "вырван" из более длинной системы). Ну вот вроде говорит теперь результат очень близок к истине ))
А вот что получилось:

У нас был случай, что в С-диапазоне на мощностях не более 3 кВ из-за плохо уложенной герметезтрующей прокладки сгорела резинка и один работник получил ожог, схватившись за фланец. Это-то все известно. Мнен вот хочется получить совет, как-бы грамотнее продумать систему охлаждения... Хватит ли радиаторов в данном случае..

Вот эта основная ошибка в модели. Это справедливо для разницы температур в 5-10 градусов. При нагревах до 100 и выше надо задавать формулой, которая зависит от типа поверхности и от разности температур.
И често говоря, нормально моделировать такой теплообмен неполучалось, даже в тепловых КАДах. Поэтому рекомендую просто взять воздушную паяльную станцию, немного раскрутить, добавить измеритель мощности на грелке, поставить например 200 ВТ, не очень сильный поток воздуха и подуть внутрь волновода. И термопарой китайского тестера через 15 минут проверить температуру поверхности. Т.е симулировать потери на тепло без включения СВЧ.

Можно конечно пересчитать в ПО Ansys CFX с учётом вашего замечания.... но есть мнение что результаты не будут отличаться болеьше чем 15-20%.


Вот и пробуйте моделить в CFX используя для охлаждения воздушный обдув..

А смысл считать, если неизветсны ни СВЧ, ни тепловые параметры волноводов у автора темы? Если бы хотя бы промеряли затухание реального волновода, можно было бы прикинуть тепловую нагрузку. А то ведь при 20 Квт каждый 0.1 дб на 100 м приводят или к реализуемости, или к нереализуемости задачи. А если автор еще и сам волноводы будет пытаться делать (что возможно следует из описания технологии)
то тут вообще полная неизвестность, особенно в процессах старения внутренней поверхности волновода под тепловой нагрузкой.
А вот как моделировать в Ansys CFX теплопотоки с учетом конвективных тепловых нагрузок- очень интересно. Вполть до того, что надо как то задать направления воздушных потоков- у нас в реале наблюдалась механическая деформация волноводов в связи с неравномерным отводом тепла с горизонтальных и вертикальных стенок волновода. Мы пытались отдать подобную задачу на аутсорс гидроаэродинамикам для рассчетов на Abaques CAE CFD, но пока удовлетворительного согласования с реалом недостигли. Поэтому строительный фен с ЛАТРом и термопары- основной инструмент тепловых измерений.
Про вопросы с нелинейностью потерь в волноводах с ростом температуры- пока скоромно промолчим. Хотя там вопросов по гальваническому покрытию и методикам обработки внутренностей труб- тоже выше крыши.

Здравствуйте!
Любые Ваши варианты моделей готовы оценить (анализ, оптимизация) с точки зрения тепла и деформаций в ПО ANSYS.
Наши ресурсы cae-expert.ru cae-club.ru
Обращайтесь, будем рады помочь.

у нас было 25 кВт в Х-диапазоне, но скважность 4, зато волновод 10х23. Про то, что волновод очень сильно грелся не слышал. Соответственно даже если х4, то не должно быть 700 градусов, тем более, что у Вас волновод большим сечением. Зато у нас, если пропадал поддув воздуха, тут же все пробивало (но опять таки волновод у Вас больше). Тем не менее, от внешней атмосферы изолироваться необходимо 100%, и воздух осушать тоже. Соответственно точно необходимы "гермовставки", точно необходима "лапша" (контактные пластины) с резинками, фланцы с проточками под резинки.
Что до охлаждения, то проще спросите у разработчиков Вашего оконечного СВЧ-усилителя. Они то его настраивают и испытывают, соответственно знают: греется волновод, или нет.

Тепловой расчёт был скорректирован (смотрите вторую картинку) и получилось в районе 370 градусов С. Расчёт был произведёт для прямоугольной трубы 17*8 мм.

зачем считать 8х17 если волновод будет 12,5х28? Можно еще меньшее сечение посчитать - температура будет еще больше. На миллиметрах и при 100 Вт ощутимо греется волновод. Скин-слой уменьшается, сечение уменьшается, площадь охлаждения уменьшается, соответственно тепловыделение увеличивается по квадрату, а то и больше (про квадрат я могу и ошибаться, нет под рукой справочника, чтобы посмотреть точно).
Я как раз пытался привести свои опытные данные к еще большему сечению волновода (12,5х28), а не говорил, что на 8х17 будет какая-то другая величина.