Рабочие камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок для модификации диэлектриков

Для поступательного развития экономики требуется повышение эффективности производства, успешная конкуренция отечественной продукции на внешнем и внутреннем рынках. Решение этой проблемы невозможно без технологического перевооружения производства, оснащения предприятий энергосберегающим технологическим оборудованием. В этой связи становится актуальным создание электротехнологических установок, позволяющих исключить применение в технологических процессах угля, нефти и газа, обеспечить высокую скорость обработки металлов и диэлектриков, автоматизировать технологический процесс, увеличить ассортимент, количество и качество товаров, которые не могут быть получены на установках с иным способом энергоподвода.

Наиболее сложно обеспечить термообработку диэлектриков, потому что при лучистом или конвективном энергоподводе в первую очередь нагревается поверхностный слой диэлектрика, а из-за малого коэффициента теплопроводности в глубине диэлектрик нагревается медленно. Интенсификация нагрева увеличением теплового потока имеет ограничение по максимально допустимому температурному градиенту, превышение которого опасно появлением в диэлектрике недопустимых механических напряжений, которые обычно приводят к короблению, растрескиванию, т. е. к браку.

Интенсифицировать термообработку диэлектрика при высоком качестве обработки изделия можно с помощью энергии СВЧ электромагнитных колебаний, поскольку из-за проникновения электромагнитной волны в глубину диэлектрика в нем происходит объемное тепловыделение. Выбором геометрии рабочей камеры СВЧ электротехнологической установки можно обеспечить равномерный нагрев по всему объему обрабатываемого диэлектрика.

В нашей стране работы в области СВЧ диэлектрического нагрева ведутся без малого пятьдесят лет. За это время разработаны методы расчета камер с бегущей волной, камер со стоячей волной, СВЧ генераторы технологического назначения и их источники питания, конструкции и технико-экономические расчеты установок СВЧ диэлектрического нагрева.

Фундаментальное исследование в области СВЧ диэлектрического нагрева выполнены московской, санкт-петербургской, саратовской и казанской научными школами. Следует назвать работы И. А. Рогова, И. И. Девяткина, Ю. С. Архангельского, В. А. Коломейцева, Г. А. Морозова, Г. В. Лысова, А. П. Пиденко, С. В. Некрутмана, Н. Н. Долгополова.

Приходится, однако, признать, что остаются малоисследованными камеры лучевого типа, в которых энергия СВЧ электромагнитных колебаний подается к обрабатываемому диэлектрику с помощью специальных излучающих систем, тогда как рабочие камеры этого типа весьма перспективны. В них можно обрабатывать, в том числе и с фазовым переходом, твердые, сыпучие и жидкие диэлектрики как в периодическом, так и в методическом режимах.

В последние годы ведутся исследования в области так называемой нетепловой СВЧ модификации полимерных материалов и изделий. Большие возможности реализовать такие технологические процессы представляют камеры лучевого типа, и это ставит вопрос о создании методов расчета и конструкций совершенно нового класса камер лучевого типа, предназначенных для нетепловой модификации диэлектриков.

Принимая во внимание, что приходится обрабатывать разнообразные диэлектрики, в том числе полимерные материалы и изделия, разработка камер лучевого типа имеет, безусловно, научный и практический интерес.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и конструкций камер лучевого типа СВЧ электротехнологических установок, предназначенных для тепловой и нетепловой модификации диэлектриков.

Достижение этой цели потребовало решение следующих задач:

1. Исследовать проблему энергетической эффективности камер лучевого типа, реализующих тепловую и нетепловую модификацию диэлектриков.

2. Разработать систему технических решений, повышающих энергетическую эффективность камер лучевого типа.

3. Решить самосогласованную краевую задачу электродинамики и те-пломассопередачи (теплопроводности) для камер лучевого типа.

4. На базе решения самосогласованной краевой задачи камер электродинамики и тепломассопереноса (теплопроводности) построить методы расчета лучевого типа и математического моделирования тепловой модификации.

5. Разработать методы расчета камер лучевого типа для нетепловой модификации полимерных материалов.

6. Разработать конструкции камер лучевого типа для модификации твердых, сыпучих и жидких диэлектриков.

7. Предложить технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ электротехнологических установок на их основе.

Для решения этих задач были использованы методы решения краевых задач электродинамики, тепломассопереноса и теплопроводности, теории длинных линий, технико-экономического анализа электротехнологических установок.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректным использованием математического аппарата и программных средств, а также соответствием расчетных и экспериментально определенных параметров.

Научная новизна работы состоит в том, что сформулирована и решена задача построения методов расчета камер лучевого типа как для СВЧ диэлектрического нагрева (тепловой модификации), так и для нетепловой СВЧ модификации диэлектриков. В частности предложены способы повышения энергетической эффективности камер лучевого типа СВЧ электротехнологических установок для тепловой и нетепловой модификации диэлектриковрешена самосогласованная краевая задача электродинамики и теп-ломассопереноса (теплопроводности) для камер лучевого типа, реализующих СВЧ диэлектрический нагрев с фазовым переходом и без негопроведено математическое моделирование процессов тепловой модификации в камерах лучевого типа, разработан метод расчета таких камер, работающих в периодическом и методическом режимахпредложены конструкции камер лучевого типа для тепловой модификации, в том числе конструкция, позволяющая максимально концентрировать СВЧ энергию в обрабатываемом объектепредложен метод расчета максимально достижимой температуры в камерах лучевого типа с многогенераторным СВЧ энергоподводомразработаны методы расчета камер лучевого типа для нетепловой обработки синтетических нитей и тканей на их основе, жидких, вязких и сыпучих средпредложены конструкции камер лучевого типа для нетепловой модификации полимерных материалов и сред, в том числе гибридной установки с камерой лучевого типа для нетепловой модификации и камерой, реализующей СВЧ диэлектрический нагревразработаны методы технико-экономического анализа и оптимизации СВЧ электротехнологических установок для модификации диэлектриков в камерах лучевого типа.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложенные конструкции камер лучевого типа позволяют модифицировать диэлектрические объекты различного агрегатного состояния с более высокой энергетической эффективностью.

2. Камеры лучевого типа для нетепловой модификации позволяют придать полимерным материалам и изделиям новые технологические свойства, расширяющие возможности их применения.

3. Разработанные технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ установок на их основе положены в основу технических решений, позволяющих получить наибольший экономический эффект от применения этих камер.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные методы расчета и конструкции камер лучевого типа позволяют проводить тепловую и нетепловую СВЧ модификацию диэлектриков с максимальной энергетической эффективностью.

2. Предложенная методика совместного решения краевых задач электродинамики и тепломассопереноса (теплопроводности) позволяет рассчитать геометрию камер лучевого типа для тепловой СВЧ модификации диэлектрика и провести математическое моделирование процесса с учетом изменения в процессе модификации электрофизических и теплофизических параметров обрабатываемого объекта.

3. Мнгогенераторные камеры лучевого типа с серийными СВЧ генераторами технологического назначения позволяют нагреть объект до температуры возгонки, что дает возможность получать наноматериалы.

4. Разработанные методы расчета и конструкции камер лучевого типа для нетепловой СВЧ модификации полимерных материалов и изделий дают возможность практического применения этого нового метода получения полимерных материалов и изделий с новыми технологическими свойствами.

5. Разработанные технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ электротехнологических установок на их основе позволяют реализовать технологический процесс модификации диэлектриков с максимальной экономической эффективностью.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» в рамках научных исследований ведущей научной школы России НШ — 9553. 2006.8 (грант Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, 2006 — 2007 ггвнутривузовское основное научное направление 05. В «Научные основы проектирования, исследование параметров и режимов электронных, электрорадиотехнологических установок, систем и технологий», 2005 — 2009гг.) — аналитическая ведомственная программа «Развитие научного потенциала высшей школы РФ (2009 — 2010гг.)», тема «Разработка конденсационного метода получения наноматериалов в высокотемпературных СВЧ установках и исследование их электрофизических свойств в широком интервале температур».

Методы расчета камер лучевого типа, варианты компоновки СВЧ электротехнологических установок на их основе для СВЧ модификации диэлектриков переданы на ФГУП «НПП „Контакт“» (г. Саратов), и в ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов).

Результаты диссертационной работы используются в СГТУ при чтении лекций по дисциплинам «СВЧ электротехнологические установки и системы» для студентов специальности 140 605 — «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140 600.

Электротехника, электромеханика и электротехнологии", а также при дипломном проектировании.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах различного уровня в 2007;2008 гг.: Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2007 г.), международная научно-практическая конференция «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (г. Саратов, 2007 г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Радиотехника и связь» (г. Саратов, 2007 г.), научно-техническая конференция молодых ученых СГТУ (г. Саратов, 2008 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, из которых 10 работ в журналах из перечня ВАК, а также в патенте на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 3 приложения и списка используемой литературы, включающего 94 наименования, содержит 207 страниц сквозной нумерации, 4 таблицы и 64 рисунка.

Основные результаты и выводы из них сводятся к следующему:

1. Исследована проблема энергетической эффективности камер лучевого типа, реализующих тепловую и нетепловую СВЧ модификацию диэлектриков. Для повышения энергетической эффективности предложено применять согласующий четвертьволновый трансформатор и приемную рупорную систему, позволяющую использовать пришедшую в нее СВЧ энергию для модификации того же диэлектрика в той же камере лучевого типа или другой диэлектрик в дополнительный рабочей камере любого типа.

2. Решена самосогласованная краевая задача электродинамики и теп-ломассопереноса (теплопроводности) для камер лучевого типа. На базе этого решения построены методы расчета камер лучевого типа и математического моделирования тепловой модификации.

3. Предложена конструкция многогенераторной СВЧ электротермической установки на камере лучевого типа, позволяющая сконцентрировать СВЧ энергию в ограниченном объеме нагреваемого объекта. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение математического моделирования термообработки в камерах лучевого типа позволили исследовать технические возможности этих камер для высокотемпературного нагрева объектов с целью получения наноматериалов и установить максимально достижимую температуру объекта при современных серийных магнетронов в качестве СВЧ генераторов.

4. Разработаны методы расчета нового класса камер лучевого типа, предназначенных для нетепловой СВЧ модификации полимерных материалов и изделий. Предложены конструкции и исследованы характеристики камер лучевого типа для нетепловой СВЧ модификации твердых, сыпучих и жидких материалов. Это дает возможность исследователям нетепловой СВЧ модификации полимеров проектировать промышленные СВЧ электротехнологические установки, реализующие предлагаемые ими технологические процессы.

5. Предложены технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ электротехнологических установок на их основе, позволяющие получать максимальную прибыль при их эксплуатации.

Итак, в настоящей диссертационной работе решена научно-практическая задача, имеющая существенное значение для технологического перевооружения предприятий в той области, к которой относится термообработка различных диэлектриков, получение полимерных материалов и изделий с новыми полезными технологическими свойствами.

В диссертации основное внимание уделено разработке основного узла высокопроизводительных, энергосберегающих СВЧ электротехнологических установок — рабочей камеры, а именно камеры лучевого типа, наименее исследованного типа рабочих камер, имеющих несомненные преимущества перед рабочими камерами иного типа.

На наш взгляд, дальнейшее развитие работ в области СВЧ модификации диэлектриков требует удешевление СВЧ генераторов, источников их питания и всей установки в целом, проведения исследований в областях, пока что малоизученных, таких как определение электрофизических и теп-лофизических параметров модифицируемых диэлектриков в широком интервале температур вплоть до максимально достижимых при СВЧ энергоподводе.

Заключение

.

В результате научных исследований, положенных в основу этой диссертации, предложены методы расчета и конструкции камер лучевого типа СВЧ электротехнологических установок для модификации диэлектриков.