Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• I. МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СВЧ - УСТАНОВКИ
• 1.1 Расчёт мощности СВЧ-излучения, поглощеная диэлектрическим материалом
• 1.2 Расчёт постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в диэлектрических материалах
• 1.3 Выбор источников СВЧ - энергии для микроволновых установок
• 1.4 СВЧ - установки для тепловой обработки диэлектрических материалов
• 2. КОНСТРУКЦИЯ И МЕТОД РАСЧЁТА СВЧ - УСТАНОВКИ
• 2.1 Конструкция СВЧ - установки с нагревательной камерой
• 2.2 Модель и метод расчета СВЧ - установки
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


ВВЕДЕНИЕ

Работа приурочена к задачам использования СВЧ - энергии для создания равномерного температурного распределения в объёмных материалах с разными диэлектрическими характеристиками. Актуальность представленной выпускной квалификационной работы заключается в том, что современные СВЧ - технологии дают возможность создавать интенсивные, энергосберегающие и экологично чистые техпроцессы нагрева материалов [1-2].

В настоящее момент объёмные диэлектрические материалы обширно употребляются в разных сферах индустрии, например, в строительной промышленности. В научных публикациях [2-4] представлено, что развитие СВЧ - технологий ориентированы на создание современных композиционных материалов: ускорение комплекта прочности бетона и пенобетона с разными наполнителями, сушка материалов и производство теплоизоляционных материалов и отвердевание объёмных полимерных композиционных материалов.

СВЧ - технологии имеют ряд значимых положительных сторон по сравнению с классическими технологиями нагрева диэлектрических материалов:

- прочностные свойства получаемых изделий требуют полноты реакции полимеризации в небольшом промежутке величин температуры. Для многих технологических процессов полимеризации объёмных материалов, как например, труб солидной толщины, нужно, чтоб расхождение температуры по объёму полимерных композиционных материалов от номинального значения температуры не превосходило 10% [5];

- энергия микроволнового излучения сразу попадает на всю глубину диэлектрического материала не зависимо от его теплопроводности и дозволяет осуществить ровное и действенное нагревание по всему объёму материала;

- сверхвысокочастотное излучение не обогревает воздух окружающей среды, а когда обрабатываемый материал размещен в теплоизолирующем материале с небольшими диэлектрическими потерями, то допускается не принимать во внимание теплоотдачу в окружающую среду, что обусловливает к понижению употребляемой энергии.

Таким образом следует создать конструкцию СВЧ - установки для равномерного нагрева обрабатываемых материалов с низкой теплопроводностью, а также предложить модель и способ расчёта технологического режима и характеристик установки.

Техническое задание выпускной квалификационной работы бакалавра заключается в разработке СВЧ - установку конвейерного вида для равномерного нагрева определенного спектра диэлектрических материалов со следующими параметрами: частота колебаний электромагнитного поля - 2,45 ГГц; мощность микроволнового излучения - 9,6 кВт; изначальное величина температуры материала - +20 єС; температура нагревания материала в промежутке от +70 єС до +200 єС; теплоёмкость материала в интервале (1,2-2,3) Дж/(г•єС); плотность материала меняется в промежутке от 0,5 г/см3 до 1,7 г/см3; габариты материала: ширина 600 мм, толщина материала составляет 200 мм; величина действительной части относительной диэлектрической проницаемости материала находится на промежутке от 2.7 до 4.5; величина теплопроводности материала в интервале от 0,26 Вт/(м•єС) до 0,5 Вт/(м•єС), средняя разница температуры материала и номинальной величины температуры материала не должна превосходить 10%.

Техническое задание подразумевает, что в процессе сушки или нагрева материал изменяет свои диэлектрические характеристики в установленных границах (сушка и нагрев древесины, производство теплоизоляционных материалов, тепловая обработка бетона с разными наполнителями).

Целью исследовательской работы является изучение и разработка эффективной СВЧ- установки для создания равномерного распределения температуры в объёмных материалах с разными диэлектрическими характеристиками, а кроме того и для изучения и разработки метода и модели расчёта характеристик СВЧ - установки и технологического режима термообработки материала.

Теоретические исследования проведены с применением метода эквивалентных схем и основополагающих уравнений электродинамики.

Экспериментальные исследования проведены на определенных конструкциях СВЧ - установок лучевого типа. В качестве нагревательной составляющей использована камера с размещенными на ней источниками СВЧ - энергии. Характерная особенность электродинамической системы заключается в том, что её форма, габариты и расположение источников микроволновой энергии рассчитаны таким образом, чтобы сформировать равномерное распределение температуры по объёму обрабатываемого материала как в конвейерном режиме, так и в стационарном режиме.

Точность полученных в исследовательской работе основополагающих результатов, а также достоверность порекомендованных эквивалентной модели и метода расчёта, подтверждается путём сопоставления экспериментальных и теоретических исследований, и еще их сопоставлением с результатами исследований, выпущенными раньше в разных научных статьях. термообработка сверхвысокочастотный диэлектрический материал

Классический метод нагрева объёмных диэлектрических материалов заключается в том, что передача тепла от нагревателя к нагреваемому предмету делается равномерно, за счёт конвекции, теплопроводности и радиационного перенесения тепловой энергии от наружных слоёв материала к внутренним слоям материала. Значит, передача тепла классическими методами объёмным диэлектрическим материалам сопряжена с зарождением разности температуры и возможно приводит к повреждениям внутренней структуры материала, то есть к уменьшению прочности и долговечности продукции [5].

Современные требования к технологическим процессам термообработки диэлектрических материалов, заключаются в том, чтоб гарантировать очень высокий уровень их изготовления, который характеризуется энергетической эффективностью, экологической чистотой и большим качеством выпускаемых продуктов. Подобные технологии разрешено воплотить с применением СВЧ - излучения в качестве источника тепловой энергии [2, 3].

Главное достоинство данных технологий обработки композиционных материалов заключается в том, что микроволновая энергия мгновенно проникает во всю толщину обрабатываемого материала, вне зависимости от его теплопроводности и не разогревает окружающий воздух. Равномерный нагрев по объёму обрабатываемого материала позволяет избежать дефектов внутренней структуры материала и приводит к более высоким техническим характеристикам получаемых изделий, а именно, повышению прочности и долговечности. В научных статьях [6] представлено влияние микроволнового излучения на полимерное связующее композиционных материалов, к примеру, эпоксидные смолы, что обусловливает к изменению структуры материала, а именно к тому, что данный материал становится более плотным и прочным. Подобное влияние СВЧ - излучение оказывает на изделия из древесины и керамические изделия [7-8].

В зарубежных и отечественных научных работах приводятся результаты экспериментальных исследований в которых выявлено, что использование сверхвысокочастотного излучения в 10-ки раз ускоряет почти все химические реакции, а именно, реакции гидратации и полимеризации и инициирует эффективный объёмный нагрев разных диэлектрических материалов [9]. Поэтому встает актуальная задача, которая заключается в изучении новых способов улучшения технологических процессов термообработки объёмных диэлектрических материалов с применением микроволновых технологий для получения материалов с требуемыми параметрами [10-11].



I. МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СВЧ - УСТАНОВКИ

1.1 Расчёт мощности СВЧ -излучения, поглощенная диэлектрическим материалом

В случае если среда является изотропной, то подобная среда характеризуется уравнениями следующего вида [3]:

, (1.1)

где: плотность тока проводимости;

- соответственно векторы магнитной и электрической индукции;

- соответственно векторы напряженности магнитного и электрического полей;

- относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды;

- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума;

- проводимость среды.

При этом характеристическое уравнение электромагнитного поля меняется во времени по следующему закону:

, (1.2)



Здесь это круговая частота колебаний.

Для допустимо написать соотношение в виде [3]:

, (1.3)

где и - соответственно действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

Выражение для мощности тепловых потерь в диэлектрической среде представляется в виде [3]:

(1.4)

Уравнение для удельной мощности тепловых потерь по уравнению (1.4) записывается в виде:

(1.5)

Из выражения (1.5) следует, что тепловыделение в среде с большими диэлектрическими потерями неразличимо друг от друга из-за поляризации и токов проводимости. С учётом выражения под номером (1.5) относительная записывается с учётом её проводимости [3]:

, (1.6)



причем:

, (1.7)

В выражении (1.7), - соответственно действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости, при этом учитывается проводимость среды.

С учётом (1.7) выражение (1.5) записывается в виде:

(1.8)

где: Е - амплитуда напряженности электромагнитного поля, В/см; f - частота колебаний электромагнитного поля, Гц; - мощность тепловых потерь в диэлектрической среде, Вт/см3.

Итак, если возрастает частота колебаний электромагнитного поля, то увеличивается и величина удельной мощности тепловых потерь.

Как правило, СВЧ - установки в России для промышленных применений работают на таких частотах колебаний электромагнитного поля как 2450 МГц и 915 МГц. В текущей исследовательской работе для осуществления технологического процесса равномерного нагрева объёмных материалов с диэлектрическими потерями выбрана частота 2450 МГц.

Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды, или фактора потерь е??, как правило, является функцией частоты колебаний электромагнитного поля, влажности и температуры среды [1, 3].

Мощность микроволнового излучения в среде с диэлектрическими потерями в направлении распространения энергии электромагнитного поля, вдоль оси z изменяется по экспоненциальному закону [1]:



, (1.9)

где: - величина мощности источника микроволновой энергии, которая распространяется в направлении оси z; - величина постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в среде с большими диэлектрическими потерями.

Теперь необходимо определить величину константы затухания напряженности электрического поля в диэлектрическом материале.

1.2 Расчёт постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в диэлектрических материалах

Поместим в изотропную среду с диэлектрическими потерями электродинамическую структуру. Такая среда характеризуется уравнениями (1.1).

Предположим, что электродинамическая система сможет передавать энергию электромагнитного поля в направлении по осям x, y и z.

Тогда уравнения Максвелла записываются в виде:

, (1.11)

Функция, характеризующая электромагнитное поле, меняется по гармоническому закону во времени. Подставляя выражение (1.2) в два первых уравнения Максвелла, и дифференцируем это, получим:



(1.12)

(1.13)

Если брать во внимание соотношения (1.2), (1.3), (1.6), (1.7), (1.8) и то, что , то уравнения (1.11) можно свести к виду симметричному относительно :

, (1.14)

, (1.15)

, (1.16)

, (1.17)

Уравнения (1.11) можно свести к волновым уравнениям. В эти уравнения входит в состав только один из векторов . Если определить вектор из выражения (1.14) и подставить полученное выражение в уравнение (1.15), то получим:

(1.18)

Ведём такие обозначения как:

, (1.19)

где - волновое число свободного пространства, определяющееся выражением:

, (1.20)



где - рабочая длина волны источника СВЧ - энергии.

По формулам двойного векторного произведения раскрываем выражение, которое стоит в левой части уравнения (1.18), получим:

, (1.21)

С учётом выражения (1.17) можно получить волновое уравнение в виде:

(1.22)

Аналогично определяется волновое уравнение и для вектора . Тогда определим вектор из выражения (1.17) и подставим в уравнение (1.15), тогда получим:

(1.23)

Векторы могут иметь в декартовой системе координат по три составляющих:

(1.24)

, (1.25)

где: - соответственно единичные векторы на осях х, у, z.

Теперь подставим выражение (1.24) в соотношение (1.22). Получаем, что векторное уравнение (1.22) распадется на три независимых скалярных уравнения:



, (1.27)

, (1.28)

, (1.29)

Подставим соотношение (1.25) в уравнение (1.23). В этом случае последнее векторное уравнение распадается на три независимые скалярные уравнения:

, (1.30)

, (1.31)

, (1.32)

Итак, было вычислено шесть скалярных выражений, имеющие одинаковую форму. Поэтому, чтобы найти общие выражения всех составляющих электромагнитного поля необходим решения одного дифференциального уравнения 2-го порядка типа:

(1.33)

где - составляющая магнитного или электрического поля.

Чтобы решить дифференциального уравнения 2-го порядка в частных производных можно воспользоваться таким методом, как разделение переменных.

Поэтому выражение (1.33) можно решить, представив в виде произведения множителей, с функциями координат:

(1.34)



Дифференцируем это уравнение и результат подставим в выражение (1.33). Разделим обе части выражения , получим:

(1.35)

Или

(1.36)

Функции - взаимно независимые функции. Следовательно сумма членов левой части выражения (1.36) будет равен комплексной величине, если каждый из членов выражения будет равняться, комплексному числу. Запишем каждый из членов выражения в виде комплексной величине:

, (1.37)

, (1.38)

, (1.39)

Где: - квадраты констант распространения по разным направлениям;

- константы затухания по разным направлениям;

- фазовые константы по разным направлениям.

Зависимость волнового числа свободного пространства и диэлектрических параметров среды с константами распространения по разным направлениям определяется с помощью уравнений:



(1.40)

,

Выражение (1.41) записывается в виде двух выражений, с помощью приравнивания действительной и мнимой частей:

++ (1.42)

2*(++)=, (1.43)

Выражения (1.42) и (1.43) применяются в основном для проектирования и расчёта разных СВЧ - установок для тепловой обработки диэлектрических материалов. Эти выражения связывают постоянные затухания и фазовые константы с диэлектрическими характеристиками материала и с длиной волны источника СВЧ - энергии. Поэтому эти уравнения можно применять для нахождения фазовой постоянной и константы затухания.

Согласно уравнениям (1.42) и (1.43) можно получить значения константы затухания в направлении оси z:

(1.44)

2*=, (1.45)

Преобразуя выражение (1.45), получаем:

, (1.46)



Подставим выражение (1.46) в соотношение (1.44), получится следующее уравнение:

(1.47)

Пусть: x=, и преобразуя выражение (1.47) получаем:

x2+ , (1.48)

Решение уравнения (1.48) имеет вид:

x1,2= , (1.49)

Так как константа затухания больше нуля, то это уравнение имеет только одно решение, и преобразуя это решение, получаем:

* (1.50)

В этом решение

tgд =

это тангенс угла потерь в диэлектрике [3].

Определим величину константы затухания амплитуды напряженности электрического поля в изотропном однородном материале:



(1.51)

Это выражение приводится в статьях [1, 2], однако этим соотношением не пользуются, так как его не удобно использовать для вычислений. Поэтому используют упрощенное соотношение:

. (1.52)

Подставим соотношение (1.52) в (1.46), получим выражение типа:

, (1.53)

Пусть бzn и бzk - константы затухания при начальной температуры окружающей среды (Тнач) и соответственно конечной температуры (Ткон). Еще ”нач и ”кон - значения мнимой части диэлектрической проницаемости при начальной (Тнач) и соответственно конечной (Ткон) температуры окружающей среды; а 'нач и 'кон - значения действительной части диэлектрической проницаемости при начальной (Тнач) и соответственно конечной (Ткон) температуры окружающей среды.

С учётом начальной и конечной температуры среды можно записать:

бzn = (1.54)

бzn = (1.55)



В стационарном режиме нагрева материала будем предполагать, что мнимая часть диэлектрической проницаемости диэлектрического материала линейно зависимая функция от изменения температур. Это справедливо для однородных масс на частоте 2,45 ГГц [1, 2].

1.3 Выбор источников СВЧ - энергии для микроволновых установок

В устройствах СВЧ вида, действующих на частоте колебаний электромагнитного поля 2,45 ГГц, для термообработки материалов с большими диэлектрическими потерями применяют разные источники СВЧ - энергии, отличные как по конструкции, так и по характеристикам [13].

В мощных СВЧ - установок лучевого типа используются источники от 25 кВт и больше, что зависит от нужной производительности технологического процесса.

У источников сверхвысокочастотного излучения высокой выходной мощности имеются существенные недостатки, такие как большие вес и габаритные размеры; надобность в проведении микроволновой энергии к обрабатываемому материалу так, чтоб гарантировать его ровный нагрев. Также к недостаткам следует отнести и то, что у многих генераторов микроволновой энергии имеется большая чувствительность к отраженной мощности (для устойчивой работы источника нужен коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)), что собственно формирует надобность применения для защиты генераторов особых дорогих установок таких как, ферритовых циркуляторов;

Еще к недостаткам относятся то, что для охлаждения генераторов микроволновой энергии магнетронного вида нужно применять водяное охлаждение с водой определенного качества. В случае если источник микроволновой энергии с большим значением мощности перестает работать, то полностью останавливается технологический процесс термообработки материала до тех пора, пока не заменили на новый. Для микроволновых установок большой мощности при их работе используются особые средства защиты для обслуживающего персонала и при эксплуатации, и при пусконаладочных работах. Также сверхвысокочастотные установки с источниками огромной мощности имеют высокую стоимость.

На сегодняшний день для осуществления работы микроволновых устройств нагрева мощностью до 30 кВт применяются компактные, недорогие и малогабаритные микроволновые источники, имеющие воздушное охлаждение, подобранные из комплектующих деталей передовых иностранных бытовых микроволновых установок лучевого типа.

Компактные микроволновые источники разрешено помещать на микроволновом аппарате для того, чтобы выполнялись требования технологического процесса термообработки материала с большими диэлектрическими потерями. Магнетроны домашних микроволновых печей хорошо выдерживают отображенный сигнал, но имеют в распоряжении температурную защиту, которая автоматически отключает магнетрон, когда он находиться в состоянии перегрева.

Преимущества источников микроволновой энергии с малой мощностью заключаются в том, что им не требуется водяного охлаждения. А охлаждаются они за счет потоков воздуха. В отдельности необходимо выделить то обстоятельство, что при выходе из строя 1-го из них технологический процесс, в принципе, не прекращает работу, а подмена источника вероятно была совершенна в течение нескольких мин.. Стоимость подобных источников мала, а коэффициент полезного действия (КПД) от сети в сегодняшнее время имеет значение равное 67%.

На рисунке 1.3.1 представлена фотография источника СВЧ - энергии с малой мощностью, разработанный на базе иностранных комплектующих [2], который имеет размеры: длина 400 мм; ширина 200 мм; высота 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 Ч 34) мм. Такие источники предпочтены в текущей исследовательской работе.



Рисунок 1.3.1 Источник СВЧ - энергии мощностью 0,6 кВт

1.4 СВЧ - установки для тепловой обработки диэлектрических материалов

Рассмотрим использование микроволновых агрегатов лучевого типа к определенным технологическим процессам однородного нагрева объёмных материалов, диэлектрические характеристики которых меняются в просторных границах, как от температуры, так и от влажности.

Источники с излучателями из волноводов, размещены на поверхности камеры в установленном расположении над плоскостью обрабатываемого объёмного материала. Эти СВЧ - устройства применяются в технологических процессах выполнения термообработки изделий из бетона.

СВЧ - устройства на базе камер проходного или периодического вида, характеризуются тем, что на боковых плоскостях камер в конкретном порядке размещены источники с излучателями волноводной конструкции . Зазор между стенами камер равна от 10 до 20 длин волн микроволнового источника. Данные СВЧ - устройства хорошо применяются в таких процессах, как:

- качественная сушка штабелей древесины твердолиственных пород;

- качественная сушка картона, толщиной более 50 мм;

- обеззараживания почвы в оранжереях и теплицах;

- быстрый набор прочности изделий из пенобетона и бетона;

- отвердевание объёмных материалов, таких как, труб больших толщин и диаметров состоящие из композиционных полимерных материалов и прочих.

В научной публикации [14] представлено СВЧ - устройство, представляющее собой периодическую камеру для сушки штабелей древесины твердолиственных пород. На боковых поверхностях камеры в конкретном порядке размещены микроволновые источники, имеющие значение мощности 0,6 кВт каждый.

Такие источники имеют вывод энергии в виде волновода, сечением (72 34) мм на частоте 2,45 ГГц. Размещение источников на боковых поверхностях камеры СВЧ - установки гарантирует равномерное рассредоточение температуры по объёму штабеля древесины. Микроволновая установка для сушки штабеля древесины изображена на рисунке 1.4.1.

Рисунок 1.4.1 Микроволновая установка для сушки штабеля древесины

Расчёт распределения температуры в штабеле древесины велся и для изначального стадии сушки при наибольшей влажности материала, и для завершающего стадии сушки, при наименьшей влажности материала. Критерий для расчёта технологического режима сушки материала заключалось в том, что смещение температуры древесины от номинальной величины температуры древесины штабеля при наименьшей влажности не обязано превосходить 10% [14].

Разработан СВЧ - аппарат лучевого типа для термообработки объёмных диэлектрических материалов. СВЧ - устройство изображена на рисунке 1.4.2 и располагает по 6 источников СВЧ - энергии, находящихся по противолежащим стенам установки. Габариты рабочей камеры: длина составляет 1300 мм; ширина - 1200 мм; а высота - 1200 мм. Значение наибольшей микроволновой мощности составляет 7,2 кВт на частоте 2,45 ГГц.

Отклонение измеренной величины температуры листа древесины, размещенного на расстоянии 450 мм от боковых стен микроволновой установки от номинальной величины температуры не превосходило 2.

Рисунок 1.4.2 СВЧ - установка лучевого типа предназначенная для тепловой обработки диэлектрических материалов

Разработанная СВЧ - установка лучевого типа предназначенная для термообработки зерновых культур, представлена на рисунке 1.4.3. СВЧ - установка представляет собой камеру размерами: длина - 1.2 м; ширина - 0.9 м; а высота - 0.6 м. На верхней крышке установки расположено восемь источников сверхвысокочастотной энергии, со значением мощности равной по 0,6 кВт каждый. Таким образом, максимальная величина микроволновой мощности составляла 4,8 кВт на частоте колебаний электромагнитного поля 2.45 ГГц. СВЧ - установка позволяла нагревать 25 кг хлопьев геркулеса за 15-20 минут до температуры +(130-140) єС, при которой уничтожалась вредная микрофлора. Отклонение экспериментальных значений температуры от номинального значения температур в материале, расположенного на расстоянии 400 мм от плоскости расположения источников микроволновой энергии не превышало 3єС.

Аналогичная СВЧ - установка лучевого типа разработана для обеззараживания изделий из шерсти и представлено на рисунке 1.4.4.



Рисунок 1.4.3 СВЧ - агрегат лучевого типа предназначенный для тепловой обработки сельскохозяйственной продукции

Рисунок. 1.4.4 СВЧ - аппарат лучевого типа предназначенный для обеззараживания материалов из шерсти

На рисунке 1.4.5 изображена камера нагрева, на побочных плоскостях которой находятся двенадцать источников сверхвысокочастотной энергии. Подобная камера находится в составе СВЧ - устройства для тепловой обработки диэлектрических объёмных материалов в режиме конвейера. На въезде и выезде СВЧ - установки размещались шлюзовые камеры, предотвращающие выход излучения из конструкции. А также такие камеры давали обеспеченную не опасную работу обслуживающего персонала.



Рисунок 1.4.5 Камера нагрева СВЧ - установки предназначенная для тепловой обработки разных диэлектрических материалов в режиме конвейера

Подобные устройства применяются в основном для сушки древесины твердолиственных пород, для разморозки партий табака, и для термообработки керамических и бетонных плит.

В научной статье [14] говорится об СВЧ - установках в виде конвейера, применяемые для изготовления теплоизолирующих строительных материалов основанные на жидких и сухих силикатах. Имеются СВЧ - конструкции и для скорой термообработки материалов (с помощью метода вспучивания), и для малой обработки. Обширный диапазон скоростей тепловой обработки дает возможность приобрести полную палитру пористых термоизоляционных материалов, которые отличаются своей структурой, плотностью, составом и прочностью. Камера нагрева сконструирована так, чтобы электромагнитные волны, не были полностью поглощены готовой панелью, в последствии многочисленных отражений от стен камеры доходят до материала мокрых плит и впитываются ими же. Основным условием успеха размеренного нагрева материалов считается применение огромного количества излучателей небольшой мощности, находящихся в назначенном построении на микроволновой камере нагрева. Источники СВЧ -энергии на несущей частоте 2,45 ГГц и мощностью с значением равной 27 кВт. На рисунке 1.4.6 представлена схема расположения источников на камере СВЧ- установки для изготовления теплоизоляционных плит с габаритами (600 600 50) мм из набухшего минерала, сопряженного жидким стеклом.

Рисунок 1.4.6 Схема расположения источников СВЧ - энергии в камере. 1 - корпус нагревательной камеры; 2 - источник СВЧ - энергии; 3-4 - вентилятор и вентиляционное окно; 5 - конвейер; 6 - фланец

Конструкция СВЧ - установки предназначенная для тепловой обработки минерала, сопряженного жидким стеклом, складывается из нагрузочного стола, на который ставятся формы с влажными плитами. С содействием электропривода конвейерная лента доводится в передвижение и формы путем шлюза, отводящая утечку СВЧ - энергии, включаются в нагревательную камеру. Подобных камер устанавливаются сразу несколько, в зависимости с требуемой продуктивностью. Затем каждая плита проникает сквозь шлюз и оказывается на разгрузочном столике, с которого в последствии снимается плита и потом достается из формы.

Созданная СВЧ - устройство конвейерного типа имеет небольшие габариты, легка в обслуживании и эксплуатации, гарантирует высочайшее качество термоизоляционных материалов, фактически недосягаемое при применении остальных способов нагрева.

Изображенные ранее конструкции СВЧ - устройств и размещение в них материала для обработки, как положено, строились на базе итогов бессчетных опытных исследований. Опытные исследования требовали больших затрат средств для проработки различных требований, представляемых к научно-техническим процессам.



2. КОНСТРУКЦИЯ И МЕТОД РАСЧЁТА СВЧ -УСТАНОВКИ

2.1 Конструкция СВЧ - установки с нагревательной камерой

Формирование равномерного размещения температуры точно по объёму материалов с большими диэлектрическими потерями считается актуальным вопросом в разных отраслях индустрии. Изучение российских и иностранных патентов, да и научных статей разрешает делать вывод того, что лишь метод нагрева с помощью микроволновой установки разрешает достигнуть высокого КПД технологических процессов тепловой обработки материалов и осуществить равномерное размещение температуры точно по объёму исходного материала, потому что энергия СВЧ - излучения в мгновение попадает в объём обрабатываемого материала вне зависимости от его параметров теплопроводности, при этом не нагревается окружающий воздух и считается экологично чистым способом нагрева. В многих иностранных и российских научных статьях обнаружено, что технические параметры полученных изделий находятся в зависимости от значения распространения температуры по всему объёму исходного материала, времени удерживании установленной температуры в обрабатываемом материале и темпу нагрева [2, 14].

Для равномерной тепловой обработки материалов с различными поперечными сечениями применяются электродинамические системы, которые состоят в основном из нескольких камер лучевого типа сквозь которые проходит исходный материал. На сегодняшний день в промышленности для нагрева разнообразных диэлектрических материалов используют источники СВЧ - энергии на частоте 2,45 ГГц. СВЧ - устройства, в том числе, конвейерного вида, считаются источниками побочных излучений, оказывающие отрицательное действие на работу электрооборудования, находящегося поблизости к установке и персонала. Поэтому с этим нужно при исследовании таких СВЧ - установок учесть методы понижения уровня второстепенных излучений, и для персонала, и для работы электрооборудования.

Функциональная схема СВЧ - установки лучевого и конвейерного типа представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 Функциональная схема СВЧ - установки лучевого и конвейерного типа. 1. - камера нагрева; 2 - источники СВЧ - энергии с магнетронами; 3 - шлюз; 4 - привод; 5,11 - конвейерная лента; 6 -каркас из металла; 7 - загрузочный столик; 8- разгрузочный столик; 9 - управление источником СВЧ энергии; 10 - обрабатываемый материал

Принцип работы СВЧ - установки: обрабатываемый материал располагается на нагрузочный стол и с помощью привода конвейерная лента, сделанная из радиопрозрачного материала (используют лавсановое моноволокно) приводится в движение. Диэлектрический материал проходит шлюзовую камеру, при этом предотвращается утечка СВЧ - энергии в окружающий воздух, затем попадает в камеру, где нагревается до установленной температуры с содействием источников СВЧ - энергии, расположенных на верхней и боковых и стенах микроволновой камеры. Нагретый до установленной температуры обрабатываемый материал из микроволновой камеры оказывается в шлюзовой камере, также предотвращает утечку СВЧ - излучения в окружающий воздух и оказывается на выгрузочном столе. Разгрузочный и загрузочный столы, камера нагрева и шлюзовые камеры размещены на железном каркасе.

На рисунке 2.1.2 изображена конструкция рабочей микроволновой камеры с источниками СВЧ- энергии.

Рисунок 2.1.2 Конструкция рабочей микроволновой камеры с источниками СВЧ - энергии. 1 - рабочая камера; 2 - источник СВЧ -энергии; 3 - диэлектрический материал; 4 - лента конвейера

Регулирование технологическим процессом тепловой обработки материала разрешено выполнять с помощью изменения скорости ленты конвейера или с помощью изменения уровня мощностей всех, размещенных по камере, источников. Если нужно повысить производительность микроволновой установки, в таком случае разрешено последовательно, один за другим, по линии движения диэлектрического материала, установить некоторое количество камер нагрев.

Камера лучевого типа содержит форму, показанную на рисунке 2.1.2. На нагревательной камере, размещены источники СВЧ - энергии. Они подобраны на элементной базе иностранных СВЧ - печей. Значение выходной мощности источника равна 0,8 кВт. Степень побочных излучений обусловливается уровнем уплотнения насаждения магнетрона в волновод, и, обычно, значительно меньше, чем в бытовых печах.

Камера имела следующие размеры: длина включая фланцы составила 1200 мм, высота составила 800 мм, а ширина составляет 1200 мм. Размеры канала конвейера для тепловой обработки материала составляют по ширине и высоте соответственно: 650 мм и 250 мм.

На наружной крышке нагревательной камеры и по ее боковым сторонам размещены по 4 источника СВЧ - энергии. Они размещены так, чтобы гарантировать ровный нагрев диэлектрического материала, как идущего чрез камеру с установленной скоростью конвейера, так и в неподвижном режиме. Источники имеют вывод энергии в виде волновода с размерами 72 х 34 мм. Рабочая частота источника СВЧ - энергии составляет 2,45 ГГц. Источники СВЧ - энергии закрепляются к камере при помощи фланцев. Во избежания излучения в окружающих воздух между фланцами источника и камерой размещены контактные пружинные прокладки.

Если будет известна СВЧ - мощность, поглощенная обрабатываемым материалом и излучаемая мощность источников СВЧ - энергии, то разрешено найти величину мощности, которая выходит в шлюз.

Для понижения уровня второстепенного излучения на выходе и входе диэлектрического материала применяются специфические установки фильтров, такие как шлюзовые камеры, которые препятствуют выходу СВЧ - излучения из нагревательной установки. Установка шлюзов защищена патентом РФ [14].

На рисунке 2.1.3 представлено продольный разрез шлюзовых камер, конструкция и размеры которых равны соответственно габаритным размерам нагревательной камеры. Шлюзовые камеры обладают аналогичными поперечными размерами канала для передвижения обрабатываемого материала.



Рисунок 2.1.3 Поперечное сечение конструкции шлюза СВЧ -установки: 1 -металлический кожух; 2 - заполненные водой, трубы; 3 - пластины из металла; 4 - пенал из радиопрозрачного материала; 5 - металлический экран; 6 - надвижные стержни; 7 - фланец, соединяющий шлюзовую камеру с камерой нагрева

Для того, чтобы поглотить СВЧ - излучение, выходящего по рабочему каналу из нагревательной камеры, внутри шлюза имеется специальный каркас, на который наверчена труба из радиопрозрачного материала (используют поливинилхлорида), наполненная водой. Среди трубок и внешней поверхности камеры в периодической очередности размещены железные пластины. СВЧ - излучение, попадает между плитами, имеющие контакт с наружным кожухом шлюза, имеет постоянные отражения от этих пластин и поглощается циркулирующей водой в трубках из радиопрозрачного материала. Внутри камеры расположен пенал из радиопрозрачного материала (полипропилена), который фиксируется фланцами и внутренним каркасом. Внутри пенала в периодической последовательности на подвижных стержнях размещены железные экраны, которые к тому же тоже отражают СВЧ - излучение, выходное из нагревательной камеры с источниками СВЧ - энергии.

Значение КСВН источника СВЧ - энергии с диэлектрическим материалом не превосходит отметки 1,3 в диапазоне частот от 0,05 ГГц до 2,45 ГГц

Установки шлюза объединены с нагревательной камерой при помощи специфических фланцев, имеющие пружинные прокладки для избегания утечки СВЧ - излучения в окружающий воздух.

Опытными исследованиями установлено, что степень второстепенных излучений от СВЧ - установки, промеренному с помощью устройства “ИИ-01” не превосходил отметки в 10 мкВт/см2, что при этом не нарушило работу окружающей аппаратуры и давало обеспечение в необходимых безопасных санитарных нормах для персонала.

2.2 Модель и метод расчета СВЧ - установки

Определим распределение мощности СВЧ - излучения по всему объёму обрабатываемого материала с большими диэлектрическими потерями в неподвижном режиме для нагревательной камеры с источниками СВЧ - энергии. Конструкция установки СВЧ - излучения для равного нагрева обрабатываемых материалов, нагревательная, представлена на рисунке. 2.1.2.

В качестве обрабатываемого материала берется такой, который имеет следующие характеристики: изначальная и конечная температуры материала, должны соответственно составлять 20 єС и 70-180єС. Ширина и толщина соответственно -600 х 200 мм., теплоемкость материала должна располагаться в пределах 1,2-2,3, Дж/(г•єС), плотность материала - 0,5-1,7, г/см3. Мнимая и действительная части относительной диэлектрической проницаемости материала, е? и е?? соответственно равны 0,14-0,3 и 2,7-4,5.

Для тепловой обработки обрабатываемых материалов используют лучевые установки, имеющие раскрывы прямоугольных волноводов в виде излучающих антенн [2, 12].

Недостаток точных методов проектирования и расчёта таких конструкций СВЧ - установок не дает возможность посчитать распределение температуры по объёму материала с большими диэлектрическими потерями.

В данном разделе приводиться метод расчета и модель СВЧ - установок и сравнение результатов расчёта с опытными исследованиями.

Модель расчёта СВЧ - установок с прямоугольными раскрывами в виде волноводов, которые работают на типе волны Н10 базирована на последующих основных положениях: электромагнитное поле в сечении волновода всегда остается невозмущенным; пропадают токи на наружной поверхности волновода; отсутствуют отраженные обратно во внутрь волновода волны; достоверность уравнений Гюйгенса - Кирхгофа; равномерность обрабатываемого материала.

Волновод с прямоугольным раскрывом, как обычно, работает на волне типа Н10 . На рисунке 2.2.1 изображено схематическое представление излучения из волновода.

Рисунок 2.2.1 Схематическое представление излучения из волновода: а и b - размеры соответственно широкой и узкой стенок волновода; и - угол, составляющий необходимое направление для распространения энергии.



Поперечное сечение волновода имеет размеры, которые выбираются с учетом следующих условий [12]:

, (2.1)

где: а и b - размеры соответственно широкой и узкой стенок волновода.

Составляющие по прямоугольным координатам у электромагнитного поля вычисляются по формулам [12]:

, (2.2)

где:

(2.3)

Где k определяется по формуле [2, 12]:

, (2.4)

На сегодняшний день нет строгого решения задачи излучения по сечению волновода [15]. Поэтому решение аналогичных задач дает основание утверждать, что высокую точность получить можно используя метод Гюйгенса - Кирхгофа.

По этим соображениям диаграмму направленности можно выразить соответственно следующими формулами:

в Е - плоскости:

, (2.5)

в Н - плоскости:

, (2.6)

В исследовательской работе изучаются такие СВЧ - устройства, которые применяют антенны, работающие на H10 (открытые прямоугольные волноводы) для ввода СВЧ - энергии. Место расположения и количество антенн обусловливается физическими свойствами и геометрическими размерами диэлектрического материала.

Излучаемая из сечения прямоугольного волновода, мощность электромагнитного поля, неравномерно рассредоточена в пространстве. Связь между мощностью излучения из сечения волновода и величиной угла , составляющий интересное для нас направление относительно характера распределения энергии в волноводе, можно описать следующими уравнениями:

в Е - плоскости:

, (2.7)



в Н - плоскости:

, (2.8)

На рисунке 2.2.2 и рис. 2.2.3 представлены диаграммы направленности по мощности, которые рассчитаны соответственно по формулам (2.7) и (2.8) при а=72 мм и b=34 мм, а также при а=90 мм и b=45 мм.

Рисунок 2.2.2 Диаграмма направленности по мощности в Е- плоскости из сечения волноводов с размерами (90х45) мм и (72х34) мм.



Рисунок 2.2.3 Диаграмма направленности по мощности в Н- плоскости из сечения волноводов с размерами (90х45) мм и (72х34) мм

Из показанных диаграмм можно увидеть, что для источников СВЧ - энергии наиболее рентабельно применять волноводы с сечением (72Ч34) мм. Это значительно улучшает габаритные характеристики СВЧ - устройств.

Когда в качестве СВЧ - установки для нагрева диэлектрических материалов применяются камеры лучевого типа, то около 90% генеримой мощности излучения сможет использоваться для нагревания материала из-за постоянных отражений от стен нагревательной камеры [2].

Преобразованная и поглощенная в тепло энергия СВЧ - излучения с потерями в обрабатываемом материале уменьшается по экспонентному закону в направлении распределения энергии и возможно ее можно рассчитать учитывая константу затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале с помощью выражения (1.11).

На границе материала часть мощности СВЧ - излучения отражается назад к источнику излучения. Сохранившаяся часть мощности отдается материалу, поэтому по экспоненциальному закону уменьшается энергия диэлектрического поля в диэлектрическом материале. То есть имеем уравнение:



, (2.9)

где - константа затухания амплитуды напряженности электрического поля [1-2].

При этом в данном выражении уже учитывается, что потерей мощности нет в стенках камеры (металлические стенки).

Температура материала возрастает со скоростью:

, (2.10)

где это теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/(г•єС) ; это плотность обрабатываемого материала, г/см3; dT/dt - скорость изменения температуры от времени, измеряется в градус/сек.

Размещение излучающих антенн в конструкции данной установки определяется по геометрическим соображениям диэлектрического материала, а также расстоянием от поверхности размещения источников СВЧ - энергии до плоскости материала.

С помощью метода Гюйгенса - Кирхгофа рассчитано распределение мощности СВЧ - излучения из сечения волновода на основной волне Н10 по узкой и по широкой стенкам [15].

Преобразованная и поглощенная в тепло мощность в диэлектрическом материале можно рассчитать при помощи выражения:

, (2.11)

где Рпогл - значение поглощённой мощности СВЧ -излучения, измеряемая в Вт/см3; а Е - амплитуда напряженности электрического поля, измеряемая в В/см; ѓ - частота колебаний в Гц; е?? - мнимая часть диэлектрической проницаемости диэлектрического материала.

Если плотность и теплоемкость диэлектрического материала в результате нагрева остаются неизменными, то величина температуры обрабатываемого материала можно вычислить по следующей формуле [2]:

, (2.12)

где Т(ф) - конечная температура материала, облученного в течение некоторого времени ф, Тнач- начальная температура материала до облучения.

Поэтому получаем, что распределение по объёму или по поверхности температуры диэлектрического материала возможно рассчитать за счет суперпозиции всех распределений мощности от разных источников СВЧ - энергии.

Если за материалом расположить отражательную металлическую стену, то чисто теоретически можно получить то, что в материале практически вся мощность СВЧ -излучения поглощается.

Если учесть размеры камеры нагрева и расположить обрабатываемый материал на заданном расстоянии от волноводных излучателей, то можно с помощью суперпозиции распределений температуры по глубине материала получить результат распределения температуры по всему объёму, а возрастание температуры материала можно выразить в виде [1, 2]:

, (2.11)

где - СВЧ - мощность всех излучателей, подведенная к материалу в; а - общая масса обрабатываемого материала в .

В данной исследовательской работе предложенная модель расчёта основывается на таких соображениях, как: область вне нагревательной камеры является свободным полупространством, то есть абсолютно вся излучаемая мощность поглощается обрабатываемым материалом включая и мощность, которая отражена от боковых стен нагревательной камеры; обрабатываемый материал обладает малой теплопроводностью и является изотропным. Поэтому можно пренебречь значениями теплопроводности.

На рисунке 2.2.4 показаны измеренные и рассчитанные величины распределения температуры по поверхности диэлектрического материала (использовался клен) при нагревании до температуры равной +80єС.

Рисунок 2.2.4 Экспериментальные значения распределения температуры по всей поверхности диэлектрического материала.

На рис. 2.2.5 и 2.2.6 изображены рассчитанные характеристики распределения температуры (красный график) по ширине и по длине соответственно материала на глубине 100 мм и экспериментальные характеристики (синий график).



Рисунок 2.2.5 Рассчитанные и экспериментальные характеристики распределения по ширине температуры материала на глубине равной 100 мм

Рисунок 2.2.6 Рассчитанные и экспериментальные характеристики распределения по длине температуры материала на глубине равной 100 мм

Разница температуры по всему объёму обрабатываемого материала от номинальной величины температуры материала не превысила 8%, то есть получили значения удовлетворяющие требованиям основного технологического процесса. Получается расхождение измеренных и рассчитанных параметров распределения температуры по ширине материала составляло не более 4%.

В итоге получили СВЧ - установку, которая имеет следующие основные характеристики: суммарная мощность СВЧ - источников энергии составляет 7,2 кВт, на рабочей частоте колебаний 2,45 ГГц, поперечные габариты окна для обрабатываемого материала составляют 650 Ч 250 мм2, а поперечные размеры самого диэлектрического материала составляют 600 Ч 200 мм2, скорость движения материала по конвейерной ленте можно брать в пределах 0,25-0,9 м/мин, максимальная величина температуры нагрева материала равна 200°С, при начальной температуры в 20°С.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выпускной квалификационной работе бакалавра были выполнены все требования технического задания, а именно:

1. Разработана конструкция СВЧ - установки лучевого типа для равномерной тепловой обработки диэлектрических материалов. Данная установка имеет следующие параметры: суммарная мощность СВЧ - источников энергии составляет 7,2 кВт, на рабочей частоте колебаний 2,45 ГГц, поперечные габариты окна для обрабатываемого материала составляют 650 Ч 250 мм2, а поперечные размеры самого диэлектрического материала составляют 600 Ч 200 мм2, скорость движения материала по конвейерной ленте можно брать в пределах 0,25-0,9 м/мин, максимальная величина температуры нагрева материала равна 200°С, при начальной температуры в 20°С.

2. Предложен метод расчёта характеристик СВЧ - установки в режимы нагрева материала с большими диэлектрическими потерями, который основан на методе Гюйгенса - Кирхгофа и суперпозиции температурных распределений внутри материала от отражающих стенок и всех источников;

3. Предложена модель СВЧ - установки с диэлектрическим материалом с учётом отраженной мощности СВЧ - излучения от стенок камеры и того, что используется однородное полупространство .

4. Разница измеренных и рассчитанных характеристик температурных распределений по всему объёму материала не превосходило 4%, а разница между полученной температуры в материале и номинальным значения температуры не превысило 8%.

5. Разработанная СВЧ - установка лучевого типа для равномерной тепловой обработки диэлектрических материалов обеспечивает безопасную работу обслуживающего персонала и негативно не воздействует на электрическое оборудование, так как уровень второстепенных излучений от СВЧ - установки не превосходил 10мкВт/см2, что ниже допустимых значений для излучения из такого рода установок.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Окресс Э. СВЧ - энергетика. М.: Мир, 1971, т . 2.

2. Мамонтов А. В ., Нефёдов В. Н., Назаров И. В ., Потапова Т. А. СВЧ - технологии // Монография. М.: Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий МИЭМ (технического университета), 2008, 326 c.

3. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов // Издательство Саратовского государственного университета, 1983.

4. И.В. Кубракова. Микроволновое излучение в аналитической химии. Возможности и перспективы использования // Успехи химии. 2002. Т.71, №4. С. 327-340.

5. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы // Соросовский образовательный журнал, № 1, 1995

6. Babatunde Bolasodun, Alan Nesbitt, Arthur Wikinson, Richard Day Effect of curing method on physical and mechanical properties of araldite DLS 772/4 4 DDs epoxy system // International journal of Technology research & scientific volume 2, issue 2, february 2013, pp. 12

7. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. Полимерные композиционные материалы: технология, свойства, структура: Учебное пособие / Под ред. А.А Берлина -- СПб.: Профессия, 2008.- 560 с.

8. А.Н. Диденко, Б.В. Зверев СВЧ - энергетика // Москва, Наука, 2000, 264с.

9. Шахова Ф.А ., Масленников С.И ., Киреева М.С ., Шавшукова С.Ю ., Зорин В.В ., Мусавиров Р.С ., Рахманкулов Д.Л. Применение микроволнового излучения в органических реакциях // Материалы IV Международной конференции «Наукоемкие химические технологии ».- Волгоград, 1996.- С.95

10. Шавшукова С. Ю., Вихарева И. Н., Удалова Е. А. "Применение микроволнового излучения в химии полимеров" , Башкирский химический журнал, 2010, том 17, №2, с.116-120

11. Евтушенко А.М., Чихачева И.П., Зубов В.П., Кубракова И.В. "СВЧ - активация - новая технология создания композиционных полимерных систем: Тез.докл. 10 Междунар. научн.-техн. конф. "Наукоемкие химические технологии" - 2004", т.2. -Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2004. - С.120

12. И.В. Лебедев Техника и приборы СВЧ, т.1 // Изд-во Высшая школа. Москва, 1970

13. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Выпуск 10 (1681). Г.Г. Гонтарев, Б.Н. Глазырин, Г.В. Лысов, М.Н. Молохов, Э.В. Перовский, А.П. Пиденко, В.Н. Удалов. Микроволновое технологическое оборудование и приборы. ЦНИИ “Электроника”, Москва, 1992 г.

14. Патент РФ № 2106767 от 2.02.96. СВЧ - печь конвейерного типа. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 10.03.98. Бюл. № 7.

15. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства // Издательство “Связь”, Москва, 1977.

Размещено на Allbest.ru