Введение к работе
Актуальность работы. Анализ современных научных публикаций в области исследований современных сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов показывает [1 ], что наибольшее внимание в этой области уделяется поиску принципиально новых технических решений, которые позволяют формировать заданное распределение температуры по объему обрабатываемого материала. Эта задача имеет особое значение при термообработке материалов значительной толщины yd) (3...6 длин волн источника СВЧ энергии), обладающих к тому же низким коэффициентом тепло-
( Вт Л
проводности /^^0,2- . Кроме того, задача осложняется достаточно
V К-м)
жёсткими требованиями технологических процессов нагрева к неравномерности распределения температуры в объёме материала
Именно эти условия и ограничения наиболее явно проявляются в производстве материалов, используемых в строительстве, что определяется условиями технологического процесса для реализации необходимых прочностных характеристик получаемых изделий с учетом полноты протекания реакций гидратации (бетон, пенобетон с различными наполнителями), полимеризации (изделия из стеклопластика и полимеров, композиты), а также отсутствия внутренних механических напряжений.
Особую роль СВЧ термообработка может занять в производстве теплоизоляционных материалов для строительства ввиду крайней неэффективности существующих ныне конвекционных способов нагрева, что определяется низким коэффициентом теплопроводности утеплителей.
Для высокой производительности технологического процесса термообработки объемных материалов используют СВЧ устройства лучевого типа, которые представляют собой камеры проходного или периодического действия, на боковых поверхностях которых размещены источники СВЧ энергии с излучающей антенной в виде раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны Н10.
Проведённые экспериментальные исследования и опыт практических разработок показали, что основным недостатком СВЧ нагревающих устройств лучевого типа, существенно ограничивающим применяемость этих устройств, является неравномерность формирования ими температурного поля в объёме материала, при которой максимум распределения температуры находится в глубине материала, а не на его поверхности.
Разработка новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, обеспечивающих заданное распределение температуры в объеме обрабатываемого материала, а также разработка моделей и методов их расчета является актуальной задачей при производстве материалов строительной индустрии и решению именно этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов, моделей и методов их расчета, а также использование полученных результатов в технологических процессах производства строительных материалов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
исследование процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами с различными диэлектрическими потерями в зависимости от типа облучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода;
разработка метода построения и реализация новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа для формирования заданного распределения температуры по объему материалов за счет использования комбинации излучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде щели в широкой стенке волновода;
исследование и разработка модели и метода расчета СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от влажности и температуры.
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; методов математического моделирования; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью разработанных моделей, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами, опубликованными ранее в научных публикациях.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
1. Модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа термообработки
материалов, в которых используются излучающие антенны в виде раскрыва
прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10, при
этом с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры отклонение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не превышает 6%;
2. Модель и метод построения СВЧ устройств лучевого типа термообра
ботки материалов, в которых используются антенны в виде излучающей щели в
широкой стенке волновода на основном типе волны Hl0, при этом эксперимен
тальные характеристики распределения температуры в материале имеют вид
парабол, спадающих от поверхности вглубь материала в зависимости от диэлектрических параметров материала;
3. Метод построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, содержащих два типа излучателей, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, позволяющий формировать заданное распределение температуры за счет суперпозиции взаимодополняющих распределений температуры в материале от различных излучающих антенн;
4. Результаты математического моделирования физических процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами качественно подтверждают полученные результаты экспериментальных исследований по распределению температуры по объему материала, а также позволяют учитывать степень влияния отражающих стенок камеры на характер распределения температуры в материале.
Практическая ценность результатов диссертации:
Разработанные модели, методы расчета и новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов способствуют их внедрению в высокоэффективные технологические процессы производства изделий строительной индустрии.
Использование разработанного метода построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа позволяет формировать заданное распределение температуры в обрабатываемых материалах с точностью, отвечающей условиям технологического процесса.
Научная новизна диссертации заключается в том, что представлены новые модели, методы расчета, как сверхвысокочастотных устройств, так и технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, позволяющие формировать заданные распределения температуры в материалах. Более подробно научная новизна характеризуется тем, что впервые:
разработаны модели и методы расчета СВЧ устройств лучевого типа, в которых используются в качестве нагревательных элементов - излучающие антенны, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10, так и в виде излучающих щелей в широкой стенке волноводов;
разработана методика расчета конструкций сверхвысокочастотных устройств лучевого типа для материалов с относительно малыми диэлектрическими потерями, позволяющая рассчитать распределение температуры на поверхности и в объеме материала;
разработан метод расчета распределения температуры в материалах, учитывающий зависимость диэлектрических параметров материала от температуры при термообработке его в СВЧ устройствах лучевого типа.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно- конструкторской работе, выполненных в ЗАО НТЦ «Альфа-1», научно-исследовательской опытно-конструкторской работе, выполненной в НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), использованы в десяти научно-исследовательских работах и внедрены в учебный процесс МИЭМ. Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики;
на VI, VIII, IX и X межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». МГУ, ноябрь, 2005 г., 2007, 2008 г., 2009 г.;
- на международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения». Саратов, сентябрь, 2008 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 статей, из которых 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Имеет общий объем 164 страниц, в том числе 70 рисунков, 122 наименования списка использованных источников на 13 страницах, 4 страницы приложения.
