Содержание к диссертации
Введение
1. СВЧ электротехнология и её применение 12
1.1. Тепловая СВЧ модификация диэлектриков 12
1.1.1. СВЧ диэлектрический нагрев 12
1.1.2. СВЧ электротермические установки и их классификация 15
1.2. Нетепловая СВЧ модификация диэлектриков 23
1.2.1. Нетепловое СВЧ воздействие на диэлектрики 23
1.2.2. СВЧ электротехнологические установки нетеплового действия и их классификация 26
2. Рабочие камеры лучевого типа для СВЧ модификации диэлектриков 34
2.1. Классификация рабочих камер 34
2.2. Излучатели СВЧ энергии и электромагнитные волны в камерах лучевого типа 42
2.3. Технологические процессы, реализуемые в установках с камерами лучевого типа 63
2.4. Камеры лучевого типа с несколькими излучающими системами 65
3. Камеры лучевого типа установок СВЧ диэлектрического нагрева 68
3.1. Энергетическая эффективность камер лучевого типа 68
3.1.1. Энергетическая эффективность 68
3.1.2. Повышение энергетической эффективности камер лучевого типа 69
3.2. Самосогласованная краевая задача электродинамики и тепломассопереноса для камер лучевого типа 81
3.2.1. Постановка самосогласованной краевой задачи 81
3.2.2. Методы решения самосогласованной краевой задачи 85
3.3. Расчет камер лучевого типа и математическое моделирование процессов тепловой модификации 90
3.3.1. Расчет камер лучевого типа 90
3.3.2. Математическое моделирование процессов тепловой модификации 99
3.3.3. Максимально достижимая температура в камерах лучевого типа 105
4. Камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок для нетепловой модификации 109
4.1. Особенности повышения энергетической эффективности камер лучевого типа для нетепловой модификации диэлектриков 109
4.2. Камеры лучевого типа для обработки синтетических нитей и тканей на их основе 112
4.2.1. Камеры лучевого типа для нетепловой модификации синтетических нитей и волокон 112
4.2.2. Камеры лучевого типа для нетепловой модификации , тканей на основе синтетических нитей 118
4.3. Камеры лучевого типа для обработки жидких и вязких полимерных материалов 122
4.3.1. Движение жидкостей в камерах лучевого типа 122
4.3.2. Рабочие камеры лучевого типа для модификации ньютоновских жидкостей 135
4.3.3. Рабочие камеры лучевого типа для модификации неньютоновских жидкостей 140
4.4. Камеры лучевого типа для обработки сыпучих материалов .141
4.4.1. Движение сыпучих материалов в камерах лучевого типа 141
4.4.2. Камеры лучевого типа для нетепловой модификации сыпучего материала 145
5. Проектирование камер лучевого типа и СВЧ установок на их основе 148
5.1. Конструкции и характеристики камер лучевого типа и СВЧ установок на их основе 148
5.1.1. Камера лучевого типа и СВЧ установка для тепловой модификации диэлектриков 148
5.1.2. Камера лучевого типа и СВЧ установка для нетепловой модификации диэлектриков 152
5.1.3.СВЧ установка гибридного типа 153
5.2. Технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ электротехнологических установок на их основе 154
5.3. Камеры лучевого типа и установки СВЧ диэлектрического нагрева диэлектриков 160
5.4. Камеры лучевого типа и установки СВЧ нетепловой модификации диэлектриков 167
5.5. Камеры лучевого типа и СВЧ электротехнологические установки гибридного типа 175
Заключение 179
Приложение 1. Влияние элементов конструкции камер лучевого типа на энергетическую эффективность 181
- СВЧ электротермические установки и их классификация
- Излучатели СВЧ энергии и электромагнитные волны в камерах лучевого типа
- Математическое моделирование процессов тепловой модификации
- Камеры лучевого типа для нетепловой модификации синтетических нитей и волокон
Введение к работе
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, СВ. 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 технологичесіше 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 уста-
новок, предназначенных для тепловой и нетепловой модификации диэлектриков.
Достижение этой цели потребовало решение следующих задач:
Исследовать проблему энергетической эффективности камер лучевого типа, реализующих тепловую и нетепловую модификацию диэлектриков.
Разработать систему технических решений, повышающих энергетическую эффективность камер лучевого типа.
Решить самосогласованную краевую задачу электродинамики и те-пломассопередачи (теплопроводности) для камер лучевого типа.
На базе решения самосогласованной краевой задачи камер электродинамики и тепломассопереноса (теплопроводности) построить методы расчета лучевого типа и математического моделирования тепловой модификации.
Разработать методы расчета камер лучевого типа для нетепловой модификации полимерных материалов.
Разработать конструкции камер лучевого типа для модификации твердых, сыпучих и жидких диэлектриков.
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 модифшсации), так и для нетепловой СВЧ модификации диэлектриков. В частности
предложены способы повышения энергетической эффективности камер лучевого типа СВЧ злектротехнологичесісих установок для тепловой и нетепловой модифшсации диэлектриков;
решена самосогласованная краевая задача электродинамики и теп-ломассопереноса (теплопроводности) для камер лучевого типа, реализующих СВЧ диэлектрический нагрев с фазовым переходом и без него;
проведено математическое моделирование процессов тепловой модификации в камерах лучевого типа, разработан метод расчета таких камер, работающих в периодическом и методическом режимах;
предложены конструкции камер лучевого типа для тепловой модификации, в том числе конструкция, позволяющая максимально концентрировать СВЧ энергию в обрабатываемом объекте;
предложен метод расчета максимально достижимой температуры в камерах лучевого типа с многогенераторным СВЧ энергоподводом;
разработаны методы расчета камер лучевого типа для нетепловой обработки синтетических нитей и тканей на их основе, жидких, вязких и сыпучих сред;
предложены конструкции камер лучевого типа для нетепловой модификации полимерных материалов и сред, в том числе гибридной установки с камерой лучевого типа для нетегаювой модификации и камерой, реализующей СВЧ диэлектрический нагрев;
разработаны методы технико-экономического анализа и оптимизации СВЧ злектротехнологичесісих установок для модифшсации диэлектриков в камерах лучевого типа.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Предложенные конструкции камер лучевого типа позволяют модифицировать диэлектрические объекты различного агрегатного состояния с более высокой энергетической эффективностью.
Камеры лучевого типа для нетепловой модификации позволяют придать полимерным материалам и изделиям новые технологические свойства, расширяющие возможности их применения.
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.
Разработанные методы расчета и конструкции камер лучевого типа позволяют проводить тепловую и нетепловую СВЧ модификацию диэлектриков с максимальной энергетической эффективностью.
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.
Мнгогенераторные камеры лучевого типа с серийными СВЧ генераторами технологического назначения позволяют нагреть объект до температуры возгонки, что дает возможность получать наноматериалы.
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 гт; внутривузовское 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 «НИН «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 140605 — «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140600 -
«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, 2007г.), международная научно-практическая конференция «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (г. Саратов, 2007г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Радиотехника и связь» (г. Саратов, 2007г.), научно-техническая конференция молодых ученых СГТУ (г. Саратов, 2008г.).
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.
СВЧ электротермические установки и их классификация
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 гт; внутривузовское 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 «НИН «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 140605 — «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140600 11
«Электротехника, электромеханика и электротехнологии», а также при дипломном проектировании.
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, 2007г.), международная научно-практическая конференция «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (г. Саратов, 2007г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Радиотехника и связь» (г. Саратов, 2007г.), научно-техническая конференция молодых ученых СГТУ (г. Саратов, 2008г.). 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.
Излучатели СВЧ энергии и электромагнитные волны в камерах лучевого типа
О нетешювом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на диэлектрики первыми заговорили микробиологи, биофизики, технологи пищевой промышленности в связи с применением СВЧ генераторов для пастеризации молока [6, 13]. Было установлено, что при СВЧ воздействии пастеризация молока происходит при меньшей температуре, чем при традиционной тепловой обработке. Сейчас можно считать установленным наличие нетеплового действия СВЧ электромагнитных колебаний на бактериальную клетку (на биополимеры) [13].
Словосочетание "нетепловое воздействие СВЧ электромагнитных колебаний" появилось в литературе сравнительно недавно в связи с работами в области применения СВЧ электромагнитных колебаний для модификации полимерных материалов. Речь идёт о таком воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на разрешенных в СВЧ электротехнологии частотах, при котором обрабатываемый объект, находясь в СВЧ электромагнитном поле короткое время, нагревается незначительно или не нагревается вовсе. При этом у него появляются новые, представляющие практический интерес технологические свойства. Так, проведенные на клеточном, молекулярном, органном уровне исследования воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на живые системы показали, что они чувствительны к воздействию СВЧ электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности [20]. Поскольку биологические объекты являются биополимерами, их отклик на нетепловое действие СВЧ электромагнитных колебаний позволил выдвинуть гипотезу о существовании нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на полимерные объекты неживой природы, приводящего к модификации их свойств [21,22]. В настоящее время установлена возможность модификации свойств при нетепловой обработке в СВЧ электромагнитном поле полимерных материалов разного технологического назначения: смазочно-охлаждающих жидкостей и вязких смазочных материалов, применяемых в машиностроении, термореактивных смол, в частности эпоксидных, текстильных материалов и волокон на основе поликапроамида [23-25].
Исследования, например, показали увеличение удельной разрывной нагрузки нитей поликапроамида после 5-10 с пребывания в СВЧ электромагнитном поле, когда температура объекта в процессе обработки остается практически постоянной [23].
Установлено также, что время отверждения эпоксидной смолы при кратковременном воздействии на неё СВЧ злектромагнитньїм полем, сокращается в 10-50 раз с технологическими показателями, не уступающими показателям контрольных образцов, отвержденных на воздухе в естественных условиях [24,25].
Одним из первых исследований в этом направлении является исследование модификации свойств материала из полисульфоновой смолы — полимерного волокнистого материала, относящегося к полиариленсульфонам [21]. Установлено, что на частоте 2450 МГц полисульфон ФП СФ-60 практически радиопрозрачен, то есть не нагревается, в то же время в результате нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний изменяются его физико-химические параметры: на 53,6 % увеличивается относительное удлинение, на 63,4% увеличивается щелочевпитываемость, на 46% уменьшается относительное электрическое сопротивление. Эти изменения зависят от напряженности электрического поля, ориентации материала относительно направления вектора Е и времени обработки. Оптимальный режим этого воздействия позволяет улучшить эксплуатационные свойства полисульфона в качестве, например, сепарационного материала в химических источниках тока.
Что касается механизма нетеплового действия СВЧ электромагнитных колебаний на полимеры, то здесь, на наш взгляд, еще много неясного и можно говорить лишь о версиях такого механизма.
Так, большинство свойств полимеров зависит не только от молекулярной массы, молекулярно-массового распределения. Два полимера могут иметь одно и то же химическое строение и почти одинаковое молекулярно-массовое распределение, но обладать совершенно разными свойствами: один из образцов может быть аморфным, а другой — кристаллическим, один - мягким и гибким, а другой — твердым. Все эти свойства определяются межмолекулярными и внутримолекулярными взаимодействиями полимерных цепей в агрегированном состоянии [26].
Большинство полимеров, используемых на практике, не являются чисто кристаллическими или аморфными, а содержат как кристаллические, так и аморфные области. Кристаллические области в полимере не имеют совершенной решеточной структуры. В этих областях сегменты цепей образуют небольшие упорядочные пачки или агрегаты, напоминающие трехмерные кристаллические решетки низкомолекулярных кристаллов. Эти упорядоченные области в полимерном материале называют кристаллитами. Кристаллиты могут быть представлены как области, состоящие из несовершенных кри-сталлоподобных агрегатов. Степень кристалличности полимера оказывает очень большое влияние на такие его свойства, как плотность, твердость, проницаемость для жидкостей, теплоемкость и электропроводность [26,27].
При ориентационной вытяжке полимеров с кристаллитами, кроме того, происходит существенная перестройка структуры: изменяется степень кристалличности. Этими изменениями обусловлено уменьшение электропроводности полимеров при их вытяжке [27].
Математическое моделирование процессов тепловой модификации
Без такого дополнительного поглотителя коэффициент стоячей волны по напряжению 10 от КСВ может превысить предельно допустимое для СВЧ генератора значение. Что касается габаритов обрабатываемого объекта в КСВ, то они, естественно, определяются размерами резонатора. Как и в случае КБВ, они тем больше, чем больше длина волны генератора. Отметим, что КСВ на прямоугольном резонаторе получили широкое распространение. СВЧ или микроволновые печи для приготовления пищевых продуктов до кулинарной готовности построены на таких резонаторах.
Если КСВ на резонаторе использовать для нетепловой модификации в СВЧ электротехнологических установках нетеплового действия, то проблема обеспечения в ней равномерной нетепловой модификации диэлектрика сохраняется. Более того, поскольку многие полимеры, модифицируемые при нетешювом действии СВЧ электромагнитных колебаний, обладают малым tg8, наличие дополнительного поглотителя в резонаторе становится характерным для КСВ в таких установках независимо от объема загружаемого в резонаторе объекта (рис.2.3 а). В целом дополнительный поглотитель снижает энергетическую эффективность КСВ, а кроме того нельзя в таких рабочих камерах проводить нетешювую модификацию диэлектриков с большими поверхностями и объемами.
В то же время КСВ с дополнительным поглотителем уже применяется для исследований нетепловой модификации образцов различных материалов. Удается, в частности, проверить, есть ли модификация диэлектрика при кратковременном воздействии СВЧ электромагнитных колебаний, но в КСВ не удается изучить, например, влияние мощности СВЧ (напряженности электрического поля Е) на технологичесіше параметры подвергаемого СВЧ воздействию материала [47,48]. Не удается обеспечить равномерную тепловую модификацию по длине в КСВ на короткозамкнутом отрезке линии передачи (рис.2.2 б), и эта камера неперспективна к применению в СВЧ электротехнологических установках нетеплового действия.
Камеры с бегущей волной (КБВ) — это отрезки линий передачи того или иного сечения, работающие в режиме, близком режиму бегущей волны. Они могут быть собраны на отрезке однородной линии передачи, нагруженной балластной нагрузкой (рис. 2.2 д), или в виде короткозамкнутого отрезка нерегулярного волновода, частично заполненного модифицируемым диэлектриком (рис. 2.2 в, г).
В этих камерах удается получить максимальную на сегодня равномерность модификации без каких-либо дополнительных способов выравнивания плотности энергии по объему модифицируемого диэлектрика [6]. Эти камеры отличаются малыми габаритами и высоким КПД по использованию СВЧ энергии.
КБВ обладает существенным недостатком: в них невозможно обрабатывать предметы произвольной формы, нельзя использовать для модификации диэлектрики с иными диэлектрическими свойствами, чем те, на которые рассчитана КБВ.
В качестве рабочих камер СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия безусловно интересны КБВ на регулярном волноводе. Если модифицируемый диэлектрик тонкий, ленточный, его ширина позволяет транспортировать его внутри волновода параллельно узкой стенке прямоугольного волновода в области пучности электрического поля электромагнитной волны типа Ню, то КБВ для нетепловой модификации может быть собрана по схеме, показанной на рис.2.3 б. Наличие балластной нагрузки позволяет обрабатьгеать по этой схеме и те материалы, у которых tgS мал.
Если ширина транспортируемого материала, подвергаемого нетепловой модификации, больше ширины широкой стенки волновода, то транспорт ленточного материала может быть проведен аналогично тому, как показано на рис.2.3 б, а для увеличения энергетической эффективности можно построить КБВ для нетепловой модификации на меандровом волноводе (рис. 2.3. в, г) [4,6,17].
КБВ на нерегулярных волноводах для нетепловой модификации диэлектриков при малом tgS неперспективны, но они применяются для, например, пастеризации [4, 6,13, 18].
Камера лучевого типа (КЛТ) с неограниченным объемом в общем случае представляет собой открытое пространство, в котором излучатель облучает модифицируемый объект (рис. 2.2 эю). Необходимость камер с открытым пространством может возникнуть при модификации крупногабаритных объектов, однако большая зона вокруг излучателя и за объектом опасна для обслуживающего персонала, да и КПД таких камер низок. По этим причинам такие КЛТ не получили распространения в СВЧ электротермических установок, нет у них перспектив применения и в СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия.
Большой практический интерес представляют КЛТ с обрабатываемым объектом, представляющим полупространство (рис. 2.2 ё). В СВЧ электротермических установках они позволяют проводить, например, размораживание мерзлого грунта, ремонт асфальтных покрытий автомобильных дорог [50], поскольку здесь не требуется равномерная термообработка на заданную глубину.
Камеры лучевого типа для нетепловой модификации синтетических нитей и волокон
Проблема повышения энергетической эффективности нетепловой модификации диэлектриков стоит не менее остро, чем подобная задача при проектировании КЛТ тепловой модификации. В то же время ей присущи свои принципиальные особенности.
Во-первых, как показывают эксперименты [22-25], эффект нетепловой модификации наступает при весьма небольшом поглощении СВЧ мощности модифицируемым диэлектриком.
Во-вторых, напряженность электрического поля электромагнитной волны в модифицируемом объекте может потребоваться достаточно высокой, так что для СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия могут понадобиться мощные СВЧ генераторы. Это в свою очередь означает, что из-за обычно небольшого tgd модифицируемого диэлектрика большая часть СВЧ мощности в КЛТ объектом модификации не поглощается.
В-третьих, малому поглощеншо СВЧ энергии в модифицируемом объекте способствует малая толщина модифицируемого объекта, как, например, в случаях синтетических нитей и тканей на их основе.
Таким образом, в КЛТ СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия после реализации модифицирующего воздействия остается достаточно большая СВЧ мощность. Если, как это чаще всего делают в СВЧ электротермии, оставшуюся СВЧ мощность рассеивать в специальных поглощающих устройствах, называемых балластными нагрузками, то энергетический КПД таких КЛТ будет весьма мал.
С учетом общей тенденции развития энергоёмких производств подобного рода установки представляются энергорасточительными. Следовательно, одной из принципиальных проблем разработки КЛТ нетепловой модификации диэлектриков является проблема рационального использования СВЧ энергии, оставшейся после реализации технологического процесса. Эта проблема может быть решена использованием оставшейся СВЧ энергии для повторного нетеплового воздействия или для реализации другого, электротермического по своей сути, технологического процесса, т.е. приводящего к максимально полному поглощению СВЧ мощности (см. п. 1.2.2, рис.1.11, а также рис.4.1) [30, 80, 81]. Проектирование такой рабочей камеры для электротермического процесса можно провести традиционным для СВЧ электротехнологических установок способом [6, 8,18].
Если в КЛТ для нетепловой модификации используется, например, рупорный излучатель, то перед приемным рупором, расположенном за модифицируемым диэлектриком (рис.4.1), согласующий четвертьволновый вый трансформатор не требуется, так как этот рупор согласован с воздушной средой.
Если диэлектрик, подвергаемый нетепловой модификации, имеет достаточную толщину и tgd О, то подвод СВЧ энергии к этому диэлектрику с одной стороны может привести к неравномерности распределения по его толщине напряженности электрического поля Е электромагнитной волны, превышающей допустимое для реализации нетепловой модификации отклонение Е от заданной для данного технологического процесса величины. В таком случае можно воспользоваться схемой СВЧ энергоподвода, показанной на рис. 4.2. При этом СВЧ мощность, прошедшая через модифицируемый диэлектрик, не должна превышать величины, допустимой для рассеяния в магнетроне. согласующий
Необходимо подчеркнуть, включение в состав СВЧ электротехнологической установки нетеплового действия СВЧ электротермической камеры не увеличивает энергетическую эффективность рабочей камеры нетепловой модификации. Речь идет о повышении общей энергетической эффективности гибридной установки.
Что касается сравнительно низкой энергетической эффективности камеры для нетепловой модификации, то следует иметь в виду, что в конечном счете целесообразность применения таких камер определяется величиной экономической эффективности [80].
Установлено наличие нетеплового модифицирующего воздействие СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы разного технологического назначения, в том числе на синтетические нити, волокна и ткани на их основе [22, 47 — 49]. Так, например, кратковременное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на волокнистый поликапроамид (ПК) практически не вызывает повышение температуры нити, но приводит к модификации его физико-механических свойств.
Рабочие камеры СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия для обработки синтетических нитей (волокон) должны удовлетворять следующим требованиям: — нить (пучок нитей, волокно) в рабочей камере должна находиться в зоне максимальной напряженности электрического поля Е; — неравномерность распределения напряженности электрического поля Е по объему пучка не должно превышать заданного значения ± АЕ; — нити (волокна) и вектор напряженности электрического поля Е должны лежать в одной плоскости и быть параллельными.
