Содержание к диссертации
Введение
1. Электрофизические методы термообработки диэлектриков 9
1.1. Проблемы термообработки диэлектриков 9
1.2. Электротермические методы и средства термообработки диэлектриков 27
1.3. Современное состояние проблемы
термообработки диэлектриков 32
1.3.1. Нагрев диэлектриков в поле СВЧ 32
1.3.2. Нагрев диэлектриков в низкотемпературных печах сопротивления 52
1.4. Постановка задачи 53
2. Математическое моделирование нагрева диэлектриков с большими объемами и поверхностями 55
2.1. Диэлектрики сбольшими поверхностями и объемами 55
2.2. Самосогласованная краевая задача электродинамики и теплопроводности для термообработки диэлектриков 61
2.3. Численные методы решения самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности для термообработки крупногабаритных диэлектриков 67
2.4. Математическое моделирование электротермических процессов вКЛТ 75
2.4.1. Нагрев неподвижного объекта в СВЧ поле КЛТ 75
2.4.2. Нагрев движущегося объекта в СВЧ поле КЛТ 99
2.5. Математическое моделирование электротермических процессов в печах сопротивления 110
2.5.1. Нагрев неподвижного объекта в печи сопротивления 110
2.5.2. Нагрев объекта в печи сопротивления методического типа... 114
3. Излучающие системы установок СВЧ диэлектрического нагрева 120
3.1. Разновидности излучающих систем 120
3.2. Волноводно-щелевые антенны 124
3.3. Рупорные антенны 137
3.4. Излучающие системы, состоящие из нескольких антенн 155
4. Математическое моделирование температурных полей в асфальтобетонных покрытиях при их ремонте с помощью СВЧ нагрева 162
4.1. Проблема ремонта асфальтобетонных покрытий 162
4.2. Математическое моделирование нагрева асфальтобетонного покрытия в КЛТ 168
5. Оптимизация структуры источников СВЧ энергии КЛТ для обработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями 172
5.1. Целевая функция задачи оптимизации 172
5.2. Оптимизация структуры источников СВЧ энергии 177
5.2.1. Периодический режим работы СВЧ электротермической установки 177
5.2.2. Методический режим работы СВЧ электротермической установки 180
5.3. Структура и оптимизация параметров источников питания КЛТ для установок для ремонта асфальтобетонного покрытия 181
Заключение ; 187
Литература
- Электротермические методы и средства термообработки диэлектриков
- Самосогласованная краевая задача электродинамики и теплопроводности для термообработки диэлектриков
- Излучающие системы, состоящие из нескольких антенн
- Математическое моделирование нагрева асфальтобетонного покрытия в КЛТ
Введение к работе
Термообработка диэлектриков проводится в основном в низкотемпературных печах сопротивления, а достижение требуемых температур осуществляется за счет использования конвективного теплообмена. Поскольку для большинства диэлектриков характерен низкий коэффициент теплопроводности, нагрев диэлектрических материалов происходит медленно. Интенсификация процесса нагрева увеличением теплового потока имеет ограничение по максимально допустимому температурному градиенту, превышение которого опасно возникновением недопустимых механических напряжений. Задача интенсификации термообработки осложняется при термообработке диэлектриков с большими объемами и поверхностями. В случае термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями следует вести речь не о традиционных печах сопротивления с ограниченным объемом, а о специальных конструкциях печей сопротивления, позволяющих равномерно подводить энергию ко всей поверхности обрабатываемого объекта. Альтернативными печам сопротивления техническими решениями термообработки диэлектриков являются установки ВЧ и СВЧ диэлектрического нагрева, в которых благодаря проникновению электромагнитной волны в обрабатываемый диэлектрик (объемное тепловыделение) увеличивается как скорость термообработки, так и равномерность распределения температуры в нагреваемом объекте. Однако такой способ энергоподвода автоматически не решает задачу термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями, поскольку требуется разработать специальные конструкции, позволяющие облучать объект обработки по всей его поверхности. Выбор между специальными конструкциями печей сопротивления и установкой СВЧ диэлектрического нагрева при термообработке диэлектриков с большими объемами и поверхностями не очевиден и требуется определение объективных критериев сопоставление этих вариантов. Заметим, что системные исследования в области нагрева диэлектриков с большими объемами и поверхностями на сегодняшний день отсутствуют. Принимая во внимание, что в промышленных масштабах приходится обрабатывать большие объемы и поверхности (размораживание грунта, предпосевная обработка почвы, сушка штабеля пиломатериалов, разогрев асфальтобетонного покрытия и др,) задачи расчета и сопоставления электротермических установок, позволяющих провести нагрев таких материалов, имеют безусловно научный и практический интерес.
Цель работы. Разработка методов расчета электротехнологических установок и математического моделирования процессов термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями, определение структуры источника энергии этих установок с СВЧ рабочими камерами лучевого типа. Основные задачи исследования:
1. Решение самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности при обработке диэлектриков в камерах лучевого типа.
2. Математическое моделирование технологических процессов термообработки в камерах лучевого типа в периодическом и методическом режимах работы.
3. Выбор излучателей и их компоновки для обработки больших объемов и поверхностей диэлектрика.
4. Разработка методики расчета излучающих систем, применяемых в установках СВЧ диэлектрического нагрева.
5. Разработка методики расчета специальных печей сопротивления для обработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
6. Применение технико-экономических расчетов для определения структуры источников энергии установок СВЧ диэлектрического нагрева для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
Методы исследования. Совместное решение краевой задачи электродинамики и теплопроводности. Расчет электротермических установок и математическое моделирование процесса нагрева диэлектриков на базе решения самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности; технико-экономический анализ электротермических установок. Научная новизна результатов исследования:
1. Исследована проблема высокоэффективной термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
2. Предложены критерии, по которым обрабатываемый объект может быть отнесен к диэлектрикам с большими объемами и с большой поверхностью.
3. Решена самосогласованная задача электродинамики и теплопроводности для камер лучевого типа, предназначенных для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
4. Разработаны рекомендации по компоновке СВЧ камер лучевого типа с несколькими излучателями, количество которых определяется габаритами обрабатываемого объекта.
5. Предложен специальный тип печей сопротивления, позволяющий обрабатывать диэлектрики в методическом режиме.
6. Проведено математическое моделирование технологических процессов в камерах лучевого типа и специальных печах сопротивления для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями в методическом и периодическом режимах.
7. Предложен метод выбора структуры источников энергии многогенераторных установок СВЧ диэлектрического нагрева, позволяющий сопоставлять
Чл, эффективность применения установок с разными типами энергоподвода.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и программы для математического моделиро-вания нагрева диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
2. Адаптированы к задачам установок СВЧ диэлектрического нагрева методы расчета и выбора излучающих систем. 3. Предложено применение соотношений, алгоритмов и программ при проектировании установок СВЧ диэлектрического нагрева на стадии изготовления и ремонта асфальтобетонного покрытия.
4. Результаты работы применяются при дипломном проектировании на кафедре "Автоматизированные электротехнологические установки и системы" Саратовского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
1. Критерии отнесения диэлектриков к объектам с большими объемами и поверхностями.
2. Результаты математического моделирования термообработки объектов с большими объемами и поверхностями в камерах лучевого типа и в специальных печах сопротивления.
3. Принципы построения много генераторных камер лучевого типа для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
4. Методика технико-экономических расчетов для выбора структуры источников СВЧ энергии в камерах лучевого типа для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями.
5. Результаты сопоставления специальных печей сопротивления и КЛТ для термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями, позволяющие выбрать экономически более эффективный вариант.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием общей концепции и методологии системных исследований в электротермии, фундаментальных закономерностей электродинамики и теплопередачи.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: "Электротехнология на рубеже веков" (г. Саратов, СГТУ, 2001 г.), "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, КГТУ, 2002 г.), "9-я международная конференция аспи 8 рантов и студентов" (г. Москва, МЭИ, 2003 г.), "Электротехника, электромеханика, электротехнологии" (г. Новосибирск, НГТУ, 2003 г.).
Публикации, По результатам исследований опубликовано 10 работ в т. ч. 8 статей в межвузовских научных сборниках и материалах научно-технических конференций, в монографии и одно учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 197 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников 101 наименований, имеет 63 рисунка, 5 таблиц.
Электротермические методы и средства термообработки диэлектриков
Рассмотрим электротермические методы и средства термообработки диэлектриков.
Нагрев сопротивлением и электрические печи сопротивления. Печи сопротивления прямого действия (джоулево тепло выделяется непосредственно в обрабатываемом объекте) для термообработки диэлектриков непригодны, так как диэлектрики практически не проводят электрический ток.
В низкотемпературных печах сопротивления косвенного действия [10] (джоулево тепло выделяется в специальных нагревательных элементах) значи тельная часть тепла передается нагреваемым изделиям конвекцией, в то время как в среднетемпературных печах роль конвекции невелика и при отсутствии принудительной циркуляции ею можно пренебречь, а в высокотемпературных печах ее во всех случаях не учитывают. Граница, отделяющая область низкотемпературных печей от среднетемпературных, как известно лежит в пределах 600 - 700 С. Поскольку при термообработке диэлектриков редко встречается нагрев выше 500 С, то для ее реализации пригодны в первую очередь как раз низкотемпературные печи сопротивления. К достоинствам косвенного метода нагрева диэлектриков в печи сопротивления можно отнести простоту конструкции печи и развитые методы расчета и относительную дешевизну подобных установок. Однако нагрев диэлектриков за счет конвективного теплообмена осуществляется очень медленно и сопровождается значительной неравномерностью распределения температур по толщине обрабатываемого объекта. Попытки ускорить нагрев за счет увеличения подводимой мощности к поверхности диэлектрика приводят к еще большей неравномерности нагрева.
Дуговой нагрев и дуговые электрические печи. В этих печах превращение электрической энергии в теплоту происходит в электрическом разряде, протекающем в газовой или паровой среде [32, 33]. В таком разряде можно сосредоточить в сравнительно небольших объемах большие мощности и получить очень высокие температуры.
Кроме собственно дуговых печей, в которых практически все тепло выделяется в электрическом разряде, существуют печи смешанного действия, в которых обрабатываются материалы со значительным удельным электрическим сопротивлением, благодаря чему в них выделяется джоулево тепло (дуговые печи сопротивления).
Дуговые печи прямого действия для термообработки диэлектриков не пригодны: дуга горит между электродом и расплавляемым металлом.
Высокотемпературная термообработка диэлектриков возможна в дуговых печах косвенного действия (дуга горит между электродами, а нагреваемому объекту теплота из зоны электрической дуги передается излучением, конвекцией, теплопроводностью). К дуговым печам косвенного действия можно отнести также дуговые плазменные установки (плазмотроны) и дуговые нагреватели газов. В них дуга горит между электродами в потоке газа, нагревая его. Нагретый газ может быть использован для нагрева диэлектриков. Электронный разряд может быть получен и на ВЧ и СВЧ в струе газа [34], протекающей в высокочастотном или сверхвысокочастотном электромагнитном поле. Однако поскольку такой разряд не требует электродов, его следует отнести к области индукционного нагрева.
Наконец, в дуговых печах сопротивления электрическая дуга горит в газовой полости внутри расплавляемой шихты, включенной последовательно или параллельно с дугой. Они используются для выплавления металла, в последнее время их применяют для глубокой термической переработки отходов, в том числе и диэлектрических.
Таким образом, из всего спектра установок, использующих дуговой нагрев, для нагрева диэлектриков наиболее пригодны дуговые печи косвенного действия и установки низкотемпературной плазмы. При этом нужно иметь в виду, что в камере печи возникают резкие температурные перепады, и поэтому в ней невозможно получить равномерное распределение температуры и достичь равномерного нагрева материалов или изделий. По той же причине здесь затруднительно обеспечить точное регулирование температуры нагрева и, следовательно, проводить термическую обработку. Плазменный и косвенный дуговой нагрев целесообразно применять при нагреве диэлектриков до относительно высокой температуры. При этом надо учесть, что регулирование температуры в таких установках осуществить практически невозможно.
Самосогласованная краевая задача электродинамики и теплопроводности для термообработки диэлектриков
Поскольку в электротермии нет определения больших поверхностей, то в дальнейшем будем считать, что если СВЧ мощность от одной антенны невозможно распределить по поверхности диэлектрика таким образом, чтобы минимальная напряженность в любой точке поверхности диэлектрика была в два раза меньше максимальной, то такую поверхность будем считать большой [58]. Целесообразно связать определение большой поверхности с параметром, характеризующим апертуру антенны. Таким параметром является длина электромагнитной волны генератора.
Апертура резонансной волноводно-щелевой антенны с щелями, расположенными на широкой стенке волновода, зависит от ее длины, при этом ширина антенны определяется длиной волны генератора (размером широкой стенки волновода) [46]. Длина волноводно-щелевой антенны зависит от количества щелей на ее широкой стенке. На практике, для излучения порядка 95 % мощности достаточно 12-20 щелей. Поскольку расстояние между щелями должно быть Хв то для частоты 2450 МГц длина резонансной антенны будет 1,5-2 м. Ширина пятна, высвеченного на поверхности обрабатываемого объекта, будет равна длине щелей. В случае резонансных щелей эта ширина равна A.J2. Следовательно резонансная антенна с двенадцатью щелями высветит на поверхности нагреваемого объекта пятно размером 1,5x0,07 м .
Для определения большой поверхности удобно воспользоваться расчетными формулами для одиночной рупорной антенны [58]. При этом увеличивать геометрию раскрыва рупора более чем в два раза, относительно размеров волновода, нецелесообразно, поскольку при этом сужается диаграмма направленности и большой рупор сложнее разместить в рабочей камере.
В качестве критерия определения больших поверхностей примем где S— площадь обрабатываемой поверхности; Sp — площадь, облучаемая рупорной антенной (рис. 2.3 а). В общем случае распределение плотности излучения по поверхности нагреваемого диэлектрика иллюстрирует рис. 2.3 б. Условимся определять Sp как где хь уі — значения х и у при котором FE = 0.5Fmax (при х=0, у=0), FE - значение нормированной диаграммы направленности по напряженности. Таким образом если К4 \, то можно считать, что диэлектрик имеет большую поверхность, если К4 \ - малую.
Задача проектирования СВЧ электротермических установок для нагрева диэлектрических материалов имеет комплексный характер и находится на стыке электродинамики СВЧ, тепломассопереноса, материаловедения, термомеханики, метрологии, технологии. Процессы в таких СВЧ электротермических установках описываются системой уравнений Максвелла и уравнений тепломассопереноса. Исключая из рассмотрения термообработку небольшого класса веществ, у которых электрофизические параметры зависят от векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей уже в сравнительно слабых полях (ферромагнетики и сегнетоэлектрики), можно ограничиться линейной зависимостью вектора электрической индукции D от Е и вектора магнитной индукции В от Н, а так как подвергаемые СВЧ термообработке среды обычно изотропны, запишем материальные уравнения в виде [7] D = eE, j = aE, В = Н, (2.4) где є, /л- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; сх- проводимость среды; у — плотность тока проводимости. в) Нагреваемые в СВЧ электротермических установках среды можно отне сти к несовершенным диэлектрикам (диэлектрики с потерями), обладающим начальной (структурной) неоднородностью. Обычно структурные неоднород ности многочисленны, размеры их много меньше длины волны в среде, а пото му в практических приложениях, воспользовавшись теорией смесей [59, 60], s заменим неоднородную среду однородной с эквивалентными электрофизиче скими параметрами. гк У большинства сред имеются зависимости относительной диэлектриче \ ской проницаемости C VL тангенса угла диэлектрических потерь tgS от температуры. Следовательно, при нагреве таких сред є и tgS оказываются функциями координат и времени.
Что касается теплофизических параметров, входящих в уравнения и граничные условия тепломассопереноса, то вслед за [60] примем традиционное для тепловых расчетов допущение о постоянстве этих параметров в узком интервале температур (или времени), вводя в рассмотрение их средние на этом интервале значения.
Излучающие системы, состоящие из нескольких антенн
Для равномерного нагрева всего объема диэлектрика в первую очередь требуется равномерное распределение удельной СВЧ мощности по поверхности нагреваемого диэлектрика [58]. На практике получить равномерное распределение удельной мощности по поверхности достаточно сложно, поскольку излучающие системы рабочих камер лучевого типа (рупорные, волноводно-щелевые антенны) имеют сложные диаграммы направленности, т.е. излучаемые мощности в разных направлениях отличаются.
При проектировании камер лучевого типа с волноводно-щелевыми резонансными антеннами проблема равномерности распределения СВЧ мощности по поверхности нагреваемого объекта не возникает, поскольку такие антенны имеют равномерную диаграмму направленности вдоль оси волновода. Располагая несколько таких антенн параллельно, можно получить равномерное распределение СВЧ мощности по любой площади.
Рупорные антенны, как было выявлено в п. 3.3 не дают равномерного распределения СВЧ мощности по поверхности диэлектрика [83], однако, если разместить однотипные рупорные излучатели на определенном расстоянии друг от друга, то суммарное распределение СВЧ мощности будет близко к равномерному.
На практике для термообработки больших поверхностей приходится применять совокупность нескольких излучающих систем (рис. 3.16 а), запиты -вая их от разных генераторов. При этом удельные поверхностные мощности от разных антенн будут складываться алгебраически (рис. 3.16 б, в), поскольку источники не когерентные. На рис. 3.17 представлено семейство кривых, описывающих распределение удельной СВЧ мощности при расположении пяти рупоров на одинаковом расстоянии друг от друга, при наложении энергетических "пятен" рупоров в плоскости Е.
Как видно, равномерность распределения удельной суммарной мощности от нескольких антенн сильно зависит от расстояния между рупорами. Нахождение оптимального расстояния между рупорами удобнее решать численно с помощью ЭВМ. При решении этой задачи необходимо учитывать, что расстояние между двумя ближайшими рупорами может лежать в диапазоне от ширины широкой стенки в раскрыве рупора до расстояния, при котором наложения Я мощности практически не происходит [83]. Поскольку при угле 9 = — (в плос b X кости Е) и в = 1.5— (в плоскости Н) СВЧ мощность практически равна нулю, а то на практике максимальное расстояние для плоскости Е удобно брать Y tg jj-h, (3.26) для плоскости НА, (3.27) X\=tS ( Х\ 1.5 V а) где h - расстояние от антенны до поверхности обрабатываемого диэлектрика. Поскольку на больших расстояниях от рупоров диаграмма направленности определяет распределение удельной поверхностной мощности, можно найти ее распределение. Зависимость у от расстояния между рупорами (рис. 3,18) имеет минимум, который и является оптимальным расстоянием между рупорами.
На рис. 3.19 представлено оптимальное (с точки зрения равномерности) распределение удельной мощности в плоскости Е по поверхности диэлектрика при пяти излучающих рупорах, в случае, когда диэлектрик расположен на расстоянии 0,5 метров от излучателей.
Таким образом, в случае выбора рупоров в качестве излучающей системы проектировщику установки СВЧ диэлектрического нагрева необходимо будет после расчета геометрии рупоров решить задачу оптимального (с точки зрения наиболее равномерного распределения СВЧ мощности) размещения последних относительно друг друга.
Разработка методов расчета и конструкций электротермических установок дает возможность говорить о применении высокоэффективных методов термообработки диэлектриков с большими поверхностями. Одним из таких методов является СВЧ разогрев асфальтобетонного покрытия (АБП) при его строительстве или ремонте. Причем при ремонте не требуется удалять поврежденный слой, значительно экономится асфальтобетонная масса, не надо утилизировать скиркованный асфальт, осуществляется большая экономия на транспортных расходах. Кроме того, в случаях, когда новое АБП уложено, но не соответствует требуемой плотности, его можно разогреть (размягчить) и укатать снова [84, 85].
Рассмотрим некоторые математические модели, предложенные во второй главе, применительно к разогреву АБП.
Из числа усовершенствованных дорожных покрытий наибольшее распространение получили асфальтобетонные [86], создающие максимальные удобства для движения транспортных средств. Эти покрытия применяют на автомобильных дорогах любой грузонапряженности.
Широкое применение АБП обусловлено многими присущими им положительными свойствами. Основные из них: достаточная механическая прочность, благодаря чему АБП хорошо воспринимают усилия, возникающие при прохождении транспортных средств; способность к упругим и пластическим деформациям, в результате чего АБП могут воспринимать возникающие напряжения без разрушений; хорошее сцепление автомобильных шин с АБП, обеспечивающее безопасность движения. В необходимых случаях оно может быть увеличе но за счет повышения шероховатости поверхности покрытия путем втап-ливания в него щебня или увеличения фрикционной способности за счет введения в асфальтобетонную смесь добавок соответствующих полимерных материалов; возможность получения ровной поверхности при сравнительно небольшой жесткости покрытия, чем обеспечивается бесшумное и скоростное движение автомобилей; гигиеничность АБП, легко поддающихся очистке и промывке. Это качество особенно ценно для городских дорог; высокая демпфирующая способность, т. е. способность к поглощению колебании, благодаря чему АБП разрушаются от вибрации меньше, чем, например, цементобетонные. В условиях современного интенсивного движения транспорта эта особенность АБП приобретает большое значение; сравнительная простота ремонта покрытий, возможность повторного использования снимаемого старого асфальтобетона; возможность широкой механизации работ при приготовлении асфальтобетонных смесей, устройстве и ремонте покрытий. Строительство дорог с АБП привело к развитию новой отрасли производства строительных материалов - производству асфальтобетона [86].
Наиболее часто встречаются локальные разрушения АБП в виде трещин, которые появляются из-за механических напряжений в глубинных слоях АБП, резких температурных перепадов, сильных внешних механических воздействий, сползания неукрепленной асфальтобетонной смеси к холодному краю при укладке первой полосы [86, 87]. Трещины в АБП являются первичными признаками разрушения, после появления которых АБП начинает быстро разрушаться. Обычно срок службы дорожного покрытия рассчитан на 15 лет, после чего требуется его капитальный ремонт. В этом случае традиционная технология предусматривает укладку новых слоев поверх растрескавшихся, увеличивая при этом толщину асфальтобетона на 8-14 см. Практика показала, что срок службы таких слоев не превышает и 5-7 лет. При этом происходит так называемое явление отраженного растрескивания (трещина, находящаяся в ваемое явление отраженного растрескивания (трещина, находящаяся в старом покрытии, под новым проецируется на него). Огромные затраты оказываются малоэффективными.
Как известно, при ремонте АБП с целью облегчения обработки материала его разогревают специальными машинами-отжигателями и разогревателями (рис. 4.1) [84 - 87]. Отжигатели более просты по конструкции, однако при их использовании в асфальтобетоне происходит выгорание битума под воздействием открытого пламени, что приводит к нарушению структуры асфапьтобен-тона и не позволяет использовать его вторично.
Традиционные асфальторазогреватели по виду теплопередачи делятся на конвекционные (передача теплоты открытым пламенем) и радиационные (передача теплоты с помощью инфракрасных лучей).
Недостатком конвекционных нагревателей является большая продолжительность разогрева покрытия из-за высокого термического сопротивления пограничного слоя потоку теплоты. Плотность потока, создаваемая ими у поверх-ности покрытия, составляет 40-46.5 кВт/м [21].
При использовании инфракрасных излучателей лучистая энергия непосредственно поглощается поверхностным слоем АБП, причем тепловое излучение проникает тем глубже, чем больше длина излучаемой волны. Максимальное количество теплоты передается при длине излучаемой волны 2.5-2.7 мкм. Плотность теплового потока у поверхности разогреваемого покрытия составляет 70-81.4 кВт/м2 [21].
Инфракрасные разогреватели по типу нагревателя делятся на газотопливные и электрические. Газотопливные отличаются простотой устройства и обслуживания, а также возможностью регулировать мощность излучения в широких пределах. К их недостаткам относятся: задувание пламени при скорости ветра 6-8 м/с, относительно небольшой срок службы, необходимость проведения дополнительных мероприятий по технике безопасности при работе обслуживающего персонала со сжиженным газом (пропаном).
Математическое моделирование нагрева асфальтобетонного покрытия в КЛТ
При нагреве диэлектриков с большими объемами и поверхностями прибегают к размещению над поверхностью диэлектрика нескольких антенн, а если обрабатывается диэлектрик с большим объемом, то приходиться облучать его с разных сторон. При этом количество антенн определяется в первую очередь геометрией обрабатываемого объекта, причем каждая антенна может иметь свой источник СВЧ энергии или четное количество антенн объединяются системой разветвителей с общим источником энергии (рис. 5.1) [91-93]. Рассмотрим решение задачи об оптимальном числе источников энергии.
Под оптимальным числом источников СВЧ энергии будем понимать такое их количество, при котором обеспечивается наибольшая прибыль при эксплуатации СВЧ электротермической установки.
В предыдущих главах изложены вопросы, связанные с расчетом и проектированием КЛТ для обработки диэлектриков с большими поверхностями и объемами. Однако неучет стоимостных параметров элементов электротермической установки при проектировании может привести к созданию экономически невыгодного оборудования [94].
Разница в цене между СВЧ электротермической установкой и установкой, реализующей альтернативный вид теплопередачи, определяется главным образом ценой источников СВЧ энергии, поскольку это наиболее затратная статья. Следовательно, при конструировании СВЧ электротермической установки необходимо минимизировать затраты на организацию источника СВЧ энергии, а потому нужна целевая функция, которая дала бы возможность установить число источников СВЧ энергии в КЛТ, при котором достигается максимальная прибыль. В качестве такой целевой функции предложено использовать интегральный эффект (чистый дисконтированный доход) [91]. В полном виде выражение для интегрального эффекта включает в себя до 30 параметров, отра жающих свойства установки и обрабатываемого объекта.
Оптимизации подлежит число источников питания (число магнетронов) М, работающих на одну рабочую камеру [92], т.к. частота f магнетрона определяется на стадии расчета камеры и математического моделирования нагрева с учетом є и tgd обрабатываемого объекта и его толщины, а мощность СВЧ одного источника энергии Рм равна Р»=ТЇ (5Л) м где Р — мощность СВЧ, необходимая для реализации всего процесса, например, cdGAT + hSAT р = 1-ІП2 где G - производительность установки, кг/с: Т, То - температура, до которой следует нагреть объект, и начальная температура; h — коэффициент теплоотдачи конвекцией и тепловым излучением, Вт/м2К; S — площадь поверхности объекта обработки, с которой происходит теплоотдача конвекцией и тепловым излучением; Г — коэффициент отражения от рабочей камеры. Для практического решения задачи выражение для интегрального эффекта найдем на интервале 1 год при условии, что предприятие находится в государственной собственности, не планируются научные исследования и демонтаж установки в конце года. Тогда целевая функция имеет вид [92]: Э=(ПЦ-С)(1-уИ}+Н!+Н2-СА Сд СкГСбр (5.2) где П, Ц -количество и цена единицы продукции выпускаемой установкой за год; С=Сс+С3„+Сэв+Сзч — эксплуатационные затраты; Сс — затраты на приобретение сырья; 175 Сзп - заработная плата; Сэв затраты на электроэнергию и воду; Сзч - затраты на приобретение запасных частей; Сл амортизационные отчисления; у„— коэффициент, учитывающий систему налогов; Hi, Н2 — стоимостная оценка сопутствующего эффекта в производственной и социальной сфере; Сд-дополнительные (местные) платежи; Скр - плата за кредит с учетом процентной ставки или возмещение затрат предприятия из собственных средств на реализацию установки; Сф-затраты, не включенные в состав себестоимости (затраты на неизбежный брак). Если инвестирование осуществляется за счет собственных средств предприятия, то будем считать, что Скр=К, (5.3) где К— капиталовложения в проект. Стоимостная оценка сопутствующего эффекта в производственной сфере #; 0, если при реализации заданного технологического процесса получается дополнительный (побочный) продукт. Обычно Я/SO, впрочем как и //,2=0 и Cd=0. В то же время СА=КАК (5.4) где КА коэффициент амортизации [95]; К=Ци7М+Цр+Кпр; Циз -затраты на источник энергии; Цр - затраты на разветвители [92]; К„р - прочие капитальные затраты.
