Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков

• Название: Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
• Дата: 01.05.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: 1_00676 (1).docx
• Тип: Диссертация; #506934
• страница: 1 из 23

ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»


На правах рукописи

ГРИШИНА ЕКАТЕРИНА МИХАЙЛОВНА

РАБОЧИЕ КАМЕРЫ ЛУЧЕВОГО ТИПА

СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Специальность 05.09.10 – Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук


Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

АРХАНГЕЛЬСКИЙ Ю.С.

Саратов 2009

Содержание

Введение 5

1. 
   СВЧ электротехнология и её применение 12
   
   1. 
      Тепловая СВЧ модификация диэлектриков 12
      
      1. 
         СВЧ диэлектрический нагрев 12
         
      2. 
         СВЧ электротермические установки
         

и их классификация 15

2. 
   Нетепловая СВЧ модификация диэлектриков 23
   
   1. 
      Нетепловое СВЧ воздействие на диэлектрики 23
      
   2. 
      СВЧ электротехнологические установки
      

нетеплового действия и их классификация 26

2. 
   Рабочие камеры лучевого типа для СВЧ модификации диэлектриков 34
   
   1. 
      Классификация рабочих камер 34
      
   2. 
      Излучатели СВЧ энергии и электромагнитные волны
      

в камерах лучевого типа 42

3. 
   Технологические процессы, реализуемые
   

в установках с камерами лучевого типа 63

4. 
   Камеры лучевого типа с несколькими
   

излучающими системами 65

3. 
   Камеры лучевого типа установок СВЧ диэлектрического нагрева 68
   
   1. 
      Энергетическая эффективность камер лучевого типа 68
      
      1. 
         Энергетическая эффективность 68
         
      2. 
         Повышение энергетической эффективности
         

камер лучевого типа 69

2. 
   Самосогласованная краевая задача электродинамики
   

и тепломассопереноса для камер лучевого типа 81

1. 
   Постановка самосогласованной краевой задачи 81
   
2. 
   Методы решения самосогласованной краевой задачи 85
   
1. 
   Расчет камер лучевого типа и математическое
   

моделирование процессов тепловой модификации 90

1. 
   Расчет камер лучевого типа 90
   
2. 
   Математическое моделирование процессов
   

тепловой модификации 99

3. 
   Максимально достижимая температура
   

в камерах лучевого типа 105

4. 
   Камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок
   

для нетепловой модификации 109

1. 
   Особенности повышения энергетической эффективности камер лучевого типа для нетепловой модификации
   

диэлектриков 109

2. 
   Камеры лучевого типа для обработки синтетических нитей
   

и тканей на их основе 112

1. 
   Камеры лучевого типа для нетепловой модификации синтетических нитей и волокон 112
   
2. 
   Камеры лучевого типа для нетепловой модификации
   

тканей на основе синтетических нитей 118

3. 
   Камеры лучевого типа для обработки жидких и вязких полимерных материалов 123
   
   1. 
      Движение жидкостей в камерах лучевого типа 123
      
   2. 
      Рабочие камеры лучевого типа для модификации ньютоновских жидкостей 135
      
   3. 
      Рабочие камеры лучевого типа для модификации неньютоновских жидкостей 140
      
4. 
   Камеры лучевого типа для обработки
   

сыпучих материалов 141

1. 
   Движение сыпучих материалов
   

в камерах лучевого типа 141

2. 
   Камеры лучевого типа для нетепловой модификации сыпучего материала 146
   
1. 
   Проектирование камер лучевого типа
   

и СВЧ установок на их основе 149

1. 
   Конструкции и характеристики камер лучевого типа
   

и СВЧ установок на их основе 149

1. 
   Камера лучевого типа и СВЧ установка
   

для тепловой модификации диэлектриков 149

2. 
   Камера лучевого типа и СВЧ установка
   

для нетепловой модификации диэлектриков 153

3. 
   СВЧ установка гибридного типа 154
   
1. 
   Технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ электротехнологических
   

установок на их основе 156

3. 
   Камеры лучевого типа и установки
   

СВЧ диэлектрического нагрева диэлектриков 162

4. 
   Камеры лучевого типа и установки СВЧ нетепловой модификации диэлектриков 169
   
5. 
   Камеры лучевого типа и СВЧ электротехнологические установки гибридного типа 177
   

Заключение 181

Приложение 1. Влияние элементов конструкции камер лучевого типа

на энергетическую эффективность 183

Приложение 2. Измерение энергетической эффективности 193

Приложение 3. Справки о применении результатов

диссертационной работы 197

Литература 200

Ведение

Для поступательного развития экономики требуется повышение эф- фективности производства, успешная конкуренция отечественной продук- ции на внешнем и внутреннем рынках. Решение этой проблемы невозможно без технологического перевооружения производства, оснащения предпри- ятий энергосберегающим технологическим оборудованием. В этой связи становится актуальным создание электротехнологических установок, позво- ляющих исключить применение в технологических процессах угля, нефти и газа, обеспечить высокую скорость обработки металлов и диэлектриков, ав- томатизировать технологический процесс, увеличить ассортимент, количе- ство 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 на- гревается поверхностный слой диэлектрика, а из-за малого коэффициента теплопроводности в глубине диэлектрик нагревается медленно. Интенсифи- кация нагрева увеличением теплового потока имеет ограничение по макси- мально 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 каче-

стве обработки изделия можно с помощью энергии СВЧ электромагнитных колебаний, поскольку из-за проникновения электромагнитной волны в глу- бину диэлектрика в нем происходит объемное тепловыделение. Выбором геометрии рабочей камеры СВЧ электротехнологической установки можно обеспечить равномерный нагрев по всему объему обрабатываемого диэлек- трика.
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 техно- логического назначения и их источники питания, конструкции и технико- экономические расчеты установок СВЧ диэлектрического нагрева.

Фундаментальное исследование в области СВЧ диэлектрического на- грева выполнены московской, санкт-петербургской, саратовской и казан- ской научными школами. Следует назвать работы И.А. Рогова, И.И. Девят-

кина, Ю.С. Архангельского, В.А. Коломейцева, Г.А. Морозова, Г.В. Лысова, А.П. Пиденко, С.В. Некрутмана, Н.Н. Долгополова.

Приходится, однако, признать, что остаются малоисследованными ка- меры лучевого типа, в которых энергия СВЧ электромагнитных колебаний подается к обрабатываемому диэлектрику с помощью специальных излу- чающих 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 не- тепловой СВЧ модификации полимерных материалов и изделий. Большие возможности реализовать такие технологические процессы представляют камеры лучевого типа, и это ставит вопрос о создании методов расчета и конструкций совершенно нового класса камер лучевого типа, предназначен- ных для нетепловой модификации диэлектриков.

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

Целью диссертационной работы является разработка методов расче-

та и конструкций камер лучевого типа СВЧ электротехнологических уста-
новок, предназначенных для тепловой и нетепловой модификации диэлек- триков.

Достижение этой цели потребовало решение следующих задач:

1. 
   Исследовать проблему энергетической эффективности камер луче- вого типа, реализующих тепловую и нетепловую модификацию диэлектри- ков.
   
2. 
   Разработать систему технических решений, повышающих энергети- ческую эффективность камер лучевого типа.
   
3. 
   Решить самосогласованную краевую задачу электродинамики и те- пломассопередачи (теплопроводности) для камер лучевого типа.
   
4. 
   На базе решения самосогласованной краевой задачи камер электро- динамики и тепломассопереноса (теплопроводности) построить методы рас- чета лучевого типа и математического моделирования тепловой модифика- ции.
   
5. 
   Разработать методы расчета камер лучевого типа для нетепловой модификации полимерных материалов.
   
6. 
   Разработать конструкции камер лучевого типа для модификации твердых, сыпучих и жидких диэлектриков.
   
7. 
   Предложить технико-экономические принципы проектирования ка- мер 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 электротехноло- гических установок.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректным использованием математического аппарата и программных средств, а также соответствием расчетных и эксперименталь- но определенных параметров.
Научная новизна работы состоит в том, что сформулирована и ре- шена задача построения методов расчета камер лучевого типа как для СВЧ диэлектрического нагрева (тепловой модификации), так и для нетепловой СВЧ модификации диэлектриков. В частности

− предложены способы повышения энергетической эффективности камер лучевого типа СВЧ электротехнологических установок для тепловой и нетепловой модификации диэлектриков;

− решена самосогласованная краевая задача электродинамики и теп- ломассопереноса (теплопроводности) для камер лучевого типа, реализую- щих СВЧ диэлектрический нагрев с фазовым переходом и без него;

− проведено математическое моделирование процессов тепловой мо- дификации в камерах лучевого типа, разработан метод расчета таких камер, работающих в периодическом и методическом режимах;

− предложены конструкции камер лучевого типа для тепловой моди- фикации, в том числе конструкция, позволяющая максимально концентри- ровать 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 мо- дификации полимерных материалов и сред, в том числе гибридной установ- ки с камерой лучевого типа для нетепловой модификации и камерой, реали- зующей СВЧ диэлектрический нагрев;

− разработаны методы технико-экономического анализа и оптимиза-

ции СВЧ электротехнологических установок для модификации диэлектри- ков в камерах лучевого типа.
Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. 
   Предложенные конструкции камер лучевого типа позволяют моди- фицировать 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 свой- ства, расширяющие возможности их применения.
   
3. 
   Разработанные технико-экономические принципы проектирования камер лучевого типа и СВЧ установок на их основе положены в основу тех- нических решений, позволяющих получить наибольший экономический эф- фект 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 диэлек- триков с максимальной энергетической эффективностью.
   
2. 
   Предложенная методика совместного решения краевых задач электродинамики и тепломассопереноса (теплопроводности) позволяет рас- считать 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 гене- раторами технологического назначения позволяют нагреть объект до темпе- ратуры 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 по- лимерных 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 диэлектри- ков с максимальной экономической эффективностью.
   

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» ГОУ ВПО «Саратовский го- сударственный технический университет» в рамках научных исследова- ний ведущей научной школы России НШ − 9553. 2006.8 (грант Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, 2006 − 2007 гг; внутривузовское основное научное направление 05.В «Научные ос- новы проектирования, исследование параметров и режимов электронных, электрорадиотехнологических установок, систем и технологий», 2005 − 2009гг.); аналитическая ведомственная программа «Развитие научного по- тенциала высшей школы РФ (2009 – 2010гг.)», тема «Разработка конденса- ционного метода получения наноматериалов в высокотемпературных СВЧ установках и исследование их электрофизических свойств в широком ин- тервале температур».

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

Результаты диссертационной работы используются в СГТУ при чте- нии 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 ди- пломном проектировании.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и об- суждались на конференциях и семинарах различного уровня в 2007-2008 гг.: Всероссийская научно-техническая конференция с международным участи- ем «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2007г.), международная научно-практическая конференция

«Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в про- мышленности» (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 полез- ную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 3 приложения и спи- ска используемой литературы, включающего 94 наименования, содержит 209 страниц сквозной нумерации, 4 таблицы и 64 рисунка.