Исследование и разработка свч устройств термообработки материалов в режиме бегущей волны
На правах рукописи
ЛОИК ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2009 2
Работа выполнена на кафедре: “Лазерные и микроволновые информационные системы” Московского государственного института электроники и математики (технического университета) и в отделе: “СВЧ техники и технологий” Научно-исследовательского института перспективных материалов и технологий Московского государственного института электроники и математики (технического университета)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Нефедов Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Петров Александр Сергеевич;
кандидат технических наук Титов Андрей Петрович
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие “Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина” (ФГУП “ВЭИ” им. В.И.Ленина), г. Москва.
Защита состоится “10” декабря 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (Технический университет) по адресу:
109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ).
Автореферат разослан “ 5 “ декабря 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.133.06, к.т.н., профессор Н.Н. Грачев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии [1 4 ].
Анализ научных публикаций показывает [1 4 ], что современные тенденции развития микроволновых технологий направлены на производство новых высокопрочных конструкционных и строительных материалов из стеклопластиков, композиционных материалов и полимеров.
Сложность реализации таких технологических процессов обусловлена следующими факторами:
1. Прочностные характеристики получаемых изделий требуют полноты реакции полимеризации в малом интервале значений температуры. Для большинства технологических процессов полимеризации необходимо, чтобы Т не превышал 10% [1 ];
разброс температуры 2. Повышение надежности, долговечности и прочности материалов связано с увеличением значений толщин (d) и диаметров () получаемых изделий [1 ]. В настоящей работе поставлена задача увеличения значений толщин и диаметров материалов не менее чем в два раза (d, ), по 0, (d, ) к настоящему сравнению с достигнутыми значениями 0, времени по отношению к длине волны источника СВЧ энергии ;
3. Эффективный и равномерный нагрев материалов на основе полимерных связующих, которые характеризуются низким коэффициентом Вт 0, теплопроводности и увеличенными значениями толщин и Т Км диаметров материалов (d, 0,3 ), наиболее целесообразно реализовать с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот и при расчетах технологических режимов термообработки можно не учитывать эффект теплопроводности [3 ] ;
4. Для высокой производительности технологического процесса термообработки материалов, в том числе и для материалов с малыми 0,1 ), как показано в многочисленных диэлектрическими потерями ( научных публикациях [3 4 ], целесообразно использовать СВЧ устройства на основе волноводных или замедляющих систем в режиме бегущей волны.
Актуальность постановки диссертационной работы обусловлена тем, что необходимо разработать новые конструкции СВЧ устройств равномерного нагрева материалов с низкой теплопроводностью и требуемыми размерами поперечных сечений, а также разработать модели и методы их расчета для использования в технологических процессах производства современных конструкционных и строительных материалов в различных отраслях промышленности.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных сверхвысокочастотных устройств термообработки материалов в режиме бегущей волны, а также моделей и методов их расчета для использования в технологических процессах производства современных конструкционных и строительных материалов.
Цель достигается путем:
- разработки новых конструкций СВЧ устройств термообработки листовых (стержневых) материалов с разбросом температуры не более 10%, с малой Вт 0, теплопроводностью и увеличенными значениями толщин Т Км (диаметров) (d, 0,3 );
- разработки новых конструкций СВЧ устройств типа бегущей волны для равномерного и высокоэффективного нагрева труб с малыми диэлектрическими 0,1 и увеличенными значениями диаметров ( потерями 0,3 ) в периодическом режиме;
- разработки модели и метода расчета распределения температуры по объему диэлектрических материалов в СВЧ устройствах в режиме бегущей волны.
Методы исследования Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики;
теории электромагнитного поля;
теории электрических цепей и метода эквивалентных схем.
Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств:
- волноводного типа (прямоугольного на волне типа Н10 и круглого на волне типа Е01 );
- одномерно-периодических замедляющих систем штыревого типа со связками и типа диафрагмированный волновод;
- двумерно-периодических замедляющих систем с изменяющимися параметрами (периодом) в направлении распространения бегущей волны.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных эквивалентных моделей, подтверждается путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также их сравнением с результатами исследований, опубликованными ранее в отечественных и зарубежных научных публикациях, результатами внедрения разработанных СВЧ устройств в технологические процессы.
На защиту выносятся:
1. Метод построения СВЧ устройств на основе сочетания волноводных секций и секций на основе замедляющих систем в режиме бегущей волны с поперечным взаимодействием, обеспечивающий равномерный нагрев листовых материалов, толщиной (d 0,3 ) за счет суперпозиции характеристик распределения температуры в материале (разброс температуры в материале не превышает 7%);
2. Метод построения СВЧ устройств на основе сочетания волноводных секций и секций на основе замедляющих систем в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием, обеспечивающий равномерный нагрев стержневых материалов, диаметром ( 0,3 ) за счет суперпозиции характеристик распределения температуры в материале (разброс температуры в материале не превышает 7%);
3. СВЧ устройство периодического типа термообработки диэлектрических труб, диаметром ( 0,3 ) с малыми диэлектрическими 0, потерями обеспечивающее разброс температуры в материале не более 6% за счет использования двумерно-периодической замедляющей системы с переменными параметрами в направлении распространения бегущей волны;
4. Модель и метод расчета характеристик распределения температуры в материале в виде нагруженной длинной линии, обеспечивающие расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не более 6% за счет учета линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры.
Практическая ценность результатов диссертации:
1. Разработаны новые конструкции СВЧ устройств равномерного нагрева диэлектрических материалов, которые позволяют реализовать высокоэффективные, энергосберегающие и экологически чистые технологические процессы производства современных конструкционных и строительных материалов.
2. Использование моделей и методов расчета устройств СВЧ нагрева в режиме бегущей волны позволяет рассчитать необходимое распределение температуры в диэлектрических материалах, удовлетворяющее требованиям технологического процесса.
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
1. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод построения СВЧ устройств, формирующий равномерное распределение температуры в листовых диэлектрических материалах низкой теплопроводности, толщиной материала (d 0,3 ) в режиме бегущей волны с поперечным взаимодействием. СВЧ устройство состоит из секций волноводного типа, обеспечивающих максимальное значение температуры в центре материала, и секций замедляющих систем, обеспечивающих максимальное значение температуры на поверхности материала, суперпозиция распределения температуры от различных секций обеспечивает разброс температуры в материале, удовлетворяющий требованиям технологического процесса;
2. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод построения СВЧ устройств, формирующий равномерное распределение температуры в диэлектрических материалах круглого поперечного сечения малой теплопроводности, диаметром ( 0,3 ) в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием. СВЧ устройство состоит из секций волноводного типа, обеспечивающих максимальное значение температуры в центре материала, и секций замедляющих систем, обеспечивающих максимальное значение температуры на поверхности материала, суперпозиция распределения температуры от различных секций обеспечивает разброс температуры в материале, удовлетворяющий требованиям технологического процесса;
3. Разработано СВЧ устройство равномерного нагрева труб диаметром 0,02 на основе ( = 0,5 ) с малыми диэлектрическими потерями двумерно-периодической замедляющей системы с переменными параметрами в направлении распространения бегущей волны;
4. Разработана модель и метод расчета распределения температуры по поперечному сечению материалов при условии, что значение комплексной части относительной диэлектрической проницаемости материала имеет линейную зависимость от температуры.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно– конструкторской работе, выполненной в ЗАО НТЦ “Альфа-1”;
пяти научно– исследовательских работах, выполненных в ГНУ НИИ Перспективных материалов и технологии МИЭМ (ТУ) и ГОУВПО МИЭМ (ТУ);
внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ (ТУ).
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 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ;
- на IX межвузовской научной школе молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, 24-25 ноября 2008 года, МГУ;
- на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, 24–25 сентября 2008 г.
Публикации. По теме диссертации сделано 9 научных докладов на отечественных и международных научных конференциях, опубликовано статей, выпущено 5 научно–технических отчетов, получено 2 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 170 страниц, в том числе 34 рисунка, таблицы, 134 наименований списка использованных источников на страницах, 4 страницы приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована научная задача, на решение которой направлена диссертационная работа.
Сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Показаны основные достоинства использования сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов. Определены конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в настоящей диссертационной работе цели.
В первой главе: ”Современные тенденции развития СВЧ технологий и СВЧ устройств термообработки материалов ” представлены результаты материалов международных конференций [1 4 ], анализа современных посвященных проблемам СВЧ технологий термообработки материалов.
Рассмотрены наиболее перспективные направления развития СВЧ технологий, в частности: энергетическая эффективность микроволновых технологий;
термообработка керамики, полимеров, стеклопластиков и композиционных материалов. Особое внимание уделяется направлениям применения СВЧ энергии, в которых сочетается экономическая эффективность с экологией технологического процесса при улучшении характеристик получаемых изделий. Оценку эффективности применения СВЧ технологий производят по следующим критериям [2 - 4 ]: сравнение с энергетической эффективностью других технологий;
сокращение энергетических затрат в СВЧ технологиях;
оценка капитальных затрат на оборудование для реализации СВЧ процессов;
оценка эффективности использования производственных площадей.
Внимание разработчиков СВЧ устройств и технологий термообработки диэлектрических материалов уделяется решению наиболее актуальной научной задачи, связанной с уменьшением разброса температурного поля в обрабатываемых материалах. В подавляющем большинстве научных докладов и публикаций показано на конкретных примерах, что именно разброс температурного поля определяет характеристики получаемых изделий [1 4 ].
Представлены основные конструкции СВЧ устройств с поперечным взаимодействием термообработки листовых материалов в режиме бегущей волны, как на основе систем волноводного типа, так и на основе одномерно и двумерно-периодических замедляющих систем. Показано, что толщина обрабатываемого материала не превышает значений (d 0,15 ) при условии, что разброс температуры по толщине листового материала не превышает 10% [1 4 ].
Представлены конструкции СВЧ устройств в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием для термообработки диэлектрических стержней и труб на основе волноводных и замедляющих систем, и показано, что диаметр обрабатываемого материала не превышает значения ( 0,15 ) при условии, что разброс температуры по диаметру материала не превышает 10% [2 - 4 ].
Приведены результаты анализа конструкций СВЧ устройств на основе волноводных и замедляющих систем с переменными параметрами в направлении распространения бегущей волны для равномерного нагрева материалов в периодическом режиме. Показано, что одной из актуальных задач в этой области является разработка СВЧ устройств, предназначенных для высокоэффективной термообработки труб с малыми диэлектрическими потерями в периодическом режиме [2 - 4 ].
На основе анализа опубликованных научных работ описаны преимущества термообработки диэлектрических материалов с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот по сравнению с традиционными методами термообработки материалов. С точки зрения классической физики рассмотрены процессы взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с материалом, приводящие к поглощению энергии поля в материале с учетом макроскопических свойств диэлектрической среды.
Представлен вывод значений постоянных затухания для волноводных и замедляющих систем в режиме бегущей волны, расположенных в изотропной среде с диэлектрическими потерями. Дано обоснование выбора конструкции источника СВЧ энергии для установок равномерного и эффективного нагрева диэлектрических материалов.
Во второй главе: “ СВЧ устройства термообработки материалов с поперечным взаимодействием ” поставлена и решена задача уменьшения разброса температурного поля в листовых материалах с толщиной Вт 0, d 0,3 малой теплопроводности в режиме бегущей Т Км волны.
Предложен метод построения СВЧ устройств равномерного нагрева d 0, листовых материалов толщиной, который основан на следующих положениях:
- СВЧ устройство состоит из двух модулей, а каждый модуль из одинаковых по конструкции и параметрам секций, энергия электромагнитного поля в которых распространяется во взаимно-противоположных направлениях, перпендикулярно направлению движения листового материала;
- секция СВЧ устройства состоит из электродинамической системы, которая с одной стороны согласована с источником СВЧ энергии, а с другой стороны согласована с водяной нагрузкой, в которой расположен датчик прохождения мощности для контроля технологического процесса;
- первый и второй модуль в направлении движения материала имеют электродинамические системы, свойства которых создают взаимодополняющие распределения температуры по толщине материала и за счет принципа суперпозиции достигается постоянное значение температуры в материале после прохождения СВЧ устройства.
На рис. 1 представлено продольное сечение СВЧ устройства с поперечным взаимодействием для создания равномерного распределения температуры по толщине в листовых диэлектрических материалах.
b v a d 1 1 2 Рис. 1. Продольное сечение СВЧ устройства типа бегущей волны для равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов. 1 – волновод, 2 – замедляющая система, - скорость движения материала, d - толщина листового 3 – листовой материал, материала, а – размер широкой стенки волновода, b – размер узкой стенки волновода.
Первый модуль образован двумя волноводными секциями на основном типе волны Н10 и обеспечивает максимальное значение температуры в центре материала, а второй модуль состоит из четырех секций на основе замедляющих систем, который обеспечивает максимальное значение температуры на поверхности материала.
Модель и метод расчета распределения температуры в материале для волноводных секций представлен в виде нагруженных длинных линий и учитывает изменение диэлектрических параметров материала от координаты и температуры.
Распределение температуры в материале Т1 z, у после прохождения первой волноводной секции модуля (источник слева) имеет вид:
y f 2 z sin 2 Pвх кz a (1) z.
T1 z, у Tн z, у e нz сд S п.с.
д Распределение температуры в материале Т 2 z, у после прохождения первой волноводной секции модуля (источник справа) имеет вид:
y f 2 z sin 2 Pвх кz a, (2) 2 ( z) T2 z, у T1 z, у e нz сд S п.с.
д где нz нz fz fz ;
;
2 z 2 ( z) е е нz нz кz нz кz кz нz кz 2 d d н к нz кz 2 ;
.
2а 1 2а 2а 2а fz fz Функции и описывают зависимость диэлектрических z в направлении параметров материала от температуры и координаты - ширина обрабатываемого материала;
Pвх распространения бегущей волны;
нz, - мощность источника СВЧ энергии;
- значения постоянных кz затухания при начальной и конечной температуры материала вдоль координаты z ;
сд - теплоемкость материала;
- плотность материала;
- время д прохождения материалом секции устройства СВЧ нагрева.
Предложена модель и метод расчета распределения температуры в материале для СВЧ устройств на основе замедляющих систем в виде нагруженных длинных линий, как в направлении оси z, так и в направлении оси y, учитывающая изменение диэлектрических параметров материала от температуры и координат.
Распределение температуры в материале Т1 z, у после прохождения для двух первых секции замедляющих систем (источник снизу) имеет вид:
f2 z f2 y] 2[ кz кy Аz Ву Т1 z, у Т н z, у Рвх е е (3).
S п.с. сд д Распределение температуры в материале Т 2 z, у после прохождения двух следующих секций СВЧ устройства на основе замедляющих систем (источник сверху) имеет следующий вид:
f2 z f2 y] 2[ кz кy А( z) В (d у) Т 2 z, у Т1 z, у Рвх е е, (4) S п.с. сд д где нy нy fy fy ;
;
2 y 2 (d y) нy нy е е кy нy кy кy нy кy k А k зам В 2k k зам 1 ;
k ;
;
.
2 k зам k зам 4 k зам зам fу fу Функции и описывают зависимость диэлектрических у в направлении параметров материала от температуры и координаты k зам распространения бегущей волны;
- коэффициент замедления;
ну, - значения постоянных затухания при начальной и конечной ку температурах материала в направлении оси у ;
S п.с. - площадь поперечного сечения материала.
На рис. 2 представлены теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по толщине материала после прохождения СВЧ устройства.
T/T 1, 0, 1 0,8 y,мм 30 35 10 0 5 Рис. 2. Теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температурного поля по толщине материала после прохождения СВЧ устройства.
Максимальный разброс температуры по толщине листового материала при толщине материала d 0, составил не более 9%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры по толщине материала не превышает 7%.
В третьей главе: “Разработка СВЧ устройств термообработки материалов с продольным взаимодействием” решена задача уменьшения разброса температурного поля в материалах круглого поперечного сечения Вт 0, диаметром ( 0,3 ) низкой теплопроводности в режиме Т Км бегущей волны.
Предложен метод построения СВЧ устройств равномерного нагрева по поперечному сечению стержневых и цилиндрических материалов большого диаметра ( 0,3 ) и малой теплопроводностью. Метод основан на том, что энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении движения материала, а СВЧ устройство состоит из последовательно включенных секций волноводного типа и замедляющих систем, которые обеспечивают суперпозицию распределения температуры по поперечному сечению материалов, удовлетворяющую требованиям технологического процесса.
На рис. 3 представлено продольное сечение СВЧ устройства равномерного нагрева по поперечному сечению стержневых материалов, которое состоит из двух секций. Первая секция СВЧ устройства выполнена в виде круглого волновода работающего на основном типе волны Е01 и обеспечивающего максимальное значение температуры в центре диэлектрического стержня, а вторая секция выполнена в виде диафрагмированного волновода, обеспечивающего максимальное значение температуры на поверхности стержня.
Рис. 3. Поперечное сечение СВЧ устройства термообработки диэлектрических стержней и труб: 1 – круглый волновод (1 =100мм);
2 – диафрагмированный волновод;
3 – стержень (2 = 40мм);
- скорость движения материала.
Модель и метод расчета распределения температуры в материале для волноводной секции и для секции в виде замедляющей системы представлены в виде нагруженных длинных линий и учитывает изменение диэлектрических параметров материала от температуры и координат.
Распределение температуры в материале Т1 z, r после прохождения секции в виде круглого волновода на волне типа E01 (источник слева) имеет вид:
f 2 z J0 r 2 2 Pвх кz R z, (5) T1 z, r Tн z, r e нz сд S п.с.
д где k2 k2 н к 2 2 k ;
;
.
нz кz 2 2 R Распределение температуры в материале Т 2 z, r после прохождения секции СВЧ устройства в виде диафрагмированного волновода (источник слева) имеет вид:
f2 z f2 r] 2[ Аz Вr кz кr Т 2 z, r Т1 z, r Рвх е е, (6) S п.с. сд д нr fr где r.
е нr кr нr кr Теоретические и экспериментальные характеристики распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня после прохождения двух секций СВЧ устройства представлены на рис. 4.
Т/T 1, 1, 1, 0, 1 0, r,мм 0, -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 Рис. 4. Теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня после прохождения двух секций СВЧ устройства.
В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований распределения температуры по толщине для диэлектрических труб. Разброс температуры по поперечному сечению исследуемых материалов не превышал 9% при диаметре стержней ( = 0,33 ) и труб ( = 0,5 ).
Расхождение теоретических и экспериментальных распределений температуры в материале стержней и труб не превышало 10%, как по длине, так и по поперечному сечению.
Предложена новая конструкция СВЧ устройства для эффективной термообработки стержней и труб из материалов с малыми диэлектрическими 0,1, отличительная особенность которых состоит в том, что потерями вторая секция СВЧ устройства выполнена в виде двумерно-периодической замедляющей систем [2 ].
В четвертой главе: “ СВЧ устройства термообработки неподвижных материалов в режиме бегущей волны” поставлена и решена задача в трубах, диаметром ( ) уменьшения разброса температуры 0,3 с 0,1.
малыми диэлектрическими потерями Разработано СВЧ устройство периодического действия на основе двумерно-периодической замедляющей системы, которое характеризуется переменным периодом Lz z в направлении распространения бегущей волны 0,02.
для термообработки труб с малыми диэлектрическими потерями На рис. 5 представлено поперечное сечение СВЧ устройства периодического действия для термообработки труб с малыми диэлектрическими потерями.
В качестве электродинамической системы используется замкнутая в цилиндр конструкция двумерно-периодической замедляющей системы. В азимутальном направлении электродинамическая система характеризуется периодом L. В этом направлении устанавливается стоячая постоянным замедленная волна.
Модель расчета распределения температуры в материале трубы СВЧ устройства типа бегущей волны выбрана в виде нагруженной длинной линии.
Рис. 5. Продольное сечение СВЧ устройства периодического действия для термообработки диэлектрических труб. 1 – источник СВЧ энергии, 2 – водяная нагрузка, 3 – двумерно-периодическая замедляющая система, 4 – обрабатываемая труба, 5 – двойные связки, 6 – индуктивная диафрагма, 7 - проводники линии, 1- внешний диаметр трубы, 2 – внутренний диаметр трубы, - длина диэлектрической трубы.
Постоянное распределение температуры Т z трубы в направлении распространения энергии электромагнитного поля может быть получено при условии, что период двумерно-периодической замедляющей системы Lz z в направлении распространения бегущей волны меняется по определенному закону:
k 2 Lz z 2 z Рвх k Lz z const, (7) Тz Т нач z е z ( Rд rд2 ) сд z2 д где: Т нач z - начальная температура диэлектрической трубы;
- фазовый сдвиг, приходящийся на период системы L z ;
z Rд - внешний диаметр трубы;
rд - внутренний диаметр трубы.
Для удовлетворения уравнения (7) необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие:
k 2 Lz z z Lz z (8) 1.
e z Lz Уравнение (8) описывает закон изменения периода двумерно периодической замедляющей системы в осевом направлении, то есть в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот.
Материал трубы и основные параметры электродинамической системы 0,02;
Rд 30мм;
rд 28 мм ;
12,24см ;
имели следующие значения:
0,2 ;
Lz 0 20 мм ;
Lz 30 мм.
200 мм ;
z На рис. 6 представлены теоретические и экспериментальные характеристики распределения температуры в материале трубы.
Т/Т 1, 1, 0, z,м 0, 0 0,10 0,15 0, 0, Рис. 6. Теоретические и экспериментальные характеристики распределения температуры в диэлектрической трубе для СВЧ устройства, конструкция которого представлена на рис. 5.
- фоном обозначена область экспериментальных значений.
Разброс температурного поля составил не более 6%, а расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температурного поля в материале трубы не превышало 5% при диаметре ( = 0,5 ).
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной научной задачи в области создания высокоэффективных СВЧ устройств, формирующих равномерное распределение температуры в материалах с малой теплопроводностью и различными диэлектрическими потерями. При решении поставленной задачи в работе разработаны модели, методы расчета, а также научно обоснованные технические решения, которые позволили создать новые СВЧ устройства и реализовать высокоэффективные технологические процессы термообработки материалов с различными диэлектрическими потерями.
Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволившая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач.
Основные результаты работы:
1. Разработан метод построения СВЧ устройств равномерного распределения температуры в листовых диэлектрических материалах толщиной d 0,3, основанный на том, что в качестве нагревательных элементов СВЧ устройства используются секции волноводных и замедляющих систем с поперечным взаимодействием и суперпозиции характеристик распределения температуры по толщине материала;
2. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств с поперечным взаимодействием для термообработки листовых материалов толщиной d 0,3 малой теплопроводности, при этом максимальный разброс температуры по толщине материала не превышает 8%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не превышает 7%;
3. Разработан метод построения СВЧ устройств равномерного распределения температуры диэлектрических материалах в виде стержней и труб диаметром ( 0,3 ), основанный на том, что в качестве нагревательных элементов СВЧ устройства используются секции волноводных и замедляющих систем с продольным взаимодействием и суперпозиции характеристик распределения температуры по поперечному сечению материала;
4. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки стержней и труб диаметром ( 0,3 ) малой теплопроводности с продольным взаимодействием, при этом максимальный разброс температуры по поперечному сечению материала не превышает 8%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не превышает 7%;
5. Разработано СВЧ устройство равномерного нагрева труб с малыми диэлектрическими потерями периодического действия в режиме бегущей волны на основе секции двумерно-периодической замедляющей системы с переменными параметрами;
6. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройства термообработки труб, диаметром ( = 0,5 ) периодического действия в режиме бегущей волны, при этом максимальный разброс температурного поля по объему материала не превышает 6%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не превышает 5%.
Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:
1. Лоик Д.А., Шахбазов С.Ю., Нефедов М.В., Никишин Е.В., Никишев А.О. “Измерение распределения температурного поля материалов в резонаторах сложной формы” //Измерительная техника,. № 6, 2008, стр. 56-59.
2. Лоик Д.А., Шахбазов С.Ю., Нефедов М.В., Никишин Е.В., Никишев А.О. “Измерение распределения температурного поля по толщине листовых материалов в СВЧ – устройствах типа бегущей волны” //Метрология,. № 5, 2008, стр. 38-44.
3. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В., Нефедов В.Н. “Измерение температуры труб с малыми диэлектрическими потерями в СВЧ устройствах типа бегущей волны”. Метрология, № 4, 2009, стр. 42-46.
4. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Назаров И.В., Нефедов В.Н. “Концепция построения СВЧ устройств равномерного нагрева листовых материалов”. Измерительная техника, № 3, 2009, стр.58-59.
5. Лоик Д.А., Шахбазов С.Ю., Назаров И.В., Нефедов В.Н., Филимонов В.А.
“Использование концентрированных потоков СВЧ энергии для термообработки листовых диэлектрических материалов”. Труды YIII межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2007 г., стр. 74-80.
6. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Никишин Е.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н.
“Полимеризация стеклопластиковых труб с использованием концентрированных потоков СВЧ энергии”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 45-49.
7. Лоик Д.А., Шахбазов С.Ю., Назаров И.В., Нефедов В.Н. “Использование концентрированных потоков СВЧ энергии для термообработки листовых диэлектрических материалов”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 50-54.
8. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Черкасов А.С., Королев Д.С.
“СВЧ устройство для термообработки труб с малыми диэлектрическими потерями”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 55-58.
9. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Назаров И.В. “Концепция построения СВЧ устройств термообработки листовых материалов”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 59-62.
10. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Черкасов А.С. “Использование СВЧ энергии для полимеризации стержневых материалов”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 63-66.
11. Лоик Д.А., Мишин Д.А., Назаров И.В., Потапова Т.А., Черкасов А.С.
“Моделирование процессов термообработки материалов в СВЧ поле замедляющих систем с переменными параметрами”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине”, МГУ, 2008 г., стр. 67-69.
12. Лоик Д.А., Нефедов М.В., Никишин Е.В. “СВЧ – устройство для термообработки диэлектрических стержней”. Материалы международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2008”, Саратов, СГТУ, стр. 324-327.
13. Патент РФ на полезную модель № 83380 (положительное решение по заявке № 2008144305/22(057755) от 10.11.2008 г.). Авторы: Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В.
14. Патент РФ на полезную модель № 83379 (положительное решение по заявке № 2008143103/22(056118) от 31.10.2008 г.). Авторы: Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В.
Цитируемая литература:
1. Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 – 12 November 2004).
2. Мамонтов А.В., Назаров И.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А.
“Микроволновые технологии”, изд. ГНУ НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), 2008.- 308с.
3. Ю.С.Архангельский “СВЧ – электротермия”. Саратов: СГТУ. 1998. – 408с.
4. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. 2002. – 200с.