автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов

На правах рукописи

Бубнов Александр Владимирович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЧ-УСТАНОВКОЙ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Научные руководители:

доктор технических наук,

профессор КАШМЕТ Владимир Васильевич

доктор технических наук,

старший научный сотрудник ЮЛЕНЕЦ Юрий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор ЧИСТЯКОВА Тамара Балабековна

кандидат технических наук РАШКОВСКИЙ Павел Валентинович

Ведущая организация: Всероссийский научно - исследовательский институт токов высокой частоты им; В. П. Вологтщна

Защита диссертации состоится апреля 2004 года в 44 час в ауд. 61

на заседании диссертационного совета Д212.230.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Адрес института: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы и замечания в 1 экз., заверенные печатью, следует направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПб ГТИ (ТУ), Ученый совет.

Автореферат разослан " марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

Халимон В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К числу научных направлений, призванных обеспечить качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на использовании электромагнитных (ЭМ) методов воздействия на.технологические процессы. В силу особых преимуществ (быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его формы, геометрических размеров и коэффициента теплопроводности, отсутствие тепловой инерции нагревателя, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах) сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев как составная часть данного научного направления позволяет по-новому решать проблемы термической обработки и сушки материалов, а в ряде случаев -реализовать на практике, принципиально новые технологические процессы и операции.. К их числу относится новый технологический процесс СВЧ-термообработки, ставящий своей целью уничтожение грибков и вредителей в толще материалов. Технология применима как для диэлектрических материалов с неограниченным объемом (стены, перекрытия, перегородки, полы), так и для предметов бытового назначения и произведений искусства (мебель, деревянные рамы картин, книги). СВЧ-нагрев - не только наиболее эффективный, но и единственно возможный метод тепловой обработки материалов строительных конструкций зданий и внутренних помещений (древесина,. кирпичная кладка, бетон). Действительно, химические методы защиты недолговечны и эффективно действуют лишь в поверхностных слоях материала. Об "эффективности" химических методов свидетельствуют и действующие ГОСТ и СНиП, согласно которым "тгораженные грибком или жучком участки древесины в конструкциях следует вырезать и сжигать, а взамен их -устанавливать металлические протезы".

Несмотря на, несомненную актуальность технологии СВЧ-термообработки, практической СВЧ-установки указанного назначения в России до сих пор не создано. Задача создания установки данного типа не может быть решена без разработки автоматизированной системы управления. Эта задача, в свою очередь, оказывается нетривиальной из-за специфики объекта (термообработка материала с неограниченным объемом проникающим СВЧ-излучением с помощью мобильной СВЧ-установки) и рассматривается впервые.

Диссертационная работа выполнялась в рамках внутрйвузовской программы исследований "Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии", которые в течение ряда лет ведутся в СПб-государственном технологическом институте в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.

(РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Цель работы. Математическое моделирование и алгоритмизация управления процессом СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом и разработка автоматизированной системы управления мобильной СВЧ:установкой указанного назначения.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса СВЧ-термообработки однослойных и двухслойных влажных материалов. Модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в толще материала и учитывает перенос влаги как путем диффузионного механизма, так и за счет фильтрационного движения пара. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодержаний в глубине однослойных и двухслойных материалов при их одностороннем СВЧ-облучении.

Предложен метод экспресс-оценки влагосодержания однослойных и двухслойных материалов с неограниченным объемом; основанный на анализе распределения температуры в их глубине. Метод предусматривает контрольное СВЧ-облучение, измерение температур в толще (числом, равным числу слоев), процедуру расчета влагосодержания.

Впервые разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, производит коррекцию времени нагрева, осуществляет операции по перемещению СВЧ-установки с рупорной антенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка.

Практическая ценность. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки в материалах строительных конструкциях, обеспечивающие уничтожение домового гриба в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика в древесине. Показана высокая эффективность технологии СВЧ-термообработки как средства борьбы с вредителями в материалах строительных конструкций.

Разработана методика исследования объекта управления - мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом, включающая методы косвенного определения влагосодержания и электрофизических свойств материалов непосредственно в процессе их СВЧ-облучения.

Разработаипая в диссертации автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой может быть использована для тиражирования при практической реализации процессов СВЧ-нагрева различного технологического назначения.

Реализация результатов. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой рекомендована к применению на объектах Министерства культуры РФ при проведении комплекса реставрационных работ.

Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств" (Краснодар, Кубанский государственный технологический университет, 2002) и 16 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, СПб-государственный технологический институт, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 113 с, состоит из введения, четырех глав, выводов и четырех приложений. Количество рисунков - 22, количество таблиц - 20, список литературы насчитывает 80 наименований.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Дереворазрушающие грибы (их насчитывается около 60 видов) развиваются там, где возникают благоприятные условия по температуре, влажности, скорости движения воздуха. Как .правило,.это именно глубшшые слои дерева; Вредителями древесины являются также жучки-точильщики, их личинки и термиты. Участки древесины, пораженные грибками, а также жучками, приходится заменять или протезировать. Однако, губительное действие грибков и бактерий не ограничивается разрушением материалов. В настоящее время можно считать доказанным, что образующиеся на поверхности стен и потолков грибки и культуры бактерий выделяют свои споры и зародыши в воздух помещений и таким путем попадают на продукты питания, заражая и отравляя их. Специальный журнал Европейского медицинского общества сообщает, что попавшие в человеческий организм мельчайшие дозы грибкового яда могут даже через несколько лет (!) вызвать появление pa-ковых опухолей. В специальной литературе приводятся и другие сведения о вредном воздействии биологических факторов на самые различные материалы (дерево, штукатурку, обои, краски, клеи, пластмассу, кирпичную кладку). Тем не менее техническим средствам борьбы с вредителями уделяется очень мало внимания. Вопросы автоматизации установок СВЧ-нагрева и, тем более мобильных лучевых СВЧ-камер, не разработаны. В главе критически проанализированы причины такого состояния вопроса. Отмечено, в частности, что известные математические модели процессов термообработки и сушки при СВЧ-элсктроподводе носят, как правило, упрощенный характер. Методов непосредственного контроля влагосодержания неоднородных (составных) материалов не существует. Электрофизические (ЭФ) свойства на СВЧ известны

лишь для ограниченного числа веществ и материалов, что ставит перед исследователями задачу разработки косвенных методов их определения. Все указанные обстоятельства весьма затрудняют определение технологических режимов процесса СВЧ-термообработки и его управление.В силу отсутствия прямых методов контроля за температурой в глубине обрабатываемого материала и влагосодержанием задачу управления мобильной СВЧ-установкой целесообразно решать с помощью эргатической системы. На основании проведенного анализа состояния вопроса задачи диссертационной работы сформулированы следующим образом:

- экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и составных (двухслойных) структурах различной влажности в лучевой СВЧ-камере;

- . анализ мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом как объекта управления;

- разработка математической модели процесса СВЧ-нагрева однослойных и двухслойных материалов в поле плоской ЭМ-волны, осложненного массопереносом;

- разработка методики экспресс-оценки влагосодержаиия облучаемых материалов;

- разработка алгоритма и структуры автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки конструкционных строительных материалов с неограниченным-объемом.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ-ТЕРМООБРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ:

Экспериментальное исследование распределения температуры в глубине конструкционных строительных материалов проводилось в лучевой СВЧ-камере закрытого типа. Установка представляла собой СВЧ-генератор (выходная мощность Р„=750 Вт, частота ЭМ-поля f=2,45 ГГц) с рупорной антенной, опущенной внутрь технологического устройства (металлический шкаф с перемещаемой полкой) и направленной на исследуемый образец (расстояние между плоскостью раскрыва антенны и поверхностью материала -30 мм). Образцы во всех случаях по площади были в 1,5-2 раза больше площади раскрыва рупора и составляли для гипсовой

штукатурки: 230 х 190 х 20 (30) (46) мм; для древесины: 330 х 200 х 220 мм, для кирпичной кладки: 250 х 180 х 120мм. Двухслойные структуры штукатурка-древесина и штукатурка-югрпичная кладка получали наложением соответствующих материалов друг на друга. Температуры в толще измерялись тотчас по окончании каждого эксперимента с помощью термопар, вводившихся в заранее просверленные отверстия, расположенные в центральном сечении образца. Температуры лицевой и обратной поверхностей образца

измерялись дистанционно с помощью ИК-термометра модели М8866. Влаго-содержание образцов контролировали до и по окончании каждого опыта с помощью кондуктометричсского влагомера (древесина) и весовым методом (штукатурка, кирпич, древесина). Примеры зависимостей приведены на рис. 1-4.

Гипсовая штукатурка заданной толщины даже в сухом состоянии представляет собой непрозрачный для данной частоты материал и активно нагревается - рис. 1. Сухая древесина прогревается в глубину сравнительно медленнее. С ростом влажности поглощаемая древесиной ЭМ-энергия возрастает, ввиду . резкой зависимости глубины проникновения от влажности - рис. 2, рис. 3. Кирпичная кладка, представляет собой наиболее

т.-с 60 55 50 45 40 35 30

3

т——

4

2

1 '—■

20 25 30 35

х.мм

0 .5 10 15 Рис. ' 1. СВЧ-нагрев гипсовой штукатурки: 1) АУВ=10,3%, Т„=17°С, т=60 с; 2) \У„=0, Т„=16°С, т=90 с; 3) \¥н=4,52%, ТВ=23°С, т=90 с; 4) \УЯ=8%, ТИ=17°С, т=90 с •

прозрачный из исследованных для данной частоты материал: для ее разо-

грева в глубину требуется наибольшее время - рис. 4. Из сопоставления кривых 1 и 2 на рис. 2 следует, что СВЧ-прогрев древесины с влагосодержанием W=25% в глубину происходит интенсивнее (за одно и то же время достига-

Т,°С 120

100

80

60

40

20

0

^ Ó3,

2 А

1 41

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200*, мм

Рис. 3. СВЧ-нагрсв составной структуры гипсовая штукатурка - дерево (елт.): 1) Wun=l5%, WBcp=25-40% (по слоям), Т„=18°С, 1=90 с; 2) W^m, Wítp=2540% (по слоям), ТИ=18°С, т=120 с; 3) W„n=15%, Wsep=25^0% (по слоям), Т„= 18°С, т=240 с .

ётся большая температура в толще), чем древесины с влагосодержапием W=70%. Это объясняется тем, что коэффициент отражения древесины с вла-госодержанием 25% меньше, чем коэффициент отражения, древесины с влагосодержапием 70%, хотя фактор диэлектрических* потерь у первого образца больше, чем у второго. Иначе говоря, материал средней, влажности поглощает больше энергии, чем сильно увлажненный. То же самое относится • и к образцам из кирпича (рис. 4, кривые 1 и 2).

Отличие характера некоторых зависимостей от экспоненциального (согласно теории, ЭМ-волна в диэлектрике затухает по экспоненте) объяснять 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

\

V4

\

\ - J2.

\ 1

ч te--. ---•---

3

0

•20

40

60

80

100-

120

140'

160*, мм

Рис. 4. СВЧ-нагрев составной структуры гипсовая штукатурка - кирпичная кладка: 1) 'У/1тр=4%, Т„=16°С, х=240 с; 2) WШI=14%, \У„„Р=10,1%, ТН=10°С, т=180 с;

3) \УШТ=15%, >>^,„=10,1%, Т„=18°С (штукатурка), Т„=14°С (кирпич), т=90 с; 4^ш^15%^1™р=10,1%,Т11=13оС,т=900с

ется неоднородным распределением влагосодержания по толщине у некоторых образцов. При приближении к Т=100°С в ходе кривых появляются аномалии. В поверхностных слоях идет сушка и поэтому температуры на поверхности оказываются ниже, чем на небольшой глубине (рис. 2, кривые 2,5; рис. 3, кривая 3; рис. 4, кривые 3, 4). В составной структуре гипсовая штукатурка - древесина (рис. 3, кривая 3) происходит сквозной прогрев штукатурки с одновременной ее подсушкой. В точке перехода к древесине температура меняется почти скачком.

Для применения технологии в целях термообработки материалов с неограниченным объемом (стена, перекрытие, перегородка) аппаратурное оформление процесса приобретает вид лучевой СВЧ-камеры открытого типа - рис. 5. Если с помощью средств автоматизации обеспечить выполнение

требуемого режима термообработки с одновременным перемещением СВЧ-генератора с рупорной антенной по материалу (стене), то СВЧ-установке может быть придана функция мобильной. Полученные экспериментальные данные в принципе позволяют задать технологические режимы СВЧ-термообра-ботки - время облучения и время выдержки, и на этой основе строить алгоритм управления объектом, но при условии, что известны начальная температура и влагосодержание

материала. В главе принципиально обоснована возможность определения влагосодержаний слоев составной структуры по значениям температур на фиксированных глубинах, достигнутым за контрольное время СВЧ-облучения. Показано, что реализация вычислительной процедуры в рамках предлагаемого метода наиболее корректно может быть осуществлена на основе математической модели процесса СВЧ-термообработки. Определена структура математической модели, которая должна позволять производить все необходимые для последующей алгоритмизации управления объектом вычисления: расчет распределения температур в однослойном и двухслойном (составном) материале; расчет поглощаемой мощности, в том числе мощности, затрачиваемой на испарение; расчет коэффициентов отражения и затухания ЭМ-волны (при неизвестных ЭФ-свойствах материалов); расчет влаго-

Рис. 5. Устройство СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом: 1 - СВЧ - генератор, 2 - рупорная антенна, 3 - обрабатываемый материал (стена), 4 - координатный механизм, 5,6- ролики, 7 - защитный экран

содержания составных материалов исходя из поля температур в их толщине; расчет времени термообработки (времени прогрева однослойного и двухслойного материалов до заданной температуры на заданную толщину).

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА СВЧ-ТЕРМООБРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основные допущения, использованные при построении математической модели процесса СВЧ-термообработки, сформулированы следующим образом: нагрев материала происходит за счет энергии плоской ЭМ-волны, напряженность электрического поля в эффективной площади раскрыва рупора постоянна, физические свойства материала неизменны в рабочем интервале температур, облучаемый с помощью рупорной антенны материал представляет собой полупространство , теплообмен поверхности материала с окружающей средой пренебрежимо мал, перенос тепла теплопроводностью к участкам необлучаемого объема за время облучения отсутствует, перенос влаги в материале до достижения температуры фазового перехода (100°С) происходит только в виде жидкости (критерий фазового превращения ), при достижении материалом температуры фазового перехода (100°С) перенос влаги происходит только в виде пара , причем вся выделяющаяся СВЧ-эиергия расходуется только на испарение, после испарения влаги происходит дальнейший разогрев материала.

В первой стадии температура в материале- не достигает 100°С, а перенос влаги осуществляется диффузионным механизмом. Уравнения для изменения температуры Т и влагосодержания и в зависимости от времени т и толщины х в первой стадии процесса имеют вид:

Здесь: ат, ат - коэффициенты соответственно температуропроводности и потенциалопроводности переноса массы, - коэффициент массообме-на, сТ, ро - удельная теплоемкость и плотность материала, ир - равновесное влагосодержание, к - начальное значение параметра, р - удельная мощность, выделяющаяся в материале при СВЧ-облучении, равная.

где - плотность потока падающей мощности.

Коэффициент затухания в материале плоской ЭМ-волны а и коэффи-

циент отражения ЭМ-волны от поверхности материала у выражаются следующим образом:

(5)

Здесь £1 - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха,. Е2 = е2-ге^82 - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость материала, е2, 5г - соответственно вещественная часть относительной диэлектрической проницаемости и угол диэлектрических потерь материала.

Для случая постоянства физических свойств материала для системы (1-3) получены аналитические решения:

Т(х,х) = Тн +

2р0(1-у)

'атх

_1_

-у/л

ехр

4дгт

(

егй:

атх

+ [- 2ехр(- 2ах)+ехр(4а2атт+2ах) ейс 2а^г г —

4 ал \ 2л/агг>

+ ехр(4а2ог г - 2ах) -

и(т,х) = ин ~(ин -иг Кегй:

(6)

-ехр

/3

х+

( Р

а„т

ат

(7)

Из результатов экспериментального исследования следует, что за время СВЧ-нагрсва до Т=100°С (твагр=1,5-2 мин) влагосодержание даже наружного слоя составной структуры (гипсовая пггукатурка) практически не меняется. Другим быстро сохнущим материалом является древесина. Численная оценка показывает (при ат=6,17-10"10 м2/с, Р=8,7*10'8 м/с), что за время СВЧ-нагрева древесины (иц=20%) до Т=100°С (твап,=70 с) ее влагосодержание на поверхности составит «»=19,36%, а уже на глубине ,х=1 мм останется неизменным: «1^=20%. Таким образом вклад сушки диффузионным механизмом пренебрежимо мал.

При достижении Т=100°С в материале появляется зона сушки, отделяемая от зоны нагрева подвижной границей дгх(т). С ростом времени граница достижения Т=100°С смещается в толщу материала. Уравнения, описывающие вторую стадию процесса, имеют вид:

0<х<хх(т): Т = сог^ = 100°С, х > хв (т): и = сопб! = ин,

Эх ^ дх2 ст р0

(8)-(9) (10) (И)

где г - теплота парообразования, т$(х) - время достижения Т=100°С на глу-бине х. . - , -

Уравнение (9) для распределения влагосодержаяия решается численно..

В случае СВЧ-термообработки составного (двухслойного) материала уравнения модели записываются для каждого слоя в отдельности и дополняются условиями на границе слоев:

Эх

ДС=(Г!

-^■аГ

(12)

где Т\,Т2- температуры слоев, о( - толщина первого (внешнего) слоя, X] Д: -коэффициенты теплопроводности слоев.

Мощность, выделяющаяся за счет СВЧ-облучения во втором (внутреннем) слое, определяется выражением

=2^)[1-7,(^)1 р01ехр[-2сх1№)с1]ехр[-2а2^2)(х-о,)]. (13)

Мощность, падающая на второй слой, равна

Р02 ~ Ро! & ~ Яехр[~ 2а! ) СТ! ]. (14)

В уравнениях (13), (14) предполагается, что коэффициенты а и у зависят от средних влагосодержаний слоев ,

. В общем случае уравнения (1), (11) для первого и второго слоев с условиями (12) для составной структуры материалов решаются только числен-.но. Однако основным вычисляемым параметром ■-• процесса СВЧ-термообработки является время догрева до заданной температуры на заданной толщине только второго слоя составной структуры материалов. В таком случае, согласно численной оценке, второй слой оказывается практически

Э Т

=0. Тогда, используя (6), для тем-

теплоизолированным от первого: — ■ . ' ' Эх

пературного поля во втором слое, можно получить:

ехр

, 4апг

erfc

f \ X-CT,

4a2{W2)

[exp(4ar22(V72)ar2r-

-2a2 (w2) (x - СГ[)) erfc

x-cr.

2л/аг2г

+ exp

[4a22(w2K

т +

+2ar2(W,2)(x-£7,)]erfc

2а2(\У2)л]ат2т +

x—(J<

-2exp[-2a,(W2)(*-Oi)]]l. (15)

Параметр тнагр определяется численным решением уравнения (15) при подстановке заданных значений Т2 их. В Приложении к диссертации приведены примеры расчета поля температур, поля влагосодержаний и параметра ^агр для однослойного и двуслойного материалов.

Сопутствующим СВЧ-нагреву является процесс сушки, протекающий < по интенсивному (фильтрационному) механизму (Т=100°С). В этой связи представляет интерес вывод соотношения для оценки величины давления пара, развиваемого в материале при его интенсивной сушке (при £ф=1). Уравнение для распределения избыточного давления г пара имеет вид

Ъг Э2-

дт

Э г

г=0 при т=0, г=0 при х=0, —

дх

= 0,

х=о,

где qp - источник пара, связанный с фазовыми превращениями:.. п --г 1 ди-ЕФ р(х)

Ч « Cif

Эг

Фо

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

Здесь Св - удельная пароемкость. Максимальное давление будет достигнуто в установившемся режиме (т=со): d2z _ 2a (l - у)р0 ехр(- 2ох) "дх2 свгр0

Решение для (19) получено в виде В

z = —^expf- 2ах)+С,х + С2, 4а

гпг г _ Bqexp(-2g(7,) В0 2а(\ - у)р0 где и,----, 1^2 — - т» °о---•

2а 4 а свг р0ар

Численная оценка показала, что избыточное давление пара в гипсовой штукатурке для случая наиболее интенсивной сушки ^=33-10"4l/cj составляет: гшб|т=00 " 0,88 МПа, что значительно ниже предела ее механической прочности.

4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЧ-УСТАНОВКОЙ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ С НЕОГРАНИЧЕННЫМ

ОБЪЕМОМ

Для контроля влагосодержания однородного материала (в том числе, материала с неограниченным объемом) могут быть использованы известные средства измерения. Способов контроля влагосодержания составных (двухслойных) материалов не существует. Между тем, проведенный анализ закономерностей СВЧ-нагрева позволяет предложить сравнительно простой и надежный косвенный метод экспресс-оценки влагосодержания слоев составных структур. Сущность метода заключается в следующем.

Скорость тепловыделения для малых времен тобл зависит только от коэффициентов отражения и затухания ЭМ-волны, которые, в свою очередь, являются функциями, влагосодержания: a(W)HY(W). Распределение температуры в толще материала описывается выражением

• (21)

■ <тРо

В соответствии с предложенной методикой, для экспресс-оценки влагосодержания составной (двухслойной) структуры необходимо произвести ее СВЧ-облучсние в течение короткого промежутка времени затем вы-

ключить СВЧ-генератор и выполнить измерение-двух значений температуры Tki и Ти на заданных глубинах. По значениям Tri и Ткг с помощью соотношения (21) находятся влагосодержания слоев материалов. При этом должна быть известна или измерена толщина наружного материала (слоя) л:=а]. Удельная мощность СВЧ-энергии, падающей на второй (внутренний) материал (слой), определяется выражением (14). В диссертации описана также методика определения ЭФ-свойств материалов (зависимостей a{W) и Y(W)) по температурным кривым Т(х) после цикла СВЧ-облучения. На рис. 6 в качестве примера построены кривые иллюстрирующие экспресс-оценку влагосодержания внутреннего слоя (кирпичной кладки) в составной структуре.

Для уничтожения домового гриба в древесине и кирпичной кладке требуется догрев до 40°С на заданной глубине, и далее - выдержка при этой температуре в течение 10 мин. Время выдержки древесины при температуре 65°С, гарантирующее уничтожение жучка-точильщика, должно составлять 3-4 мин. Более рациональным представляется производить разогрев участка стены до более высоких температур, а выдержку осуществлять путем его естественного охлаждения. Значения температур, до которых следует производить СВЧ-нагрев участка стены с целью уничтожения в ее материалах домового гриба и жучка-точильщика, с тем, чтобы естественное охлаж-

дение данного участка было не менее требуемого времени выдержки, определены экспериментальным путем и составили: Т(х)=46°С (уничтожение домового гриба), Т(х)=68°С (уничтожение жучка-точилыцика).

Задачами управления СВЧ-установкой являются: автоматическое определение момента догрева влажного материала или влажной составной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине (определение тнагр), корректировка 1нагр на основе сравнения заданного значения температуры Т,д с истинной (измеренной) температурой Ти, реализация пе-

Рис. 6. Экспресс-оценка влагосодержания по достигнутому за контрольное время СВЧ-облучения значению температуры Тщ.. Материал сюны - гипсовая нпукагурка-кирпичная кладка: П слой (кирпич), Т„=20°С, т^бОс, Р„=750Вт, ро1=70,4кВт/м2, Шш1=10%: 1) *2=35мм, 2) дг2=40мм, 3) дгг=45мм, 4) *2=50мм, 5) хг=65мм. Примечание: глубина х

отсчитывается от поверхности стены ремещений СВЧ-установки с рупорной антенной на заданные расстояния в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения каждого фиксированного участка. Алгоритм управления (рис. 7) разработан в соответствии с обозначенными задачами и с учетом проведенного в Главе 3 теоретического анализа.

Управление начинается с момента ввода исходных данных в вычислительный блок. В качестве исходных данных используются параметры, необходимые для вычисления длительности Алгоритм экспресс-оценки влагосодержания методом контрольного СВЧ-облучения рассмотрен в диссертации отдельно. Поэтому в алгоритме управления (рис. 7) величины и считаются известными. Вычисленный параметр автоматически вводится в качестве задания в оперативную память реле времени (РВ2). Действие АСУ ясно из блок-схемы алгоритма и структурной схемы (рис.8). Отметим лишь несколько важных особенностей.

Предусмотрено два режима СВЧ-нагрева - "НАГРЕВ однократный", позволяющий оператору по окончании I цикла СВЧ-облучения выполнить измерение температуры и ввести полученное значение в блок коррекции

параметра Тнагр, и режим "НАГРЕВ рабочий", осуществляющий циклы СВЧ-термообработки по скорректированному заданию х'=Т11аГр ¿Ах,,,^ , вычислен ному блоком коррекции (параметр хнагр вычисляется блоком 2). Переход от одного режима к другому осуществляется автоматически с помощью блока формирования управляющих воздействий (БФУВ), который содержит логи-

Рис. 7. Блок-схема алгоритма управления мобильной СВЧ-установкой

ческие элементы И и ИЛИ и преобразует входные сигналы в управляющие сигналы в необходимой последовательности для объекта и устройств, подключенных к нему. Например, по сигналу окончания ввода в реле времени

СХ| (W|),Yl(W| )дьТн1 ,Р01 ,а2(\У2Ш\У,.\У2),*2,Тн2

Тн,Тзд,хзд,ст,ро,а|,У1Льатьа2,у2Я2,ат2.РоДобя,'ш.Ф, п'у.п'гЛ'

Рис 8. Структурная схема АСУ мобильной СВЧ-установкой

РВ2 параметра тнагр им вырабатывается ответный логический сигнал «тнагр», поступающий в БФУВ. БФУВ вырабатывает два синхронных управляющих сигнала - на включение режима "НАГРЕВ однократный" и на пуск РВ2. Исполнительным механизмом АСУ служит позиционер, который осуществляет перемещения СВЧ-генератора с рупорной антенной по заданной траектории стены (с шагом /ш) в двух координатах у и г.

Эксплуатационные характеристики автоматизированной мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов иллюстрируют таблицы 1,2.

Таблица 1. Характеристики СВЧ-устаповки для термообработки стены гипсовая штукатурка (1=35 мм)-древесина (уничтожение домового гриба и жучка-точильщика)_

Ринат Эфф. площадь рупора, см2 % ^дер, % Темп, на глубине 55мм (Т55), "С Тц&гр» МИН Время обраб. участка стены площадью 1м2, ч

0,75 2,5 95 317 14,0 14,0 12,0 12,0 46 46 1,5 1,5 2,6 0,8

0,75 2,5 95 317 10,0 10,0 14,0 14,0 68 68 3,0 3,0 5,3 1,6

Таблица 2. Характеристики СВЧ-установки для термообработки стены гипсовая штукатурка (1=35 мм)-кирпичная кладка (уничтожение домового гриба)

Рн, кВт Эфф. площадь рупора, см2 % % Темп, на глубине 95мм (Ти), °С МИН Время обраб. участка стены площадью 1м2, ч

0,75 2,5 95 317 9,0 9,0 10,0 10,0 46 46 5,4, 5,4 9,5 2,8

Как следует из данных табл. 1 и 2, время термообработки стен достигает довольно значительных величин, в особенности при облучении кирпичной кладки. При необходимости сокращения времени термообработки могут быть использованы несколько рупорных антенн, питающихся от мощного СВЧ-генератора, что не вносит изменений в алгоритм и структуру управления.

ВЫВОДЫ

Общим результатом диссертационной работы является решение задачи защиты строительных конструкций и материалов от вредителей новым методом, включающее определение технологических режимов СВЧ-термообработки, математическое моделирование и алгоритмизацию управления процессом и разработку автоматизированной мобильной установки указанного назначения.

6 Л Д 8

1. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки, обеспечивающие уничтожение домового гриба и жучка-точилыцика в однородных материалах и структуре двухслойных материалов (штукатурка-древесина, штукатурка-кирпичная кладка).

2. Для процесса СВЧ-термообработки влажных материалов, в том числе двухслойных, разработана математическая модель, описывающая нестационарный процесс распространения тепла в толще и учитывающая перенос влаги как за счет диффузионного, так и за счет фильтрационного механизма.

3. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодер-жаний в глубине однородных и неоднородных (двухслойных) материалов при их одностороннем СВЧ-облучении плоской ЭМ-волной.

4. Разработаны расчетно-эксперименталъный метод определения электрофизических свойств влажных материалов и методика экспресс-оценки влагосо-держания.

5. Предложена процедура вычисления основного параметра объекта управления - времени догрева материала до заданной температуры на заданной глубине.

6. Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом.

7. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой рекомендована к внедрению на объектах Минкультуры РФ при проведении комплекса реставрационных работ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Марков А.В., Бубнов А.В., Юлепец Ю.П. О повышении интенсивности сушки при внутренних источниках тепла // Электронная обработка материалов. - 2002, №2. -С. 62-69.

2. Марков А.В., Бубнов А.В. Математическая модель СВЧ-нагрева материалов плоской ЭМ-волпой // Материалы Мезвдународ. научно-практической конф. «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств». - Краснодар: Кубан. гос. технол. ун-т, 2002. - С. 79-82.

3. Бубнов А.В., Кашмет В.В., Марков А.В. Термообработка материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны / СПб-roc технол. ин-т. - СПб, 2003. -18 с - Деп. в ВИНИТИ 09.04.03, №653-В2003.

4. Бубнов А.В., Марков А.В. Метод экспресс-оценки влагосодержания в процессе СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объёмом // Материалы 16 Международ. НК «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-16. - СПб: СПб-roc технол. ин-т. (техн. ун-т),2003 - Т. 10. - Секц. 11 - С. 81-82.

5. Марков А.В., Бубнов А.В. Математическая модель СВЧ-термообработки влажных материалов с неограниченным объёмом // Материалы 16 Международ. НК «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-16. - СПб: СПб-гос. технол. ин-т. (техн. ун-т), 2003 - Т. 10. - Секц. 11 - С. 83-84.

23.03.04 г. Зак.бЗ-75 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СВЧ - ТЕРМООБРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах.

Развитие технического прогресса в условиях рыночных отношений в экономике диктует концепцию существенного повышения эффективности производства и улучшения качества выпускаемой продукции на основе передовых достижений науки и техники, интенсификации производства, широкого внедрения автоматизированных систем управления. К числу научных направлений, призванных обеспечить , качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на применении ЭМ-методов воздействия на различные технологические процессы.

К числу ЭМ-методов воздействия относится сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев. В силу особых физических преимуществ (быстрый и управляем мый прогрев материала1 в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности, отсутствие тепловой инерции нагревателя, отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах) СВЧ-нагрев наряду с высокочастотным (ВЧ) нагревом позволяет по-новому решать, задачи термической обработки и; сушки материалов. Если в отношении эффективности использования СВЧ-нагрева в технологических процессах производства материалов, и изделий, как правило, каждый раз (при замене традиционной технологии на нетрадиционную) требуется конкретное технико-экономическое обоснование, то иначе обстоит дело с принципиально новыми технологиями. К числу таких, принципиально новых технологий относится СВЧ-технология термообработки, ставящая своей целью уничтожение грибков и вредителей. Технология применима как для диэлектрических материалов в строительных конструкциях (стены, полы, потолки из штукатурки, древесины, кирпичной кладки в различных сочетаниях), так и для предметов бытового назначения и произведений искусства (мебель, деревянные рамы старинных картин, книги). Конечно, технико-экономическое обоснование желательно и в этом случае. Только проводить сравнение с традиционной технологией не представляется возможным, ввиду ее отсутствия.

В самом деле, известно, что для уничтожения домового гриба в древесине и кирпичной кладке необходимо осуществить разогрев этих материалов до 40°С, а затем некоторую выдержку при данной температуре. Однако, если обг рабатываемый материал представляет собой объект с неограниченным объемом (стена), очевидно, что традиционные, так называемые внешние источники подвода тепла, здесь практически неприменимы. Поэтому сопоставление с традиционной; технологией может быть проведено весьма условно. Действительно, согласно [1], для того чтобы осуществить сквозной прогрев кирпичной кладки толщиной 230 мм до 40°С с помощью внешнего источника тепла (допустим, паяльной лампы) требуется 9 часов. В жилых и производственных помещениях стены оштукатурены, оклеены обоями, облицованы пластиком и т.п. Понятно, что в таких случаях использовать паяльную лампу для целей термообработки можно лишь теоретически. В результате СВЧ-нагрев является единственно возможным методом тепловой санитарной термообработки материалов в строительных конструкциях зданий. Следует заметить, что химические методы защиты древесины и деревяннных конструкций от вредителей недолговечны и эффективно действуют лишь в поверхностных слоях материала. Свидетельством тому, что технология борьбы с вредителями не разработана, являются действующие ГОСТ и СНиП, согласно которым пораженные грибком или жучком участки древесины в деревянных конструкциях следует вырезать и сжигать, а взамен их — устанавливать металлические протезы. Вряд ли нуждается в доказательствах утверждение о дороговизне, трудоемкости, а часто и нереальности осуществления подобных операций.

СВЧ-нагрев в поле плоской ЭМ-волны (аппаратурное оформление процесса - СВЧ-генератор с рупорным излучателем) позволяет эффективно проводить термообработку, а также сушку диэлектрических материалов в строительных конструкциях жилых и производственных помещений, как на поверхности, так и в глубине. При этом время прогрева до требуемых температур составляет несколько минут.

Тем не менее, практической СВЧ-установки для данного назначения в России до сих пор не создано. К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: неизученность технологических режимов процессов СВЧ-термообработки и сушки в строительных материалах и конструкциях, в том числе при их различной влажности и при различных сочетаниях составляющих материалов (штукатурка-дерево, штукатурка-кирпичная кладка), отсутствие не-разрушающих методов контроля влажности материалов с неограниченным объемом, недостаточный уровень разработки теории тепломассопереноса применительно к процессу термической обработки влажных материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны, и, наконец, отсутствие разработок в области автоматизации установок СВЧ-нагрева с рупорным излучателем.

Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской Программы исследований «Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии», которые в течение ряда лет ведутся в СПб — государственном технологическом институте в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.

Цель работы. Математическое моделирование и алгоритмизация управления процессом СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом и разработка автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой указанного назначения.

В первой главе проведен критический анализ состояния вопроса в области методов математического моделирования и расчета СВЧ-установок, предназначенных для термообработки и сушки материалов. Подчеркнута специфика материалов - объектов настоящего исследования (материалы с неограниченным объемом).

Рассмотрены особенности f процесса санитарной термообработки, ставящего целью уничтожение грибков и насекомых в глубине материалов, в том числе разнородных по своему составу (штукатурка-дерево, штукатурка-кирпичная кладка). Кратко изложены физические основы СВЧ-нагрева, дана общая характеристика СВЧ-оборудования, используемого для целей термической обработки и сушки, в том числе лучевых СВЧ-камер. При критическом рассмотрении состояния вопроса в области расчета СВЧ-сушильных установок отмечается, что известные математические модели либо учитывают только стадию нагрева, либо без достаточных оснований упрощенно трактуют стадию сушки, например: влагосодержание на поверхности равно начальному влагосо-держанию. Кратко проанализированы методы экспериментального исследования процессов СВЧ-нагрева и сушки. На основании проведенного анализа состояния вопроса сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию кинетики СВЧ-нагрева и поля температур в глубине влажных конструкционных строительных материалов (гипсовая штукатурка, древесина, кирпичная кладка), а также двухслойных структур: гипсовая штукатурка-древесина, гипсовая штукатурка-кирпичная кладка. Описаны методика приготовления образцов и методика экспериментального исследования. Анализ полученных зависимостей распределения температуры в глубине материалов проведен с использованием современных представлений теории распространения плоской ЭМ-волны в диэлектриках с потерями и теории тепломассопереноса. Экспериментальным путем определены режимы проведения процесса СВЧ-термообработки (времена СВЧ-облучения), обеспечивающие уничтожение домового гриба и жучка-точильщика в различных конструкционных строительных материалах. Рассмотрено устройство мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов, дан анализ установки данного типа как объекта управления. Сформулированы подходы к реализации расчетно-экспериментального метода экспресс-оценки влагосодержания в неоднородных материалах с неограниченным объемом (стена).

В третьей главе рассматриваются вопросы теории и расчета процесса СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом. Разработаны физическая и математическая модели процесса. Математическая модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в глубине однородных и неоднородных (двухслойных) материалов при их одностороннем СВЧ-облучении, а также сушку. Механизм сушки до достижения температуры фазового перехода интерпретирован как. диффузионный перенос влаги в жидком виде; после достижения температуры фазового перехода - как фильтрационный перенос пара. Предложен и разобран на примере расчетно-экспериментальный метод определения коэффициентов затухания и отражения ЭМ-волны в материале с неизвестными (или неполными) электрофизическими свойствами. Получены с оотношения: для расчета поля температур и поля влагосодержаний ё глубине однородных и неоднородных материалов (двухслойных структур) при их СВЧ-облучении. Получено выражение для оценки величины давления пара, развиваемого в материале при его интенсивной СВЧ-сушке. В заключение главы рассмотрены методика и примеры расчета параметров процесса СВЧ-термообработки, осложненного сушкой, в сопоставлении с экспериментом. Методика расчета предусматривает определение времени нагрева однородного материала и двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине.

Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Разработан и проанализирован на примерах расчетно-экспериментальный метод экспресс-оценки влагосодержания на высоком уровне мощности (метод основан на непосредственном СВЧ-облучении материала и регистрации температурного распределения в его толщине). Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов с неограниченным объемом.

Автоматизированная система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, при необходимости производит коррекцию времени догрева до заданной температуры на заданной глубине, исполняет операции, обеспечивающие перемещения СВЧ-установки с рупорной ан-1, тенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка. Численные значения температур, до которых следует производить разогрев материалов с целью уничтожения в них вредителей (домовой гриб, жучок-точильщик), уточнены с помощью дополнительно поставленных экспериментов по кинетике естественного охлаждения двухслойных структур.

Научная новизна. Разработана математическая модель, процесса СВЧ-термообработки однослойных и двухслойных влажных материалов. Модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в толще материала и учитывает перенос влаги как путем диффузионного механизма, так и за счет фильтрационного движения пара. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодержаний в глубине однослойных и двухслойных материалов при их одностороннем СВЧ-облучении.

Предложен метод экспресс-оценки влагосодержания однослойных и двухслойных материалов с неограниченным объемом, основанный на анализе распределения температуры в их глубине. Метод предусматривает контрольное СВЧ-облучение, измерение температур в толще (числом, равным числу слоев), процедуру расчета влагосодержания.

Впервые разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, производит коррекцию времени нагрева, осуществляет операции по перемещению СВЧ-установки с рупорной антенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка.

Практическая ценность. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки в строительных конструкциях, обеспечивающие уничтожение домового гриба в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика в древесине. Показана высокая эффективность технологии СВЧ-термообработки как средства борьбы с вредителями в материалах строительных конструкций.

Разработана методика исследования объекта управления - мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом, включающая методы косвенного определения влагосодержания и электрофизических свойств материалов непосредственно в процессе их СВЧ-облучения.

Разработанная в диссертации автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой может быть использована для тиражирования при практической реализации процессов СВЧ-нагрева различного технологического назначения.

Реализация результатов. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой рекомендована к применению на объектах Министерства культуры РФ при проведении комплекса реставрационных работ.

Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств" (Краснодар, Кубанский государственный технологический университет, 2002) и 16 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, СПб-государственный технологический институт, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных работ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Применение энергии сверхвысоких частот (подход СВЧ-энергетики) дает возможность по-новому решать задачи нагрева и сушки различных материалов. В настоящее время СВЧ-нагрев становится способом, на основе которого создаются новые технологические методы и процессы. Согласно [1] области целесообразного использования СВЧ-нагрева (в сравнении с традиционными технологиями) обусловлены действием ряда экономических показателей, к числу которых относятся: 1) расходы, отнесенные к 1 кг отработанной продукции; 2) наличие особых преимуществ, например, таких как мгновенный управляемый нагрев; 3) экономия площадей, отводимых для хранения, или экономия i оборудования, являющаяся следствием значительного сокращения циклов термообработки; 4) уменьшение стоимости сырья при одном и том же качестве продукции; 5) уменьшение потерь в процессе термообработки; 6) более высокое качество получаемой продукции.

Не останавливаясь пока на значимости вклада каждого из перечисленных показателей, отметим, со своей стороны, что существуют и такие задачи технологии, эффективное решение которых возможно лишь одним способом. К числу подобных задач относится проблема борьбы с плесенью и вредителями в древесине и кирпичной кладке в производственных и других помещениях, а также в разнообразных изделиях из дерева (например, в рамах старинных картин, мебели, книгах). Известно [2-4], что химические методы защиты деревянных конструкций и деревянных материалов (обработка антисептиками) недолговечны и эффективно действуют лишь на поверхности. В зданиях дереворазрушающие грибы (их насчитывается около 60 видов) развиваются там, где возникают благоприятные для этого условия по температуре, влажности, скорости движения воздуха. Как правило, это именно глубинные слои дерева. Поэтому пораженные грибками участки древесины рекомендуется вырезать и сжигать [3], после чего древесина усиливается специальными металлическими протезами. Вредителями древесины являются также жучки-точильщики, их личинки и термиты. Участки древесины, пораженные жуками и их личинками, также приходится заменять или протезировать [3].

СВЧ-нагрев принципиально является единственным эффективным методом тепловой обработки строительных конструкций (стены, полы, потолки) производственных и жилых помещений, а также деревянных произведений искусства. Так, согласно [1], чтобы уничтожить домовой гриб в кирпичной кладке толщиной 230 • мм необходимо всего лишь (!) осуществить сквозной нагрев кладки до 40°С. Если предположить техническую возможность использования для этой цели энергии внешнего источника тепла, например паяльной лампы, то для подобной операции потребовалось бы 9 часов [1]. Необходимо указать и на еще одну причину, почему СВЧ-нагрев следует считать единственно эффективным методом термообработки материалов.

В настоящее время можно считать доказанным, что образующиеся на поверхности стен и потолков грибки и культуры бактерий выделяют свои споры и зародыши в воздух помещения и таким путем попадают на продукты питания, заражая и отравляя их. Специальный журнал Европейского медицинского общества сообщает [3], что попавшие в человеческий организм мельчайшие дозы грибкового яда могут через несколько лет вызвать появление раковых опухолей. Особенно значительным является вред, наносимый грибками, в помещениях, предназначенных для пищевых производств и используемых как продовольственные склады. Развитие плесневых грибков на стенах и перекрытиях в складских и производственных помещениях ведет к преждевременному износу отделочного слоя стен, сокращает межремонтные сроки и, кроме того, представляет собой недооцениваемый источник инфекции для пищевых продуктов, перерабатываемых и складируемых в этих помещениях [3]. В специальной литературе можно найти и другие сведения о вредном воздействии биологических факторов на различные материалы дерево, штукатурку, обои, краски, клеи, пластмассу и кирпичную кладку). Тем не менее техническим средствам борьбы с вредителями уделяется весьма мало внимания. Нам известны только две работы, посвященные данному вопросу [6, 7]. Работа [6] носит сугубо исследовательский характер и ставит своей целью установление принципиальной возможности уничтожения вредителей в древесине методом СВЧ-нагрева. В работе [7] рассмотрен аппарат для термообработки стен в виде СВЧ-установки с рупорным излучателем. В работах [1, 8] в разделах, посвященных сферам применения техники СВЧ-нагрева, по существу излагаются результаты работ [6, 7].

Хотя принцип действия и конструкции лучевых СВЧ-камер известны [1, 8-12], до настоящего времени не создано практических мобильных СВЧ-установок, предназначенных для термообработки материалов и их сушки в производственных и жилых помещениях. Не известными являются технологические режимы СВЧ-термической обработки и сушки материалов, в частности, при их различных многослойных сочетаниях.

Для выявления причин такого состояния вопроса и соответствующей формулировки задач данного исследования необходимо критически проанализировать результаты работ в области теории тепломассообмена при СВЧ-нагреве, техники экспериментального исследования этих процессов, конструирования СВЧ-установок для термообработки материалов.

Технологические процессы, связанные с нагревом и реализуемые на основе метода СВЧ-энергетики, основаны на поглощении материалом мощности облучающей (падающей) волны.

Удельная мощность, выделяющаяся в материале при СВЧ-облучении, равна [13, 10] р = qy = Ю80б' tg 5 Е2, (1.1) где Е — действующее значение напряженности электрического поля в диэлектрике.

ЭМ-волна, попадающая в диэлектрик с потерями, ослабляется в направлении распространения. Энергия, достигающая сечения х, уменьшается на величину Ар:

Лр = Ак,дв(1-е'2ах). (1-2)

Здесь рподв - удельная энергия, подводимая к поверхности материала; а - коэффициент затухания ЭМ-волны, равный [9,10]:

При tg2S« 1 a ».

В СВЧ-энергетике принято характеризовать величиной h глубину проникновения ЭМ-поля, на которой её энергия уменьшается в г раз [9]: 1 Хе' К h = — »-=-Л=—, где (1.4)

Xq - длина волны в вакууме, X - длина волны в диэлектрике.

Из равенства (1.4) следует, что глубина проникновения уменьшается с ростом частоты, величины в' и г" также меняются с частотой. Длина волны в диэлектрике X меньше длины волны в вакууме А,о в л/? раз. Определенная часть энергии ЭМ-волны отражается от поверхности диэлектрика и расходуется на непроизводительный нагрев магнетрона. Долю отраженной энергии в СВЧ-энергетике принято характеризовать с помощью коэффициента отражения.

1.5)

С1 VS2

8, В2

Здесь индексы 1, 2 относятся соответственно к газовой фазе и нагреваемому материалу.

Характер выделения мощности в материалах при СВЧ-облучении зависит от согласования генератора с нагрузкой, а также от поведения самой нагрузки (облучаемого материала) в процессе нагревания. Непоглощенная энергия отражается, и в линии передачи (в волноводе, антенне, в воздушном пространстве между материалом и излучателем) возникают стоячие волны. Это вредное для СВЧ-нагрева явление характеризуется коэффициентом стоячей волны по напряжению. Отношение напряжения в максимуме к напряжению в минимуме стоячей волны представляет собой коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН): и%1 т = (1.6) мин.

Величина, обратная КСВН, называется коэффициентом бегущей волны (КБВ) [9, 14]: s = — = (17) т имакс

Напряжение в отраженной волне пропорционально коэффициенту отражения. Поэтому можно записать [9, 12]:

1 + у т = -—L. (1.8)

1-у

Из (1.8) можно получить зависимость коэффициента отражения у как функции от КСВН:

U. макс 1 т +1 и макс ! Uмин

В хорошо согласованных СВЧ-устройствах КСВН близок к 1,5-2. Чтобы нагреть диэлектрик массой М в поле СВЧ на А Г градусов за время т, необходима выходная мощность

Рн =^\ATdV = 2nfE0zftgbjE2dV. (i.iO)

Уравнение (1.10) предполагает, что электрическое поле во всем объеме материала однородно. В действительности ЭМ-волна в диэлектрике затухает. Таким образом при расчете температурного поля в диэлектрике необходимо учитывать затухание. Кроме того, облучаемые материалы чаще всего имеют неоднородную структуру (например, неоднородное по толщине распределение влажности), что вносит дополнительные сложности в расчет. Следует также добавить, что в каждой практической СВЧ-установке необходимо стремиться к возможно более полному согласованию волнового сопротивления диэлектрика с волновым сопротивлением падающей волны, т.е. не должно быть отражения от поверхности диэлектрика.

Математическое описание процессов СВЧ-нагрева в различных технологических устройствах рассматривается в ряде работ [8-10, 12, 15-20].

Так, в [15] и [12] описывается стадия нагрева тела, имеющего форму цилиндра, в сублимационной СВЧ-сушилке. Показано, что для стационарного режима процесса температурное поле в материале отвечает уравнению: о (1.11) дг г дг Хт с граничными условиями: л дТ п при г = 0 — = 0 дг (1.12) при г - R Т = Тпов = const.

Здесь Тпов - температура поверхности тела, определяется уравнением

1.1).

Аналитическое решение уравнений (1.11), (1.12) получено в [15] для случая, когда фактор диэлектрических потерь А = z" = z'tgS описывается экспоненциальной зависимостью.

Математические модели нестационарного процесса СВЧ-нагрева рассматриваются в работах [12, 16-20, 22].

Взяв за основу общую систему дифференциальных уравнений связанного тепло- и массопереноса при внутренних источниках тепла [21, 22], ди д2и d2t ди т Ь м тг Б л. дх тдх2 т тдх2 ф д-1 dt d2t г ди 1 „

-еф--— + qv-. (1.13) а дх Т дх2 9 ст дх 1V стр0 dzdz Ро ди дх р дх2 ф bmn дх авторы [18, 20] в предположении отсутствия испарения для периода СВЧ-нагрева влажного материала получают уравнение (в обозначениях, принятых в [22]): dt д2* 1 ат +qv-. (1Л4) дх дх ст Ро В уравнениях (1.13), (1.14): и, t, z - соответственно локальное по координате х влагосодержание, температура материала и давление пара в порах и капиллярах, ат — коэффициент потенциалопроводности переноса жидкости, sm -термоградиентный коэффициент, £ф — критерий фазового превращения, ар коэффициент конвективной диффузии, тп - пористость тела, Ь = dz кинетический коэффициент, ст - удельная теплоемкость материала, ро -плотность абсолютно сухого материала, ат — коэффициент температуропроводности, qv - локальная мощность внутренних источников тепла.

Однако решение уравнения (1.14) получено в [20, 12] в предположении независимости фактора диэлектрических потерь от температуры. В частности, для случая СВЧ-нагрева толстых образцов в [12] предложена зависимость:

1.15)

Причем формулы для расчета коэффициентов A = A(qv) и кр в [12] не приводятся. Коэффициенты рекомендуется находить из экспериментальных кривых. Таким образом предлагаемая в [12, 20] методика расчета нестационарного режима процесса СВЧ-нагрева выглядит по меньшей мере незавершенной.

Наиболее пристальное внимание вопросам теории СВЧ-нагрева диэлектриков в камерах с неограниченным объемом уделено в работах [16,17, 8].

Рассмотрен [8] случай СВЧ-термообработки материалов, линейные размеры которых намного больше глубины проникновения в них ЭМ-волны: Отмечается, что такого рода системы представляют собой один или несколько излучателей СВЧ-энергии, расположенных у самой поверхности материала и иногда перемещаемых вдоль этой поверхности. Можно сказать, что процесс СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом с помощью рупорных излучателей физически аналогичен рассмотренным в [8, 16, 17] задачам.

Расчет излучателя, работающего на полупространство, заполненное средой с известными диэлектрическими свойствами, согласно [8], проводится традиционными методами [23, 24]. Ввиду сложности расчета ЭМ-поля в ближней зоне излучателя, задача о нагреве полубесконечного тела сводится к расчету температурного поля при нормальном падении плоской ЭМ-волны на полупространство *>0. В соответствии с [16, 8], в одномерном случае необходимо совместно рассматривать уравнения Максвелла дН 8D дх дт дЁ дБ дх дх

1.16) и уравнение нестационарной теплопроводности

20 д2Т { qv(x,х) дх2 стр0

1.1-7)

Решение для (1.16), (1.17), правда в весьма громоздком виде, получено в [16, 17] как для случаяi постоянства ЭФ-свойств материала, так и для случая, когда фактор диэлектрических потерь зависит от температуры.

В целом следует признать, что уравнения (1.16), (1.17) могут быть взяты за основу при математическом моделировании процесса термообработки материалов с помощью СВЧ-лучевой камеры. Однако, в рассматриваемом случае термообработке подлежат материалы различной влажности. Вместе с тем влажностные зависимости электрофизических свойств > большинства; материалов в диапазоне; СВЧ остаются; неизвестными. По этой причине большое внимание в настоящей работе необходимо уделить постановке и проведению экспериментального исследования; Прежде чем; перейти к анализу известных работ в области; техники экспериментального исследования! процессов, СВЧ-нагрева, сделаем отступление.

Настоящая работа посвящена созданию автоматизированной;мобильной СВЧ-установки для термообработки< материалов (с целью> уничтожения в них вредителей и бактерий). Благоприятной средой для вредителей; как уже отмечалось, является влажность материалов. Под действием СВЧ-облучения будет происходить не только разогрев; но и сушка материалов. Собственно сушка играет в нашем случае роль второстепенного (сопутствующего) процесса: Вместе с тем влияние сушки за время термообработки все же необходимо принимать во внимание.

Методы анализа и расчета процессов сушки при внутренних источниках: тепла базируются на системе уравнений (1.13). Аналитическое решение этой системы в общем случае возможно только при постоянстве: кинетических коэффициентов переноса. Однако и численное решение (при переменных коэффициентах) даже для упрощенного случая (одномерная задача (1.13)) также оказывается затруднительным [25; 26], ввиду того, что не удается сформулировать начальные и граничные условия. Более того, как отмечается в [27], кинетические коэффициенты ат, sm, ар известны лишь для весьма ограниченного числа материалов.

Все сказанное делает, как правило, невозможным теоретический анализ процессов сушки при наличии внутренних источников тепла на основе общей системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса вида (1.13). Вместе с тем при СВЧ-облучении (термообработке) строительных объектов температурное поле будет, очевидно, неоднородно по толщине материала, причем наибольшая температура будет достигаться на его поверхности. В соответствии с этим ощутимая убыль влаги также, по всей вероятности, будет наблюдаться лишь при достижении верхними слоями материала высоких температур, близких к 100°С. В подобных случаях, как показано в работах [27-31], математическое описание сушки при внутренних источниках тепла упрощается, поскольку механизм процесса представляет собой фильтрационный перенос пара под действием градиента давления (см. третье уравнение системы (1.13)).

При необходимости учета вклада в процесс нагревания более медленной сушки - сушки, протекающей при температурах, меньших температуры ди фазового превращения, возникает другой крайний случай [32]: £ л, —--> 0 .

ОТ

Действительно, следуя [8, 32, 11], при t < 100°С перенос вещества осуществляется главным образом в виде жидкости, и уравнение массопроводности приобретает вид: ди д2и d2t ,, 10Ч

ТГ = ат —у+ amsm —Т. (1.18) ох дх дх

Как всегда, решение задачи вида (1.18) осложняется формулировкой граничных условий и ограничивается случаями известных кинетических коэффициентов ат и sm.

Описанию техники экспериментального исследования процессов СВЧ (или, иначе, микроволнового) нагрева и сушки, как ни странно, уделяется мало внимания. В литературе чаще всего можно найти лишь сведения о полученных результатах. Значительно реже - их обсуждение [1, 8, 15, 19, 31, 33-35]. Более того, техника проведения экспериментов, в частности методика измерения температуры и влагосодержания материала в поле СВЧ, освещается очень скудно. Между тем известно, что термопара, термометр сопротивления, жидкостный термометр и любое другое измерительное устройство, помещенное внутрь рабочей камеры, вызывает искажение ЭМ-поля, что в лучшем случае приводит к погрешностям измерения и ухудшению условий нагревания. Кроме того, показания такого измерителя будут зависеть не только от температуры обрабытываемого материала, но и от прямого нагрева термочувствительного элемента за счет поглощения1 им СВЧ-энергии. По свидетельству опытных исследователей [8, 27], даже специальные, экранированные от действия ЭМ-поля конструкции термопар [36, 37], не обеспечивают гарантированного результата. Единственно возможный способ измерения температуры в рабочей СВЧ-камере - дистанционный радиационный, с помощью инфракрасного (ИК) термометра [38-40].

В настоящее время ИК-термометры выпускаются серийно. Понятно, однако, что с помощью ИК-термометра можно измерять лишь температуру поверхности нагреваемого материала. По этой причине при исследовании поля температур в толще, очевидно, необходимо в исследуемых образцах предусмотреть отверстия на различной глубине и производить измерения с помощью термопар тотчас после отключения СВЧ-источника.

Не менее сложным является вопрос измерения влагосодержания. Если при проведении экспериментов на образцах можно пользоваться известными приемами анализа влажности (путем непрерывного или периодического взвешивания, на древесине - с помощью кондуктометрического или другого электронного влагомера [41]), то при работе на объекте, подобные методы неприменимы. В литературе [43, 44] описаны СВЧ-методы измерения влажности, основанные на «просвечивании» материала СВЧ-излучением от вспомогательного маломощного генератора. К сожалению, даже не оценивая стоимость подобных приборов, для целей настоящей работы они непригодны, так как при просвечивании стены получится среднеинтегральное значение влажности. То же самое относится и к способу измерения влажности с помощью основного (мощного) СВЧ-генератора, который заключается [45] во включении между СВЧ-сушилкой и балластной нагрузкой направленного ответвителя, во вторичном канале которого установлены детекторная головка и измерительный прибор с усилителем. Таким образом, измерить раздельно известными методами влагосодержание каждого слоя двухслойной структуры не представляется возможным. По этой причине вопрос контроля влажности в слоях материала при, его СВЧ-термообработке будет решен в ходе предстоящего исследования.

Электрофизические (ЭФ) или, иначе, диэлектрические, свойства на СВЧ известны лишь для ограниченного числа веществ и материалов и часто перепечатываются из одной монографии в другую [46, 1, 8-10, 57, 49]. Особенно редко в литературе приводятся параметрические зависимости ЭФ-свойств — зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и влажности. Исключение составляют пищевые продукты и мягкие породы древесины (сосна, ель, пихта, гембаль). Электрофизические свойства последних изучены достаточно подробно [1, 47, 48, 50-54]. Строительные материалы специально не изучались, хотя? в литературе можно найти отдельные данные о диэлектрических свойствах, например, кирпича [10, 55]. Недостающие данные, очевидно, необходимо получить в ходе выполнения настоящей работы. В связи с этим следует заметить, что методы измерения диэлектрических свойств материалов на СВЧ достаточно сложны (методы отражения и поглощения, резонансный и волноводный методы) и требуют наличия специальной дорогостоящей аппаратуры [52, 54, 8]. Особенной трудоемкостью отличаются известные методики определения параметров е' и tgb материала с учетом изменения его температуры и влажности [8, 54, 56]. В этой связи заслуживает внимания простая методика измерения фактора диэлектрических потерь, предложенная в работе [8].

Если кювету с материалом поместить в СВЧ-камеру (в том числе, камеру бытовой СВЧ-печи) и включить генератор, то за время хн поглощенная материалом мощность составит сЖ(Т-Тн) рн=——-—• (1.19) т«

С другой стороны, согласно (1.1):

Рн = 2nfs0e'tgdE2V. (1.20)

Здесь Е - напряженность электрического поля в месте расположения кюветы.

Из (1.20) получается „ „ с,М,(Т-Ттт) А = e tgd = s = и/. (1.21)

2я / 80Е Vth

Далее, если исследуемый материал заменить в кювете на другой диэлектрик с известными параметрами б"д , сд, Мд, V, который следует разместить в том же месте СВЧ-камеры, то для этого второго диэлектрика соотношение (1.21) можно записать в виде:

Д= \Др L-' (1.22) ьоЕд Vx„ где b0 = 2%fs0.

Но Е=ЕД из-за малого возмущения картины поля, вносимого исследуемым материалом и эталонным диэлектриком (в СВЧ-камере дополнительно установлен балластный поглотитель большой массы). Тогда (1.22) упрощается „ сЖ(Т-Тн) z гяо м (Т -ТУ (L23)

СДМД\1Д 1н)

Из (1.23) следует, что для определения г"(Т) необходимо измерить температуру исследуемого материала и заменившего его эталонного диэлектрика через интервал времени т„ и далее при известных ch сд, Mi, Мд произвести расчет.

По нашему мнению, аналогичным образом можно приближенно определить и зависимость , если производить кратковременное включение генератора на время хн, в течение которого влажность образца вследствие сушки не изменится. К сожалению, описанная методика позволяет находить лишь фактор диэлектрических потерь, а не раздельно с' и tgb материала. Однако, если дополнительно известен один из параметров а или у, то из (1.3) или (1.5) можно найти tgb, а затем по определению: г" = в' tgb и s'.

Отметим в связи с этим, что коэффициент затухания а, входящий в выражение для мощности внутренних источников; тепла qv, можно найти из экспериментов по СВЧ-нагреву, воспользовавшись для обработки данных решением уравнения теплопроводности (1.17).

Конструкции СВЧ-лучевых камер рассмотрены в работах [1,6,7]. В [7] запатентованы различные варианты СВЧ-установки с рупорным излучателем: без экрана, с одним и двумя заземленными экранами (вокруг рупора и с обратной стороны стены), с принудительным обдувом холодным или горячим воздухом, нагнетаемым от компрессора и подаваемым через рупорный излучатель. Принудительная продувка воздухом необходима для отвода паров воды. Холодный воздух предусмотрен на случай предотвращения перегрева и порчи поверхности материала при длительном СВЧ-облучении. Для обеспечения требований безопасности варианты конструкции с заземленными экранами представляются убедительными. Однако, если термообработке подлежит материал большой толщины, обладающий значительным затуханием, то установка заземленного экрана с обратной стороны, вероятно, является излишней.

Задача СВЧ-термообработки строительных материалов с целью уничтожения домового гриба» (Merulius lacrymans) в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика (Anobium punctatum) в древесине рассматривалась в работах [1, 6, 7]. Установлено, что домовой гриб можно уничтожить, если поднять температуру материала до 40°G и выдержать его при этой температуре в течение 10 мин. Гифу гриба, глубоко проникающую в кирпичную кладку из соседней гниющей древесины, практически невозможно уничтожить обычными методами нагрева. Для уничтожения древесного точильщика требуется поднять температуру древесины до 65°С на время 2-5 мин [7]. Однако в работах [1, 6, 7] не приводятся экспериментальные данные по распределению температуры в глубине материала и о кинетике СВЧ-нагрева для материалов различной влажности (за исключением сухой фанеры [ 1 ]). Нам неизвестны также какие-либо опубликованные сведения о действии плоской ЭМ-волны на двухслойные структуры, каковыми? являются конструкции стен (штукатурка- кирпич, штукатурка-бетон, штукатурка-дерево).

Уместно подчеркнуть, что в литературе вообще чрезвычайно мало можно найти экспериментальных данных по СВЧ-термообработке даже однородных и весьма распространенных материалов (пищевых продуктов мы г здесь не касаемся). Так, в отношении древесины, кроме уже упоминавшегося сборника [1], можно дополнительно назвать лишь две работы: [51,57]. При этом в [57] поле температур при ОВЧ-нагреве для древесины различной влажности не рассматривается; а в [51] полученные результаты по распределению температуры в толще влажной древесины носят противоречивый характер. В то же время в литературе [1, 10, 8, И] можно встретить массу публикаций, посвященных изучению процессов СВЧ-сушки и СВЧ-обработке древесины

33, 34, 53, 58-62]. Не подлежит сомнению, однако, что без экспериментального исследования поля температур в толще материала технологические режимы процесса СВЧ-термообработки предложить невозможно.

Проанализируем теперь возможность реализации технологии СВЧ-термообработки на реальном объекте с неограниченным объемом. Параметрами, характеризующими процесс, являются время нагрева до заданной температуры и время выдержки при постоянной температуре. Однако для материала, подлежащего термообработке (двухслойной структуры), неизвестными являются влажности как отдельных структур (штукатурка, дерево, кирпич), так и послойное распределение влаги в каждой структуре.' Контролировать эти влажности в реальных производственных условиях не представляется возможным. Таким образом не представляется возможным и управлять процессом термообработки, в частности, задать требуемое время облучения. Причем даже в том случае, если толщины обрабатываемых материалов являются известными. Задачу управления процессом термообработки и , в дальнейшем, задачу управления мобильной СВЧ-установкой можно решить с помощью методов и средств автоматизации. Выбор эргатической (человеко-машинной), а не автоматической системы управления, по-видимому, должен быть обоснован отсутствием средств контроля влагосодержания и температуры в глубине конструкционных строительных материалов. Научные публикации в области автоматизированных систем управления! процессами СВЧ-нагрева нам не известны. Способы и системы автоматического регулирования процессов СВЧ-нагрева и сушки (см., например, [63-65]) мы здесь анализировать не будем. Отметим только, что основой создания эффективной автоматизированной системы управления СВЧ-установкой в нашем случае должна явиться? математическая модель процесса термообработки, осложненного сушкой. Целесообразно также выработку управляющих воздействий на объект управления производить не только исходя из данных расчета по математической модели, но и используя дополнительно текущую информацию о состоянии технологического процесса (например, производить периодические контрольные измерения температуры поверхности облучаемого материала). Впрочем, подобный подход является общепринятым при разработке АСУТП различного назначения [66-70].

На основании проведенного анализа состояния вопроса задачи диссертационной работы сформулированы следующим образом:

- экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и составных (двухслойных) структурах различной влажности в лучевой СВЧ-камере;

- анализ мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом как объекта управления;

- разработка математической модели процесса СВЧ-нагрева однослойных и двухслойных материалов в поле плоской ЭМ-волны, осложненного массопереносом;

- разработка методики экспресс-оценки влагосодержания облучаемых материалов;

- разработка алгоритма и структуры автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки конструкционных строительных материалов с неограниченным объемом.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ-ТЕРМООБРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В главе рассматривается методика и обсуждаются результаты экспериментального исследования процесса СВЧ-термообработки конструкционных строительных материалов. Исследование включало два этапа. На первом этапе в СВЧ-лучевой камере закрытого типа изучали однородные материалы различной влажности: гипсовая штукатурка, дерево, кирпич. На втором этапе объектами исследования служили двухслойные структуры различной влажности: гипсовая штукатурка — дерево, гипсовая штукатурка - кирпичная кладка. Анализ полученных зависимостей распределения температуры по толщине материалов выполнен с позиций теории распространения плоской ЭМ-волны в диэлектриках с потерями и на основе теории тепломассопереноса. Рассмотрено устройство мобильной СВЧ-установки для термообработки конструкционных строительных материалов с неограниченным объемом. Анализ установки как объекта управления дан с учетом специфики её использования для целей термообработки производственных и жилых помещений.

ВЫВОДЫ

Общим результатом диссертационной работы является решение задачи защиты строительных конструкций и материалов от вредителей новым методом, включающее определение технологических процессов СВЧ-термообработки, математической моделирование и алгоритмизацию управления процессом и разработку автоматизированной мобильной установки указанного назначения.

1. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки, обеспечивающие уничтожение домового гриба и жучка-точильщика в однородных материалах и структуре двухслойных материалов (штукатурка-древесина, штукатурка-кирпичная кладка).

2. Для процесса СВЧ-термообработки влажных материалов, в том числе двухслойных, разработана математическая модель, описывающая нестационарный процесс распространения тепла в толще и учитывающая перенос влаги как за счет диффузионного, так и за счет фильтрационного механизма.

3. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодержа-ний в глубине однородных и неоднородных (двухслойных) материалов при их одностороннем СВЧ-облучении плоской ЭМ-волной.

4. Разработаны расчетно-экспериментальный метод определения электрофизических свойств влажных материалов и методика экспресс-оценки влагосодержания.

5. Предложена процедура вычисления основного параметра объекта управления - времени догрева материала до заданной температуры на заданной глубине.

6. Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом.

Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой реко мендована к внедрению на объектах Минкультуры РФ при проведении ком плекса реставрационных работ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А, В, В0, Ь, С\,С2- коэффициенты; ар - коэффициент конвективной диффузии, м /с; ат - коэффициент температуропроводности, м /с; 2 ат - коэффициент потенциалопроводности переноса массы, м/с;

В — магнитная индукция, Вб/м ; св — удельная пароемкость, 1/Па; ст~ удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); л

D — электрическая индукция, (А-с)/м ; Е — напряженность электрического поля, В/м; Н— напряженность магнитного поля, А/м; h — глубина проникновения ЭМ-волны, м; ho, с - расстояние между поверхностью материала и рупорной антенной, м; f — частота ЭМ-поля, Гц; к— волновое число, 1/м; ко — волновое число для вакуума, 1/м; — толщина материала (слоя), м; ш - длина шага перемещения, м;

М - масса материала, кг; m — коэффициент стоячей волны;

N — текущее число шагов позиционера; N' - заданное позиционеру число шагов; пу — текущее число шагов позиционера по горизонтали; nz — текущее число шагов позиционера по вертикали; п'у - заданное число шагов позиционера по горизонтали; n'z - заданное число шагов позиционера по вертикали;

Р, Рн - полезная мощность, Вт; Ро - мощность СВЧ-излучателя, Вт; р, qv- удельная мощность внутренних источников тока, Вт/м ; ро — плотность потока падающей энергии (мощности), Вт/м ; qp — источник пара, Па/с; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; s - коэффициент бегущей волны; sm - термоградиентный коэффициент, 1/К;

Т — локальная температура, К, °С;

U — электрическое напряжение, В; и - локальное влагосодержание, кг/кг, %;

V — объем материала, м3;

W - среднее влагосодержание материала, кг/кг, %; х - вертикальная координата (текущая толщина), м; Xs{t) - подвижная граница, м; z - локальное давление, Па; а - коэффициент затухания ЭМ-волны, 1/м; Р - коэффициент массообмена, 1/с; у - коэффициент отражения ЭМ-волны; 5 - угол диэлектрических потерь, рад; о - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; е - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость; £ф - критерий фазового превращения; е', 82'- действительная часть относительной диэлектрической проницаемости материала;

Х,1 Д2 - коэффициенты теплопроводности слоев,

Вт/м-К;

X - длина ЭМ-волны в материале, м; Хо -длина ЭМ-волны в вакууме, м; i*

Po — плотность сухого материала, кг/м ; су - толщина слоя, м; т - время, с; т ^х) - время достижения заданной температуры на глубине х, с; со - угловая частота ЭМ-поля, рад/с.

ИНДЕКСЫ

1,2- номер слоя;

15, 30, 45, . — глубина в точке измерения; i - номер точки измерения; дер - дерево; к - конечное значение параметра; лок - локальный; кир - кирпичная кладка; н - начальное значение параметра; общ - общее; обл - облучение; пов - поверхность; подв - подводимая; погл — поглощаемая; с - сушка; ср — среднее значение параметра; руп - рупорная антенна (рупор); шт — штукатурка.

1. СВЧ-энергетика / Под ред. Э.Окресса. - М.: Мир, 1971. - Т 2. - 312 с.

2. Порывай Г.А. Предупреждение преждевременного износа зданий. М.: Стройиздат, 1979. — 284 с.

3. Грунау Э.Б. Предупреждение дефектов в строительных конструкциях. М.: Стройиздат, 1980.— 215 с.

4. Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений: Справ, пособие / М.Д. Бойко, А.И. Мураховский, В.З. Величкин и др.; Под ред. М.Д. Бойко. -М.: Стройиздат, 1993. 208 с.

5. Повреждения зданий / Пер. с англ. Под ред. И.А. Петрова — М.: Стройиздат, 1982.- 143 с.

6. Bletchly J.D. Very high frequency radio waves and wood boring insect control // Holzforschung, 1965. V. 19. - P. 47 - 52.

7. Пат. 943500 Великобритания, МКИ H05 В (С04 В, F 26 В) Improvements in Dielectric heating apparatus / A. Watson (GB), 1963.

8. Архангельский Ю.С. СВЧ-электротермия. Саратов: Саратов, гос. техн. ун-т, 1998.-408 с.

9. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. — М.: Энергия, 1968. — 312 с.

10. Ю.Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2000. - 264 с.

11. Долгополов Н.Н. Электрофизические методы в технологии строительных материалов. М.: Стройиздат, 1971. - 240 с.

12. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая пром-сть, 1974. — 584 с.

13. Джексон Дж. Классическая электродинамика.—М.: Мир, 1965. 702 с.

14. Рикенглаз Л.Э. К теории нагрева диэлектриков мощными электромагнитными полями // Инженерно-физический журнал, 1971. -Т. 27. — № 6. -С. 1061 1068.

15. Рикенглаз Л.Э., Хоминский В .А. О применении метода ВКБ к расчету нагре^ ва в электромагнитном поле диэлектриков с потерями, зависящими от температуры // Журнал технической физики, 1979. —Т. 49. -№ 8. G. 1767 -1768.

16. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. — М.; Пищевая пром-сть, 1976. — 218 с.

17. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1988. - 272 с.

18. Некрутман С.В. Тепловая обработка пищевых продуктов в электрическом поле сверхвысокой частоты. М.: Экономика, 1972. — 141 с.

19. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. — Минск: АН БССР, 1961.-520 с.

20. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

21. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528 с.

22. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977. - 440 с.

23. Kudra Т. Mechanizm ruchu ciepala i masy podazca suszenia cial Kapilarnoporo-watid w polu elecktromagnetycznym vysokiej czestollimschi // Zesz nank PPozn chem, 1986.-№ 18.-P. 77-89.

24. Юленец Ю.П. Автоматизация процессов термической обработки дисперсных материалов при высокочастотном нагреве. — Дисдокт. техн. наук.

25. СПб: СПб-госуд. технологический ин-т, 1999. 460 с.

26. Максимов Г.А. Исследование процессов тепло-и массообмена при внутреннем источнике тепла. — Автореф. дис. . докт. техн. наук-М., 1956. -28 с.

27. Марков А.В., Юленец Ю.П. Механизм массопереноса в высокоинтенсивных процессах сушки при наличии внутренних источников тепла // Теор. основы хим. технологии, 2002. Т. 36. - № 3. - С. 268 - 274.

28. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок. M.-JL: Гос-энергоиздат, 1963. —320 с.

29. Долгополов Н.Н., Симонян С.Г. Сушка в поле сверхвысокой частоты / Сб. ВНИИ строительных материалов «Электрофиз. методы в технологии строит, материалов», 1965. Вып. 2 (10). - С. 30 - 33.

30. Зб.Берлинер М.А. Автоматическое управление процессами сушки / Автоматизация процессов сушки в промышленности и сельском хозяйстве. М.: Машгиз, 1963. - С. 8 - 22.

31. Волынец А.З. Термопара для измерения температуры в электрическом поле высокой частоты // Заводская лаборатория, 1966. — Т. 32. № 8. - С. 1019 -1020.

32. Левитин И.Б. Инфракрасная техника. — JL: Энергия, 1973. 157 с.39:Аксеенко М.Д., Красовский Н.А. Фоторезисторы. М.: Советское радио.1973.-55 с.

33. Архангельский Ю.С. Радиационный инфракрасный пирометр для измерения температуры объекта в процессе его нагрева в СВЧ поле. Информлисток № 413-73 Саратовского межотраслевого территориального центра научно-технической информации. - Саратов, 1973.

34. Берлинер М.А. Измерения влажности. -М.: Энергия, 1973. 400 с.

35. Воронов В.Г., Михайлецкий З.Н. Автоматическое управление процессами сушки. — Киев: Техника, 1982. 112 с.

36. Девяткин И.И., Рулев В.Ф. Определение влажности зерна по затуханию СВЧ мощности // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. - Вып. 3-С. 114-125.

37. Беренцвейг Р.А., Шевченко В.В. К вопросу об измерении влажности асбестоцемента методами СВЧ просвечивания // Инженерно-физический журнал, 1968.- Т. 14. — № 6. — С. 1079- 1085.

38. А.С. 324567 СССР МКИ3 G01 N. Устройство для контроля влажности в процессе сушки материалов / И.И. Девяткин и др.; Опубл. Бюл. № 2. 1972.

39. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 336 с.

40. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. М.: Лесная пром-ть, 1968.-128 с.

41. Бирюков В.А. Процессы диэлектрического нагрева и сушки древесины. -M.-JL: Гослесбумиздат, 1961. 148 с.

42. Voss W.A. Factors affecting the operation of high power microwave heating systems for lumber processing // IEEE transactions on industry and general applications, 1966. V. 2. - № 3.- P. 234 - 243.

43. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. - 404 с.

44. Торговников Г.И. О перспективах использования СВЧ-энергии для обработки древесины и древесных материалов // Деревообрабатывающая пром-сть, 1989.-№5.-С. 13-16.

45. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах. Справ, руководство. — М.: Физматгиз, 1963. 367 с.

46. Hasted J.B. Shan М.А. Microwave absorption by water in building materials // Brit. J. Appl. Phys, 1964. № 5. - P. 825 - 836.

47. Felker G.E., Gittinger N.C. Rapid heating of dielectric materials at 915 Mc/s // Trans. IEE, 1959.- V. 11-№ 3.-P. 35 39.

48. Карленко Ю.В., Нефедов B.H., Корнеев C.B. Обоснование режима сушки дубовых брусков в СВЧ-камере «Лес» // Деревообрабатывающая пром-сть, 1996.-№ 1.-С. 14 16.

49. Шутов Г.М., Буйвидович Ф.В., Шалькевич Е.Б., Матлаков Ю.А. Использование СВЧ-нагрева для склеивания древесины // Механическая технология древесины. — Минск: Высшая школа, 1976. № 6. — С. 147 - 151.

50. А.С. 681303 СССР, МКИ3 F26 3/34, 26 В 25/22. Способ управления процессом сушки электроизоляционных материалов /А.-Ю.Ю. Мицкус, В.Ю. Ма-линаускас (СССР); Опубл. Бюл. № 31. 1979.

51. Звягин И.Е. Переходные процессы в системе автоматического регулирования теплового процесса при высокочастотном нагреве // Тр. Ленингр. политехнического ин-та. Л.: ЛПИ, 1965. - № 259. - С. 96 - 102.

52. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов и АСУП в химической промышленности. М.: Химия, 1978. - 376 с.

53. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М.: Химия, 1991. - 479 с.

54. Волик Б.Б., Буянов Б.Б., Лубков Н.В. Методы анализа и синтеза структур управляющих систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 295 с.

55. Молчанов А.А. Моделирование и проектирование сложных систем. Киев: Выща школа, 1988. - 359 с.

56. Сагунов В.И. Диагностическое обеспечение в САПР. — Горький: Горьков-ский политехнический ин-т, 1988. — 52 с.

57. Алпаидзе Г.Е., Романов А.Г., Червоный А.А., Шахтерин Ф.К. Гарантийный надзор за сложными техническими системами. М.: Машиностроение, 1988.-231 с.

58. Williams N.H. Moisture leveling in paper, wood, textiles and other mixed dielectric sheets // J. of Microwave Power, 1966. V. 1 - P. 73 - 80.

59. Warner H.C. Microwave processing of sheets materials // J. of Microwave Power, 1966.-V. 1.-P.81 -88.

60. Марков A.B:, Бубнов A.B., Юленец Ю.П. О повышении интенсивности сушки при внутренних источниках тепла // Электронная обработка материалов. 2002, № 2. - С. 62-69.

61. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. — М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1956.-464 с.

62. Карлслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. -488 с.

63. Бубнов А.В., Кашмет В.В., Марков А.В. Термообработка материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны / СПб-roc. технол. ин-т. СПб, 2003. - 18 с. -Деп. в ВИНИТИ 09.04.03, № 653-В2003.

64. Энциклопедия кибернетики. Киев: Главная редакция Украинской советской энциклопедии, 1974. - Т. 2. - С. 172-173.

65. Экспериментальное исследование температурного распределения в глубине однородных и неоднородных влажных материалов при СВЧ-нагреве в лучевойкамере