автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование и разработка СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов

4839000

НЕФЕДОВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЧ УСТРОЙСТВ ЛУЧЕВОГО ТИПА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з [;•!АР 2011

Москва 2022

4839866

Работа выполнена на кафедре: "Лазерные и микроволновые информационные системы" Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Летша" (ФГУП "ВЭИ" им. В.И.Ленина), г. Москва.

Защита состоится " 17" марта 2011 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (Технического университета) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан " 10" февраля 2011 года.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мозговой Юрий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мухин Сергей Владимирович

кандидат технических наук Титов Андрей Петрович

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.133.06, к.т.н., профессор

Н.Н. Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ современных научных публикаций в области исследований современных сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов показывает [1 *], что наибольшее внимание в этой области уделяется поиску принципиально новых технических решений, которые позволяют формировать заданное распределение температуры по объему обрабатываемого материала. Эта задача имеет особое значение при термообработке материалов значительной толщины (б/) (3...6 длин волн источника СВЧ энергии), обладающих к тому же низким коэффициентом теплопроводности [ Лу < 0,2 ^т ]. Кроме того, задача осложняется достаточно

жёсткими требованиями технологических процессов нагрева к неравномерности распределения температуры в объёме материала (дТ < 10%).

Именно эти условия и ограничения наиболее явно проявляются в производстве материалов, используемых в строительстве, что определяется условиями технологического процесса для реализации необходимых прочностных характеристик получаемых изделий с учетом полноты протекания реакций гидратации (бетон, пенобетон с различными наполнителями), полимеризации (изделия из стеклопластика и полимеров, композиты), а также отсутствия внутренних механических напряжений.

Особую роль СВЧ термообработка может занять в производстве теплоизоляционных материалов для строительства ввиду крайней неэффективности существующих ныне конвекционных способов нагрева, что определяется низким коэффициентом теплопроводности утеплителей.

Для высокой производительности технологического процесса термообработки объемных материалов используют СВЧ устройства лучевого типа, которые представляют собой камеры проходного или периодического действия, на боковых поверхностях которых размещены источники СВЧ энергии с излучающей антенной в виде раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны #10.

Проведённые экспериментальные исследования и опыт практических разработок показали, что основным недостатком СВЧ нагревающих устройств лучевого типа, существенно ограничивающим применяемость этих устройств, является неравномерность формирования ими температурного поля в объёме материала, при которой максимум распределения температуры находится в глубине материала, а не на его поверхности.

Разработка новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, обеспечивающих заданное распределение температуры в объеме обрабатываемого материала, а также разработка моделей и методов их расчета является актуальной задачей при производстве материалов строительной индустрии и решению именно этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов, моделей и методов их расчета, а также использование полученных результатов в технологических процессах производства строительных материалов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- исследование процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами с различными диэлектрическими потерями в зависимости от типа облучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода;

- разработка метода построения и реализация новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа для формирования заданного распределения температуры по объему материалов за счет использования комбинации излучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде щели в широкой стенке волновода;

- исследование и разработка модели и метода расчета СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от влажности и температуры.

Методы исследования

Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; методов математического моделирования; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью разработанных моделей, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами, опубликованными ранее в научных публикациях.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. Модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов, в которых используются излучающие антенны в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны //10, при этом с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры отклонение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не превышает 6%;

2. Модель и метод построения СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов, в которых используются антенны в виде излучающей щели в широкой стенке волновода на основном типе волны Н10, при этом экспериментальные характеристики распределения температуры в материале имеют вид

парабол, спадающих от поверхности вглубь материала в зависимости от диэлектрических параметров материала;

3. Метод построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, содержащих два типа излучателей, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, позволяющий формировать заданное распределение температуры за счет суперпозиции взаимодополняющих распределений температуры в материале от различных излучающих антенн;

4. Результаты математического моделирования физических процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами качественно подтверждают полученные результаты экспериментальных исследований по распределению температуры по объему материала, а также позволяют учитывать степень влияния отражающих стенок камеры на характер распределения температуры в материале.

Практическая ценность результатов диссертации:

1. Разработанные модели, методы расчета и новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов способствуют их внедрению в высокоэффективные технологические процессы производства изделий строительной индустрии.

2. Использование разработанного метода построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа позволяет формировать заданное распределение температуры в обрабатываемых материалах с точностью, отвечающей условиям технологического процесса.

Научная новизна диссертации заключается в том, что представлены новые модели, методы расчета, как сверхвысокочастотных устройств, так и технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, позволяющие формировать заданные распределения температуры в материалах. Более подробно научная новизна характеризуется тем, что впервые:

- разработаны модели и методы расчета СВЧ устройств лучевого типа, в которых используются в качестве нагревательных элементов - излучающие антенны, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Я10, так и в виде излучающих щелей в широкой стенке волноводов;

- разработана методика расчета конструкций сверхвысокочастотных устройств лучевого типа для материалов с относительно малыми диэлектрическими потерями, позволяющая рассчитать распределение температуры на поверхности и в объеме материала;

- разработан метод расчета распределения температуры в материалах, учитывающий зависимость диэлектрических параметров материала от температуры при термообработке его в СВЧ устройствах лучевого типа.

Реализация результатов диссертационной работы:

Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно- конструкторской работе, выполненных в ЗАО НТЦ «Альфа-1», научно-исследовательской опытно-конструкторской работе, выполненной в НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), использованы в десяти научно-исследовательских работах и внедрены в учебный процесс МИЭМ. 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 VI, VIII, IX и X межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». МГУ, ноябрь, 2005 г., 2007, 2008 г., 2009 г.;

- на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, сентябрь, 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 статей, из которых 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 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 164 страниц, в том числе 70 рисунков, 122 наименования списка использованных источников на 13 страницах, 4 страницы приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения и результаты, 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 «Основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов» показано современное состояние и перспективы развития СВЧ устройств лучевого типа в применении к конкретным технологическим процессам, как по отечественным, так и зарубежным научным публикациям.

Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и перспективы их использования в устройствах для термообработки диэлектрических материалов. Характерной особенностью малогабаритных источников

СВЧ энергии состоит в том, что в качестве вывода энергии используется прямоугольный волновод, работающий на основном виде колебаний Нхо, что позволяет реализовать различные типы излучающих антенн для СВЧ устройств лучевого типа.

Рассмотрены основные конструкции электродинамических систем СВЧ устройств лучевого типа для микроволновых технологических процессов термообработки объемных диэлектрических материалов. Показаны особенности нагрева диэлектрических материалов с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. 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. Приведены основные типы конструкций излучателей, которые используются в СВЧ устройствах лучевого типа для различных технологических процессов термообработки материалов.

Отражены основные недостатки существующих моделей и методов расчета рассматриваемых конструкций СВЧ устройств лучевого типа и сформулированы основные научные задачи, которые необходимо решить для преодоления этих недостатков.

Во второй главе «СВЧ устройства лучевого типа с излучающими антеннами в виде раскрыва прямоугольных волноводов» предложены модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов с различными диэлектрическими потерями.

Предложены модель и метод расчета распределения температуры на поверхности объемного материала в СВЧ устройствах лучевого типа, использующих в качестве электродинамических систем прямоугольные камеры, а также приведено сопоставление результатов расчета с результатами экспериментальных исследований распределения температуры, как на поверхности, так и по объему обрабатываемого материала с относительно малыми диэлектрическими потерями.

Экспериментальные исследования проведены для однородного материала объемом 0,4м3 и с относительно малыми диэлектрическими потерями (г" = 0,07). Материал помещался в СВЧ камеру, на верхней стенке которой располагалось восемь малогабаритных источников СВЧ энергии. Картина распределения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот от восьми источников СВЧ энергии при облучении диэлектрического материала схематически представлена на рисунке 1. Распределение температуры по поверхности и по объему материала не превышало 5°С при нагреве до температуры 55°С.

Распределение температуры по поверхности обрабатываемого материала рассчитывалось с использованием уравнений Гюйгенса-Кирхгофа с учетом эмпирических коэффициентов, полученных в работе [2*]. Разброс температуры по объему материала не превышал 9%.

Рисунок ! - Схема распределения энергии электромагнитного попя в камере от 8 источников СВЧ энергии

Распределение температуры в бесконечно тонком слое г0 на поверхности обрабатываемого материала можно представить в виде:

Р ■ г

сд ■ Рд

где г - время облучения материала источником СВЧ энергии;

Ршл - мощность СВЧ излучения, падающая на бесконечно тонкий слой материала;

сд, рд - теплоемкость и плотность обрабатываемого материала.

Из анализа научных публикаций [3 * ] следует, что если в камере обрабатывать материалы со средними и высокими диэлектрическими потерями, то электромагнитное поле втягивается в материал и строгих выражений для расчета распределения температуры по объему материалов не имеется.

Конструкция СВЧ устройства лучевого типа с излучающей антенной в виде раскрыва прямоугольного волновода для исследования распределения температуры в материалах представлена на рисунке 2а. На рисунке 26 представлена эквивалентная модель СВЧ устройства лучевого типа в виде нагруженной длинной линии. Нагреву подвергался однородный диэлектрический материал толщиной меньше длины волны источника СВЧ энергии с1 = 0,65Л, состоящий из однородного материала (древесины) различной влажности (7%, 12%, 16%) на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Поверхность обрабатываемого материала располагалась на расстоянии меньше длины волны источника СВЧ энергии /г = 0,9 А от плоскости расположения антенны источника СВЧ энергии. Измерения температуры материала проводились по центральной линии излучающего волновода, а с целью исключения отраженной мощности от металлических поверхностей, стенки камеры были покрыты поглощающим материалом.

Экспериментальные зависимости распределения температуры по толщине материала различной влажности представлены на рисунке 3.

Анализ зависимости распределения температуры по толщине материала показал, что максимальное значение температуры с увеличением влажности материала смещается к облучаемой поверхности, спад температуры от максимального значения в направлении распространения СВЧ энергии имеет вид экспоненциальной зависимости, а подъем температуры от облучаемой поверхности к максимальному значению имеет вид параболы.

а) б)

Рисунок 2- Конструкция СВЧ камеры для проведения экспериментальных исследований распределения температуры по объелу обрабатываемого материала (а) и ее эквивалентная модель в виде нагруженной длимой линии (б). 1 - металлическая камера; 2 - поглощающий латериал; 3 - подставка израдиопрозратого материала, 4 - обрабатываемый материал; 5 - источник СВЧ энергии; й- толщина материала; С/Н- согласованная нагрузка

Экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине однородного материала 7% влажности и рассчитанная зависимость спада температуры в материале с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры представлены на рисунке 4.

В этом случае спад температуры внутри материала в направлении распространения СВЧ энергии определяется выражением:

Г(г) = Г„(г)+2-а;-/2^Г>Г-/>шл -е—, г > *0 (2) "п.с. ■ Сд ' Рд

где Т{г0) - максимальное значение температуры, которое соответствует координате г0 согласно экспериментальным исследованиям, а функция /{г, Т) в случае линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры имеет следующий вид:

a„

T/Tn

1,2

1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

1 •f

/

2

О

N ■ и

\ s к /

N

d,MM

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 3 - Экспериментальные характеристики зависимости распределения температуры для однородного материала (сосны)различной влажности. 1 - влажность материала 7% 2- влажность материала 12% 3 - влажность материала 16%.

Т/Тп

1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

\ >

.-ч •ч.

\ N >

d,MM

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 4 - Экспериментальная (1) зависимость распределения температуры по толщине материала (сосны) 7% влажности и рассчитанная(2) зависимость спада температуры в материале с использованием модели свободного подпространства.

Здесь: ТИ - начальная температура материала; аи и ак - значение постоянной затухания при начальной и конечной температуре материала; сд и рд -теплоемкость и плотность материала; т - время облучения материала; -единичная площадь поперечного сечения материала, на которое падает равно-

мерное распределение мощности излучения РШ1; е' и е" - действительное и мнимое значения относительной диэлектрической проницаемости материала.

Таким образом, выражение (2) позволяет рассчитать распределение температуры в объемном материале с учетом зависимости диэлектрических параметров от температуры материала.

Отклонение рассчитанной и измеренной температуры не превышает 6% для исследуемых материалов с различной влажностью

В третьей главе «Метод формирования равномерного распределения температуры в материалах» предложен метод расчета и построения СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов с различными диэлектрическими потерями.

Проведены экспериментальные исследования распределения температуры по толщине материалов с различными диэлектрическими потерями в металлической камере с источником СВЧ энергии, который располагался в центре верхней стенки камеры, как это показано на рисунке 2, на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

Исследуемый диэлектрический материал располагался по центру камеры на расстоянии, больше длины волны источника СВЧ энергии (/г = 1,65/1) от плоскости излучателя СВЧ энергии. Толщина исследуемых диэлектрических материалов в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот также имела значение больше длины волны источника СВЧ энергии (с? = 2,5Л).

Экспериментальные характеристики зависимости распределения температуры по толщине материалов для трех значений влажности однородного материала (древесина 7%, 12%, 16%) представлены на рисунке 5.

Экспериментальные характеристики распределения температуры по толщине материалов показывают наличие максимума внутри материала, а также спад температуры от максимума к облучаемой поверхности по закону, напоминающему параболу и спад температуры от максимума в направлении распространения СВЧ энергии по экспоненциальному закону.

Экспериментальная и рассчитанная характеристики распределения температуры по толщине однородного материала 7% влажности с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры представлены на рисунке 6. Расхождение рассчитанных и измеренных значений температуры по толщине материала не превышает 6%.

Рассмотрено распределение температуры по толщине материала от антенны в виде излучающей щели в широкой стенке волновода.

Экспериментальные исследования распределения температуры материалов с различными диэлектрическими потерями были проведены в камере с источником СВЧ энергии, который располагался в центре верхней стенки камеры с антенной в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, как это показано на рисунке 7а.

с/, см

Рисунок 5 - Экспериментальные характеристики зависимостираспределения температуры потолщине материала приразличныхзначениях относительной влажности. 1 -

7%, 2-12%, 3-16%.

т„

1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

8 10

А Г- ■—. ■Ч

/ / *

А < Ч /

у ч

V"

->

V

ё, см

Рисунок б - Экспериментальная (1) и рассчитанная (2) характеристики распределения температуры по толщине однородного материала фосны) 7% влажности и диэлектрическими параметрами (в' = 2,9; е" = 0,4).

Результаты экспериментальных исследований показали, что максимальное значение температуры соответствует поверхности обрабатываемого материала и спадает по кривой, напоминающей параболу, в глубину материала. Экспериментальные характеристики зависимости распределения температуры по толщине однородного материала при различных значениях влажности: 7%, 12%, 16% представлены на рисунке 76.

Обрабатываемый материал располагался по центральной линии щели, выполненной в виде вытянутой капли на расстоянии больше длины волны источника СВЧ энергии (И = 1,65/1) от верхней стенки камеры.

Из рисунка 76 видно, что с увеличением влажности глубина проникновения электромагнитного поля в материал уменьшается.

Модель СВЧ устройства с антенной в виде излучающей щели, имеющей форму вытянутой капли, прорезанной в широкой стенке волновода, удобно

представить в виде конденсатора, между пластинами которого расположен источник СВЧ напряжения [3*].

Вид или форма параболы определяется диэлектрическими параметрами исследуемого материала. Формула для удельных диэлектрических потерь в этом случае определяется в виде:

Е2

руд=ко •, / ,N2 ' (4)

где Е0 - амплитуда напряженности электрического поля в вакууме или воздушном пространстве; е'д и £'" - действительное и мнимое значения относительной диэлектрической проницаемости нагреваемого материала.

2

а?

Ллф

т/т0

1,2 1,0 о, 0,6 0,4 0,2 О

1

\ ^ |

N

\ 1 %

> N

\ > ч,

\

7 8 9 10

б, см

а)

б)

Рисунок 7 -(а) Конструкция СВЧ устройства лучевого типа (1 -камера СВЧ нагрева, 2 - покрытие, поглощающее СВЧ излучение, 3-подставка из радиспрозрачного материала, 4-материал, 5 - источник СВЧ энергии; (б) экспериментальные характеристики распределения температуры по толщине материала при различных значениях влажности (1-7%,2-12%, 3-16%, с1~ толщина

материала).

Предложен новый метод построения СВЧ устройств лучевого типа для формирования заданного распределения температуры по объему материала.

СВЧ устройство лучевого типа для равномерного нагрева материалов с различными диэлектрическими параметрами схематически представлено на рисунке 8, при этом обрабатываемый материал движется, что необходимо для высокой производительности технологического процесса. СВЧ устройство содержит два типа излучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и виде излучающей щели, прорезанной в широкой стенке волновода.

пределения температуры по объему материалов с различными диэлектрическими параметрами. 1- источник СВ Ч энергии с выводом в раскрыва прямоугольного волновода; 2 - источник СВЧ энергии с выводом в виде излучающей щели, прорезанной в широкой стенке волновода, 3 - диэлектрический материал.

Экспериментальные характеристики распределения температуры по объему однородного материала 7% влажности с диэлектрическими параметрами (е' = 2,9; е" = 0,4) представлены на рисунке 9.

Отклонение температуры от номинального значения не превышает 6%.

Т/Тц

и1 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

1

7 — — - - >--

г/ 1 А

/

/ N

N К/ / V

/ А V / \ У \

✓ N > / к

> • \ V ч

\ /

с/, СМ

Рисунок 9 - Экспериментальные исследования зависимости распределения температуры по толщине материала 7% влажности на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц от двух типов антенн: 4 - от раскрыва прямоугольного волновода; 1, 2 - от излучающей щели в широкой стенке волновода; 3 - суммарное распределение темперапуры.

Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что, изменяя время работы источников СВЧ энергии с различными излучающими антеннами, можно формировать различное распределение температуры в материале.

Предложены модель и метод расчета распределения температуры в двухслойном материале в предположении, что диэлектрические параметры каждого слоя материала линейно зависят от температуры для частоты колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Модель СВЧ устройства лучевого типа представляется в виде нагруженной длинной линии, представленной на рис. 10.

Рисунок 10 - Эквивалентная модель СВЧустройства лучевого типа в виде нагруженной длинной линии, dx и d2 - толщина первого и второго слоя материала; Рвх - выходная мощность источника СВЧэнергии, С/Н - согласованная нагрузка.

Распределение температуры в каждом слое определяется постоянной затухания и коэффициентом отражения.

T\{Z) = T\„ ■ [рта1(1-|Гi|2)]-e~2'g"'"*, 0<Zl<J, (5)

"я.с. ■ Сд ' Рд

T2(z)=T2H + 2-afftt>T)-T-[pexl(l~\r2\2)\e~^^\dx<z2 <d2 (6)

S„.c. ' сд ' Рд

а,

н\

акХ-{акХ-анХ\ега а„

1„2

(7)

(В)

ак2-(ак2-ан2).е-2-^-Здесь Гх и Г2 - коэффициенты отражения от первого слоя и от второго слоя, гх и г2 - значения толщины первого и второго слоя, при которых значения температуры в этих слоях имеют максимальные значения.

Эту методику определения температуры можно обобщить и на многослойные материалы.

В четвертой главе «Математическое моделирование процессов термообработки материалов в СВЧ устройствах лучевого типа» рассмотрены вопросы применения программ электродинамического моделирования для формирования равномерного распределения температуры в материале при термообработке его в СВЧ устройствах лучевого типа.

Алгоритм и программа расчета распределения электромагнитного поля излучения в СВЧ камере лучевого типа с произвольным числом источников СВЧ энергии разработаны на основе приближенного метода Гюйгенса-

Кирхгофа [4*]. Программа предназначена для оперативного расчета параметров СВЧ камеры и расположения источников СВЧ излучения с целью обеспечения равномерности распределения электромагнитного поля в области локализации нагреваемого объекта.

Результаты математического моделирования процессов поглощения СВЧ энергии материалами (бетон и древесина) с различными диэлектрическими параметрами подтверждены результатами экспериментальных исследований. Распределение температуры по объему исследуемых материалов имеет максимальное значение не на поверхности, а внутри объема обрабатываемого материала, что подтверждено экспериментальными исследованиями, полученными в СВЧ устройствах лучевого типа с излучающими антеннами в виде раскрыва прямоугольного волновода.

Методом математического моделирования показана степень влияния отраженного излучения на распределение температуры по толщине материала, расположенного на различных расстояниях от отражающих стенок камеры.

Исходные параметры для математического моделирования влияния отражающих стенок камеры на распределение температуры в материале: толщина й= 300 мм; плотность СВЧ мощности Р0 = 3 Вт/см2; частота / = 2450 МГц; теплоемкость сд = 1700 Дж/(кг-° С); Тиач =20°С; теплопроводность материала Яг= 0,4 Вт/(м-°С); плотность материала рд = 450 кг/м3; е" = 0,4; £' = 2,9; расстояние до отражающей задней стенки камеры £1 = 50 мм; 12 =100 мм. Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунке 11.

т/т0 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

Рисунок 11 - Экспериментальная характеристика распределения температуры по толщине материала 1 - отражающая стенка отсутствует, 2-100мм, 3-50мм

Результаты математического моделирования приведены на рисунке 12. Показано, что при расстояниях материала до отражающих стенок камеры, составляющих £ > 2 ■ Л, их влиянием на распределение температуры в материале можно пренебречь.

т/т0

Рисунок 12 - Рассчитанная зависимость распределешя температуры по толщине материала (сосна 7% влажности) при расстоянии материала от задней отражающей стенки камеры: 1 - 100 мм; 2 - 50мм.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых конструкций сверхвысокочастотных устройств для высокоэффективной термообработки диэлектрических материалов и имеющей существенное значение для данной области знаний. При решении поставленной задачи в работе разработаны модели, методы расчета, научно обоснованные технические решения, которые позволили создать новые сверхвысокочастотные устройства лучевого типа и реализовать на их основе высокоэффективные микроволновые технологические процессы термообработки объемных материалов в различных отраслях промышленности. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач.

Основные результаты работы:

1. Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и показаны перспективы их использования в сверхвысокочастотных устройствах лучевого типа, характерная особенность которых состоит в том, что в качестве вывода энергии используется прямоугольный волновод, работающий на основном виде колебаний Н10, что позволяет реализовать различные типы излучающих антенн для СВЧ устройств лучевого типа;

2. Разработаны модель и метод расчета распределения температуры по объему материала с относительно малыми диэлектрическими потерями в СВЧ устройствах лучевого типа, при этом отклонение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры по объему материала не превышает 9%;

3. Разработаны модель и метод расчета распределения температуры в материале в виде нагруженной длинной линии при условии, что диэлектрические параметры материала линейно зависят от температуры, при этом отклонение измеренной и рассчитанной экспоненциальной зависимости температуры по

толщине материала не превышает 6% для исследуемых материалов с различными диэлектрическими потерями;

4. Обоснован новый метод построения СВЧ устройств лучевого типа, позволяющий получить заданное распределение температуры в объеме материала за счет суперпозиции излучений, как от антенны в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и от антенны в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, при этом отклонение температуры от номинального значения не превышает 6%;

5. Предложена модель и разработан метод расчета процессов термообработки многослойных диэлектрических материалов в СВЧ устройствах лучевого типа с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров слоев материала от температуры;

6. Проведено математическое моделирование процессов термообработки материалов в СВЧ устройствах лучевого типа с использованием программы Ansoft HF SS и разработанной на основе метода Гюйгенса-Кирхгофа программы расчета электромагнитного поля излучения в СВЧ камере лучевого типа с произвольным числом источников СВЧ энергии;

7. Результаты математического моделирования процессов поглощения СВЧ энергии материалами с различными диэлектрическими потерями с учетом и без учета влияния отражающих стенок камеры на распределение температуры по объему материала качественно соответствуют результатам экспериментальных исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи

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. - 2008. - № 6. - С. 56-59.

2. Шахбазов С.Ю., Нефедов М.В., Никишин Б.В., Лоик Д.А., Никишев А.О. Измерение распределения температурного поля по толщине листовых материалов в СВЧ - устройствах типа бегущей волны // Метрология. -2008.-№5.-С. 38-44.

3. Мамонтов A.B., Назаров И.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А. Измерение распределения температурного поля диэлектрических материалов на замедляющих системах // Измерительная техника: приложение «Метрология». - 2006. - №3. - С. 3-8.

4. Назаров И.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А., Мамонтов A.B. Измерение распределения температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны // Измерительная техника: приложение «Метрология». - 2006. - № 3. - С. 9-20.

5. Нефедов В.Н., Мамонтов A.B., Назаров И.В., Нефедов М.В., Потапова Т.А. Измерение распределения температурного поля поверхности диэлектрических материалов в лучевых СВЧ устройствах // Измерительная техника: приложение «Метрология». - 2006. - № 3. - С. 20-25.

6. Нефедов М.В., Мамонтов A.B., Назаров И.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А. Измерение распределения температурных полей листовых диэлектрических материалов в волноводах // Измерительная техника: приложение «Метрология». - 2006. - №3. - С. 26-33.

7. Мамонтов A.B., Нефедов М.В., Никишин Е.В. Измерение распределения температурного поля в объеме диэлектрического материала, обрабатываемого в СВЧ резонаторной камере // Метрология. - 2009. - № 1. - С. 22-27.

8. Мамонтов A.B., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Савченко И.М. Термообработка листового теплоизоляционного материала с использованием микроволнового излучения // Метрология. - 2010. - № 11. - С. 38-42.

9. Мамонтов A.B., Назаров И.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Савченко И.М. Микроволновый метод создания равномерного распределения температуры в объемных диэлектрических материалах // Метрология. -2010. - № 12. - С. 36-42.

10. Лоик Д.А., Мамонтов A.B., 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». - М.: МГУ. - 2008. - С. 45-50.

11. Мамонтов A.B., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Черкасов A.C. Методы создания равномерного температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ волны // Труды VI межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». - М.: МГУ. - 2005. - С. 41-45.

12. Назаров И.В., Нефедов М.В., Нефедов В.Н., Черкасов A.C. Воздействие концентрированных потоков СВЧ энергии в замедляющих системах на диэлектрические материалы // Труды VI межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». - М.: МГУ. - 2005. - С. 46-49.

13. 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. - 2008. - С. 324-327.

14. Шахбазов С.Ю., Нефедов В.Н., Никишев А.О., Нефедов М.В., Мамонтов A.B. Взаимодействие концентрированных потоков СВЧ энергии с диэлектрическими материалами в резонаторах сложной формы // Труды VIII межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». - М.: МГУ.-2007.-С. 55-60.

15. Мамонтов A.B., Нефёдов М.В., Нефёдов В.Н., Савченко И.М. Воздействие СВЧ излучения на процесс сушки теплоизолятора из базальтового волокна // Труды X межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» - М.: МГУ. - 2009. - С. 114-117.

16. Мамонтов A.B., Мозговой Ю.Д., Нефедов М.В., Савченко И.М. Метод термообработки объемных материалов в СВЧ устройствах лучевого типа // Труды X межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»-М. МГУ. - 2009. - С. 118-122.

Патенты

1. Пат. РФ № 83380. СВЧ устройство для термообработки листовых диэлектрических материалов / Д.А. Лоик, A.B. Мамонтов, В.Н. Нефедов, М.В. Нефедов М.В., бюл. № 15 от 27.05. 2009.

2. Пат. РФ № 83379. СВЧ устройство для термообработки диэлектрических материалов / Д.А. Лоик, A.B. Мамонтов, В.Н. Нефедов, М.В. Нефедов, бюл. № 15 от 27.05. 2009.

3. Пат. РФ № 100867. Сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов / М.В. Нефедов, В.Н. Нефедов, A.B. Мамонтов, С.Г. Алякринский, В.А. Чугасова, И.М. Савченко, бюл. № 36 от 27.12. 2010.

Цитируемая литература

1 *. Низкоинтенсивные СВЧ - технологии (проблемы и реализация )/ Под ред. Г.А. Морозова, Ю.Е. Седельникова. - М.: Радиотехника. 2003. - 112с.

2 *. Мамонтов A.B. Разработка и исследование СВЧ устройств для термообработки диэлектрических материалов: Канд. дис. - М. 2005.

3 *. Окресс Э. СВЧ - энергетика. - М.: Мир. 1971. Т. 2.

4* . Свидетельство РФ № 2007614836. Математическое моделирование распределения электромагнитного поля в резонаторной камере с различным числом источников СВЧ энергии / И.В. Назаров, С.А. Хриткин.

Подписано в печать 03.02.2011. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 1,3 Тираж 110 экз. Заказ 1107.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3.

Центр оперативной полиграфии (495) 916-88-04, 918-89-25

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОСНОВЫ СВЧ ТЕРМООБРАБОТКИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Аналитическая модель процесса взаимодействия СВЧ энергии с диэлектрическими средами

1.2 Основные преимущества СВЧ метода термообработки диэлектрических материалов

1.3 Основные направления сверхвысокочастотных технологических процессов термообработки материалов

1.4 Расчет постоянных затухания СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов

1.5 Источники СВЧ энергии для термообработки диэлектрических материалов

1.6 СВЧ устройства лучевого типа для высокоэффективной термообработки материалов

1.7 Методы расчета СВЧ устройств лучевого типа

1.8 Проблемы формирования заданного распределения температуры по объему материала

Выводы к главе

ГЛАВА 2 СВЧ УСТРОЙСТВА ЛУЧЕВОГО ТИПА С

ИЗЛУЧАЮЩИМИ АНТЕННАМИ В ВИДЕ РАСКРЫВА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ

2.1 Модель и метод расчета распределения температуры по поверхности материала в СВЧ устройствах лучевого типа

2.2 Методы формирования равномерного распределения температуры в материалах с малыми диэлектрическими потерями

2.3 Зависимость диэлектрических параметров материала от температуры

2.4. Модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа с учетом зависимости диэлектрических параметров от температуры

2.5 Экспериментальные исследования распределения температуры объемных материалов с различными диэлектрическими потерями 82 Выводы к главе

ГЛАВА 3 МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В МАТЕРИАЛАХ

3.1 Экспериментальные исследования распределения температуры по объему диэлектрических материалов

3.2 Распределение температуры по толщине материала от щелевого излучателя в середине широкой стенки волновода

3.3 Метод создания заданного распределения температуры по толщине материла в СВЧ устройствах лучевого типа

3.4 Применение лучевых СВЧ устройств для ускоренного твердения пенобетона

3.5 Метод определения диэлектрических параметров материалов в процессе их термообработки

3.6 Термообработка композиционных материалов 110 Выводы к главе

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССОВ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ УСТРОЙСТВАХ ЛУЧЕВОГО ТИПА

4.1 Программа трехмерного электродинамического моделирования

СВЧ систем камерного типа

4.2 Исследование процесса термообработки объемных материалов

4.3 Учет влияния стенок камер СВЧ устройств лучевого типа на распределение температуры в объеме материала

Выводы к главе

Анализ современных научных публикаций в области исследований современных сверхвысокочастотных технологий термообработки диэлектрических материалов показывает [1-6], что наибольшее внимание уделяется поиску принципиально новых технических решений, которые позволяют формировать заданное распределение температуры по объему обрабатываемого материала. Эта задача имеет особое значение при термообработке материалов значительной толщины (<й) (3.6 длин волн источника СВЧ энергии), обладающих к тому же низким коэффициентом теплопроводности < 0,2 о . Кроме того, задача

V К'М; осложняется достаточно жесткими требованиями технологических процессов нагрева к неравномерности распределения температуры в объеме материала (Д77<10%).

Именно эти условия и ограничения наиболее явно проявляются в производстве материалов , используемых в строительстве, что определяется условиями технологического процесса для реализации необходимых прочностных характеристик получаемых изделий с учетом полноты протекания реакций гидратации (бетон, пенобетон с различными наполнителями), полимеризации (изделий из стеклопластика и полимеров, композиты), а также отсутствия внутренних механических напряжений.

Особую роль СВЧ термообработка может занять в производстве теплоизоляционных материалов для строительства ввиду крайней неэффективности существующих ныне конвекционных способов нагрева, что определяется низким коэффициентом теплопроводности утеплителей.

Для высокой производительности технологического процесса термообработки объемных материалов используют СВЧ устройства лучевого типа [4], которые представляют собой камеры проходного или периодического действия, на боковых поверхностях которых размещены источники СВЧ энергии с излучающей антенной в виде раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны Н10.

Проведенные экспериментальные исследования и опыт практических разработок показали, что основным недостатком СВЧ нагревающих устройств лучевого типа, существенно ограничивающим применяемость этих устройств, является неравномерность формирования ими температурного поля в объеме материала, при которой максимум распределения температуры находится в глубине материала, а не на его поверхности [5-7].

Разработка новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, обеспечивающих заданное распределение температуры в объеме обрабатываемого материала, а также разработка моделей и методов их расчета является актуальной задачей при производстве материалов строительной индустрии и решению именно этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов, моделей и методов их расчета, а также использование полученных результатов в технологических процессах производства строительных материалов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- исследование процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами с различными диэлектрическими потерями в зависимости от типа облучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода;

- разработка метода построения и реализация новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа для формирования заданного распределения температуры по объему материалов за счет использования комбинации излучающих антенн, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и в виде щели в широкой стенке волновода; исследование и разработка модели и метода расчета СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от влажности и температуры.

Методы исследования

Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; методов математического моделирования; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью разработанных моделей, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами, опубликованными ранее в научных публикациях.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. Модель и метод расчета СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов, в которых используются излучающие антенны в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10, при этом с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров материала от температуры отклонение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не превышает 6%;

2. Модель и метод построения СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов, в которых используются антенны в виде излучающей щели в широкой стенке волновода на основном типе волны Н10, при этом экспериментальные характеристики распределения температуры в материале имеют вид парабол, спадающих от поверхности вглубь материала в зависимости от диэлектрических параметров материала;

3. Метод построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, содержащих два типа излучателей, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, так и в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, позволяющий формировать заданное распределение температуры за счет суперпозиции взаимодополняющих распределений температуры в материале от различных излучающих антенн;

4. Результаты математического моделирования физических процессов поглощения СВЧ энергии объемными материалами качественно подтверждают полученные результаты экспериментальных исследований по распределению температуры по объему материала, а также позволяют учитывать степень влияния отражающих стенок камеры на характер распределения температуры в материале.

Практическая ценность результатов диссертации:

1. Разработанные модели, методы расчета и новые конструкции СВЧ устройств лучевого типа термообработки материалов способствуют их внедрению в высокоэффективные технологические процессы производства изделий строительной индустрии;

2. Использование разработанного метода построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа позволяет формировать заданное распределение температуры в обрабатываемых материалах с точностью, отвечающей условиям технологического процесса.

Научная новизна диссертации заключается в том, что представлены новые модели, методы расчета, как сверхвысокочастотных устройств, так и технологических процессов термообработки диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, позволяющие формировать заданные распределения температуры в материалах. Более подробно научная новизна характеризуется тем, что впервые:

- разработаны модели и методы расчета СВЧ устройств лучевого типа, в которых используются в качестве нагревательных элементов - излучающие антенны, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10, так и в виде излучающих щелей в широкой стенке волноводов;

- разработана методика расчета конструкций сверхвысокочастотных устройств лучевого типа для материалов с относительно малыми диэлектрическими потерями, позволяющая рассчитать распределение температуры на поверхности и в объеме материала;

- разработан метод расчета распределения температуры в материалах, учитывающий зависимость диэлектрических параметров материала от температуры при термообработке его в СВЧ устройствах лучевого типа.

Реализация результатов диссертационной работы:

Результаты диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторской работе, выполненных в ЗАО НТЦ «Альфа-1», научно-исследовательской опытно-конструкторской работе, выполненной в НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), использованы в десяти научно-исследовательских работах и внедрены в учебный процесс МИЭМ. 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 VI, IX и X межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине». МГУ, ноябрь, 2006 г., 2008 г., 2009 г.;

- на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов, сентябрь, 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 статей, из которых 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получены 3 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 165 страниц, в том числе 70 рисунков, 122 наименования списка использованных источников на 13 страницах, 4 страницы приложения.

Основные результаты работы:

1. Представлен анализ развития малогабаритных источников СВЧ энергии и показаны перспективы их использования в сверхвысокочастотных устройствах лучевого типа, характерная особенность которых состоит в том, что в качестве вывода энергии используется прямоугольный волновод, работающий на основном виде колебаний Н10, что позволяет реализовать различные типы излучающих антенн для СВЧ устройств лучевого типа;

2. Разработаны модель и метод расчета распределения температуры по объему материала с относительно малыми диэлектрическими потерями в СВЧ устройствах лучевого типа, при этом отклонение рассчитанных и экспериментальных характеристик распределения температуры по объему материала не превышает 9%;

3. Разработаны модель и метод расчета распределения температуры в материале в виде нагруженной длинной линии при условии, что диэлектрические параметры материала линейно зависят от температуры, при этом отклонение измеренной и рассчитанной экспоненциальной зависимости температуры по толщине материала не превышает 6% для исследуемых материалов с различными диэлектрическими потерями;

4. Обоснован новый метод построения СВЧ устройств лучевого типа, позволяющий получить заданное распределение температуры в объеме материала за счет суперпозиции излучений, как от антенны в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и от антенны в виде излучающей щели в широкой стенке волновода, при этом отклонение температуры от номинального значения не превышает 6%;

5. Предложена модель и разработан метод расчета процессов термообработки многослойных диэлектрических материалов в СВЧ устройствах лучевого типа с учетом линейной зависимости диэлектрических параметров слоев материала от температуры;

6. Проведено математическое моделирование процессов термообработки материалов в СВЧ устройствах лучевого типа с использованием программы Албой Ш^Б и разработанной на основе метода Гюйгенса-Кирхгофа программы расчета электромагнитного поля излучения в СВЧ камере лучевого типа с произвольным числом источников СВЧ энергии;

7. Результаты математического моделирования процессов поглощения СВЧ энергии материалами с различными диэлектрическими потерями с учетом и без учета влияния отражающих стенок камеры на распределение температуры по объему материала качественно соответствуют результатам экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом диссертационной работы является решение актуальной задачи, заключающейся в разработке новых конструкций сверхвысокочастотных устройств для высокоэффективной термообработки диэлектрических материалов и имеющей существенное значение для данной области знаний. При решении поставленной задачи в работе разработаны модели, методы расчета, научно обоснованные технические решения, которые позволяют создавать новые сверхвысокочастотные устройства лучевого типа и реализовать на их основе высокоэффективные микроволновые технологические процессы термообработки объемных материалов в различных отраслях промышленности. Особенностью работы является ее прикладная направленность, позволяющая использовать полученные теоретические и экспериментальные результаты для решения конкретных научно-практических задач.

1. Низкоинтенсивные СВЧ — технологии (проблемы и реализация)/ Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельникова. М.: "Радиотехника". 2003. — 112с.

2. Ю.С.Архангельский "СВЧ электротермия". Саратов: СГТУ. 1998.-408с.

3. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Издательство Саратовского университета. 1983.

4. Окресс Э. СВЧ энергетика. М.: Мир. 1971. т. 2.

5. A.B. мамонтов, И.В. Назаров, В.Н. Нефедов, Т.А. Потапова. "Микроволновые технологии", / М.: ГНУ «НИИ ПМТ», 2008 г., 308 с.

6. Шестиперов В. А. Новые направления использования сверхвысоких частот в биологии и медицине. Электронная промышленность, вып. 8, 1982, стр. 56-63.

7. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Издательство "Связь", Москва, 1977.

8. Мамонтов A.B. Разработка и исследование СВЧ устройств для термообработки диэлектрических материалов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2005.

9. Назаров И.В., Хриткин С.А. Свидетельство РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007614836 «Математическое моделирование распределения электромагнитного поля в резонаторной камере с различным числом источников СВЧ энергии ».

10. Патент РФ № 2090764 от 30.12.92. Устройство для очистки дымовых фильтров от сажи (варианты). // Корнеев C.B., Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 20.09.97. Бюл. № 26.

11. Патент РФ № 2044135 от 18.03.93. Устройство для очистки фильтров отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. // Валеев Г.Г., Корнеев C.B., Карпенко Ю.В.ю, Нефедов В.Н. Опубл. -20.09.95. Бюл. № 26.

12. Патент РФ № 2037057 от 30.12.92. Устройство для очистки дымового фильтра от сажи // Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Корнеев C.B., Нефедов В.Н. Опубл. 9.06.95. Бюл. № 16.

13. Патент РФ № 2084648 от 2.03.94. Способ регенерации сажевого фильтра // Валеев Г.Г., Корнеев C.B., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. и др. Опубл. 20.07.97. Бюл. № 20.

14. Yu. V. Karpenko, S.V. Korneev, V.N. Nefyodov. Microwave soot trap regeneration. Optical Monitoring of the Environment, 1993. Volume 2107., p. 517.528.

15. Белов H.H., Карпенко Ю.В., Нефедов B.H., Черкасов A.C., Черкасова В.А. СВЧ система для снижения выбросов твердых сажевых частиц. Аэрозоли, 1997, № 1, с. 1.4.

16. Патент РФ № 2098574 от 16.02.96. Устройство для разогрева оснований и покрытий. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., опубл. 10.12.97. Бюл. №34.

17. Ю.В. Карпенко, В.Н. Нефедов. СВЧ разогреватели асфальтобетонных покрытий. Автомобильные дороги. № 5, 1996. Информавтодор, с. 44.57.

18. Ю.В. Карпенко, В.Н. Нефедов. Машины для СВЧ разогрева асфальтобетонных покрытий. Автомобильные дороги, № 1, 1997. Информавтодор. Обзорная информация.

19. Патент РФ № 2100519 от 13.02.96. Устройство для нагрева асфальтобетонного дорожного покрытия. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 27.12.97. Бюл. № 36.

20. Pat. 1600259 US. Microwave method and apparatus for reprocessing pavements / Morris Richard Jeppson. Application № 53218/77; Fild 21.12.77; Complete Specification published 14.10.81.

21. A.c. № 1735479 СССР. Устройство для нагрева дорожных покрытий. / Негин А.Н., Пчельников Ю.Н., Руденко А.В. Опубл. 23.05.92. Бюл. № 19.

22. Сокова С.Д. Потенциальные возможности устройства и ремонта кровель и технологические решения по выбору кровельных материалов. Строительные материалы, № 11, 1996, с. 2. .4.

23. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. СВЧ — установка для ремонта рубероидно-битумных кровель. Строительные материалы, № 11, 1996, с. 24.25.

24. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Молоков В.Ф., Павшенко Ю.Н. СВЧ — установка для производства теплоизоляционных плит // Строительные материалы. № 6, 1996, с. 30.31.

25. Патент РФ № 2106767 от 2.02.96. СВЧ печь конвейерного типа. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 10.03.98. Бюл. № 7.

26. Карпенко Ю.В., Корнеев С.В., Нефедов В.Н. Новые установки и оборудование для технологий СВЧ нагрева. Международная конференция. 50-я научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов, часть 2, май 1995, Москва, с. 148. 149.

27. Патент РФ № 2060600 от 211.93. СВЧ печь конвейерного типа (варианты)./ Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 20.05.96. Бюл. № 14.

28. Пчельников Ю.Н., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. и др. Исследование воздействия СВЧ энергии на бетон и железобетон при тепловлажностной обработке. Научно-технический отчет по НИР. - № гос. Регистрации 01920000799, М.: МИЭМ, 1991.

29. Пчельников Ю.Н., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Елизаров A.A. Применение СВЧ энергии для интенсификации технологических процессов тепловой обработки бетона. Передовой опыт в строительстве Москвы. Реферативный сборник, № 2, 1992, с. 1.4.

30. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Елизаров A.A. Использование СВЧ — энергии для сушки древесины. Передовой опыт в строительстве Москвы. Реферативный сборник, № 3, 1992, с. 14. 19.

31. Патент РФ № 2105254 от 28.02.96. Способ сушки древесины в штабеле и устройство для его осуществления. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 20.02.98. Бюл. № 5.

32. Патент Рф № 2116588 от 26.12.96. Способ сушки древесины и устройство для его осуществления. / Дунаев В.В., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Черкасова В.А., Черкасов A.C. Опубл. 27.07.98. Бюл. № 21.

33. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., Корнеев C.B. Обоснование режима сушки дубовых брусков в СВЧ — камере "Лес". Деревообрабатывающая промышленность, № 1, 1996, с. 14. 16.

34. Карпенко Ю.В., Корнеев C.B., Нефедов В.Н. Сушка пиломатериалов с помощью СВЧ — энергии. Механизация строительства, № 12, 1996, с. 2.5.

35. Торговников Г.И., Новиков М.П. A.c. № 1183798 СССР//Б.И. 1982 г.

36. Торговников Г.И. О перспективах использования СВЧ энергии для обработки древесины и древесных материалов//Деревообрабатывающая промышленность, 1989, вып. 5, с. 13. 15.

37. Торговников Г.И. "Диэлектрические свойства древесины", Москва, изд. Лесная промышленность, 1986.

38. Кузнецов С.Г., Королев К.В., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Микроволновапя установка для обеззараживания питательных смесей под рассаду и цветы и для стерилизации субстрактов под грибы. Журнал "Картофель и овощи", № 3, 1999, с. 28.

39. A.B. мамонтов, М.В. Нефедов, Е.В. Никишин. "Измерение распределения температуры поля в объеме диэлектрического материала, обрабатываемого в СВЧ резонаторной камере". Метрология, № 1, 2009 г., стр. 22-27.

40. Патент РФ № 2101632 от 7.03.96. Способ сушки картона и устройство для его осуществления. / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубл. 10.01.98. Бюл. № 1.

41. Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Линия для СВЧ конвективной сушки теплоизоляционного материала ТИШСОМ. // Строительные материалы, № 4,1997, с. 10. 11.

42. 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.

43. Патент РФ на полезную модель № 83379 "СВЧ устройство для термообработки диэлектрических материалов" от 27 мая 2009 г. Авторы: Лоик Д.А., Мамонтов A.B., Нефедов В.Н., Нефедов М.В.

44. Международная научно техническая конференция "Актуальные проблемы электронного машиностроения". Тезисы докладов. 4-7 октября 1994 г. Издательство Саратовского университета, 1994 г.

45. Рогов И. А., Некрутман C.B. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1976 г.

46. Применение СВЧ — нагрева в общественном питании. Под редакцией А.Н. Вышелесского, Е.П. Кузьминой. — М.:Экономика, 1964 г.

47. Захаров В.И., Некрутман C.B. Физические процессы при обработке пищевых продуктов в электрическом поле СВЧ. Научн. тр. МИНХ, 1967, вып. 50, с. 17.20.

48. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. М.: Энергия, 1968 г.

49. Басс Ю.П. и др. Диэлектрический нагрев в резиновой промышленности. -М.: ЦНИИЭнефтехим, 1974 г.

50. C.B. Некрутман. "Тепловая обработка пищевых продуктов в электрическом поле сверхвысокой частоты". Москва, 1972 г.

51. Некрутман C.B. Аппараты СВЧ в общественном питании. М.: Экономика, 1973г.

52. Довженок A.A., Язиков В.Н. Установка для скоростной сушки асбестосодержащих материалов в полях СВЧ. — Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1976, № 10, с. 65.68.

53. Бенгтссон Н., Олссон Т. СВЧ нагрев в пищевой промышленности. -ТИИЭР, 1974, № 1, с. 52.56.

54. Зафрин Э.Я. и др. О применении СВЧ энергоподвода при сублимации. Изв. АН МСССР, 1969, № 3, с. 65. .68.

55. Крепьючетс Р. Использование СВЧ нагрева в производственных процессах. Электроника, 1966, т. 39, № 5, с. 39.47.

56. Бадаева О.Н. СВЧ энергия в промышленности, торговле и быту (обзор по материалам зарубежной печати). Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1969, № 8, с. 3.20.

57. Зафрин Э.Я., Болога М.К. Исследование электрофизических свойств капиллярнопористых тел применительно к процессу сублимации в поле СВЧ. Электронная обработка материалов, 1970, № 5, с. 51.57.

58. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1974.

59. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Выпуск 12 (1281). Н.К. Беляева, А.И. Маштакова, О.Ф. Кузнецова. СВЧ -нагрев при обработке промышленных материалов. ЦНИИ "Электроника", Москва, 1987.

60. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Выпуск 10 (960). В.Н. Удалов, А.И. Маштакова, Н.К. Беляева. Камерные СВЧ печи периодического действия. ЦНИИ "Электроника", Москва 1983.

61. Gruber G., Practical aspect of microwave veneer redrying, J. Microwave Power, 2, pp. 37.39 (June, 1967).

62. K. Van Reusel, "Energy savings in the chemical industry", pg.2 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

63. Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

64. M. Panneerselvam, M. Willert-Porada, "Microwave assisted reactive sintering of zirconium oxynitrides", pg.13 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 — 12 November 2004).

65. P.Sarubo Jr, Costa, L. Gama, Kiminami, "Microwave-induced combustion synthesis of Ni-Cr ferrite nanopowders", pg.14 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

66. Yi Fang, Dinesh K.Agraval, "Microwave synthesis of lamp phosphors",pg.19

67. Cheng-Yu Hsieh, Chun-Nan Lin, Shyan-Lung Chung, "Microwave, sintering of high thermal conductivity A1N", pg.23 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 12 November 2004).

68. B. Vaidhyanathan, J.G.P. Binner, "Novel processing of nanostructured ceramics using microwaves", pg.24 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

69. M. Mehdizadeh, "Microwave/RF methods for detection and drying of residual waterin polymers", pg.32 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

70. R.D. Gunaratne, R.J. Day, "Microwave and conventional mechanical & thermal analysis of the reactions in epoxy vinyl ester resins", pg.39 of the

71. Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 12 November 2004).

72. O. Alothman, RJ. Day, "A novel microwave-assisted injection moulding of polymers", pg.40 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

73. D. Bogdal, J. Pielichowski, "Microwave assisted synthesis, crosslinking, and processing of polymeric materials", pg.47 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7- 12 November 2004).

74. L. Feher, V. Nuss, T. Seitz, M. Trumm, "Industrial composite curing, with the 2,45 GHz HEPHAISTOS system", pg.35 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

75. G. Torgovnikov, P. Vinden, "New microwave technology and equipment for wood modification", pg.77 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7-12 November 2004).

76. Нефедов B.H. Сверхвысокочастотные устройства для термообработки диэлектрических материалов больших площадей (обзор). // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника, вып. 2, 1998, с. 32.35.

77. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1970, т. 1. -289с.

78. Нефедов В.Н. "Исследование процессов поглощения СВЧ — энергии в средах с различными электрофизическими параметрами и разработка СВЧ технологии термообработки строительных материалов".

79. Научно технический отчет НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ) по НИР, № гос. регистрации 01.99.0008707, 1999.

80. А.Н. Диденко, Б.В. Зверев. СВЧ — энергетика, изд. Наука, г. Москва, 2000 г.

81. Хардман JI. Распределение частот электромагнитного спектра в условиях напряженного графика. Электроника, 1972, № 20, с. 30.52.

82. Бородин И.Ф. Применение сверхвысокой частоты в сельском хозяйстве//Электричество. 1989.-№ 6, с. 1.8.

83. Зусмановсьсий A.C., Лейбин Ю.В. Расчет и конструирование прямоугольных резонаторных камер для устройств СВЧ нагрева диэлектриков. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1968, № 8, с. 72.80.

84. Зусмановский A.C. и др. Расчет и конструирование прямоугольных резонаторных камер для устройств СВЧ нагрева диэлектриков. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1968, № 9, с. 46.49.

85. A.c. № 911661 СССР. Резонансная система СВЧ ортогонального типа. / В.А. Березин, И.В. Паламарчук и Д.М. Петров.

86. Рикенглаз Л.Э. К теории нагрева диэлектриков мощными электромагнитными полямию Инженерно-физический журнал, 1974, т. XXVII, №6, с. 1061-1068.

87. Рикенглаз Л.Э., Хоминский В.А. О применении метода ВКБ к расчету нагрева в электромагнитном поле диэлектриков с параметрами, зависящими от температуры. Журнал технической физики, 1979, т. 49, № 8, с. 1767-1768.

88. Комаров B.B. Специализированные системы обработки образцов диссипативных материалов и сред СВЧ — излучением. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Саратов. 2007.

89. Анфиногентов В.И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Казань. 2006.

90. Анфиногентов В.И. Математическое модели СВЧ нагрева диэлектриков конечной толщины. Физика волновых процессов и радиотехнические системы, т. 9, № 1, стр. 78-83.

91. Copson D.A. Microwave Heating, Westport, Connect., AVI, 1962.

92. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева, т. 1, "Энергия", Москва, 1974.

93. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева, т. 2, "Энергия", Москва, 1974.

94. Физика. Техника. Производство. Краткий справочник. A.C. Енохович, Москва, 1962. Государственное учебно педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР.

95. Долгополов H.H. Электрофизические методы в технологии строительных материалов. -М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1971.

96. Машкевич M.JI. Электрические свойства неорганических диэлектриков в диапазоне СВЧ. М.: Советское радио, 1969.

97. Анциферов A.B. и др. Установка для контроля параметров диэлектриков на СВЧ. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1969, №9, с. 136. 142.

98. Нефедов В.Н. Сверхвысокочастотные устройства для термообработки материалов больших площадей. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. 2001.

99. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники. Часть третья. Теория электромагнитного поля. — М.: Энергия, 1969.

100. A.B. Марков, Ю.П. Юленец. Метод контроля влагосодержания при непосредственном сверхвысокочастотном нагреве. Письма в ЖТФ, 2005, том 31, вып.7, стр. 79-85.

101. Потапова Т.А. Исследование и разработка СВЧ устройств для формирования равномерного температурного поля диэлектрических материалов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2006.

102. Пчельников Ю.Н., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. и др. Исследование воздействия СВЧ энергии на бетон и железобетон при тепловлажностной обработке. Научно-технический отчет по НИР. - № гос. Регистрации 01920000799, М.: МИЭМ, 1991.

103. Математическое моделирование процесса сушки тонких материалов / Архангельский Ю.С., Захарова Е.С., Житомерская И.А. // волновод, линии, системы и элементы / Сарат. политех, ин-т — Саратов. 1991. С. 56. .59. - Рус. УДК 621.372.

104. C.B. Тригорлый. Оптимизация термообработки диэлектриков в СВЧ камерах лучевого типа. Вестник СГТУ. 2006. № 1 (10). Выпуск 1., стр. 58-66.

105. Бубнов. A.B., Автоматизированная система управления мобильной СВЧ установкой для термообработки материалом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург. 2004.

106. Кирилло JI.P., Лукьянец В.Г., Чернух M.JL, Ярошевич В.В. Определение комплексной диэлектрической проницаемости по результатам амплитудных измерений/ТИзвестия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1984. - т. 27, № 1. — стр. 81-84.

107. По лишу к В.И. Метод и установка для измерения электрических параметров слабопоглощающих диэлектриков на базе панорамного измерителя КСВН и ослаблений // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. 1988. - вып. 9. - стр. 52-56.

108. Перевощиков В.А., Потапов А.Ю. Метод измерения электрических параметров диэлектриков // Электронная техника. Сер. СВЧ техника, вып. 1, 1992.

109. В.Н. Великоцкий, В.Я. Двадненко, В.А. Коробкин, И.Н. Ярмак. Определение тангенса угла потерь высококачественных диэлектриков // Электронная техника, Сер. Электроника СВЧ, вып. 6, 1988, стр. 32-35.