автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка и исследование СВЧ-устройств для плавления снежно-ледяной массы

На правах рукописи

005537973

ЛАПОЧКИН МАРАТ СИРИНЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ-УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОЙ МАССЫ

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

1 ' 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2013

005537973

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» (ФГБОУ ВПО КНИТУ-КАИ) на кафедре телевидения и мультимедийных систем.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Морозов Олег Геннадьевич

Официальные оппоненты: Васильев Андрей Витальевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», Заместитель ректора - директор института химии и инженерной экологии

Осипов Олег Владимирович,

доктор физико-математических наук, доцент, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», Проректор по информатизации и образовательным технологиям

Ведущая организация: ОАО «НПО «Радиоэлектроника»

им. В.И. Шимко»

Защита состоится 29 ноября 2013 года в 1402 на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики (111 УТИ) по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л.Толстого, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ.

Автореферат разослан 29 октября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.003.02 доктор технических наук, профессор

Мишин Д.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Известной проблемой городского хозяйства является необходимость вывоза и/или плавления снежно-ледяной массы (СЛМ), собранной с поверхностей автомобильных дорог, тротуаров, площадок производственных предприятий, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.д. Важность решения указанной проблемы продиктована требованиями технологии зимнего содержания территорий города. Обильные снегопады в зимнее время года приводят к образованию снежных заносов на дорожных поверхностях города, что в свою очередь влечет за собой усложнение движения транспорта, а в отдельных случаях и к дорожно-транспортным коллапсам.

Для плавления снежно-ледяной массы применяются устройства, работающие на основе воздействия таких теплоносителей, как пар, горячая вода, горячий воздух, продукты сгорания топлива. В качестве источников энергии применяются погружные горелки, контактные водоподогреватели, газовые, угольные, дровяные топки. К особенностям применяемых устройств необходимо отнести то, что взаимодействие теплоносителя со СЛМ осуществляется за счет непосредственного контакта, либо через разделяющие тела или среды. Следует отметить, что при традиционных методах нагрева распространение тепла происходит первоначально от поверхности вглубь обрабатываемой среды. Коэффициент теплопроводности СЛМ имеет относительно низкое значение, в среднем равное 2,1 Вт/(м-К), поэтому теплообмен осуществляется медленно. Кроме того, неизбежно снижение энергоэффективности процесса плавления за счет возникновения непроизводительных тепловых потерь на нагрев промежуточного теплоносителя, окружающей среды и объема плавления. Необходимо отметить наличие негативного воздействия токсических выбросов в окружающую среду в случае использования продуктов сгорания топлива, как теплоносителя.

К развивающимся технологиям плавления СЛМ относится воздействие на нее энергией электромагнитного поля ЭМП СВЧ-диапазона. Активная научно-исследовательская работа по данному направлению ведется лишь последнее десятилетие. Преимуществами метода воздействия энергии ЭМП СВЧ-диапазона на СЛМ являются: объемный характер; отсутствие продуктов сгорания и загрязняющих факторов; возможность достижения высоких скоростей плавления; мгновенное регулирование уровня мощности и момента ее подачи; возможность автоматизации технологических процессов; комбинирование СВЧ-нагрева с другими методами воздействий. Перечисленные особенности СВЧ-воздействия предоставляют возможность создания и разработки устройств для решения актуальной научно-технической задачи энергоэффективного и экологически безопасного плавления СЛМ, которая относится к задачам СВЧ-нагрева диэлектрических сред с фазовыми переходами. В случае СЛМ это переходы «снег—»вода», «лед-»вода», «(снег+лед)-»вода».

Необходимо отметить, что теоретическими и. прикладными исследованиями СВЧ-нагрева диэлектрических сред с фазовыми переходами занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем вопросов по данной тематике рассмотрен в трудах Анфиногентова В.И., Архангельского Ю.С., Даугава О.Ш., Коломейцева В.А., Комарова В.В., Морозова Г.А., Мейрманова AM., Самарского A.A., Седельникова Ю.Е., Царева В.А., Akahori М., Aoki К., Ауарра K.G., Basak Т., Davis Е.А., Davis Н.Т., Evans S., Gordon J., Kuznetsov A.V., Rattanadecho P., Pangrle В J., Patankar S.V., Von Hippel A.R., Yee K.S., Zhu J.

Анализ работ указанных авторов показал, что к основной проблеме, ограничивающей возможность широкого применения электродинамических технологических установок (ЭТУ) СВЧ-диапазона для плавления СЛМ относится необходимость учета особенностей изменения диэлектрических параметров СЛМ в ходе технологического процесса с фазовыми переходами. Если для ряда некоторых задач найдены решения по возбуждению необходимых профилей ЭМП, регулировке мощности СВЧ-обработки, конструкциям аппликаторов и рабочих камер, то вопросы осуществления адаптивного управления параметрами СЛМ в процессе ее плавления практически не рассматривались. К таким задачам следует отнести: регулирование объема расплавляемой СЛМ; регулирование объемной доли компонент расплавляемой СЛМ, например, воды, которая характеризуется максимальным поглощением энергии ЭМП СВЧ-диапазона; применение комбинированных воздействий с целью управления характеристиками межфазных слоев СЛМ; методы контроля параметров технологического процесса, позволяющих выработать воздействия для адаптивного управления параметрами СЛМ и их согласования, как параметров нагрузки с параметрами возбуждаемых ЭМП.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность разработки и исследования энергоэффекгивных СВЧ-устройств для плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса. Представленная диссертационная работа посвящена решению этой проблемы.

Цель работы - повышение энергоэффективности процесса плавления снежно-ледяной массы на основе разработки СВЧ-устройств для реализации электродинамических технологий плавления и адаптивного управления параметрами обрабатываемой среды в ходе технологического процесса.

Основная задача научных исследований - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза СВЧ-устройств для создания электродинамических технологических установок для плавления снежно-ледяной массы на основе исследования распространения ЭМП СВЧ-диапазона в многослойной среде, состоящей из разных фаз воды, методов адаптивного управления ее параметрами посредством регулирования объема, уровня т&той воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия, и алгоритмов выработки управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса.

Решаемые задачи:

1. Анализ характеристик существующих и перспективных ЭТУ для плавления СЛМ; выявление резервов для улучшения энергетических характеристик ЭТУ для плавления СЛМ, построенных на основе воздействия ЭМП СВЧ-диапазона, а также адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса; определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований.

2. Построение математических моделей и исследование на их основе процессов взаимодействия ЭМП СВЧ-диапазона с многофазной многослойной системой снежно-ледяной массы в замкнутом объеме с учетом движения межфазной границы таяния и фазовых переходов; выработка на базе результатов проведенных вычислительных экспериментов предложений и рекомендаций для проектирования, разработки и создания лабораторных образцов ЭТУ для плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса.

3. Создание лабораторных ЭТУ для плавления СЛМ и разработка методики проведения экспериментальных исследований; проведение экспериментальных исследований плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия; разработка алгоритмов выработки управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса; сравнение полученных экспериментальных и теоретических результатов.

4. Разработка и создание пилотных моделей промышленных ЭТУ для плавления СЛМ на базе воздействия ЭМП СВЧ-диапазона с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса; разработка практических рекомендаций и исходных данных для проектирования промышленных образцов ЭТУ; оценка повышения эффективности процесса плавления СЛМ на основе предложенной технологии по сравнению с традиционными; внедрение результатов проведенных исследований.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. В процессе выполнения работы применялись теоретические и эмпирические методы исследований: математическое моделирование, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов. При исследованиях на основе математических моделей использовались конечноразностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов; экспертизами ФИПС с выдачей патентов РФ; результатами опытных исследований разработанных устройств.

При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ МаЙгСАО и МАТЪАВ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. Выявлены резервы для улучшения энергетических характеристик ЭТУ для плавления СЛМ, заключающиеся в их построении на основе использования энергии ЭМП СВЧ-диапазона, а также адаптивном управлении параметрами СЛМ в ходе технологического процесса.

2. Построены математические модели и исследованы на их основе процессы взаимодействия ЭМП СВЧ-диапазона с многофазной многослойной средой снежно-ледяной массы в замкнутом объеме с учетом движения межфазной границы таяния и фазовых переходов; дано теоретическое обоснование методов адаптивного управления ее параметрами в ходе технологического процесса.

3. Разработаны структуры макетов лабораторных и пилотных моделей промышленных ЭТУ для плавления СЛМ и методики проведения экспериментальных исследований их характеристик; экспериментально подтверждена эффективность процедур адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса ее плавления методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия; разработаны алгоритмы получения управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса.

Практическая ценность полученных результатов. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность создания и разработки СВЧ-устройств для плавления СЛМ с адаптивной регулировкой ее характеристик в ходе технологического процесса методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия на основе алгоритмов получения управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры. Подтверждением этому являются разработанные лабораторные и пилотные образцы промышленных ЭТУ, результаты их исследований, а также предложения и рекомендации по проектированию и созданию указанных установок и СВЧ-устройств, реализующих процедуры адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса. Проведенная оценка повышения эффективности плавления СЛМ показала, что в случае использования предлагаемой технологии плавления СЛМ происходит снижение энергозатрат на 15-20% по сравнению с традиционными.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использовались при выполнении НИР в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (госконтракг № 16.513.11.3114 «Разработка СВЧ технологий и создание функционально адаптивных реакторов для промышленной обработки термопластичных и термореактивных полимеров») и государственного задания по организации научных исследований, выполняемых КНИТУ-КАИ (тема «Симметричные сигналы,

волны и поля в решении прикладных задач комплексного применения микроволновых и оптических технологий наукоемкого машиностроения», шифр «Симметрия»), а также в учебном процессе по направлению 210400 «Радиотехника» и рабочей программе магистров «Микроволновые технологии, процессы и комплексы», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов диссертации. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на НПК студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города», Казань, 2010 г., 1-ой Региональной НТК молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве», Омск, 2010 г., II Международной НТК молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники», Уфа, 2010 г., Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения», Казань, 2011 г., УГ-ой Международной НТК «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»», Казань, 2011 г., X Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление», Казань, 2012 г., Н-ой Всероссийской НТК молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике», ВТСНТ-2013, Томск, 2013 г.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе три статьи в изданиях согласно Перечню ВАК, один патент РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, восемь работ в трудах и материалах докладов Международных и Всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 163 наименования. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков и 4 таблицы.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Результаты сравнительного анализа характеристик существующих установок для плавления СЛМ и разработанные на их основе направления развития электродинамических технологий, заключающиеся в использования для плавления СЛМ энергии ЭМП СВЧ-диапазона, а также адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса.

2. Математические модели и результаты исследований на их основе процессов взаимодействия ЭМП СВЧ-диапазона с многофазной многослойной средой снежно-ледяной массы в замкнутом объеме с учетом движения межфазной границы таяния и фазовых переходов.

3. Теоретическое обоснование процессов адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе плавления методами регулирования объема, уровня тштой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия на основе алгоритмов получения управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры.

4. Результаты разработки макетов лабораторных и пилотных моделей промышленных ЭТУ для плавления СЛМ; результаты экспериментальных исследований их характеристик; рекомендации по проектированию, созданию и эксплуатации указанных установок и СВЧ-устройств; результаты внедрения теоретических положений и практических разработок.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной и практической ценностью, получены автором самостоятельно и соответствуют пунктам 5 и 9 паспорта специальности 05.12.07 - Антенны, СВЧ - устройства и их технологии.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость, методы исследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов, апробация работы, публикации и основные положения, выносимые на защиту. Приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен сравнительный анализ методов и устройств для плавления СЛМ, определены рациональные пути повышения энергетической эффективности процесса плавления СЛМ.

К недостаткам существующих УП, как уже отмечалось выше, относятся низкая эффективность плавления, в основном, виду распространения тепла первоначально от поверхности обрабатываемой среды вглубь при низком значении коэффициента теплопроводности.

Развивающийся метод плавления СЛМ ЭМП СВЧ основан на свойстве ее поглощении диэлектрическими материалами, в результате чего, происходит тепловыделение. Излучение СВЧ диапазона частот проникает в вещество на значительную глубину, определяющуюся длиной волны излучения. Из этого следует, что применение СВЧ нагрева может повысить энергоэффективность и снизить продолжительность процесса плавления. К тому же, отсутствие непроизводственных тепловых потерь обусловлено тем, что объемное тепловыделение происходит в среде с диэлектрическими потерями, в данном случае преимущественно в СЛМ. Кроме того, отсутствуют токсические выбросы в окружающую среду. Из всего вышесказанного следует, что важнейшая научно-техническая проблема повышения энергоэффективности процесса плавления снежно-ледяной массы на основе разработки СВЧ-устройств для реализации электродинамических технологий плавления и адаптивного управления параметрами обрабатываемой среды в ходе технологического процесса является не

СВЧ ЭМВ

♦ Н

И ' У Снег £„1x3,

И "У Межфазный слой

А К ' У Вода

Рис.1. Нагрев многослойной среды при нормальном падении на его границу плоской ЭМВ.

решенной.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, определены пути повышения энергетической эффективности процесса плавления СЛМ. Сформулированы цель диссертационной работы и перечень основных задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена построению и исследованию математических моделей процесса плавления СЛМ СВЧ ЭМП.

В первой части главы, рассматривается математическая модель трехслойной среды, состоящей из снега, межфазного снежно-водяного слоя и воды. Геометрия решаемой задачи представлена на рис.1. Ставится задача плавления трехслойной среды: снег / снежно-водяной слой / вода, находящейся на некоторой подстилающей поверхности, при помощи плоской электромагнитной волны, при различных толщинах исследуемых слоев. Оценивалось поведение температурного поля и определение напряженности электрического поля. Символами / = 1,2,3 обозначены толщины каждого слоя, электрофизические параметры каждого слоя отличаются друг от друга, поэтому они обозначаются с помощью индексов, соответствующих номерам слоев, значение / = О соответствует воздуху, / = 1 соответствует снегу, / = 2 соответствует межфазному снежно-водяному слою, /' = 3 соответствует воде, е,

— диэлектрическая проницаемость / — го слоя, — тангенс угла диэлектрических потерь в / - м слое. Комплексные амплитуды электрического

и магнитного H¡ полей в ; - ом слое плоскослоистой структуры имеют вид: Е,.(г) = I, • ехр(~!к1г) + г1 • ехр(¡кпг), Н, (г) = (ti ■ ехр(-/А,г)- г( • ехр(/7сяг))/н-,,

где, ¿0=1, а г4 = 0, г = 0,1,...,4, к, = т-^е^ - комплексное волновое число в / - ом слое, мнимая часть которого характеризует затухание электромагнитной волны в слое диэлектрика, г, и /; - коэффициенты прохождения и отражения соответственно в I -ом слое, а - волновое сопротивление в ; - ом слое.

Тепловые источники в диэлектрике распределены в соответствии с функцией тепловых потерь ?(г) = 1/2-£»-£"-г0-|£2|, где а - круговая частота, а е0

— диэлектрическая постоянная. Температурное поле в плоскослоистой структуре описывается системой дифференциатьных уравнений

• = '>о, о<г<4, & са = + / > 0, А; < г <К, (1) & С2 = 1 >0, Н1<г<Н1. сг о: 0=^(0,0-7;) «г ^(.к о=к2(т,о-т,) (3) иг

7;(г,0) = го, Т2(2,0) = го, Г3(7,0)=Г0 (2)

где, р^кг/м1']

коэффициенты

соответственно,

температура,

окружающей

с\Дж/кг-К\, ^[Вт/мК], к^Вт/л теплоемкости, теплопроводности, 71™ - начальная

2 ■ а:] - плотность, теплоотдачи среды

£ " 4*10 %

а | 3009

Т3 - температура среды. Система уравнений теплопроводности (1) при начальных и граничных условиях (2) и (3) - (4), решаются конечноразностным методом на сетке, узловые точки которой, совпадают с граничными точками слоев.

В результате проведения численных расчетов, при выходной мощности СВЧ источника 700 Вт на частоте 2,45 ГГц, были получены комплексные амплитуды

электромагнитных полей в каждом слое. На рис.2 приведена часть результатов проведенных

вычислений, в виде значений модулей напряженности

электрического поля в каждом из слоев исследуемых трехслойных структур при толщинах разных слоев и при длительности СВЧ воздействия - 60с. На рис.3 представлена часть результатов проведенных вычислений, в виде распределения температурных полей в трехслойных структурах: снег — межфазный слой - вода, при разных толщинах слоев и при длительности СВЧ воздействия — 60с.

Результаты расчетов показывают, что наиболее интенсивное изменение

температурного поля относительно начальной температуры осуществляется в слое воды, так как в данном слое происходит наиболее эффективное преобразование энергии электрического поля в тепловую энергию за счет высокого показателя поглощения СВЧ энергии водой. В слое снега, напротив, ввиду более низкого показателя тепловых потерь изменение температурного поля в процессе СВЧ обработки

Ч\0уг\/\

аШ/ОГУ-л „

"1 V

0,06-0,03-0,06 0,05 - 0,05 - 0,05 0,04-0,07-0,04 0.03-0,04-0,03

или О.М 0,№ 0,08 0,10 0.1: 0.14

I')1Ш.1, г (ч)

Рис.2. Модуль напряженности электрического поля в структуре: снсг - межфазный слой — вода, при различных толщинах слоев (время нагрева 60с).

----0,06 -0,03 0.06

...... 0,05 -0,05 0,05

- 0,04 -0,07 -0,04

----0.03 -0,09 -0,03 / .. .,

\Х\ чМ * :

0.08 0 10 Г.чубниа, г (м)

Рис.3. Распределение температуры в трехслойной

структуре: снег - межфазный слой — вода, при различных толщинах слоев (время нагрева 60 с).

Поглощающая стенка

СВЧ

Н,

Твердая фаза (Снег / Лед)

Жидкая фаза (Вода)

Поглощающая стенка

ъу

Рис.4. Обобщенная математическая модель СВЧ нагрева твердой и жидкой фаз с учетом движения межфазной границы плавления.

от начальной величины относительно незначительно. Следует также отметить, что чем тоньше слой воды в обрабатываемой системе, тем выше температура слоя снега, а это означает, что процесс скорость протекания процесса плавления зависит от уровня воды в рабочей камере.

Во второй части главы рассматривается математическая модель СВЧ нагрева снега, льда и воды в виде трехслойных структур при их различных взаиморасположениях и при движении межфазной границы таяния (рис.4.) Ставится задача определения температурного поля в трехслойной среде из снега, льда и воды с учетом фазовых переходов и движения границы таяния. При этом, исследуются различные взаиморасположения слоев.

Интенсивности электрического и магнитного полей представляются, в виде: 8Еу/8г = р8Нх/81, 8Еу/8х = -м8Нг/д1, -(8Нг/дх-8Нх/д2)=аЕу+е8Еу/81, е = е0-ег, ц = ■ цг, <т = 2 • ж ■ / ■ е ■ гап 8, где, е - диэлектрическая проницаемость, ц - магнитная проницаемость, а — электропроводность.

Граничные условия: 1. Абсолютно проводящие стенки. Граничные условия на поверхностях боковых стенок камеры выглядят: Е1 = 0, Яп = 0. где, п - нормальная и ? - тангенциальная компоненты. 2. Между воздухом и поверхностью исследуемого материала принимают вид: Е1 =Е],Н1 =Н],Оп = = В'п, где, Л обозначение одного из материалов. 3. Поглощающие граничные условия. На нижней стенке камеры выполняются следующие поглощающие условия: 8Еу/д1 = ±и8Еу/д2.

ЭМВ представляется в виде следующих компонент: = Н, = (ж- )з!п (2 • • / • г), где, Еу,-

входная интенсивность электрического поля, 1х - длина камеры вдоль оси X, 7-,, - волновой импеданс, определяющийся, как: 2И = • X, ¡X = Хк /X ■ ф//с.

Подводимая СВЧ энергия представляется, как: Рт = Яс1А --Л¡А2И Егут, где, 7.1 - полное входное сопротивление, зависящее от свойств материала, Л а Ле -длины волн в вакууме и рабочей камере плавления.

Граничные условия: Стенки исследуемого образца изолированы: дТ/сп = 0; условие движения границы таяния. Движение границы между слоем находящимся в твердом состоянии и жидким слоем описывается с помощью ф. Стефана: {Л,дTJдz-q^^z^-л¡дTJcz)[\ + {cz^|дx)г^[ = р^Ъ^/е! где, -

скорость движения границы таяния, скрытая теплота плавления. Для проведения численного моделирования выполняется преобразование физической области в расчетную, поэтому вводится криволинейная система координат:^ = лс(^,^),г = г(^,7),^ = ^(дг,г),7 = 7(д:,г). Для численного решения уравнений электромагнитного поля используется метод конечных разностей во временной области. Для решения уравнений теплопроводности применяется разностная схема метода контрольного объема.

В результате проведения вычислительного эксперимента получены распределения полей температур в исследуемых трехслойных структурах. На

V Слой воды Слой снега Слой льда

ч Х^ \

: — ?60 с. — :4о с.

— — 12(1 с.

\ ч\ \ \ \ \ V \ —•

Начальная температура

1} (ю 0 02 11.04 ».(И (¡.03 0 10 0.12 0.14

Глубнна, Ъ [м] Рис.5. Распределение температуры вдоль оси г в трехслойной структуре образца (в) при изменении длительности СВЧ нагрева.

- Снсг/Лсд/Вода

---— Вода;Лед'Снсг .

--- Снег/Вода'Лед

рис.5 показаны результаты математического моделирования распределения температурного поля в исследуемом образце (в) вдоль оси г при изменении длительности СВЧ нагрева в моментах времени:120,240,360с.

На рис.6. представлены результаты математического

моделирования распределения

температурного поля в образцах (а), (д), (е) при длительности СВЧ нагрева - 240 с.

Путем численных расчетов установлено, что жидкий слой воды нагревается наиболее эффективнее благодаря более высокому показателю тепловых потерь, чем слои снега и льда (твердое фазовое состояние). Причем, в случае, когда слой воды располагается,

относительно источника

воздействия, над слоями снега и льда происходит большее поглощение СВЧ энергии слоем воды, чем в обратном случае, когда слой воды располагается под слоями снега и льда. Кроме того, увеличение слоя воды, возникающее в результате плавления снега, льда уменьшает эффективность процесса плавления.

Третья глава посвящена проведению экспериментальных исследований по СВЧ обработке трехслойных структур из различных фаз воды, а также при ультразвуковой кавитирующей интенсификации плавления и при отводе воды в процессе плавления, и сравнению полученных экспериментальных и теоретических результатов.

Верификация математических моделей, рассмотренных в предыдущей главе, проводилась в лабораторных условиях и осуществлялась с помощью специально разработанного лабораторного макета (рис.7):

1 - рабочая камера таяния; 2 - волновод; 3 - СВЧ генератор; 4 - блок управления СВЧ генератором; 5 - ультразвуковая

0.06 0-0Я 0.10

Глубина, г [и]

Рис.6. Распределение температуры вдоль оси г в трехслойных структурах: а)снег/лед/вода, д)вода/лед/снег, е)снег/вода/лед при длительности СВЧ напэева - 240 с.

Рис.7. Структурная схема лабораторного макета устройства плавления на основе воздействия

СВЧ ЭМП с ультразвуковой интенсификацией и возможностью водоотвода.

колебательная система; б - ультразвуковой генератор; 7 - блок управления ультразвуковым генератором; 8 - система водоотвода; 9 - прибор учета активной электроэнергии; 10 — измеритель температуры; 11 - исследуемая среда из различных фаз воды.

Поскольку в результате математического моделирования было определено, что чем выше температура слоя воды, тем интенсивнее происходит плавление снега. Следовательно, чем меньше толщина слоя воды, тем выше ее температура при равной интенсивности СВЧ воздействия. Для эффективного плавления в рабочей СВЧ камере толщина слоя воды должна поддерживаться на заданном уровне, а образующуюся талую воду необходимо отводить по мере плавления из рабочей СВЧ камеры. Поэтому, проводятся исследования следующих режимов работы: (а) Талая вода, образующаяся в процессе плавления СЛМ, остается в рабочей камере; (б) Происходит отведение, образующейся талой воды из рабочей камеры. Величина энергосбережения при объеме СЛМ 0,00615 м3 в случае (б) на 15,6% выше, чем в случае (а). Данные результаты позволяют утверждать, что при отведении талой воды происходит ускорение процесса плавления, а также повышается энергосбережение.

Также, рассматриваются процессы повышения энергоэффективности плавления СЛМ комбинированной обработкой ЭМП СВЧ и ультразвукового диапазонов. Если сравнить энергопотребление необходимое для плавления равного объема СЛМ (0,006 м3) за равное время плавления (345 с), то в режиме комбинированного воздействия достигается повышение энергоэффективности плавления СЛМ на 10,7 %.

В четвертой главе рассматриваются вопросы создания, разработки, реализации и внедрения пилотной модели СВЧ-устройства для плавления СЛМ рабочим объемом камеры плавления 0,2 м3 с адаптивным управлением технологической обработкой СЛМ на базе

комбинированного воздействия энергии

физических полей СВЧ и ультразвукового диапазона и с применением водоотвода. В частности, осуществляется выбор оптимальных

способов построения систем возбуждения, распределения и согласования СВЧ энергии в рабочей камере. Рассматривается адаптивная схема управления (рис.8) устройством плавления посредством контроля КСВ рабочей камеры при технологической обработке снежно-ледяной массы с учетом фазовых переходов.

Рис.8. Структурная схема адаптивного СВЧ устройства для технологической обработки СЛМ.

Разрабатывается и исследуется алгоритм адаптивного управления технологическим процессом обработки СЛМ массы (рис.9).

Получены результаты,

подтверждающие энергетическую

эффективность применения адаптивного управления параметрами обработки снежно-ледяной массы до 36,17%(рис.10).

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Главным результатом

диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи повышение энергоэффективности

процесса плавления снежно-ледяной массы на основе разработки СВЧ-устройств для реализации

электродинамических технологий

плавления и адаптивного управления параметрами обрабатываемой среды в ходе технологического процесса. Кроме того, получены следующие результаты:

1. Проведен сравнительный анализ существующих технологий и установок для плавления СЛМ и выявлены рациональные пути повышения энергетической эффективности указанного процесса на основе применения электродинамических технологий с использованием энергии ЗМП СВЧ-диапазона и методов адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе ее плавления.

2. Построены математические модели воздействия энергии ЭМП СВЧ-диапазона на трехслойные структуры «снег / межфазный слой / вода» с конечными толщинами и постоянными во времени электрофизическими и геометрическими параметрами слоев при падении плоской ЭМВ на ее границу из воздуха, а также «снег, лед, вода» при их различном

Рис.9. Алгоритм управления технологической обработкой СЛМ.

0.00 |>,04 0.08 0.12 0,1(5 Объем, V [м3] Рис.10. Зависимость времени плавления и затрат электроэнергии от объема СЛМ.

взаиморасположении и с учетом движения межфазной границы плавления, на основе которых теоретически определены основные характеристики процесса плавления СЛМ при использовании электродинамических технологий СВЧ диапазона.

3. Разработаны принципы построения, методы анализа и синтеза СВЧ-устройств для электродинамических установок плавления СЛМ с адаптивной регулировкой ее параметров в ходе технологического процесса посредством регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия, использующих предложенные алгоритмы выработки управляющих решений на основе контроля КСВ рабочей камеры в ходе процесса плавления.

4. Разработаны макеты лабораторных и пилотные образцы и проекты промышленных электродинамических установок плавления СЛМ, в том числе, на базе шасси ряда грузовых автомобилей, на основе которых проведены экспериментальные исследования, подтвердившие результаты теоретических вычислительных экспериментов; даны практические рекомендации по проектированию, созданию и эксплуатации предложенных электродинамических установок СВЧ диапазона для плавления СЛМ.

Проведенная оценка повышения эффективности плавления СЛМ показала, что в случае использования предлагаемой технологии плавления СЛМ происходит снижение энергозатрат на 15-20% по сравнению с традиционными.

Результаты работы внедрены в ходе реализации НИР, выполняемых КНИТУ-КАИ, а также в учебном процессе по направлению 210400 «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Новизна результатов, подтверждена экспертизами Министерства образования и науки по указанным выше НИР, публикациями в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, и экспертизами ФИПС с выдачей патентов РФ на полезную модель и изобретение.

IV. СПИСОК РАБОТ,

ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лапочкин М.С. Исследование процесса микроволнового нагрева различных фаз воды в виде трехслойных структур: теория и эксперимент / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Вестник МарГТУ. Серия радиотехнические и инфокоммуникациошше системы. - 2011. - Т.12 - №2. - С.24-29.

2. Лапочкин М.С. Повышение энергоэффективности процесса микроволнового нагрева снежно-ледяной массы посредством применения водоотвода / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов, Г.А. Морозов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - Т. 15 - №1. — С.84-88.

3. Лапочкин М.С. Повышение эффективности таяния снежно-ледяной массы при комбинированном энергетическом воздействии микроволнового и ультразвукового полей / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Известия Самарского Научного Центра РАН. - 2012. - Т.14 -№1(3). - С.894-899.

4. Пат. 2470109 Российская Федерация МПК Е01Н 5/10. Снеготаялка / Морозов О.Г., Морозов Г.А., Берко А.Б., Лапочкин М.С.; заявитель и патентообладатель

ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева-КАИ. №2011128174/13; заявл. 07.07.2011; опубл. 20.12.2012, Бюл. №35.

5. Пат. 111148 Российская Федерация МПК Е01Н 5/10. Снеготаялка / Морозов О.Г., Морозов Г.А., Берко А.Б., Лапочкин М.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КГТУим.А.Н. Туполева-КАИ. №2011128051/13; заявл. 07.07.2011; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34.

6. Лапочкин М.С. Разработка эффективного мобильного микроволнового устройства для устранения снежных завалов в городских условиях / М.С. Лапочкин // Материалы НПК студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города». - 2010. — Казань. - С.59-60.

7. Лапочкин М.С. Применение микроволнового нагрева для интенсификации процесса снеготаяния / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Труды I РНТК молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве». - 2010. - Омск. - С. 185-189.

8. Лапочкин М.С. Повышение эффективности мобильных систем снеготаяния / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Сборник трудов IIМНК молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». — Т. II. - 2010. - Уфа.— С.298-302.

9. Лапочкин М.С. Математическое моделирование процесса движения границы таяния между слоями снега, льда и жидкой воды под воздействием микроволнового нагрева / М.С. Лапочкин // Материалы ММНК «XIX Туполевские чтения». - Т. IV. - 2011. - Казань. - С. 190-191.

10. Лапочкин М.С. Теоретический и экспериментальный анализ микроволнового нагрева структур из слоев снега, льда, жидкой воды / М.С. Лапочкин // ММНК «XIX Туполевские чтения». - Т.1У. - 2011. - Казань. - С. 191-193.

11. Лапочкин М.С. Исследование процесса микроволнового нагрева снега, льда, воды в виде трехслойных структур / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Материалы VI МНТК «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»». - Т. VI. - 2011. - Казань. - С.398-403.

12. Лапочкин М.С. Повышение эффективности систем микроволнового таяния снежно-ледяной среды посредством управления движением межфазной границы / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Труды X международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление». - Т. 3. -Ч.П. - 2012. - Казань. - С.82-91.

13. Лапочкин М.С. СВЧ устройства адаптивного типа для интенсификации процессов плавления снежно-ледяной массы / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Сборник научных трудов II ВНТК молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «ВТСНТ-2013». - Т. 2. - 2013. - Томск. - С.234-238.

Подписанов печать 25.10.13 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Заказ № 1601. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,93 Тираж 100 экз. Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе, 77.т. (846) 228-00-44

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА - КАИ»

На правах рукописи

04201365068

ЛАПОЧКИН МАРАТ СИРИНЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ-УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОЙ МАССЫ

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Морозов О.Г.

Казань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых сокращений и обозначений 4

Введение 5

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СЛМ 16

11 Устройства для плавления СЛМ 16

111 Классификация устройств для плавления СЛМ 17

112 Способ естественного таяния СЛМ 18

113 Стационарные устройства для интенсифицированного плавления СЛМ 18 113 1 Стационарное устройство для интенсифицированного

плавления СЛМ на основе применения теплых вод городской канализации 19

113 2 Стационарное устройство для интенсифицированного плавления СЛМ на основе сбросных вод ТЭЦ и на базе тепловой сети 19

113 3 Стационарные устройства для интенсифицированного

плавления СЛМ на основе различных видов

топлива 20

114 Мобильные устройства для интенсифицированного плавления СЛМ 21

114 1 Мобильное устройство интенсифицированного

плавления СЛМ на основе дизельного и газового топлива 21

114 2 Мобильное устройство интенсифицированного

плавления СЛМ на основе теплоэлектронагревателей 23 1 1 5 Комбинированные способы обработки СЛМ 24

116 Перспективные и развивающиеся направления в пути

повышения эффективности плавления СЛМ 25

1 2 СВЧ нагрев диэлектрических сред с фазовыми переходами 26

1 2 1 Принципы взаимодействия диэлектрических сред с энергией

СВЧ ЭМП 26 12 2 Взаимодействие СВЧ ЭМП с водой в разных фазовых

состояниях 31

13 Математическое моделирование процесса плавления СЛМ 32

1 4 Адаптивное автоматическое управление технологическим процессом

обработки СЛМ при фазовых переходах 34

1 5 Сравнительная оценка энергетической эффективности СВЧ

интенсификации процесса плавления СЛМ с традиционными способами теплового воздействия 37

1 6 Выводы по ГЛАВЕ 1 Постановка задач исследований 43

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ НАГРЕВА СЛМ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ 46

2 1 Математическая модель СВЧ нагрева трехслойных сред состоящих из

снега, межфазного снежно-водяного слоя и воды (плоская модель) 46

2 11 Постановка задачи 46

2 12 Составление разностной схемы 50

2 13 Проведение вычислительного эксперимента и обсуждение

полученных результатов 51

2 14 Выводы по разделу 58

2 2 Математическая модель СВЧ нагрева снега, льда и воды в виде

трехслойных структур при их различных взаиморасположениях и при движении межфазной границы таяния (двухмерная нестационарная модель) 58

2 2 1 Постановка задачи 59

2 2 2 Метод численного решения задачи . 65

2 2 3 Проведение вычислительного эксперимента и обсуждение

полученных результатов 69

2 2 4 Выводы по разделу 74

2 3 Выводы по ГЛАВЕ 2 75 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАВЛЕНИЯ СЛМ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ 76

3 1 Лабораторный макет УП СЛМ и методика проведения

экспериментальных исследований 76

3 2 Экспериментальное исследование процесса СВЧ нагрева трехслойных

структур из различных фаз воды 78

3 3 Экспериментальное исследование процесса СВЧ плавления СЛМ при

отведении талой воды из рабочей камеры обработки 83

3 4 Теоретико-практическое исследование процесса плавления СЛМ при комбинированном энергетическом воздействии СВЧ и ультразвукового полей 88

3 5 Выводы по ГЛАВЕ 3 94 ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ, РАЗРАБОТКА, РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ПИЛОТНОЙ МОДЕЛИ СВЧ-УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СЛМ С АДАПТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ 96

4 1 Построение структуры СВЧ-устройства для плавления СЛМ 96 4 2 СВЧ-устройство для плавления СЛМ МСУ-0 2-01 98

4 2 1 Назначение и конструкция МСУ-0 2-01 98

4 2 2 Результаты исследовательских испытаний УП СЛМ МСУ-0 2-01 101 4 3 Адаптивная схема управления технологическим процессом обработки

СЛМ при фазовых переходах 106

4 4 Контроль КСВ рабочей камеры при технологической обработке СЛМ 108 4 5 Алгоритм адаптивного управления технологическим процессом

обработки СЛМ 111

4 6 Сравнительные исследования режимов работы СВЧ-устройств при

технологической обработке СЛМ с адаптивным управлением процессом плавления и без управляющего воздействия на процесс плавления 115

4 7 Особенности построения конструкций рабочих камер плавления, систем 119 возбуждения, согласования и распределения электромагнитной энергии для СВЧ обработки СЛМ 4 8 Эскизные проекты мобильных УП СЛМ на базе шасси грузовых 122

автомобилей

4 8 1 Мобильное УП СЛМ на базе шасси УАЗ-ЗЗОЗ 122

4 8 2 Мобильное УП СЛМ на базе шасси КамАЗ-43118 125

4 9 Выводы по ГЛАВЕ 4 128

5 Основные результаты работы 129

Список использованных источников 132

Приложения 149

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛМ - снежно-ледяная масса; СВЧ - сверхвысокая частота; УП - устройство плавления;

ЭТУ - электродинамическая технологическая установка;

МВТ - микроволновые технологии;

СВЧТК - СВЧ технологический комплекс;

ЭМВ - электромагнитная волна;

ЭМИ - электромагнитное излучение;

ЭМП - электромагнитное поле;

КСВ - коэффициент стоячей волны;

ИК - инфракрасный;

ТЭН - теплоэлектронагреватель;

МКЭ - метод конечных элементов;

МКР - метод конечных разностей;

КПД - коэффициент полезного действия;

ДМ - диэлектрический материал.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Известной проблемой городского хозяйства является необходимость вывоза и/или плавления снежно-ледяной массы (СЛМ), собранной с поверхностей автомобильных дорог, тротуаров, площадок производственных предприятий, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.д. Важность решения указанной проблемы продиктована требованиями технологии зимнего содержания территорий города. Обильные снегопады в зимнее время года приводят к образованию снежных заносов на дорожных поверхностях города, что в свою очередь влечет за собой усложнение движения транспорта, а в отдельных случаях и к дорожно-транспортным коллапсам.

Для плавления снежно-ледяной массы применяются устройства, работающие на основе воздействия таких теплоносителей, как пар, горячая вода, горячий воздух, продукты сгорания топлива. В качестве источников энергии применяются погружные горелки, контактные водоподогреватели, газовые, угольные, дровяные топки. К особенностям применяемых устройств необходимо отнести то, что взаимодействие теплоносителя со СЛМ осуществляется за счет непосредственного контакта, либо через разделяющие тела или среды. Следует отметить, что при традиционных методах нагрева распространение тепла происходит первоначально от поверхности вглубь обрабатываемой среды. Коэффициент теплопроводности СЛМ имеет относительно низкое значение, в среднем равное 2,1 Вт/(м-К), поэтому теплообмен осуществляется медленно. Кроме того, неизбежно снижение энергоэффективности процесса плавления за счет возникновения непроизводительных тепловых потерь на нагрев промежуточного теплоносителя, окружающей среды и объема плавления. Необходимо отметить наличие негативного воздействия токсических выбросов в

окружающую среду в случае использования продуктов сгорания топлива, как теплоносителя.

К развивающимся технологиям плавления CJIM относится воздействие на нее энергией электромагнитного поля ЭМП СВЧ-диапазона. Активная научно-исследовательская работа по данному направлению ведется лишь последнее десятилетие. Преимуществами метода воздействия энергии ЭМП СВЧ-диапазона на CJIM являются: объемный характер; отсутствие продуктов сгорания и загрязняющих факторов; возможность достижения высоких скоростей плавления; мгновенное регулирование уровня мощности и момента ее подачи; возможность автоматизации технологических процессов; комбинирование СВЧ-нагрева с другими методами воздействий. Перечисленные особенности СВЧ-воздействия предоставляют возможность создания и разработки устройств для решения актуальной научно-технической задачи энергоэффективного и экологически безопасного плавления CJIM, которая относится к задачам СВЧ-нагрева диэлектрических сред с фазовыми переходами. В случае СЛМ это переходы «снег—»вода», «лед—»вода», «(снег+лед)—»вода».

Необходимо отметить, что теоретическими и прикладными исследованиями СВЧ-нагрева диэлектрических сред с фазовыми переходами занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем вопросов по данной тематике рассмотрен в трудах Анфиногентова В. И., Архангельского Ю.С., Даутова О.Ш., Коломейцева В.А., Комарова В.В., Морозова Г.А., Мейрманова A.M., Самарского A.A., Седельникова Ю.Е., Царева В.A., Akahori М., Aoki К., Ayappa K.G., Basak Т., Davis Е.А., Davis Н.Т., Evans S., Gordon J., Kuznetsov A.V., Rattanadecho P., Pangrle B.J., Patankar S.V., Von Hippel A.R., Yee K.S., Zhu J.

Анализ работ указанных авторов показал, что к основной проблеме, ограничивающей возможность широкого применения электродинамических технологических установок (ЭТУ) СВЧ-диапазона для плавления СЛМ

относится необходимость учета особенностей изменения диэлектрических параметров СЛМ в ходе технологического процесса с фазовыми переходами. Если для ряда некоторых задач найдены решения по возбуждению необходимых профилей ЭМП, регулировке мощности СВЧ-обработки, конструкциям аппликаторов и рабочих камер, то вопросы осуществления адаптивного управления параметрами СЛМ в процессе ее плавления практически не рассматривались. К таким задачам следует отнести: регулирование объема расплавляемой СЛМ; регулирование объемной доли компонент расплавляемой СЛМ, например, воды, которая характеризуется максимальным поглощением энергии ЭМП СВЧ-диапазона; применение комбинированных воздействий с целью управления характеристиками межфазных слоев СЛМ; методы контроля параметров технологического процесса, позволяющих выработать воздействия для адаптивного управления параметрами СЛМ и их согласования, как параметров нагрузки с параметрами возбуждаемых ЭМП.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность разработки и исследования энергоэффективных СВЧ-устройств для плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 16.513.11.3114) и государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) по организации научных исследований, выполняемых ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ» на кафедре телевидения и мультимедийных систем и в научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (программа «Симметрия»),

Цель работы - повышение энергоэффективности процесса плавления снежно-ледяной массы на основе разработки СВЧ-устройств для реализации электродинамических технологий плавления и адаптивного управления параметрами обрабатываемой среды в ходе технологического процесса.

Основная задача научных исследований - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза СВЧ-устройств для создания электродинамических технологических установок для плавления снежно-ледяной массы на основе исследования распространения ЭМП СВЧ-диапазона в многослойной среде, состоящей из разных фаз воды, методов адаптивного управления ее параметрами посредством регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия, и алгоритмов выработки управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса.

Решаемые задачи:

1. Анализ характеристик существующих и перспективных ЭТУ для плавления СЛМ; выявление резервов для улучшения энергетических характеристик ЭТУ для плавления СЛМ, построенных на основе воздействия ЭМП СВЧ-диапазона, а также адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса; определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований.

2. Построение математических моделей и исследование на их основе процессов взаимодействия ЭМП СВЧ-диапазона с многофазной многослойной системой снежно-ледяной массы в замкнутом объеме с учетом движения межфазной границы таяния и фазовых переходов; выработка на базе результатов проведенных вычислительных экспериментов предложений и рекомендаций для проектирования, разработки и создания лабораторных

образцов ЭТУ для плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса.

3. Создание лабораторных ЭТУ для плавления СЛМ и разработка методики проведения экспериментальных исследований; проведение экспериментальных исследований плавления СЛМ с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия; разработка алгоритмов выработки управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса; сравнение полученных экспериментальных и теоретических результатов.

4. Разработка и создание пилотных моделей промышленных ЭТУ для плавления СЛМ на базе воздействия ЭМП СВЧ-диапазона с адаптивным управлением ее параметрами в ходе технологического процесса; разработка практических рекомендаций и исходных данных для проектирования промышленных образцов ЭТУ; оценка повышения эффективности процесса плавления СЛМ на основе предложенной технологии по сравнению с традиционными; внедрение результатов проведенных исследований.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. В процессе выполнения работы применялись теоретические и эмпирические методы исследований: математическое моделирование, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов. При исследованиях на основе математических моделей использовались конечноразностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с

данными экспериментов и результатами исследований других авторов; экспертизами ФИПС с выдачей патентов РФ; результатами опытных исследований разработанных устройств.

При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ MathCAD и MATLAB.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. Выявлены резервы для улучшения энергетических характеристик ЭТУ для плавления CJTM, заключающиеся в их построении на основе использования энергии ЭМП СВЧ-диапазона, а также адаптивном управлении параметрами CJIM в ходе технологического процесса.

2. Построены математические модели и исследованы на их основе процессы взаимодействия ЭМП СВЧ-диапазона с многофазной многослойной средой снежно-ледяной массы в замкнутом объеме с учетом движения межфазной границы таяния и фазовых переходов; дано теоретическое обоснование методов адаптивного управления ее параметрами в ходе технологического процесса.

3. Разработаны структуры макетов лабораторных и пилотных моделей промышленных ЭТУ для плавления CJTM и методики проведения экспериментальных исследований их характеристик; экспериментально подтверждена эффективность процедур адаптивного управления параметрами СЛМ в ходе технологического процесса ее плавления методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия; разработаны алгоритмы получения управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры в ходе технологического процесса.

Практическая ценность полученных результатов. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы,

убедительно доказывает возможность создания и разработки СВЧ-устройств для плавления СЛМ с адаптивной регулировкой ее характеристик в ходе технологического процесса методами регулирования объема, уровня талой воды, энергии интенсифицирующего ультразвукового воздействия на основе алгоритмов получения управляющих решений с использованием контроля КСВ рабочей камеры. Подтверждением этому являются разработанные лабораторные и пилотные образцы промышленных ЭТУ, результаты их исследований, а также предложения и рекомендации по проектированию и созданию указанных установок и СВЧ-устройств, реализующих процедуры адаптивно