Демьянчук Борис Александрович

Одесский национальный университет имени И.И.Мечникова

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ НЕРЕЗОНАНСНЫХ  МИКРОВОЛНОВЫХ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ      

       Введение

       Преимущества микроволновой обработки диэлектрических сред, связанной, прежде всего,  с потерями электромагнитной энергии на преодоление взаимного притяжения их поляризованных молекул,  перед  другими  способами  обработки – это прямое объемное воздействие, высокая интенсивность, гибкая управляемость процесса, экологически чистый нагрев, независимость от дефицитных источников энергии.  Именно эти преимущества всегда способствовали применению  способов микроволновой обработки диэлектрических материалов в камерах различного назначения, несмотря на недостатки этих способов [1, 2]:

      –«стоячие» волны в объеме резонансной камеры вызывают локальные перегревы и недогревы диэлектрических материалов в пучностях и в узлах поля;

      –поверхностные токи в стенках резонансной камеры наводят в шлюзах камеры внешние излучения, что создает помехи электронному оборудованию;

      –из-за взаимной  расстройки  резонансних частот камери и частоты  генератора при малой загрузке  камеры,  потери энергии увеличиваются на десятки процентов;

      -работа генератора на несогласованную нагрузку вызывает его перегревы из-за «стоячих» волн в питающем волноводе.

        Поэтому существует необходимость  комплексного развития физико-технических основ способа микроволновой обработки материалов: исследований электродинамики воздействия поля на среду; зависимости потерь энергии поля от частоты колебаний поля и температуры среды; потерь из-за гистерезиса диэлектрических ферритов; разработки алгоритма оценивания глубины проникновения поля в среду в зависимости от проницаемостей от проводимости среды и частоты колебаний поля; разработки модели оценки вероятностей наличия максимума или минимума поля в заданной точке резонансной камеры; развития теории, с целью создания новых элементов для нерезонансных камер.

       Проблема развития теории и практики обработки в микроволновой камере диэлектрических материалов с потерями является следствием противоречий:

      -между необходимостью совершенствования способа воздействия поля на  диэлектрическую среду с помощью методов радиофизики, электродинамики, термодинамики и отсутствием такого триединого подхода к анализу физики и совершенствованию этого способа;

      -между наличием преимуществ микроволновой обработки и отсутствием решений, направленных на устранение недостатков способа: неравномерности поля в камере; зависимости энергетической эффективности от уровня загрузки камеры; помеховых излучений из камеры;

      -между ростом необходимости широкого использования способа микроволнового нагрева различных материалов без затрат энергии органической природы  и спадом применения этого способа.

       Актуальность темы работы определяется, таким образом, нереализованностью потенциальных возможностей существующего способа воздействия электромагнитного поля на диэлектрическую среду в резонансной

камере и необходимостью разрешения указанных противоречей путем развития теоретической основы для создания нерезонансних микроволновых камер.

       Цель исследования. Целью работы является теоретическая  и экспериментальная разработка физико-технических основ, которые направлены на совершенствование микроволнового способа обработки диэлектрических материалов и на создание нерезонансных микроволновых устройств с равномерным полем воздействия на диэлектрическую среду, которые являются  энергетически эффективными, не имеют внешних излучений, т.е. являются экологически безопасными.

       Научная новизна полученных результатов

       Впервые сформулированы физико-технические принципы построения нерезонансных микроволновых устройств обработки диэлектрических материалов, отличающиеся тем, что их применение в совокупности позволяет обеспечивать: равномерное поле в камере; безопасный уровень фоновых излучений; независимость к.п.д. системы от уровня загрузки камеры; энергетическую экономичность и надежность микроволновых устройств обработки. Эти принципы сформулированы в следующем виде [3, 4, 5, 6, 7, 8]:

·        резонансные свойства камеры микроволновой обработки целесообразно нейтрализовать с  помощью  преобразователя балластной электромагнитной энергии в тепловую;

·        электромагнитную энергию, вводимую в камеру, необходимо концентрировать в объеме обрабатываемого образца диэлектрического материала с помощью излучателя, имеющего диаграмму направленности, размеры поперечного сечения которой соответствуют среднестатистическим размерам сечения образца в картинной плоскости;

·        продольный размер обрабатываемого образца диэлектрического материала должен быть согласован с глубиной проникновения поля в этот материал;

·        размеры камеры микроволновой обработки целесообразно согласовывать с соответствующими усредненными размерами обрабатываемых образцов;

·        электромагнитная балластная энергия, падающая на покрытие-преобразователь ее в тепловую, должна утилизироваться путем отбора последней с помощью теплообменника и использования ее для интенсификации процесса обработки;

·        раскрыв излучателя должен быть удален от образца или потока обрабатываемой продукции на расстояние, большее, чем расстояние до ближней границы дальней зоны излучения электромагнитных колебаний;

·        для реализации преимуществ нерезонансной системы микроволновой обработки  необходимо применение в её составе всех трех новых конструкционных узлов:  концентратора (излучателя) электромагнитной энергии,  покрытия-преобразователя балластной энергии поля и теплообменника.

       Результаты применения указанных принципов при построении модели и создании нерезонансных устройств микроволновой обработки диэлектрических материалов приведены на рис. 1, 2, 3. Сравнительные характеристики резонансных и предлагаемых, нерезонансных, устройств представлены на рис. 4, 5, 6.

 

 

 

 

 

Рис.1. Модель нерезонансной системы                        Рис. 2. Нерезонансная бытовая

микроволновой обработки материалов.                       микроволновая печь.

Без имени-1
 

 

 

 

 

 


Рис.3. Нерезонансная камера                                         Рис. 4. Мощность внешних помех до

производственного назначения            .                                   модернизации.

 

 


 

 

      

Рис. 5. Мощность помех после                                      Рис. 6. Зависимость к.п.д. камеры от

модернизации.                                                                загрузки а)до и б)после модернизации.

       Установлено, что при короткоимпульсном воздействии электромагнитного поля в нерезонансной камере на диэлектрическую среду неоднородного состава обеспечивается избирательный нагрев составляющих среды, что открывает новые возможности: реализации процесса стерилизации продукции при более низкой температуре, и тем самым способствует сохранению ее полезных термолабильных компонентов. Впервые установлена зависимость показателя избирательности воздействия поля на составляющие среды в виде отношения уровней температуры ΔТ1, DT2 нагрева этих составляющих, пропорционального отношению их удельных электропроводностей σ1,σ2 и обратно пропорционально отношению их удельных теплоемкостей C1,C2, плотностей r1,r2 и квадратов диэлектрических проницаемостей ε1, ε2.

                             .

      Разработан способ синтеза токопроводящих  оксидных наполнителей типа NiCo2O4  для покрытия-преобразователя электромагнитной балластной энергии в тепловую. Способ отличается применением доступного сырья, простотой реализации и значительно более високим, чем известные, качеством выходного продукта  наполнителя для   ферромагнитных композитов. Способ  запатентован и используется  на практике.

      Разработана модель и метод аналитической оценки (прогнозирования) ожидаемого значения коэффициента преобразования электромагнитной энергии в тепловую для многослойного покрытия с градиентом электромагнитных потерь по результатам предварительно измеренных   значений коэффициентов отражения и прохождения  слоев, составляющих этого покрытия, что существенно упрощает  трудоемкую и малопроизводительную  процедуру построения многослойных преобразователей  с требуемыми свойствами.

 

 

      Вывод

      Нерезонансная камера, реализованная в опытных образцах согласно предложенной  теории , в отличие от известных, обеспечивает:  равномерное поле нагрева; практически нулевой уровень внешних излучений; энергетическую эффективность, независящую от уровня загрузки; работу генератора в режиме «бегущей» волны.

      Литература

1. Jassie L.B., Kingston H.M. Microwave Dissolution in Closed Vessels Under Elevated Temperature and Pressure. Pittsburgh, 1985, Paper № 108A.

2. Княжевская Г.С., Фирсова М.Г., Килькеев Р.Ш. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. 2-е изд. Л.: Машиностроение, 1989. - 65с.

3. Демьянчук Б.А. Принципы и применения микроволнового нагрева. Монография. - Одесса: «Черноморье». - 2004.- 520с.

4. Демьянчук Н.В. Физико-технические принципы построения новых систем микроволнового нагрева диэлектрических материалов. //Промышленная теплотехника. Институт теплофизики АН Украины.-2004.-т.26, №3.-С.45-49.

5. Демьянчук Б.А. Статистическая модель избирательного воздействия электромагнитного поля на составляющие диэлектрической среды // Техника и приборы СВЧ.- 2009.- №1.

6. Демьянчук Б.А. Модель и новые свойства нерезонансных камер микроволнового нагрева диэлектрических материалов // Прикладная радиоэлектроника. – Том 7. – 2008. -  №4. - С. 373-378.

7.Демьянчук Б.А. Микроволновый нагрев. Особенности модернизации технологии.// Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-2004.-№2.-С.41-45.

8.Дем’янчук Б.О. Мікрохвильова піч. Патент України на винахід № 85756 від 25.02.2009.

  Адрес: Демьянчук Борис Александрович, ул. Акад. Вильямса, 50/3, к.80, Одесса.

  Украина. Тел. 8 050 88 374 55, +38 0482 49 40 11.      E-mail: badem@rambler.ru