Применение микроволнового излучения для формирования равномерного распределения температуры в объёмных материалах с различными диэлектрическими потерями

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Магистерская диссертация посвящена вопросу применения микроволнового излучения с целью формирования равномерного распределения температуры в объёмных материалах с различными диэлектрическими потерями. Актуальность представленной работы состоит в том, что современные микроволновые технологии позволяют осуществить интенсивные, энергосберегающие и экологически чистые технологические процессы термической обработки материалов.

Основная научно-техническая задача выпускной квалификационной работы магистра состоит в том, чтобы разработать микроволновую установку для тепловой обработки изделий из бетона с малыми энергетическими затратами, высокой производительностью и требуемыми характеристиками изделий из бетона.

Актуальность работы определяется необходимостью сокращения энергетических затрат и повышения прочностных характеристик изделий из бетона. Если равномерно нагревать изделия из бетона до требуемой температуры по всему объёму, то можно избежать образования трещин и внутренних напряжений и обеспечить повышение прочности.

Микроволновый метод создаёт нагрев изделий из бетона объёмного характера, независимо от его теплопроводности, из чего следует, что это позволяет реализовать высокий КПД, так как не нагревает окружающую среду, а осуществляет нагрев непосредственно самого изделия из бетона. Температура, при которой, происходит наиболее эффективный набор прочностных характеристик изделий из бетона соответствует +70°С. При этой температуре реакция гидратации происходит с наибольшей скоростью.

Традиционный подход к тепловой обработке изделий из бетона связан со следующими этапами:

- нагрев бетона до заданной температуры +70єС различными методами: пар; электрический прогрев; индукционный нагрев; нагрев различными электронагревательными устройствами (контактный, конвекционный, при помощи инфракрасного излучения);

- нагрев опалубки из металла до заданной температуры;

- поддержание заданной температуры бетона и опалубки в течение времени, которое необходимо до получения необходимой прочности бетона с учётом теплоотдачи тепла в окружающую среду;

- учёт выделения тепла в объёме бетона за счёт прохождения реакции гидратации.

Традиционные технологические процессы обработки бетонных изделий связаны с учётом теплопроводности, что в свою очередь сопровождается большими затратами энергии и времени.

В связи с тем, что процесс нагрева изделий связан с нагревом внешних слоев и передачей тепла от внешних слоев к внутренним мы получаем малую скорость нагрева. Во время нагрева в изделии возникает напряжения между внешними и внутренними слоями, что в дальнейшем может привести к различным дефектам структуры, а также может привести к снижению прочности изделия.

Микроволновый метод имеет определенные преимущества в сравнении с традиционным методам:

- микроволновое излучение носит объёмный характер нагрева материала, за счёт чего ускоряется реакция гидратации;

- за счёт объёмного характера нагрева происходит ускорение технологических процессов в несколько раз;

- объёмный характер нагрева изделий не приводит к появлению механический повреждений и дефектов структуры изделия;

- объёмный нагрев изделий из бетона не зависит от теплопроводности самого изделия;

- технологический процесс тепловой обработки бетонных изделий не обладает инерционностью;

- микроволновое излучение не нагревает окружающее пространство, что позволяет существенно экономить энергетические затраты;

- можно не учитывать отдачу тепла в окружающее пространство, что приводит к экономии энергетических затрат на поддержание заданной температуры. Это становится, возможно если опалубка выполнена из теплоизоляционного материала, у которого диэлектрические патеры малы;

- простота конструкции установки, комфортные условия работы обслуживающего персонала и высокая производительность технологического процесса.

Научные исследования, проводимые во многих странах, по данному вопросу показали высокую эффективность способа с применением микроволнового излучения. Применение микроволнового способа позволяет значительно повысить скорость тепловой обработки бетонных изделий, уменьшить площадь, необходимую для установки нагревательных установок, повысить экономические показатели процесса.

Техническое задание выпускной квалификационной работы состоит в том, чтобы разработать микроволновую установку лучевого типа для высокоэффективной тепловой обработки бетонных изделий. А также рассчитать параметры микроволновой установки с частотой колебаний электромагнитного поля 2450 МГц для нагрева плиты, размерами: 3000 мм Ч 2000 мм Ч 200 мм, от температуры +20°С до +70°С. Обрабатываемый материал обладал следующими параметрами:

- относительная диэлектрическая проницаемость плиты (действительная часть) е = 4,5;

- относительная диэлектрическая проницаемость материала (мнимая часть) е эфф = 0,13, плотность плиты из бетона составляла 2300 кг/м3; теплоёмкость плиты из бетона составляла 0,84 кДж/(кг•єС);

- отклонение температуры материала плиты бетона от номинального значения температуры плиты не должно превышать 10%.

Целью работы является разработка высокоэффективной микроволновой установки для формирования распределения температуры равномерно в изделии. Также разработать модель и метод расчёта параметров установки и технологического режима ускоренного набора прочности изделий.

Теоретические исследования проводились с использованием основных уравнений электродинамики и метода эквивалентных схем.

Экспериментальные в свою очередь проведены на конкретных конструкциях микроволновых систем лучевого типа. В роли нагревательного элемента использована камера с расположенными на ней источниками энергии. Отличительная особенность конструкции микроволновой установки заключается в ее форме и размере, а также в способе расположения источников энергии. Расположение источников рассчитано таким образом, что температура равномерно распределялась по бетонной плите в стационарном режиме.

Достоверность полученных в работе основных результатов и справедливость предложенной модели и предложенного метода расчета подтверждено при сравнении теоретических и экспериментальных исследований. Также при их сравнении с результатами исследований, которые были опубликованными ранее в различных научных публикациях.

Традиционный метод нагрева объёмных диэлектрических материалов заключается в передаче тепла от нагревателя объекту, что в свою очередь происходить постепенно. К таким методам относится: конвекция, теплопроводность, радиационный перенос тепловой энергии от внешних слоёв материала к внутренним. Из этого следует, что при передаче тепла традиционным способом возникают перепады температуры, которые могут привести к возникновению дефектов структуры, что в свою очередь приводит к снижению долговечности и прочности получаемых изделий.

Современные требования к технологическим процессам термообработки объёмных диэлектрических материалов:

- высокий уровень производства;

- экологическая чистота процесса;

- энергетическая эффективность;

- высокое качество выпускаемых изделий.

Такие технологии можно реализовать с помощью применения микроволнового излучения как источника тепловой энергии.

В отечественных и зарубежных научных статьях приводятся результаты исследований, в которых показано, что применение микроволнового метода в десятки, раз ускоряет многие химические реакции, (к примеру, реакция гидратации) и повышает эффективность объёмного нагрева различных диэлектриков. В связи с этим возникает актуальная задача, связанная с изучением новых технологических процессов термической обработки объёмных материалов с применением микроволнового излучения.

1. Микроволновая обработка изделий из бетона

1.1 Тепловая обработка бетона с использованием микроволнового излучения

При производстве изделий из бетона широкое применение получили различные виды тепловой обработки. Одним из перспективных направлений в данной отрасли является использование микроволнового излучения.

Научные исследования в данной области показали высокую эффективность применения микроволнового излучения. Это связано с тем, что при использовании микроволновой энергии значительно повышается интенсивность процесса термообработки, повышается качество обрабатываемых материалов.

Основные преимущества микроволнового нагрева:

- микроволновый нагрев является экологически чистым методом нагрева;

- обрабатываемый материал не загрязняется в процессе нагрева. Это преимущества связаны с тем, что микроволновую энергию можно подводить к обрабатываемым материалам через защитные оболочки, состоящие фторопласта, полипропилена и др.;

- микроволновый нагрев обладает тепловой безинерционностью. То есть микроволновый нагрев обладает возможностью практически мгновенного включения и отключения теплового воздействия. Что обеспечивает высокую точность регулирования процесса и воспроизводимость;

- возможность сочетания микроволнового нагрева материалов с другими методами. Сочетание различных методов нагрева материалов позволяет создать технологический процесс, обеспечивающий выпуск изделий наивысшего качества;

- высокий КПД преобразования микроволновой энергии в тепловую энергию. В таком случае тепловые потери обычно невелики. При этом нагрев стенок волноводов и рабочих камер установок практически не заметен, они остаются холодными. Это позволяет создать комфортные условия для персонала.

Потребность широкого применения микроволнового излучения в промышленности обосновано в первую очередь соображениями экономического и экологического характера. Благодаря тому, что микроволновое излучение способно проникать в глубь диэлектрических материалов, становится возможным равномерное распределение тепла по объёму изделия независимо от теплопроводности материала. В отличие от микроволнового способа при традиционном нагреве происходит по поверхности. В случае низкой теплопроводности материала при применении традиционного способа, процесс нагрева происходит медленно, с перегревом поверхности, что в свою очередь может стать причиной возникновения внутренних напряжений. В итоге это может привести к ухудшению качества изделия.

При производстве бетонных и железобетонных изделий, важнейшей операцией является набор прочности за счёт использования тепловой обработки. Тепловую обработку изделий из бетона обычно ведут до получения 50-85% от проектной прочности. Процесс набора прочности изделий из бетона может осуществляться при естественных, нормальных условиях (температура окружающей среды +18-22)єС и при повышенной температуре (+60-70)єС. При повышенной температуре сроки набора прочности изделий из бетона сокращаются в 8-10 раз.

Оптимальная время проведения термической обработки бетона и железобетона на заводах принята равной 12-13 часов, при температуре 70єС. За счёт применения ускорителей твердения бетона можно повысить скорость процесса набора прочности бетона.

Для обеспечения высокого качества обрабатываемых бетонных изделий с использованием микроволнового метода важно создать специальную микроволновую установку для подвода энергии к определённым участкам нагрева, а также разработать подходящий технологический процесс термообработки.

Известны два метода набора прочности изделий из бетона и пенобетона с использованием микроволнового излучения. В первом методе изделие облучается подвижной рупорной антенной, во втором случае изделие помещается в камеру с источниками микроволновой энергии.

На основе результатов полученных при проведении работ, был сделан вывод, что применение микроволновой обработки позволяет существенно ускорить процесс гидратации цемента и повысить прочность бетона.

В выпускной квалификационной работе приводятся результаты исследований, основанных на экспериментах по ускоренному набору прочности бетона с применением микроволнового излучения. Целью работы являлось изучение особенностей микроволновой термообработки изделий из бетона с тем, чтобы разработать технологический режим ускоренного изготовления плит из бетона.

В научных публикациях описано оборудование для проведения данных исследований. Оборудование включало в себя:

- конвейерную микроволновую установку максимальной мощностью 7,2 кВт;

- набор форм для бетона.

Формы выполнены из материала с малыми диэлектрическими потерями.

В эксперименте применялась микроволновая установка которая состояла из камеры выполненной из металла. К камере были присоединены источники энергии с волноводным выводом энергии и с частотой колебаний 2450 МГц. Рабочая камера имела по бокам два окна, соединенные с шлюзовыми камерами. Камеры предназначались для поглощения и обеспечения безопасного уровня микроволнового излучения. При этом часть излучения выходила из камеры через эти окна в шлюзы, что снижало значение КПД.

С целью выявления основных особенностей ускоренного набора прочности бетона с помощью микроволнового излучения была проведена серия экспериментов с изделиями из пескобетона марки ПБ-300: кубов размерами 100 мм Ч 100 мм Ч 100 мм, плит размерами 304 мм Ч 217 мм Ч 37 мм.

В результате исследований был найден оптимальный технологический режим термической обработки изделий из бетона. Суммарное время общего цикла обработки для достижения проектной прочности 300 кг/см2 составило 6 часов. Нагрев изделий из бетона проводился с периодической выдержкой изделия и последовательным снижением мощности источников энергии. В течение всего технологического процесса значение температуры изделия из бетона поддерживалась в диапазоне от +60єС до +70єС.

Функциональная схема СВЧ установки конвейерного типа в однокамерном варианте представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Схема конвейерной микроволновой установки лучевого типа. 1. - камера; 2 - источник энергии; 3 - шлюзовая камера; 4 - приводная станция; 5 - натяжная станция; 6 - металлический каркас; 7 - загрузочный столик; 8 - разгрузочный столик; 9 - пульт управления источника энергии; 10 - обрабатываемый материал из бетона; 11 - конвейерная лента

Перед рабочей камерой и после камеры установлены шлюзовые камеры - ловушки для поглощения неиспользованной микроволновой энергии. Внутри рабочей камеры и шлюзовых камер имеется канал, по которому движется конвейерная лента. Скорость конвейера может регулироваться в широких пределах.

По итогам исследований можно сделать вывод, что для процесса по ускоренному набору прочности бетона перспективным является использование микроволнового излучения. Сравнение технико-экономических показателей микроволнового нагрева и традиционной тепловлажностной обработкой изделий из бетона приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Сравнение технико-экономических показателей термообработки бетона с помощью микроволнового излучения и с помощью пара

Показатели	Тепловая обработка бетона
	Традиционная	Микроволновая
Время предварительного выдерживания, ч	1	0
Время подъема температуры, ч	3	0,07
Скорость подъема температуры, град/ч	60	600
Время полного цикла обработки, ч	10	6
Прочность после обработки по отношению к проектной, %	70	70
Деструктивные факторы при подъёме температуры	есть	нет
Инерционность управления	большая	Нет
Вид энергоносителя	пар	электричество
Энергетические затраты на 1 м бетона, ГДж	1,072	0,325
Коэффициент полезного действия, %	14	32

Таким образом, микроволновая технология позволяет:

- в 2,5 раза сократить время изготовления изделий;

-улучшить качество получаемых изделий из бетона;

- улучшить управляемость технологического процесса;

- снизить энергетические затраты в 3,3 раза;

- повысить КПД в 2,3 раза;

- сократить денежные затраты на энергоносители на 21%;

- использовать экологически чистые энергоносители (электричество вместо пара).

Получены результаты эксперимента по исследованию ускоренного набора прочности изделий из бетона в виде кубической формы, объёмом 1 дм3.

В качестве микроволновой установки была использована камера лучевого типа, размерами 600 мм Ч 600 мм Ч 600 мм. На верхней крышке камеры расположен источник энергии, мощность которого равна 0,6 кВт, работающий с частотой колебаний 2450 МГц, как это показано на рисунке 1.2.

При проведении экспериментов было использовано: опалубка из фторопласта объемом 1 дм3, бетонной смесь, измеритель плотности потока энергии П3-33, пирометр, мультиметр M890G с термопарой.

На рисунке 1.3 показана фотография бетонного куба в опалубке из фторопласта.

Рис. 1.2. Фотография микроволновой установки с источником микроволновой энергии с помещенной в неё фторопластовой опалубкой



Рис. 1.3. Фотография бетонного куба в опалубке из фторопласта

В процессе проведения эксперимента бетонный куб был нагрет с применением микроволнового излучения до температуры 61єС (начальная температура бетона соответствовала температуре +20єС) за 6,5 минут. Через 55 минут после начала эксперимента температура бетона составляла около +(44-45)єС. К этому времени бетон набрал необходимую распалубочную прочность.

Изменение средней температуры бетонного куба в течении всего эксперимента представлено на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Изменение средней температуры бетонного куба с течением времени

При этом КПД составил не менее 50%. В настоящий момент времени ведутся работы связанные с повышением прочностных характеристик бетонного изделия за счёт равномерного нагрева, что в свою очередь позволяет избежать внутренних напряжений структуры и избежать других дефектов связанных со структурой.

1.2 Микроволновые установки лучевого типа термообработки объёмных материалов

Рассмотрим применение микроволновых установок лучевого типа для равномерного нагрева диэлектрических объёмных материалов, а также конкретные технологические процессы. В данном случае параметры материалов изменяются в зависимости от влажности и температуры. Изменения происходят в широких пределах.

Рассмотрим систему источников энергии. В системе используются источники энергии с волноводными излучателями. Источники расположены на камере в определенном порядке над поверхностью обрабатываемого объёмного материала. При тепловой обработке бетонных изделий и изделий и пенобетона (с различными наполнителями) применяются такие установки. Также эти установки применяются при производстве теплоизоляционных материалов методом вспучивания, сушки древесины и многих других технологических процессах. Рассмотрим микроволновые установки на основе камер периодического или проходного типа. Их особенность в том, что они имеют камеры на боковых поверхностях которых располагаются в определенном порядке источники энергии с волноводными излучателями. В камерах стенки расположены друг от друга на расстоянии равном от десяти до двадцати длин волн источника энергии. Такие микроволновые установки широко применяются в следующих технологических процессах:

- сушка штабелей твердолиственных пород древесины;

- обеззараживания грунта в теплицах;

- ускоренный набор прочности изделий из бетона и пенобетона;

- отверждение объёмных материалов, например, труб больших диаметров и толщин.

Предложена микроволновая установка для сушки древесины. Установка представляет из себя камеру периодического типа. На камере расположены источники энергии, из них каждый мощностью 0,6 кВт. Данные источники расположены на боковых поверхностях.

В установке используются источники энергии которые имеют волноводный вывод энергии с сечением (72 Ч 34) мм. Источники работаю на частоте колебаний 2450 МГц. Такое расположение источников энергии позволяет равномерно распределять температуру по объёму обрабатываемого штабеля древесины. Общий вид такой установки показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Общий вид микроволновой установки для сушки штабеля древесины

Расчёты распределения температуры проводились как для начального, так и для заключительного этапа сушки древесины, при максимальной и минимальной влажности материала соответственно. Условие для расчёта технологического режима сушки материала состояло в том, что отклонение температуры материала древесины от номинального значения при минимальной влажности не должно превышать 10%.

Разработана микроволновая установка лучевого типа для термообработки объёмных диэлектрических материалов. Микроволновая установка представлена на рис. 1.7. Данная установка оборудована 6 источниками энергии. Данные источники расположены таким образом, что находятся по противоположным стенкам установки. Рабочая камера обладает следующими размерами 1300 мм Ч 1200 мм Ч 1200 мм. Максимальная микроволновая рабочая мощность равна - 7,2 кВт при частоте электромагнитного поля 2450 МГц.

Отклонение измеренного значения температуры листа древесины, расположенного на расстоянии 450 мм от боковых стенок микроволновой установки не превышало 2єС.

Рис. 1.7. Микроволновая установка лучевого типа для термообработки объёмных диэлектрических материалов

Разработанная микроволновая установка лучевого типа для термообработки зерновых культур, представлено на рис. 1.8. Микроволновая установка имеет камеру размеры которой 1200 мм Ч 900 мм Ч 600 мм. На верхней крышке микроволновой установке расположено восемь источников энергии. Каждый источник мощностью 0,6 кВт. Таким образом, максимальная величина микроволновой мощности составляла 4,8 кВт на частоте 2450 МГц. Микроволновая установка позволяла нагревать 25 кг хлопьев геркулеса за 15-20 минут до температуры +(130-140) єС, при которой уничтожалась вредная микрофлора. Отклонение экспериментальных значений температуры в материале, расположенного на расстоянии 400 мм от плоскости расположения источников не превышало 3єС.

Аналогичная микроволновая установка лучевого типа разработана для обеззараживания изделий из шерсти и представлено на рис. 1.9.

Рис. 1.8. Микроволновая установка лучевого типа для термообработки сельскохозяйственной продукции

Рис. 1.9. Микроволновая установка лучевого типа для обеззараживания изделий из шерсти

На рис. 1.10 представлена камера нагрева, на боковых поверхностях которой расположены 12 источников энергии. Такая камера входит в состав установки лучевого типа, используемой для термообработки объёмных диэлектрических материалов в конвейерном режиме. На входе и выходе микроволновой установки располагались шлюзовые камеры, которые предотвращали выход микроволнового излучения из установки и тем самым обеспечивали безопасность при работе обслуживающего персонала.

Рис. 1.10. Камера нагрева микроволновой установки лучевого типа для термообработки различных диэлектрических материалов в конвейерном режиме

Такие установки используются для размораживания кип табака, сушки твердолиственных пород древесины. Также используются для термообработки бетонных и керамических плит.

Рассматриваются микроволновые установки конвейерного типа. Данные установки используются при производстве теплоизоляционных строительных материалов из жидких и сухих силикатов. Разработаны микроволновые установки для быстрой (метод вспучивания) и для медленной термообработки материалов. Такой диапазон скорости термообработки дает нам возможность большое разнообразие теплоизоляционных материалов, которые будут отличаться как составом, так и структурой и полностью, и прочностью. Камера установки спроектирована таким образом, что волны которые не были поглощены одним материалом, претерпевают множественное отражение от стенок камеры, после чего достигают плит с сырым материалом и поглощаются ими. В таком случае наиважнейшим условием для достижения равномерного распределения температуры по материалу является использование источников энергии малой мощности в большом количестве. Также необходимо расположить источники в определенном порядке. Источники работают на частоте 2450 МГц и мощностью 27 кВт. На рис. 1.11 схема размещения микроволновых источников на камере установки лучевого типа для производства теплоизоляционных плит размером (600 Ч 600 Ч 50) мм.

Рис. 1.11. Схема размещения источников микроволновой энергии на камере: 1 - корпус; 2 - источник микроволновой энергии; 3 - вентилятор; 4 - вентиляционное окно; 5 - конвейерная лента; 6 - фланец

Рассмотрим конструкцию установки для термообработки связанного жидким стеклом вермикулита. Установка состоит из загрузочного стола, шлюзовой камеры, камеры нагрева. На загрузочный стол устанавливается форма с сырой плитой. Далее при помощи привода конвейерная лента приводится в движение. Формы, с плитами двигаясь по конвейерной ленте через шлюзы попадают в камеру нагрева. В данной установке может быть установлено несколько таких камер. Это зависит от требуемой производительности. По окончанию обработки плита проходит через шлюз и попадает на разгрузочный стол, где ее снимаю со стола, и извлекают и формы.

Разработанная микроволновая установка имеет ряд приимуществ над другими способами нагрева. Установка конвейерного типа не занимает много места, так как она имеет небольшие размеры. Проста в эксплуатации и обслуживании что позволяет облегчить работу обслуживающего персонала. Также позволяет повысить качество термообработки.

Описанные выше конструкции устройств, а также расположение обрабатываемого материала, основывались на основе результатов многочисленных экспериментальных исследований. Исследования проведенные с целью изучения данного типа установок требовали затрат времени и средств для отработки тех или иных требований которые предъявлялись к технологическим процессам.

1.3 Выбор конструкции микроволновой установки

В настоящей работе предлагается в качестве микроволновой установки использовать конструкцию в виде камеры лучевого типа периодического действия.

Камера имеет следующие геометрические размеры:

- длина рабочей камеры составляет 3500 мм;

- ширина рабочей камеры составляет 1500 мм;

- высота рабочей камеры составляет 2750 мм.

На боковых поверхностях рабочей камеры расположены в определённом порядке источники микроволновой энергии, которые обеспечивают равномерный нагрев бетонной плиты с каждой стороны. Площадь каждой боковой поверхности составляет 6 м2.

На каждой стороне рабочей камеры расположено 24 источника микроволновой энергии. Максимальная выходная мощность каждого источника микроволновой энергии составляет 0,8 кВт.

Таким образом, на боковых поверхностях рабочей камеры установлено 48 источников микроволновой энергии, общей мощностью 38,4 кВт.

Крышка камеры выполнена отдельно и опускается на камеру с помощью крана. на поверхности камеры расположена оплётка из мягкого пружинистого металла при контакте с которой микроволновое излучение из камеры прекращается.

Бетон помещается в опалубку, выполненную из материала с малыми диэлектрическими потерями, например, полипропилена, который обладает малой теплопроводностью, что позволяет сохранять тепло внутри обрабатываемого материала и поддерживать заданную температуру для набора прочности бетона, то есть играет роль термоса, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия микроволновой установки.

Толщина радиопрозрачного теплоизоляционного материала и конструкция опалубки определяется прочностными характеристиками, необходимыми для фиксации и подъёма плиты из бетона, не вступает в контакт с бетоном и легко разбирается.

Рассчитаем объём обрабатываемой плиты:

.

Плотность бетона соответствует значению - 2300 кг/м3:

.

Опалубка с залитым бетоном поднимается краном и опускается по специальным направляющим в рабочую камеру на равных расстояниях от боковых поверхностей микроволновой установки, на которых расположены источники микроволновой энергии.

Затем на камеру опускается крышка, выполненная с использованием специальных средств для предотвращения облучения микроволновой энергией обслуживающего персонала.

После подготовительной работы включаются источники микроволновой энергии, которые облучают плиту из бетона в течение времени, необходимого для достижения заданной температуры +70°С.

Рассчитаем энергию, необходимую на нагрев плиты бетона от температуры +20°С до +70°С

,

Или:

.

Рассчитаем мощность, необходимую на нагрев плиты из бетона от температуры +20°С до +70°С.

В установке лучевого типа используются 48 источников микроволновой энергии с выходной мощностью каждого источника по 0,8 кВт. Мощность микроволновой установки составляет 38,4 кВт.

Рассчитаем время, за которое плита из бетона нагреется до температуры +70°С.

.

За 50 минут бетонная плита нагревается по объёму до температуры +70єС.

После достижения плиты из бетона заданной температуры, снимается крышка с рабочей камеры микроволновой установки и опалубка с помощью крана поднимается и помещается на определённое время в помещение, где плита из бетона набирает распалубочную прочность.

2. Метод расчета параметров микроволновой установки

2.1 Основные уравнения расчёта распределения температуры в объёмных диэлектрических материалах

Рассмотрим среду с диэлектрическими потерями. Однородную и изотропную. Электромагнитное поле в однородной среде с диэлектрическими потерями изменяется по гармоническому закону. Из научных публикаций следует, что в среде с диэлектрическими потерями выделение тепла при помощи токов проводимости и с помощью поляризации отличаются друг от друга. Выражение для расчета удельной мощности тепловых потерь, которая выделяется в среде с диэлектрическими потерями записывается в виде:

, (2.1)

где: ѓ - частота колебаний электромагнитного поля, Гц;

Е - амплитуда напряженности электрического поля, В/см;

Руд - удельная мощность тепловых потерь в диэлектрической среде, Вт/см3;

е - мнимая составляющая относительной диэлектрической проницаемости с учётом проводимости среды, которая определяется в виде:

(2.2)

где: щ - круговая частота колебаний электромагнитного поля;

у - проводимость среды с диэлектрическими потерями.

е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

ес - мнимая составляющая абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

Таким образом, если увеличивается частота колебаний , то возрастает и значение удельной мощности тепловых потерь, которая выделяется в диэлектрической среде.

В настоящей работе для реализации технологического процесса равномерного нагрева объёмных диэлектрических материалов выбрана частота электромагнитного поля 2450 МГц. В многочисленных конструкциях микроволновых установок, предназначенных для равномерного нагрева объёмных диэлектрических материалов используются малогабаритные, дешевые и компактные источники энергии с системой воздушного охлаждения. Данные источники собраны на основе комплектующих современных зарубежных микроволновых печей.

Малогабаритные источники энергии можно располагать на установке таким образом, что можно сформировать необходимое распределение температуры по объёму материала, которое в свою очередь будет удовлетворять требованиям технологического процесса. Источники микроволнового излучения могут в случае перегрева автоматически отключаться. Это обеспечивается тем, что с одной стороны источники имеют автоматическую систему температурной защиты. Это необходимо из-за того что с одной из сторон источники могут переносить отраженный сигнал, а с другой нет.

Источники микроволнового излучения относительно малой мощности, которая лежит в пределах от0,6 до 0,8 кВт, не нуждаются в водяном охлаждении, так как могут охлаждаться потоком воздуха. Как правило, на установке лучевого типа располагается значительное число источников излучения. В ситуации когда один из источников выходит из строя нет необходимости останавливать процесс, при этом замена неисправного источника можно осуществить за несколько минут. Также источники малой мощности не дорогие, но при этом их КПД достигает 67%.

На рис. 2.1 представлена фотография источника энергии, который был разработан на базе зарубежных комплектующих. Данный источник имеет массу 12 кг и размеры: длина с учётом волноводного вывода энергии составляет 400 мм; поперечное сечение источника (200 Ч 200) мм. Волноводный вывод энергии излучения имеет поперечное сечение (72 Ч 34) мм с частой колебаний 2450 МГц. Такая конструкция источников излучения выбрана специально для того, чтобы сформировать равномерное распределение температуры в объёмных диэлектриках.

Рис. 2.1. Источник микроволновой энергии малой мощности

Значение фактора потерь е, как правило, является функцией как частоты колебаний электромагнитного поля, так и функцией влажности и температуры среды.

Мощность микроволнового излучения вдоль оси z изменяется по экспоненциальному закону, например, в условиях среды с диэлектрическими потерями по в направлении распространения энергии электромагнитного поля:

, (2.3)

где Рвх - значение мощности источника энергии, распространяющейся в направлении оси z; бz - значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в среде с диэлектрическими потерями.

Для определения мощности излучения необходимо знать значения постоянных затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале с диэлектрическими потерями.

Поместим в изотропную среду с диэлектрическими потерями произвольную электродинамическую систему, которая может передавать энергию электромагнитного поля в направлении осей x, y, z.

В таком случае уравнения электромагнитного поля сводятся к векторным волновым уравнениям 2-го порядка в частных производных относительно вектора напряженности либо электрического либо вектора напряженности магнитного поля:

, (2.4)

, (2.5)

где - волновое число свободного пространства, которое определяется соотношением:

, (2.6)

где - длина волны источника энергии; - относительная диэлектрическая проницаемость среды с учётом её проводимости:

, (2.7)

где: - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учётом проводимости среды.

Согласно выражению можно записать выражение значения мнимой части относительной проницаемости среды с учётом её проводимости. В свою очередь выражение значения действительной части можно записать в виде:

(2.8)

Векторы напряженности электрического и магнитного полей могут иметь по три составляющих в декартовой системе координат, а следовательно, для любой составляющей электрического или магнитного поля можно записать скалярное уравнение второго порядка в частных производных:

, (2.9)

где - одна из составляющих электрического или магнитного поля.

Дифференциальное уравнение в частных производных 2-го порядка удобно решать методом разделения переменных или методом Фурье.

Решение дифференциального уравнения 2-го порядка в частных производных (2.9) можно записать в виде произведения сомножителей, каждый из которых является функцией только одной координаты:

(2.10)

Произведем дифференцирование выражения (2.10) и подставим результат в уравнение (2.9), а затем разделим обе части уравнения (2.9) на величину , получим:

(2.11)

или с учётом выражения (2.7), запишем:

(2.12)

Функции одной переменной - являются взаимно независимыми. Для того, чтобы сумма членов, находящихся в левой части выражения (2.12), равнялась комплексной величине, необходимо, чтобы каждый из членов уравнения был равен, в общем случае, комплексной величине. Приравнивая каждый из членов уравнения некой комплексной величине, запишем:

. (2.13)

(2.14)

(2.15)

Здесь:

- постоянные распространения;

- постоянные затухания амплитуды напряжённости электрического поля;

- фазовые постоянные.

С помощью характеристического уравнения можно выразить связь между постоянными распространения с волновым числом и диэлектрическими параметрами:

. (2.16)

Или:

. (2.17)

Характеристическое уравнение (2.17) можно записать в виде двух уравнений, приравнивая действительную и мнимую части:

(2.18)

(2.19)

Уравнение (2.18) и уравнение (2.19) наиболее части используемые при расчетах и проектировании микроволновых установок для термообработки диэлектрических материалов. Уравнения (2.18) и (2.19) связывают фазовые постоянные и постоянные затухания амплитуды напряженности электрического поля в среде обрабатываемого материала с диэлектрическими параметрами и длиной волны источника энергии.

Полученные уравнения (2.18) и (2.19) можно использовать для определения постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля и фазовой постоянной свободного пространства, заполненного однородным и изотропным материалом с диэлектрическими потерями.

Рассмотрим вывод значения постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля для полупространства, заполненного однородной средой с диэлектрическими потерями в направлении оси z.

Запишем уравнениям (2.18) и (2.19) для полупространства при условии, что микроволновое излучение распространяется вдоль оси z:

. (2.20)

. (2.21)

Из уравнения (2.21) можно получить значение фазовой постоянной в направлении оси z:

. (2.22)

Подставим уравнение (2.22) в уравнение (2.20), получим соотношение для постоянной затухания амплитуды напряжённости электрического поля в среде с диэлектрическими потерями в направлении оси z:

. (2.23)

Уравнение (2.23) можно преобразовать к виду, учитывая, что значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в среде с диэлектрическими потерями не равна нулю :

. (2.24)

Введем обозначение: , тогда уравнение (2.24) принимает следующий вид:

. (2.25)

Решение уравнения (2.25) можно записать в виде:

. (2.26)

Учитывая то обстоятельство, что значение постоянной затухания амплитуды напряжённости электрического поля в среде с диэлектрическими потерями всегда больше нуля, то справедливо лишь одно решение этого уравнения, а именно:

. (2.27)

Преобразуем выражение (2.27) к более простому виду:

. (2.28)

В этом выражение tgд - тангенс угла диэлектрических потерь:

. (2.29)

Определим значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в однородном изотропном материале с диэлектрическими потерями:

(2.30)

Соотношением (1.30) для определения значения постоянной затухания амплитуды напряжённости электрического поля в однородной среде с диэлектрическими потерями практически не пользуется в связи с тем, что оно не очень удобно для вычислений.

Для того чтобы упростить выражение (2.30), разложим подкоренную функцию в ряд и воспользуемся двумя первыми членами разложения:

. (2.31)

Подставим соотношение (2.31) в уравнение (2.30), получим значение постоянной затухания амплитуды напряжённости электрического поля в изотропной среде с диэлектрическими потерями:

. (2.32)

или:

. (2.33)

Подставим выражение (2.33) в (2.22), получим значение фазовой постоянной в направлении оси z:

(2.34)

или:

(2.35)

Пусть и - постоянные затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале с диэлектрическими потерями при начальной температуре среды и конечной температуре среды ; и - величины мнимой части относительной диэлектрической проницаемости ; и - величины действительной части относительной диэлектрической проницаемости.

С учётом начальной и конечной температуры среды можно записать:

(2.36)

(2.37)

В стационарном технологическом режиме формирования равномерного распределения температуры по объёму плиты из бетона необходимо в первую очередь обеспечить равномерный нагрев боковых поверхностей плиты из бетона с использованием излучателей в виде раскрыва прямоугольных волноводов.

2.2 Конструкция микроволновой установки

Результаты представленные в настоящей работе были получены в ходе теоретических и экспериментальных исследований по ускоренному набору прочности плиты из бетона размерами: 2000ммЧ3000ммЧ200мм . В данных исследованиях использовалось микроволновое излучение как источник тепла. Для тепловой обработки плиты из бетона выбрана установка лучевого типа. Рабочая камера микроволновой установки имеет следующие размеры: длина - 3500 мм; ширина - 1500 мм; высота - 2750 мм.

На боковых поверхностях рабочей камеры, которые расположены на расстоянии 650 мм от поверхности плиты из бетона, расположены источники микроволновой энергии в определённом порядке, которые формируют равномерное распределение температуры по поверхности бетонной плиты с каждой стороны. Максимальная выходная мощность каждого источника энергии составляла 0,8 кВт. На установке установлено 48 источников энергии (по 24 источника с каждой стороны). Общая мощность 38,4 кВт на частоте колебаний 2450 МГц.

Крышка рабочей камеры опускается на камеру с помощью крана и имеет электрический контакт с оплёткой из мягкого пружинистого металла для предотвращения микроволнового излучения в окружающее пространство. Плита из бетона помещается в опалубку, выполненную из материала с малыми диэлектрическими потерями, например, полипропилена или фторопласта, который обладает малой теплопроводностью, что позволяет сохранять тепло внутри обрабатываемого материала и поддерживать заданную температуру в течение времени, необходимого для набора плиты из бетона требуемой прочности, то есть играет роль термоса, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия микроволновой установки. Толщина материала с малыми диэлектрическими потерями и конструкция опалубки определяется прочностными характеристиками, необходимыми для фиксации и подъёма плиты из бетона, не вступает в контакт с бетоном и легко разбирается.

Опалубка с залитым бетоном поднимается краном и опускается по специальным направляющим в рабочую камеру на равных расстояниях от боковых поверхностей микроволновой установки, на которых расположены источники микроволновой энергии.

Затем на камеру опускается крышка, выполненная с использованием специальных средств для предотвращения облучения микроволновой энергией обслуживающего персонала.

После подготовительной работы включаются источники микроволновой энергии, которые облучают плиту из бетона в течение времени (50 минут), необходимого для достижения заданной температуры +70°С.

После достижения плиты из бетона заданной температуры, снимается крышка с рабочей камеры микроволновой установки и опалубка с помощью крана поднимается и помещается на определённое время в помещение, где плита из бетона набирает распалубочную прочность.

На рис. 2.2 схематически представлено поперечное сечение микроволновой установки.



Рис. 2.2. Микроволновая установка лучевого типа для тепловой обработки бетонных плит: 1 - рабочая камера, 2 - источник микроволновой энергии, 3 - опалубка из полипропилена, 4 - плита бетона, 5 - нижний фиксатор из полипропилена, 6 - верхний фиксатор из полипропилена, 7 - верхняя крышка, 8 - металлическая оплётка для предотвращения микроволнового излучения

2.3 Модель и метод расчёта микроволновой установки

Расположение источников энергии на боковой стенке рабочей камеры должно быть таковым, чтобы обеспечивать равномерное распределение температуры по поверхности бетонной плиты, площадью 6м2, расположенной на расстоянии 650 мм от боковой поверхности камеры. Волновод прямоугольного сечения источника энергии работает на волне основного типа Н10 и раскрыв волновода используется в качестве излучающей антенны. При расчёте диаграммы излучения из раскрыва прямоугольного волновода использован метод Гюйгенса - Кирхгофа.

Источники микроволновой энергии в количестве 24 штук расположены на каждой боковой стенке рабочей камеры установки.

Расстояние между источниками микроволновой энергии по длине и высоте стенки рабочей камеры составляет 500 мм, а расстояние от центра волновода источников до края бетонной плиты составляет 250 мм. При этих условиях температура +70°С распределяется равномерно по площади боковой поверхности бетонной плиты.

Рассмотрим распределение мощности излучения по объёму материала с диэлектрическими потерями в стационарном режиме для электродинамической системы в виде камеры лучевого типа с источниками микроволновой энергии. Конструкция микроволновой установки для равномерного нагрева объёмных диэлектрических материалов, электродинамическая система которой представлена в виде металлической камеры с расположенными на ней источниками микроволновой энергии, показана на рис. 2.2

Для термообработки материалов используют лучевые микроволновые установки, в которых в качестве излучающих антенн используются раскрывы прямоугольных волноводов.

В работе рассматривается модель и метод расчёта микроволновых установок лучевого типа и сопоставление результатов расчёта с результатами экспериментов.

Модель расчёта микроволновых установок лучевого типа с использованием в качестве излучающих антенн раскрывы прямоугольных волноводов и работающих на типе волны , основана на следующих основных положениях:

- поле в раскрыве остается невозмущенным;

- отсутствуют токи, затекающие на наружную поверхность волновода;

- отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна;

- справедливость уравнений Гюйгенса - Кирхгофа;

- однородность обрабатываемого материала.

Волновод прямоугольного сечения, как правило, работает на волне типа . На рис. 2.3 представлено излучение из прямоугольного волновода, в виде схемы.



Рис. 2.3. Схематическое изображение излучения из раскрыва прямоугольного волновода: а - размер широкой стенки волновода; b - размер узкой стенки; и - угол, который составляет заданное направление относительно направления распространения энергии

Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода выбираются из условий:

термообработка бетон диэлектрический микроволновой

, (2.38)

где: а - размер широкой стенки; b - размер узкой стенки.

Составляющие электромагнитного поля по прямоугольным координатам имеют следующие значения:

, (2.39)

где:

. (2.40)

Здесь k - волновое число свободного пространства.

Соответствие проведенных исследований аналогичных задач об излучении из раскрыва можно получить при использовании метода Гюйгенса - Кирхгофа.

При выполнении основных положений метода Гюйгенса - Кирхгофа диаграммы направленности излучения из раскрыва прямоугольного волновода выражаются следующими функциями соответственно:

в Е - плоскости:

(2.41)

в Н - плоскости:

(2.42)

В настоящей работе рассматриваются такие микроволновые установки, которые в качестве вводов микроволновой энергии используют открытые прямоугольные волноводы в виде антенны, которые работают на волне типа . При этом учитывая размеры и физические свойства материла было определенно количество и место расположения таких антенн.

Излучаемая источника энергии, мощность электромагнитного поля распределена не равномерно. Зависимость мощности излучаемой энергии из прямоугольного волновода от величины угла , который является интересующим нас направлением относительно направления распространения энергии в волноводе, описывается функциями:

в Е - плоскости:

. (2.43)

в Н - плоскости:

. (2.44)

При условии, что в качестве электродинамического устройства микроволновой установки для нагрева объёмных диэлектрических материалов применяются камеры лучевого типа, то более 90% генерируемой мощности излучения может быть использовано для нагревания материала за счёт многократных отражений от стенок рабочей камеры, выполненной из металла.

Поглощенная и преобразованная в тепло энергия микроволнового излучения в материале с диэлектрическими потерями затухает по экспоненциальному закону в направлении распространения электромагнитного поля и может быть рассчитана с учётом постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля согласно выражениям (2.36) и (2.37).

Основная задача расчёта состоит в том, чтобы температура распределялась равномерно по поверхности плиты из бетона, расположенной на расстоянии 650 мм от боковой стенки микроволновой установки.

Для решения этой задачи источники микроволновой энергии в количестве 24 штук расположены на боковой стенке рабочей камеры таким образом, что обеспечивают равномерное распределение температуры в соответствии с диаграммами направленности излучения в Н- плоскости и Е - плоскости.

Плита из бетона расположена на расстоянии 650 мм от плоскости расположения источников энергии. Расстояние между источниками микроволновой энергии как по длине, так и по высоте плиты составляет 500 мм, а от края плиты до источника 250 мм.

Отклонение рассчитанных значений температуры на поверхности плиты от номинального значения плиты не превышало 2єС.

Часть мощности излучения отражается как только достигает границы материала, а затем отражаясь от металлической поверхности камеры вновь поглощается материалом. На основании этого можно сделать вывод, что в итоге вся излучаемая мощность источников энергии поглощается материалом плиты.

Если выбрать размеры камеры нагрева микроволновой установки и расположить диэлектрический материал на определенном расстоянии от волноводных излучателей, которые обеспечивают равномерное распределение мощности по поверхности материала, то можно путём суперпозиции экспоненциальных распределений температуры по толщине рассчитать распределение температуры по его объёму, а нарастание температуры по объёму материала можно записать в виде:

, (2.45)

где - общая микроволновая мощность, ;

- общая масса материала, .

В настоящей работе предлагаемая модель расчёта основана на том, что:

- материал поглощает всю излучаемую мощность и отражённую, это обеспечивается тем что, область возле поверхности на которой расположены излучатели является свободным пространством;

- используемый исходный материал обладает малой теплопроводность, которой можно пренебречь при расчётах, что объясняется изотропностью материала;

- диэлектрические параметры материала изменяются линейно с ростом температуры на частоте 2450 МГц.

Рассмотрим технологический процесс нагрева плиты из бетона толщиной 200 мм, которая расположена в металлической камере между двумя источниками микроволновой энергии. Расстояние от материала плиты до источника энергии составляло 650 мм, а значение мощности источника соответствовало 0,8 кВт.

Пусть источник энергии имеет выходную мощность , материал нагревается на длине электродинамической системе от начальной температуры материала до конечной .

Будем полагать, что постоянная затухания амплитуды напряженности при начальной температуре соответствует величине , а при конечной .

При условии что по оси z распространяется поле бегущей волны, то в виде выражений (2.36) и (2.37) можно записать постоянную затухания амплитуды напряжённости электрического поля.

Известно, что параметры относительной диэлектрической проницаемости материла многих марок бетонов и пенобетонов линейно зависят от температуры при частоте 2450 МГц в диапазоне температур от +20єС до +70єС.

Выражение для распределения мощности в обрабатываемом материале с диэлектрическими потерями вдоль оси z можно записать в виде функции, учитывающей зависимость диэлектрических параметров материала от температуры:

, (2.46)

где - функция, учитывающая зависимость диэлектрических параметров плиты из бетона от изменения температуры в направлении распределения энергии электромагнитного поля.

В этом случае для эквивалентной схемы в виде нагруженной длинной линии можно записать граничные условия на входе микроволновой энергии в обрабатываемый листовой материал и на выходе неиспользованной микроволновой энергии из электродинамической системы в согласованную водяную нагрузку.

Допустим, что величина входной мощности практически полностью поглощается материалом на длине электродинамической системы .

Граничные условия для неподвижного материала (источник энергии расположен слева) имеют следующий вид:

...