Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
реклама
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Кафедра "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА На тему: "Микроволновые устройства термообработки стержневых материалов с низкой теплопроводностью" Студент группы № ЭП-91 Визгалов Андрей Витальевич Руководитель ВКР Профессор, профессор Нефедов Владимир Николаевич Консультант Доцент Мамонтов Александр Владимирович Москва, 2013 4 Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ______________ / С.У. Увайсов / «___» ____________ 2013 г. ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ВКР) студенту 5 курса группы Эп-91 Визгалову Андрею Витальевичу 1 .Тема : “Микроволновые устройства термообработки стержневых материалов с низкой теплопроводностью” (Утверждена приказом от _________________ № _____________) 2. Срок сдачи ВКР руководителю: 27.05.2013 Срок сдачи ВКР на выпускающую кафедру: 10.06.2013 3. Техническое задание : Выбор конструкции СВЧ устройств, модель и метод расчета характеристик распределения температуры по длине и по поперечному сечению стержневого материала Ф 0,33 , расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не должно превышать 5%, рабочая частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц, температура материала 180°С, а отклонение температуры от номинального значения не более 10°С, мощность СВЧ установки не более 2,4 кВт. 4. Содержание расчетно-пояснительной записки. A. Специальная часть. 1. Выбор конструкции микроволнового установки. 2. Выбор модели и метода расчета характеристик распределения температуры по поперечному сечению стержневого материала. 3. Расчет технологического режима нагрева материала, как в конвейерном режиме, так и в периодическом режиме. 5 4. Анализ полученных экспериментальных результатов. Б. Конструкторско-технологическая часть. 1. Общий вид микроволновой установки . 2. Конструкция устройства защиты обслуживающего персонала от СВЧ – излучения. B. Охрана труда. 1. Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов и защита персонала от СВЧ излучения при работе на экспериментальной установке. 2. Обоснование выбора защитного устройства микроволновой установки. Г. Экологическая часть. 1. Воздействие электромагнитного СВЧ излучения на человека. Д. Решение задач на ЭВМ. 1. Расчет распределения температуры в обрабатываемом материале. 2. Расчет параметров технологического процесса. 5.Перечень графического материала. 1. Основные уравнения для расчета параметров микроволновой установки. 2. Графики распределения температуры по длине и по сечению материала. 3. Общий вид микроволновой установки. 5. Общий вид источника СВЧ – энергии (фото). 6. Консультанты по ВКР. Консультант ______________________ / Мамонтов А.В. / (подпись) Консультант _____________________ / Михайлов Е.Б. / (подпись) 7. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г. Руководитель ВКР ________________________ / Нефедов В.Н. / (подпись) Задание принято к исполнению _____________________ / Визгалов А.В. / (подпись) «___» ______________ 2013 г. Примечание. Задание оформляется в двух экземплярах и сдается на кафедру. После утверждения один экземпляр задания выдается на руки студенту. Экземпляр задания вшивается в пояснительную записку. 6 ОГЛАВЛЕНИЕ АННОТАЦИЯ ....................................................................................................... 6 ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 7 ГЛАВА 1 МАТЕРИАЛОВ СВЧ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ НАГРЕВА СТЕРЖНЕВЫХ ДИАМЕТРОВ С ПРОДОЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ............................................................................................ 13 1.1 Современные тенденции развития СВЧ технологий термообработки композиционных материалов ................................................................................ 13 1.2 Современные тенденции развития СВЧ устройств термообработки материалов с продольным взаимодействием ....................................................... 16 1.3 Метод расчета постоянных затухания СВЧ устройств термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны ....... 20 1.4 Выбор источника СВЧ энергии ............................................................ 27 1.5 Аналитическая модель взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с диэлектрическими материалами ................................... 29 Выводы к главе 1 .......................................................................................... 33 ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ В СТЕРЖНЕВЫХ МАТЕРИАЛАХ ............................................................................ 34 2.1 Метод построения СВЧ устройств термообработки стержневых материалов .............................................................................................................. 34 2.2 Модель и метод расчета распределения температуры по диаметру материалов для СВЧ устройств с продольным взаимодействием ................... 37 2.3 Результаты теоретических исследований термообработки диэлектрических стержней ................................................................................... 47 Выводы к главе 2 .......................................................................................... 59 ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАГРЕВА СТЕРЖНЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРОВ 60 7 3.1 Термообработка диэлектрических стержней в конвейерном режиме 60 3.2 Термообработки диэлектрических стержней в периодическом режиме ..................................................................................................................... 61 Выводы к главе 3 ......................................................................................... 72 ГЛАВА 4 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ........................ 73 4.1 Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов .................................................................................................................. 73 4.2 Охрана труда при проведении исследований ..................................... 79 4.3 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки .. 90 4.4 Основные требования к помещению для СВЧ – установки ............. 93 ГЛАВА 5 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ........................................................ 94 5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека .................. 94 ГЛАВА 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ....................................................... 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 101 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................................... 103 8 АННОТАЦИЯ Основным итогом дипломной работы является решение актуальной задачи в области создания высокоэффективных СВЧ устройств, формирующих равномерное распределение температуры в материалах различных диаметров с малой теплопроводностью. Разработан метод устройств построения равномерного распределения температуры микроволновых в диэлектрических материалах в виде стержней диаметром (Ø 0,3∙λ), основанный на том, что в качестве нагревательных элементов микроволнового устройства используются секции волноводных и замедляющих систем с продольным взаимодействием и суперпозиции характеристик распределения температуры по поперечному сечению материала. термообработки Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств стержней диаметром (Ø 0,3∙λ) малой теплопроводности с продольным взаимодействием. Максимальное отклонение экспериментального значения температуры от номинального значения по поперечному сечению материала не превышало 10%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не превышало 5%. Представлены результаты экспериментальных исследований термообработки стержневых материалов в СВЧ устройствах лучевого типа. Результаты экспериментальный исследований подтвердили высокий коэффициент полезного действия микроволновых установок и их производительность. Время воздействия микроволнового излучения 20 секунд, температура материала 180 градусов Цельсия. Мощность СВЧ установки составляла 2,4 кВт на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. 9 ВВЕДЕНИЕ Использование термообработки интенсивные, энергии микроволнового диэлектрических безотходные, материалов энергосберегающие излучения для позволяет осуществить и экологически целей чистые технологии [1 4] . Результаты анализа научных публикаций [5-8] показывают, что современные тенденции развития микроволновых технологий направлены на производство новых технологических процессов производства высокопрочных строительных материалов из стеклопластиков, композиционных материалов и полимеров. Реализация таких технологических процессов связана с определенными факторами: 1. Повышенные прочностные характеристики строительных материалов требуют полноты реакции полимеризации в малом интервале значений температуры. Для большинства технологических процессов полимеризации необходимо, чтобы отклонение температуры Т в материале от номинального значения не превышало 10% [9-12]; 2. Для повышения надежности, долговечности и прочности строительных материалов в виде стержней необходимо увеличение значений их диаметров [912] . В настоящей дипломной работе поставлена задача увеличения диаметров стержней не менее чем в два раза (Ø 0,3 ) по сравнению с достигнутыми значениями (Ø 0,15 ) по отношению к длине волны источника СВЧ энергии ; 3. Равномерный нагрев строительных материалов на основе полимерных связующих, характеризуется низким коэффициентом теплопроводности Вт Т 0,2 и большими значениями диаметров материалов (Ø 0,3∙λ). К м В этой связи, наиболее целесообразно нагрев строительных материалов в виде 10 стержней реализовать с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот и при расчетах технологических режимов термообработки не учитывать эффект теплопроводности; 4. Для реализации высокой производительности технологического процесса термообработки стержневых материалов, целесообразно использовать микроволновые устройства на основе волноводных или замедляющих систем в режиме бегущей волны; 5. Для высокой производительности стержневых материалов заданной длины, целесообразно использовать микроволновые устройства лучевого типа. Актуальность постановки настоящей дипломной работы обусловлена тем, что необходимо разработать новые конструкции микроволновых устройств равномерного нагрева стержневых материалов требуемыми с низкой теплопроводностью, размерами поперечных сечений, а также разработать модели и методы их расчета для использования в технологических процессах производства современных композиционных и строительных материалов в различных отраслях промышленности. Целью дипломной работы является исследование и разработка новых высокоэффективных микроволновых устройств термообработки материалов, как в режиме бегущей волны, так и в периодическом режиме. Разработка моделей и методов расчета распределения температуры по объему стержней для арматуры строительных материалов. Цель достигается путем: - разработки новых конструкций микроволновых устройств термообработки стержневых материалов с отклонением температуры от номинального значения не более 10%, с малой теплопроводностью Т 0,2 Вт и диаметром (Ø К м 0,3∙λ); - разработки модели и метода расчета распределения температуры по объему строительных материалов в микроволновых устройствах на основе сочетания волноводных и замедляющих систем в режиме бегущей волны; 11 - разработка модели и метода расчета распределения температуры по объему стержневых материалов (стеклопластиковая арматура для строительных материалов) в периодическом режиме (для изделий заданной длины). Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; теории электромагнитного поля и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях микроволновых устройств: - волноводного типа (круглого на волне типа E01); - замедляющих систем типа диафрагмированный волновод; - лучевого типа. Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, а также корректность разработанных эквивалентных моделей, подтверждается путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментальных исследований. Основным итогом дипломной работы является: 1. Метод построения микроволновых устройств на основе сочетания волноводных и замедляющих систем в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием, обеспечивающий материалов, диаметром (Ø 0,3∙λ), распределения равномерный нагрев стержневых за счет суперпозиции характеристик температуры в материале (отклонение экспериментального значения температуры в материале от номинального значения температуры не превышало 10%); 2. Модель и метод расчета характеристик распределения температуры в материале в виде нагруженной длинной линии, обеспечивающие расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры в материале не более 5% за счет учета линейной зависимости диэлектрических параметров материала от изменения температуры. 12 3. Результаты экспериментальных исследований процессов термообработки стержневых материалов в СВЧ устройствах лучевого типа, которые подтвердили высокий коэффициент полезного действия микроволновых установок (более 60%) и их производительность. Время термообработки стержня в периодическом режиме 20 секунд, температура стержня 180 градусов Цельсия. Мощность СВЧ установки лучевого типа составляла 2,4 кВт на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Практическая ценность результатов дипломной работы: 1. Разработаны новые конструкции микроволновых равномерного нагрева устройств стержневых строительных материалов, для которые позволяют реализовать высокоэффективные, энергосберегающие и экологически чистые технологические процессы их производства; 2. Применение разработанных моделей и методов расчета устройств СВЧ нагрева в режиме бегущей волны и в периодическом режиме позволяют рассчитать необходимое распределение температуры в стержневых строительных материалах, удовлетворяющее требованиям технологического процесса. Научная новизна полученных результатов заключается в том, что впервые: Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод 1. построения микроволновых устройств, который равномерное распределение температуры в позволяет реализовать стержневых материалах малой теплопроводности, диаметром (Ø > 0,3∙λ), в режиме бегущей волны с продольным взаимодействием. Микроволновое устройство состоит из секций волноводного типа, обеспечивающих максимальное значение центре материала, и секций замедляющих систем, температуры в обеспечивающих максимальное значение температуры на поверхности материала, суперпозиция распределения температуры от различных секций обеспечивает отклонение температуры в материале от номинального значения, удовлетворяющее требованиям технологического процесса; 13 2. Разработана модель и метод расчета распределения температуры по поперечному сечению стержневых материалов при условии, что значение фактора потерь (мнимой части относительной диэлектрической проницаемости материала) имеет линейную зависимость от изменения температуры; 3. Предложен метод построения СВЧ устройств лучевого типа для равномерного нагрева стержневых материалов заданной длины (1000 мм) в периодическом режиме и получены результаты экспериментальных исследований, которые удовлетворяют требованиям технологического процесса. Предлагаемые микроволновые технологии термообработки материалов характеризуются экологической чистотой и энергетической эффективностью (увеличение скорости технологических процессов в 7-8 раз по сравнению с традиционными технологическими процессами, а энергосбережение составляет не менее 50%). В качестве примера, рассмотрим производство современных конструкционных материалов, в частности стеклопластиковой арматуры. Основное ограничение их производства связано с тем, что материалы обладают малой теплопроводностью и создание арматуры, диаметром выше 12 мм представляет существенные трудности при их производстве в газовой среде или при использовании инфракрасного излучения. По этой же причине невозможно увеличить коэффициент полезного действия используемых установок. Например, стеклопластиковая арматура, диаметром до 12 мм производится по традиционной технологии. В установке используются источники тепла в виде тэнов, мощностью 16 кВт, а коэффициент полезного действия установки не превышает 15% в виду малой теплопроводности обрабатываемого материала, а ее длина соответствует 18 метрам. Применение микроволнового излучения в качестве источника тепла позволяет производить высококачественную стеклопластиковую арматуру любого диаметра (20 мм, 30 мм, 40 мм и т.д.) за счет того, что энергия микроволнового излучения мгновенно проникает на всю глубину 14 обрабатываемого материала. Арматура таких диаметров необходимо для сооружений специального назначения, например, для гидроэнергетики. Производство подобной номенклатуры диаметров армирующих материалов позволит найти свою область применения и занять определенный сектор международного рынка. В многочисленных зарубежных научных публикациях показано, что характеристики получаемых материалов зависят от распределения температуры по объему обрабатываемого материала, темпу нагрева и времени поддержания заданной температуры в материале. 15 Глава 1 СВЧ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГРЕВА СТЕРЖНЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРОВ С ПРОДОЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ 1.1 Современные тенденции развития СВЧ технологий термообработки композиционных материалов Тенденции в области термообработки композиционных материалов направлены на поиск новых высокоэффективных и экологически чистых технологий. Одним из таких направлений является использование в качестве источника тепла энергии микроволнового излучения [1…6]. При разработке технологических используются микроволновых процессов устройств, термообработки предназначенных композиционных для материалов, такие уникальные свойства, как: объемный характер нагрева, избирательность нагрева, высокая чистота нагрева, высокий коэффициент преобразования энергии микроволнового излучения в тепловую энергию [1…6]. Использование энергии микроволнового излучения для целей термообработки стеклопластиковой арматуры для строительных материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии. Результаты анализа материалов научных публикаций отечественных и зарубежных изданий показывают, что наибольшее внимание в развитии исследований в области микроволнового технологического нагрева уделяется поиску новых технических решений для применения микроволновых технологий с целью замещения существующих, малоэффективных технологий термообработки материалов. Основные научные достижения в области микроволновых технологий термообработки строительных международных конференций. материалов Одним из отражены наиболее в материалах представительных международных съездов специалистов в области микроволновых технологий 16 является конгресс по применению энергии микроволнового излучения в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицины. На этих конгрессах рассматриваются наиболее перспективные направления развития микроволновых эффективность технологий, микроволновых полимеров, стекла и минералов; в технологий; частности: энергетическая термообработка керамики, обработка отходов различных производств; методы измерения диэлектрических свойств материалов; моделирование и взаимодействие материалов с энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот и т.д. Из анализа опубликованных материалов конференций, следует отметить перспективность таких которых направлений применения микроволновой энергии, сочетается экономическая эффективность с в экологией технологического процесса при улучшении характеристик получаемых изделий. Оценку эффективности применения микроволновых технологий производят по следующим основным критериям [9…11]: - сравнение с энергетической эффективностью других технологий; - сокращение энергетических затрат в СВЧ технологиях; - оценка капитальных затрат на оборудование для реализации СВЧ процессов; - оценка эффективности использования производственных площадей. Одним из наиболее эффективных применений микроволновых технологий является термообработка керамических и полимерных композиционных материалов. Учитывая малую собственную теплопроводность керамических и полимерных композиционных материалов, а также необходимость объемного и равномерного их нагрева, использование микроволнового излучения для этих целей является наиболее эффективным способом получения изделий высокого качества. При использовании микроволнового излучения достигается существенный экономический эффект по сравнению с традиционно применяемыми технологиями нагрева полимерных композиционных материалов [10-11]. 17 Оценка эффективности микроволнового технологического процесса производства полимерных композитных строительных материалов проводится по следующим основным обработки; материалов; параметрам: механическая прочность; изменение микроструктуры материала; время температурная стойкость коэффициент полезного действия технологического процесса; управляемость процесса. При микроволновом нагреве особое внимание уделяется малому значению отклонения температуры в материале от номинального значения температуры, что в итоге определяет внутреннюю структуру и качественные характеристики получаемых изделий, в частности, из керамики, полимерных материалов, стеклопластика и других композитных строительных материалов. Применение микроволнового излучения для термообработки полимерных материалов, в частности полимеризация изделий из стеклопластика, во многом обусловлена низкой теплопроводностью материала и необходимость получения высокой равномерности нагрева по всему объему материала, что обеспечивает полноту реакции полимеризации и максимальные прочностные характеристики получаемых изделий. Многочисленные научные исследования, в частности [11], посвящены изучению свойств полимерных материалов в сверхвысокочастотных полях. В этих работах представлена оценка применения микроволновых технологий для термообработки стеклопластиков, выбора режимов нагрева полимерных материалов, получению материалов с новыми свойствами, недостижимыми при применении традиционных технологий. Представляет особый интерес область применения микроволновых технологий для получения новых материалов [10]. Результаты анализа современных тенденций развития микроволновых технологий показывают, что основные научные исследования направлены снижение отклонения на температуры в материалах от номинального значения температуры с малой теплопроводностью и увеличенными размерами 18 поперечных сечений обрабатываемых материалов по отношению к выбранной длине волны источника СВЧ энергии. Отклонением температуры материала от номинального значения температуры материала определяется соотношением Т Т max Tmin , T0 (1.1) где T0 - номинальное значение температуры, которое определяется условиями технологического процесса. В этой связи существует необходимость в разработке новых конструкций микроволновых устройств, предназначенных для высокоэффективных технологических процессов термообработки стержневых материалов с малой теплопроводностью, но относительно больших диаметров (Ø 0,3∙λ), с малым отклонением температуры от номинального значения температуры материала, как в режиме бегущей волны, так и в периодическом режиме. 1.2 Конструкции микроволновых устройств с продольным взаимодействием С целью увеличения диэлектрические материалы производительности, обрабатываемые с использованием энергии микроволнового излучения транспортируют вдоль электродинамической системы с помощью конвейера в направление распространения бегущей волны. К таким электродинамическим системам относятся: спиральные замедляющие системы, круглый волновод на основной волне Е01, диафрагмированный волновод. В таких микроволновых устройствах энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении движения обрабатываемого композиционного материала (продольное взаимодействие). 19 В работе [15] предложено микроволновое устройство полимеризации капроновых канатов с использованием спиральной замедляющей системы. На рис. 1.2.1 показано продольное сечение микроволнового устройства. 1 3 2 5 4 6 Рисунок 1.2.1. СВЧ устройство для полимеризации капроновых канатов. 1 – источник СВЧ энергии; 2 – камера для фиксации сушки в виде замедляющей системы; 3 – согласованная нагрузка; 4 – натяжная станция; 5 – синтетическое изделие (канат); 6 – груз. Процесс полимеризации капроновых канатов при использовании микроволнового излучения увеличивает их прочность на разрыв в несколько раз. При скорости технологического процесса 4...5 м , длина спиральной мин замедляющей системы составляет 1000 мм, а выходная мощность источника СВЧ энергии – 1,5 кВт, диаметр капронового каната составляет 15 мм, частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. В работах [14-16] описано микроволновое устройство для термообработки сосисок, в котором используется замедляющая система диафрагмированный волновод. Коэффициент замедления электродинамической системы составляет k зам 2,0 , рабочая частота колебаний электромагнитного поля источника СВЧ энергии составляет 2450 МГц, а диаметр сосисок – 20 мм. 20 На рис. 1.2.2 представлено продольное поперечное микроволнового устройства, которое может использоваться сечение также и для термообработки различных движущихся стержневых материалов. 1 2 3 4 5 6 7 Рисунок 1.2.2. СВЧ устройство на основе круглого диафрагмированного волновода для термообработки различных диэлектрических материалов. 1 – короткозамыкающие поршни в прямоугольном волноводе; 2 – согласующие секции диафрагмированного волновода; 3 – нагреваемый материал; 4 – диафрагмированный волновод; 5 – кварцевая трубка; 6 – коаксиально-волноводный переход; 7 – 3 дБ мост для деления мощности источника СВЧ энергии пополам. Результаты анализа научных публикаций в этой области позволяет сделать следующие выводы: - существующие модели и методы расчета микроволновых устройств термообработки стержневых материалов в поле бегущей волны не учитывают зависимость диэлектрических параметров материала от изменения температуры. Выбор длины электродинамической системы, коэффициента полезного действия 21 микроволнового устройства и величина подводимой мощности корректируются в процессе экспериментальных исследований, что требует увеличения времени и средств на их разработку; - диаметр стержневых материалов определяется, при заданной частоте колебаний электромагнитного поля источника СВЧ энергии, параметрами электродинамической системы и если размеры диаметра стержня превышают (Ø > 0,15∙λ), то равномерность нагрева материала обеспечить известными конструкциями электродинамических систем не удается [12-17]. Для круглых волноводов, работающих на основном типе волны Е01 , распределение температуры по радиусу стержня имеет вид: T r ~ T 0 J 0 r 2 , (1.2) где Т 0 - температура в материале на оси круглого волновода; 2 k2 2 . Максимальное значение отклонения (1.3) температуры в стержне от номинального значения температуры по радиусу стержня определяется в виде: Т rд ~ Т 0 1 J 0 2 rд . (1.4) При использовании замедляющих систем, распределение температуры по радиусу стержня определяется в виде: Т r ~ Т rд e 2 k k зам 1 2 k зам r , (1.5) где Т rд - температура на поверхности стержня. 22 Максимальное значение отклонения температуры по радиусу стержня от номинального значения температуры стержня определяется в виде: 2 k k зам Т rд ~ Т rд 1 е 1 2 k зам rд . (1.6) В диссертационной работе [19] достигнуты результаты равномерного нагрева по диаметру стержня с максимальным значением отклонения температуры в стержне от номинального значения температуры стержня не более 10% при условии, что значение диаметра обрабатываемого материала (Ø ≤ 0,15∙λ) и определяется выражениями (1.2) - (1.6). Следовательно, необходимо микроволновых устройств разработать равномерного нагрева такие конструкции стержней, которые имеют диаметры (Ø ≥ 0,3∙λ), по крайней мере, в два раза большие, чем достигнуты в настоящее время. 1.3 Метод расчета постоянных затухания для СВЧ устройств термообработки материалов в режиме бегущей волны Одним из основных параметров, определяющих эффективность применения устройств СВЧ нагрева в режиме бегущей волны, является значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в обрабатываемом материале. Для определения электромагнитного поля значений в постоянной обрабатываемом затухания однородном энергии материале с диэлектрическими потерями для микроволнового устройства в режиме бегущей волны воспользуемся методами теории поля для произвольной конструкции электродинамической системы. 23 Поместим произвольную электродинамическую структуру в изотропную среду с диэлектрическими потерями, которая характеризуется материальными известными уравнениями [2-3]: D o E B o H , J E (1.7) где: o , o – абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума; J – плотность тока проводимости; E, D, H – векторы напряженности электрического и магнитного поля; B – векторы электрической и магнитной индукции; – относительная диэлектрическая проницаемость среды; – относительная магнитная проницаемость среды; – проводимость среды. Допустим, что электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону: E Em e j t , H H m e j t (1.8) где – круговая частота колебаний. Будем предполагать, что электродинамическая структура может передавать электромагнитную энергию как в направлении оси x, так и в направлении оси y, так и в направлении оси z. Пусть отсутствуют сторонние токи и свободные заряды, тогда исходные уравнения Максвелла имеют вид: 24 E rotH E o t H rotE o . t div o E 0 div o H 0 (1.9) Запишем величину относительной диэлектрической проницаемости среды в виде [2-3] с j c, о o (1.10) где c и с – действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды. Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды в виде [3] с j c, о o (1.11) где c и с – действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды. В настоящей работе будем исследовать такие материалы, которые имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: c 1; c 0 . С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды ~ с учетом ее проводимости в виде [2-3, 5] 25 ~ j , (1.12) где: Здесь: ; – с . о (1.13) с . о о (1.14) действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости среды. С учетом соотношений (1.7), (1.8), (1.9), (1.10), (1.11), (1.12) и условия с 1; c 0 уравнения Максвелла относительно векторов Е и Н . сводятся к симметричному виду Волновое уравнение для любой компоненты электромагнитного поля можно записать в виде [2]: ~ ~ ~ 2 L 2 L 2 L 2 ~ ~ k L 0, x2 y2 z 2 (1.15) ~ где L – одна из составляющих электрического или магнитного поля; k - волновое число свободного пространства, которое определяется согласно выражению (1.12): k 2 , (1.16) где - длина волны в свободном пространстве. Решение этого уравнения может быть произведено разделением переменных по методу Фурье. 26 Решение уравнения (1.15) можно представить в виде произведения сомножителей, каждый из которых является функцией только одной координаты или времени [2]: ~ L X x Y y Z z e jt . После дифференцирования выражения (1.17), (1.17) подставим полученный результат в выражение (1.15). Разделим обе части полученного уравнения на ~ величину L , получим: 1 2 X 1 2Y 1 2 Z 2 k 2 ~ , 2 2 X x Y y Z z (1.18) или 1 2 X 1 2Y 1 2 Z 2 k 2 j . 2 2 X x Y y Z z (1.19) Функции X x , Y y , Z z являются взаимно независимыми. Для того, чтобы сумма членов, находящихся в левой части выражения (1.19), равнялась некой комплексной величине, необходимо, чтобы каждый из членов был равен, в общем случае, комплексной величине. Приравнивая каждый из членов некоторой комплексной величине, запишем: 1 d2X 2 2 . Г j х х x X d x2 (1.20) 1 d 2Y 2 2 . Г j y y y Y d y2 (1.21) 1 d 2Z 2 2 . Г j z z z Z d z2 (1.22) 27 Здесь: Г x , Г y , Г z – постоянные распространения в различных направлениях; x , y , z – постоянные затухания в различных направлениях; x , y , z – фазовые постоянные в различных направлениях. Связь между постоянными распространения в различных направлениях с волновым числом свободного пространства и параметрами среды можно определить характеристическим уравнением [2, 26-27]: Г x2 Г y2 Г z2 k 2 j , (1.23) или: x j x 2 y j y 2 z j z 2 k 2 j . (1.24) Характеристическое уравнение (1.24) можно записать в виде двух уравнений, приравнивая действительные и мнимые значения [2, 26-27] x2 y2 z2 x2 y2 z2 k 2 . (1.25) 2 x x y y z z k 2 , (1.26) или x2 y2 z2 ( x2 y2 z2 ) k 2 . k 2 х х у у z z . 2 (1.27) (1.28) Уравнения (1.27) и (1.28) используются в области расчета и проектирования различных микроволновых термообработки материалов устройств с в режиме диэлектрическими бегущей потерями. волны для Полученные уравнения связывают фазовые постоянные и постоянные затухания амплитуды 28 напряженности электрического поля с диэлектрическими параметрами обрабатываемого материала и длиной волны источника СВЧ энергии. Рассмотрим произвольную электродинамическую систему, в которой энергия электромагнитного поля распространяется в направлении оси “z”. Из уравнения (1.28) для рассматриваемого случая можно записать: 2 z z k 2 . (1.29) Согласно определению: z 2 волн , (1.30) где волн – длина волны в электродинамической системе. Тогда значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале можно записать в виде: k 2 вол . z 2 2 z Из соотношения (1.31) следует, что значение z (1.31) постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в обрабатываемом материале определяется произведением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости материала ( ) на длину волны в электродинамической системе ( волн ) при фиксированном значении длины волны источника СВЧ энергии . 29 1.4 Выбор источника СВЧ энергии В микроволновых устройствах термообработки диэлектрических материалов применяется широкий спектр источников СВЧ энергии, которые отличаются по конструкции и параметрам [2, 4]. Для мощных микроволновых установок применяются источники СВЧ энергии от 25 кВт и выше, на частотах колебания электромагнитного поля 2450 МГц или 915 МГц. Недостатками таких мощных источников СВЧ энергии являются: 1. Значительный вес и габаритные размеры; 2. Метод подвода СВЧ энергии для реализации равномерного нагрева обрабатываемого материала достаточно сложен и не всегда реализуем; 3. Для стабильной работы источника СВЧ энергии необходимо, чтобы коэффициент стоячей волны по напряжению К стU 1,5 , что создает необходимость использования для его защиты специального устройства ферритового циркулятора; 4. Источник СВЧ энергии использует водяное охлаждение (вода должна быть определенного качества); 5. При выходе из строя источника СВЧ энергии, останавливается весь технологический процесс до его замены; 6. которых При проектировании и изготовлении микроволновых установок, в используются источники СВЧ энергии большой мощности, применяются специальные средства защиты, как при эксплуатации, так и при пуско-наладочных работах; 7. Высокая стоимость мощных источников СВЧ энергии. При использовании для установок СВЧ нагрева источников меньшей мощности, например (2,5…5,0) кВт, также сталкиваются с перечисленными выше недостатками [4]. Для устранения существующих недостатков источников СВЧ энергии в работе [4] для реализации установок СВЧ нагрева мощностью до (20…30) кВт 30 предложены малогабаритные, дешевые источники СВЧ энергии с воздушным охлаждением, собранные на базе комплектующих бытовых СВЧ печей. Эти источники СВЧ энергии можно располагать на электродинамических системах таким образом, чтобы реализовать заданное распределение температуры в обрабатываемом материале. При использовании малогабаритных источников СВЧ энергии не требуются ферритовые циркуляторы, так как магнетроны для бытовых СВЧ печей с одной стороны хорошо переносят повышенный отраженный сигнал, а с другой стороны имеют температурную защиту и автоматически отключает магнетрон в случае его перегрева. Малогабаритные источники СВЧ энергии не требуют водяного охлаждения, а охлаждаются потоком воздуха. Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что при выходе одного из них технологический процесс, как правило, не останавливается, а замена источника может быть осуществлена в течение нескольких минут. Цена таких источников невелика, а коэффициент полезного действия от сети в настоящее время достигает 67%. На рис. 1.4.1 представлена фотография источника СВЧ энергии, разработанного на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина – 400 мм; ширина – 200 мм; высота – 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника СВЧ энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения СВЧ мощности из волновода. Рисунок 1.4.1. Источник СВЧ энергии мощностью 0,6 кВт Перспективы развития малогабаритных источников СВЧ энергии связано с уменьшением массы и габаритных размеров, а также с увеличением КПД источника за счет использования инверторной схемы питания магнетрона. 31 Малогабаритные источники СВЧ энергии в настоящее время нашли широкие области применения микроволновых устройствах термообработки материалов. 1.5 Механизм взаимодействия микроволнового излучения с диэлектрическими средами Механизм взаимодействия микроволнового излучения с диэлектрическими материалами основан на том, что электромагнитное поле, проникая в материал, взаимодействует с заряженными частицами, вызывая их колебания. Молекулы диэлектрической среды могут быть неполярными и полярными [2, 3, 5]. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы приобретают некоторый электрический момент, а у полярных молекул происходит поворот оси по направлению приложенного электрического поля. Выделение тепла в диэлектрической среде возможно даже при отсутствии тока проводимости [2-3]. В этом случае, среда представляется состоящей из осцилляторов, каждый из которых взаимодействует с электрическим полем, в силу чего совершает вынужденные колебания [2-3]. Пусть подвергаемая нагреву среда является изотропной и материальные уравнения среды можно записать в виде (1.7), а электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону (1.8). В этом случае, мощность тепловых потерь равна [3, 5]: PП 1 1 1 E E dV c E E dV c H H dV , 2V 2V 2V (1.32) где: Е и Н - комплексно сопряженные значения амплитуд векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Удельную мощность тепловых потерь можно определить из уравнения (1.32) в виде [2-3]: 32 Р уд Первое 2 с 2 с 2 Е Е Н . 2 2 2 слагаемое выражает объемную плотность (1.33) мощности, выделяющуюся в среде при протекании в ней тока проводимости согласно закону Джоуля-Ленца. Второе и третье слагаемые в (1.33) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической D и магнитной B индукции и векторов E и H . В дипломной работе будем исследовать такие материалы, которые имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: c 1; c 0 . В этом случае третье слагаемое в (1.33) равно нулю. Выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды ~ с учетом ее проводимости в виде (1.13) – (1.14) [2, 3, 5]. С учетом (1.14) выражение (1.33) приобретает вид: Р уд о 2 Е , 2 (1.34) или 2 Руд 0,278 1012 f Е , (1.35) где: f - частота колебаний электромагнитного поля, Гц; Е - напряженность электромагнитного поля, В/cм; Р уд - удельная мощность тепловых потерь, Вт / см3 . 33 Из уравнения (1.35) следует, чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность выделяется в диэлектрической среде. В России для термообработки материалов используются электромагнитные колебания на частотах 915 МГц и 2450 МГц. При выборе длины волны источника СВЧ энергии надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик с потерями [6]. Значение мнимой части относительной диэлектрической проницаемости материала (фактора потерь) зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры [6]. Связь между температурой в материале и СВЧ мощностью удельных потерь можно определить, поместив обрабатываемый материал диэлектриком с потерями между пластинами плоского конденсатора. Уравнение для определения энергии в конденсаторе имеет вид: 1 W CU 2 , 2 (1.36) где: С - емкость конденсатора; U - напряжение на пластинах конденсатора. Уравнение для определения диэлектриком материале можно производной dW , где величина dt значения определить поглощенной как мощности действительную в часть C - прямо пропорциональна комплексной диэлектрической проницаемости. Следовательно, можно записать с учетом выражения (1.35) [2, 6]: Р уд dT . dt cд д (1.37) или 34 dT K f E 2 . dt cд д (1.38) В этих уравнениях: Р уд - величина поглощенной мощности, Вт ; см3 К 0,278 10 12 - постоянная величина; f - частота, Гц ; Е - напряженность электрического поля, В ; см c - теплоемкость диэлектрического материала, - плотность диэлектрического материала, Дж ; г С г ; см3 - длина волны в свободном пространстве, см; W - энергия, Дж . Уравнение (1.37) диэлектрическими связывает изменение температуры в потерями с величиной поглощенной материал с мощности микроволнового излучения при условии отсутствия тепловых потерь и без учета изменения агрегатного состояния материала. В настоящей дипломной работе экспериментальные исследования изделий из стеклопластиковой арматуры будут проведены на частоте электромагнитного поля 2450 МГц. Выводы к главе 1 1. Представлено обоснование актуальности постановки темы дипломной работы в области создания микроволновых устройств, обеспечивающих 35 равномерное распределение температуры в стержневых материалах, диаметром (Ø 0,3∙λ); с низкой теплопроводностью Т 0,15 2. Представлены Вт . К м современные направления развития микроволновых технологий термообработки композиционных материалов; 3. Представлены основные конструкции микроволновых устройств с продольным взаимодействием для термообработки материалов, диаметром (Ø 0,15∙λ), а также конструкций источников СВЧ энергии; 4. Сформулирована цель дипломной работы и определены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения Глава 2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И МЕТОДА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ В СТЕРЖНЕВЫХ МАТЕРИАЛАХ 2.1 Метод построения СВЧ устройств термообработки стержневых материалов В настоящем разделе предложен метод формирования равномерного распределения температуры диаметром (Ø 0,3∙λ), в материалах круглого поперечного сечения низкой теплопроводности Т 0,2 Вт в К м микроволновых устройствах с продольным взаимодействием. Построение микроволновых устройств для равномерного распределения температуры по поперечному сечению стержневых материалов большого диаметра (Ø 0,3∙λ) и малой теплопроводностью основано на том, что: 36 - энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении движения обрабатываемого материала; - микроволновое устройство состоит из последовательно включенных секций волноводного типа и замедляющих систем, которые обеспечивают суперпозицию распределения температуры по поперечному сечению стержня, удовлетворяющее требованиям технологического процесса. Такие технологические процессы термообработки материалов необходимы, например, для производства стеклопластиковой арматуры. Использование стеклопластиковой арматуры в бетонных изделиях имеет свою нишу в области производства строительных материалов, так как увеличивает срок службы, не теряя своих качеств, она служит более 100 лет, ввиду отсутствия коррозии, увеличивается прочность изделий из бетона. Стеклопластиковая арматура является радиопрозрачным материалом и не оказывает помех на радиотехническое оборудование, обладает высокой степенью устойчивости к химическому воздействию, на неё не влияют кислоты, соли и щелочи. Стеклопластиковая арматура прочнее стали в 2,5 раза, а её плотность по сравнению с арматурой из стали меньше в 4 раза, арматура из стеклопластиковых материалов практически не проводит тепло, является диэлектриком. Поэтому зимой в зданиях, построенных с использованием данного строительного материала, тепло, а летом сохраняется прохлада. Предложенный микроволновый метод осуществляет равномерный нагрев диэлектрического стержневого материала во всем объеме и снимает внутренние термические напряжения в процессе реакции полимеризации. Объемный характер нагрева диэлектрических стержневых материалов приводит к полноте реакции полимеризации и высоким прочностным характеристикам получаемых изделий. Для диэлектрических стержней большого поперечного сечения предложен метод построения микроволновых устройств [12-13, 18-20], состоящих из двух секций, имеющих взаимодополняющее распределение температуры по поперечному сечению обрабатываемого материала. 37 Первая электродинамическая система в виде круглого работающего на основном типе волны Е01, волновода, обеспечивает максимальную температуру в центре диэлектрического стержня и ее спад по радиусу к внешней поверхности стержня. Вторая электродинамическая система, замедляющая система типа диафрагмированный волновод, например, обеспечивает максимальную температуру на внешней поверхности стержня и ее спад по радиусу к оси диэлектрического стержня. Результирующее распределение температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня от двух секций микроволнового устройства должно обеспечить распределение температуры по поперечному сечению стержневого материала, удовлетворяющее требованиям технологического процесса. Круглый волновод работает на основном типе волны Е01 и распределение амплитуды напряженности электрического поля в поперечном сечении стержня описывается функцией Бесселя нулевого порядка, имеющей максимум в центре волновода и спадающей по радиусу к краям волновода. Диафрагмированный волновод представляет собой замедляющую систему, степень концентрации напряженности электрического поля к поверхности замедляющей системы определяется коэффициентом замедления. На рис. 2.1.1 представлено продольное сечение микроволнового устройства для равномерного нагрева стержневых материалов в конвейерном режиме (патент на полезную модель РФ № 83379). 38 Рисунок 2.1.1. Продольное сечение СВЧ устройства для термообработки диэлектрических стержневых материалов: 1 – круглый волновод; 2 – диафрагмированный волновод; 3 – диэлектрический стержень; Ø1– диаметр круглого волновода (Ø = 100мм); Ø2 – диаметр диэлектрического стержня и диафрагмированного волновода (Ø2 = 40мм); 1 - длина секции круглого волновода; 2 - длина секции диафрагмированного волновода; - скорость движения диэлектрического стержня. 2.2 Модель и метод расчета распределения температуры по диаметру стержня для микроволновых устройств с продольным взаимодействием В данном разделе дипломной работы описываются микроволновые устройства непрерывного действия типа бегущей волны с продольным взаимодействием. Микроволновые устройства термообработки диэлектрических материалов в поле бегущей волны с продольным взаимодействием идеально подходят для применения в конвейерном режиме. В микроволновых устройствах в поле бегущей волны с продольным взаимодействием нагрузка и передающая 39 линия дополняют друг друга так, что образуется линия с потерями, в которой мощность микроволнового излучения используется для термообработки диэлектрических материалов. В процессе производится микроволнового путем облучения нагрева его передача энергией тепла материалу сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Высокая эффективность процесса передачи энергии по всему объему позволяет проводить нагрев диэлектрического материала за короткое время. Мощность, передаваемая электромагнитным полем в обрабатываемый материал, пропорциональна частоте колебаний электромагнитного поля, квадрату напряженности электрического поля и мнимой части относительной диэлектрической проницаемости материала (фактору потерь). Выбор рабочей частоты колебаний электромагнитного поля определяется наличием соответствующих источников СВЧ энергии, выбором конструкции установки и диэлектрическими свойствами материала. В настоящей дипломной работе были использованы источники СВЧ энергии на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Предположим, что материал с диэлектрическими потерями, который движется в направлении распространения микроволновой энергии, то есть в направлении распространения бегущей волны. Пусть обрабатываемый материал продвинулся в электродинамической системе микроволнового устройства на расстояние dz dt и мощность dP , рассеянная в материале, вызвала нагрев материала и соответствующее изменение постоянной затухания на величину d . Модель расчета микроволновых устройств, предложенная в работах [2, 6], позволяет оценить длину электродинамической системы , величину необходимой мощности для нагрева материала в материале Ртр , и коэффициент полезного действия СВЧ установки. В работе [6] показано, что уравнение для величины постоянной затухания имеет следующий вид: 40 z min max 1 где max - Pвх Pz , Pтр (2.1) величина постоянной затухания энергии в материале до термообработки в СВЧ установке; min - величина постоянной затухания энергии в материале при условии отсутствия в нем воды. Из теории передающих линий dP z 2 z P z . dz (2.2) Подставляя выражение (2.1) в (2.2) и интегрируя в пределах 0 z , max z (2.3) где - величина постоянной затухания энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот в материале при значении z . В этом случае длина микроволнового устройства, можно получить длину в виде уравнения: 2 min P max вх min Ртр 1 n max P P min max 1 вх max 1 вх Р тр Ртр , (2.4) 41 P z Pтр min max 1 Pвх Ртр min Pвх max Ртр Pвх ехр 2 z max 1 min Р тр . (2.5) Эти уравнения используются разработчиками для оценки, как длины сверхвысокочастотного устройства, так и величины необходимой входной мощности. Однако эти соотношения являются приближенными. Они не учитывают зависимость диэлектрических параметров материалов от температуры и не позволяют достаточно точно рассчитать длину электродинамической системы и, соответственно, коэффициент полезного действия микроволнового устройства. В работах [3, 5-6] аналогичные уравнения получены с учетом уравнений тепломассопереноса, однако и они не учитывают зависимость диэлектрических параметров материалов от температуры. Микроволновые устройства термообработки диэлектрических материалов в поле бегущей волны физически можно представить нагруженной передающей длинной линией. Такую нагруженную длинную линию можно было бы рассмотреть как каскадное включение отдельных секций и применить простые методы перемножения матриц. Однако решение этой задачи предполагает, что известны все необходимые зависимости диэлектрических параметров материалов, как от влажности, так и от температуры. В работах [3, 5-6] рассматриваются различные систем, основанные, как правило, на методы расчета таких полученных предварительных экспериментальных результатах. Поскольку в микроволновых устройствах обычно требуется нагреть движущийся диэлектрический материал до заданной температуры, то температура материала изменяется вдоль электродинамической системы в 42 направлении распространения бегущей волны. Диэлектрические параметры материала являются функцией координаты z, а, следовательно, от координаты z зависит затухание на единицу длины электродинамической системы и величина погонной мощности потерь. От величины удельной мощности потерь зависит значение температуры движущегося диэлектрического материала, а потому расчет параметров электродинамической системы для термообработки диэлектрического материала может быть проведен методом, который описан и обоснован на основе экспериментальных исследований в научных публикациях [13, 18-19]. Рассмотрим конструкцию микроволнового устройства, состоящего из двух секций с различными электродинамическими системами для термообработки материалов с продольным взаимодействием, представленную на рис. 2.1.1 Первая секция микроволнового устройства на основе круглого волновода имеет длину 1 . Вторая секция микроволнового устройства на основе замедляющей системы имеет длину 2 . Пусть обрабатываемый материал движется со скоростью в направлении распространения бегущей волны, вдоль оси z . Температура диэлектрического материала на входе в СВЧ устройство характеризуется значением Т н z, r , а на выходе из СВЧ устройства имеет значение Т к z, r . Будем полагать, что теплоемкость материала сд и плотность материала д не зависят от изменения температуры и являются постоянными величинами. Пусть при начальной температуре материала Т н z , значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля соответствует нz , а на выходе из микроволнового устройства при температуре Т к z , значение постоянной затухания соответствует значению кz . На рис. 2.2.1 показана эквивалентная схема микроволнового устройства с нагреваемым диэлектрическим материалом в режиме бегущей волны. В качестве 43 эквивалентной схемы (модели) в работах [2-3, 6, 12, 18-20] предлагается нагруженная длинная линия. l1 1 Pвх ~ ( 0) ( z) 2 l2 1 ( l1 ) Pвых Pвх ~ ( 0) z 3 а) ( z) 2 ( l2 ) Pвых z 3 б) Рисунок 2.2.1. Эквивалентная схема СВЧ устройств, состоящее из двух секций с нагреваемым диэлектрическим материалом. 1 – источник СВЧ энергии; 2 – согласованная нагрузка; 3 – нагреваемый диэлектрический материал, 1 и 2 - длина электродинамической системы в первой и второй секции. Рассмотрим решение поставленной задачи в два этапа: 1 – этап. Распределение температуры в диэлектрическом стержне в стационарном режиме. 2 – этап. Распределение температуры в диэлектрическом стержне при его движении со скоростью . Рассмотрим первый этап. Пусть диэлектрические параметры материала изменяются линейно с ростом температуры и уравнение для распределения мощности микроволнового излучения в стержне можно записать в виде [2, 3], аналогично выражению (2.3): P( z, r ) f z f r Pвх e2 нz z , (2.6) 44 где: f z и f r – функция, учитывающая зависимость распределения мощности в материале с учетом распределения температуры в направлении оси z и радиуса r . Значение функции для источника слева f z определяется соотношением [2-3, 18]: f ( z) нz . кz кz нz e 2 нz z Если известно распределение мощности микроволнового излучения в обрабатываемом материале, а также значение постоянной затухания, то можно определить погонную мощность потерь Рпог z в направлении оси z в соответствие с выражением для волноводных систем: Рпог z, r 2 Рвх кz f 2 z f r e2 нz z . (2.7) Выражение для удельной мощности потерь при постоянном сечении обрабатываемого диэлектрического материала приобретает вид в соответствие с выражением: Р уд z Pпог z , S п.сеч. где: Sп.сеч – площадь поперечного сечения диэлектрического материала, или 2 кz f 2 z f r Р уд z, r Pвх e 2 нz z . S п.сеч (2.8) 45 Нарастание температуры с количеством поглощенной мощности микроволнового излучения при отсутствии тепловых потерь и изменений агрегатного состояния материала [2, 4, 5] определяется выражением: Р dT погл , dt cд д или 2 кz f 2 z f r Т z, r Tн z, r Pвх e 2 нz z , S п.сеч. cд д (2.9) где: – время обработки материала в первой секции СВЧ устройства. В сечении z 0 , диэлектрический материал приобретает за время максимальное значение температуры в стационарном режиме на оси круглого волновода r 0 , работающего на основной волне типа Е01. Уравнение для конечной температуры материала Т к можно записать в виде: 2 кz f 2 z Т к 0,0 Tн 0,0 Pвх . S п.сеч. cд д (2.10) Из уравнения (2.10) при заданном значении мощности источника СВЧ энергии можно определить время , за которое стержень приобрел заданную температуру Т к 0,0 в стационарном режиме для первой секции. Если определено время, то можно определить распределение температуры в материале в направлении распространения энергии в электродинамической системе из уравнения (2.9) и определить длину электродинамической системы 1 , а также величину мощности микроволнового излучения, поступающую в нагрузку для контроля технологического режима. 46 Температура в материале на конце электродинамической системы 1 может быть определена на оси круглого волновода (в центре диэлектрического стержня) из уравнения 2 кz f 2 1 Т 1 ,0 Tн 1 ,0 Pвх e 2 нz 1 . S п.сеч. cд д (2.11) Распределение температуры в стержне Т 2 z, r после прохождения секции микроволнового устройства в виде диафрагмированного волновода (источник слева) выводится таким же образом, согласно [2, 5, 18] и имеет вид 2[ кz f 2 z кr f 2 r ] 2 нz z 2 r ( R r ) , Т 2 z, r Т1 1 , r Рвх е е S п.с. сд д (2.12) где f r нr . кr нr кr е 2 нr ( R r ) (2.13) Систему координат при анализе второй секции микроволнового устройства по координате в направлении радиуса удобно использовать при других граничных условиях. Будем полагать, что условие r R на внешней поверхности стержня или на уровне поверхности замедляющей системы соответствует максимальному значению температуры диэлектрического стержня. В этом случае можно определить в стационарном режиме время, необходимое для нагрева до максимальной температуры внешней поверхности диэлектрического стержня при значении координаты z 0 . Из уравнения (2.12) следует 47 2 [ кz f 2 0 кr f 2 R ] . Т 2 0,0 Т1 1 , r Рвх S п.с. сд д Если определено время нагрева стержня, то можно (2.14) определить распределение температуры в стержне в направлении распространения энергии в электродинамической системе из уравнения (2.12) и определить длину электродинамической системы 2 , а также величину мощности микроволнового излучения, поступающую в нагрузку для контроля технологического режима. Значение температуры в стержне на конце электродинамической системы 2 может быть определено на оси волновода (в центре диэлектрического стержня) из уравнения: 2 [ кz f 2 2 кr f 2 R ] 2 нz 2 . Т 2 2 ,0 Т1 1 ,0 Рвх е S п.с. сд д (2.15) 2-ой этап. Расчет распределения температуры в материале в процессе его движения со скоростью (динамический режим). Значение поглощенной мощности микроволнового излучения в динамическом режиме Рпогл z Рвх Рz , (2.16) или Рпогл z Рвх (1 e 2 нz z ) . (2.17) Выражение для распределения температуры в стержне для волноводной секции микроволнового устройства имеет вид: 48 2 кz f 2 z f r 1 Т1 z, r Tн z, r Pвх (1 e 2 нz z ) . S п.сеч. cд д (2.18) Связь длины электродинамической системы 1 , времени нагрева материала стержня 1 и скорости его движения определяется соотношением: Выражение для распределения 1 1 . температуры (2.19) в материале стержня, расположенного в секции микроволнового устройства на основе замедляющей системы в динамическом режиме имеет вид: 2[ кz f 2 z кr f 2 r ] 2 Т 2 z, r Т1 1 , r Рвх (1 е 2 нz z ) е 2 r ( R r ) S п.с. сд д (2.20) Связь длины электродинамической системы 2 , времени нагрева материала стержня 2 и скорости его движения определяется соотношением 2 2 . (2.21) Уравнения для распределения температуры в диэлектрическом стержне в конвейерном режиме для первой и второй секций СВЧ устройства преобразуются к виду: 2 кz f 2 z f r 1 Т1 z, r Tн z, r Pвх (1 e 2 нz z ) , S п.сеч. cд д (2.22) 49 2 [ кz f 2 z кr f 2 r ] 2 Т 2 z, r Т1 1 , r Рвх (1 е 2 нz z ) е 2 r ( R r ) S п.с. сд д (2.23) В работах [2, 5, 12, 18] рассмотрены тепловые режимы электродинамических систем с обрабатываемым диэлектрическим материалом. Коэффициент полезного действия микроволновых устройств максимален, когда в поле микроволнового излучения нагревается лишь диэлектрический стержень. Поэтому для герметизации стержня от электродинамической системы целесообразно использовать трубу из радиопрозрачного материала (фторопласта), диэлектрические потери в которой много меньше, чем у стержня. Это позволяет не учитывать потери микроволновой энергии в трубе из радиопрозрачного материала. 2.3 Результаты теоретических исследований термообработки диэлектрических стержней Микроволновый метод осуществляет равномерный нагрев диэлектрического стержня во всем объеме и снимает внутренние термические напряжения. Объемный характер нагрева диэлектрических стержней приводит к полноте реакции полимеризации и высоким прочностным характеристикам получаемых изделий. Рассмотрим процесс нагрева стержня, имеющего низкой теплопроводностью Т 0,15 диаметр (Ø = 0,33∙λ) с Вт . м С Метод построения СВЧ устройств [18-20] с продольным взаимодействием для высокоэффективной термообработки стержней в режиме бегущей волны, состоит из двух различных секций электродинамических систем, имеющих 50 взаимодополняющее распределение температуры по поперечному сечению обрабатываемого материала. На рис. 2.1.1 представлено продольное сечение микроволнового устройства для термообработки диэлектрических стержней. Первая секция микроволнового устройства выполнена в виде круглого волновода, работающего на основной волне типа Е01 , обеспечивает максимальную температуру в центре диэлектрического стержня и ее спад по радиусу к внешней поверхности стержня. Вторая секция микроволнового устройства выполнена на замедляющей системы в виде диафрагмированного волновода и обеспечивает максимальную температуру на внешней поверхности стержня и ее спад по радиусу к оси диэлектрического стержня. Результирующее распределение температуры по поперечному сечению стержня от двух секций микроволнового устройства должно быть рассчитано таким образом, чтобы обеспечить распределение температуры по поперечному сечению стержня, удовлетворяющее требованиям технологического процесса. Основные параметры диэлектрического стержня представлены в таблице 2.3.1.1 Таблица 2.3.1.1. Основные параметры диэлектрического материала Ф, мм Т н С Т к С 1 20 80 ,12 0 0 ,18 ,0 4 ,5 4 40 сд , Дж г С 0,8 д , г см 3 2, 0 н , 1 см 0 ,02 к , 0 ,03 51 1 см В данной таблице параметр R - радиус диэлектрического стержня. Рассмотрим распределение температуры в материале стержня для первой секции СВЧ устройства. В работе [2-3, 5] показано, что для волны типа Е01 в круглом волноводе справедливо соотношение k 01 R 2 2 2 . (2.24) Здесь 01 - корень функции Бесселя. Для волны типа Е01 значение корня 01 =2,405 Значения постоянных затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале в направлении распространения бегущей волны имеют вид:ъ нz k 2 н , 2 кz k 2 к . 2 (2.25) (2.26) Точный расчет величин постоянных затухания с учетом выражений, приведенных в работах [12] с использованием созданной программы, дает следующие значения: J R N 0 2 R2 N 0 2 R1 J 0 2 R2 1 J 0 1 R1 2 1 2 1 , 1 J1 1 R1 J1 2 R1 N 0 2 R2 N1 2 R1 J 0 2 R2 (2.27) где 52 12 k 2 1 2 , (2.28) 22 k 2 2 . Результаты расчета: 0,83 ; (2.29) н 0,019 ; к 0,028 . z 0; r 0 и Определим, за какое время ( 1 ) при координатах выходной мощности источника СВЧ энергии 600 Вт будет достигнута заданная конечная температура 180 С по оси стержня в стационарном режиме. Запишем общую формулу для расчета распределения температуры в диэлектрическом стержне (2.9): 2 кz f 2 z f r Т z, r Tн z, r Pвх e 2 нz z . S п.сеч. cд д При условии, что значения координат z 0, r 0 , данное уравнение можно преобразовать к виду: 2 кz f 2 z 1 Т к Т н Рвх . R 2 сд д Подставляя конкретные значения, получим, диэлектрического стержня в стационарном режиме температуры 180°С (2.30) что время нагрева от температуры 20°С до составляет 123 сек, а длина, на которой достигается максимальная температура диэлектрического стержня, составляет 120 см ( 1 =120 см). На рис. 2.3.1.1 показана рассчитанная характеристика распределения температуры по оси стержня в направлении оси “z” на длине 1200 мм в стационарном режиме. 53 Т,°С 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10 20 30 Рисунок 2.3.1.1. 40 50 60 70 Теоретическая 80 z,см 90 100 110 120 характеристика распределения температуры по центру стержня в направлении оси “z” на длине 1200 мм в стационарном режиме для секции круглого волновода. Если стержень движется, то скорость перемещения стержня можно определить следующим образом: 1 1 1200 мм м . 0,6 123сек мин Набор температуры диэлектрическим стержнем, динамическом режиме определяется выражением (2.31) диаметром 40 мм в (2.22) при условии, что r 0 : 2 кz f 2 z f r 1 Т1 z,0 Tн z,0 Pвх (1 e 2 нz z ) . S п.сеч. cд д (2.37) 54 Рассчитанная характеристика распределения температуры по центру стержня при движении в направлении оси z представлена на рис. 2.3.1.2 Ò,°Ñ 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10 20 30 Рисунок 2.3.1.2. 4 0 50 60 70 Теоретическая 80 z,ñì 90 100 110 120 характеристика распределения температуры по центру стержня вдоль оси “z” в динамическом режиме Однако распределение температуры по поперечному сечению стержня является неравномерным и спадает от центра к внешнему диаметру согласно функции Бесселя: 2 кz f 2 z J 02 1 r 1 Т z, r Tн z, r Pвх e 2 нz z . S п.сеч. cд д (2.33) Для волны Е01 в первом приближении, распределение температуры поперечному сечению диэлектрической стержня при условии по z 0 определяется выражением: 55 T r T 0 J 02 1 r . (2.34) Рассчитанная характеристика распределения температуры по поперечному сечению стержня в круглом волноводе, диаметром 100 мм в стационарном режиме в поперечном сечении “z = 0” представлена на рис. 2.3.1.3 Т,°С 180 160 140 120 100 -20 -15 -10 Рисунок 2.3.1.3. -5 0 Теоретическая 5 10 15 20 характеристика r,мм распределения температуры по поперечному сечению стержня в стационарном режиме при “z = 0” Отклонение рассчитанного значения температуры по поперечному сечению стержня от номинального значения температуры составило 60°С или 30% и не может удовлетворять требованиям технологического процесса. Для выравнивания распределения температуры по поперечному сечению в диэлектрическом стержне электродинамическая за система, волноводом а именно была поставлена диафрагмированный диаметром 40 мм, соответствующего внешнему другая волновод, диаметру диэлектрического стержня. При расчетах не учитывалась толщина трубы из фторопласта, в которую помещался стержень из стеклопластиковой арматуры. Рассмотрим распределение температуры в диэлектрическом стержне для секции СВЧ устройства на основе диафрагмированного волновода. 56 Для выравнивания температуры по поперечному сечению стержня необходимо нагреть стержень по краям не более чем на 60°С. Будем полагать, что температура на оси стержня не будет меняться и сохранится при значении 180°С, которое было достигнуто в круглом волноводе. В этом случае, величина постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале и распределение температуры по длине системы можно записать в виде: нz k 2 k , 2 2 k зам T z Т 0 е 2 нz z 60 e k z k зам (2.35) . (2.36) Коэффициент замедления был выбран ( k зам 2,5) исходя из степени спада температуры по диаметру стержня от поверхности к оси. Определим, за какое время ( 2 ) при z 0; r R и выходной мощности источника СВЧ энергии 600 Вт будет достигнута конечная температура 180 С на внешней поверхности стержня (стационарный режим). Запишем общую формулу для расчета распределения температуры в диэлектрическом стержне (2.12) с учетом граничных условий: 2 [ кz f 2 z кr f 2 r ] 2 . Т 2 0, R Т1 1 , r Рвх S п.с. сд д При условии, что координаты имеют следующие значения (2.37) z 0, r R, данное уравнение можно преобразовать к виду: 57 2 [ кz f 2 z кr f 2 r ] 2 . Т 2 0, R Т1 1 , r Рвх R 2 сд д Подставляя конкретные значения, получим, диэлектрического стержня в стационарном режиме температуры 180°С что (2.38) время нагрева от температуры 120°С до составляет 46 сек, а длина 2 , на которой достигается максимальная температура диэлектрического стержня, составляет 450 мм ( 2 =450 мм) при заданной скорости движения стержня 0,6 м/мин. На рис. 2.3.1.4 представлена рассчитанная характеристика распределения температуры по внешней поверхности электродинамической системы типа диэлектрического стержня вдоль диафрагмированный волновод в стационарном режиме. Т,°С 180 160 140 120 0 10 Рисунок 2.3.1.4. 20 30 Теоретическая 40 z,см характеристика распределения температуры по внешней поверхности диэлектрического стержня вдоль электродинамической диафрагмированный системы типа волновод в стационарном режиме. На рис. 2.3.1.5 представлена теоретическая характеристика распределения температуры по внешней поверхности диэлектрического стержня вдоль 58 электродинамической системы типа диафрагмированный волновод в конвейерном режиме согласно выражению (3.18). Ò,° Ñ 180 160 140 120 0 10 Рисунок 2.3.1.5. 20 30 z ,ñì 40 Теоретическая характеристика распределения температуры по внешней поверхности диэлектрического стержня вдоль электродинамической диафрагмированный системы типа волновод в динамическом режиме (в движении). Будем полагать, в первом приближении, что в направлении радиуса в электродинамической системе поле спадает по экспоненциальной функции: Рr Рвх е 2k k зам 1 2 k зам r . (2.38) Подставляя конкретные значения, получим: Рr Рвх е1,5r . (2.39) Распределение температуры по толщине диэлектрического стержня имеет вид Т r Т 0 е 1,5 r 20 40 е 1,5( R r ) . (2.40) 59 На рис. 2.3.1.6 представлена рассчитанная характеристика распределения температуры по поперечному сечению стержня для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме в сечении “z = 0”. Т,°С 60 50 40 30 20 0 4 Рисунок 2.3.1.6. 8 12 16 Теоретическая 20 r,мм характеристика распределения температуры по поперечному сечению стержня для замедляющей системы типа диафрагмированный волновод в стационарном режиме в сечении “z = 0”. Рассчитанная характеристика распределения температуры по поперечному сечению стержня представлена на рис. 2.3.1.7 в стационарном режиме для микроволнового устройства, представленного на рис. 2.1.1. Характеристика получена путем суперпозиции характеристик распределения температуры в стержне от двух секций микроволнового устройства в стационарном режиме. Отклонение рассчитанного значения температуры от номинального значения температуры не превышает 6%. 60 Т,°С 190 170 150 -20 -15 -10 Рисунок 2.3.1.7. -5 0 Теоретическая 5 10 15 20 r,мм характеристика распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня для стационарного режима Выводы к главе 2 1. Разработан метод построения микроволновых устройств равномерного распределения температуры по объему стержней диаметром (Ø 0,3∙λ). Метод основан на том, что в качестве нагревательных элементов микроволновых устройств используется сочетание секций волноводных и замедляющих систем и принцип суперпозиции характеристик распределения температуры по поперечному сечению стержня; 2. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки стержней, диаметром (Ø 0,3∙λ) малой теплопроводности с продольным взаимодействием, при этом максимальное отклонение рассчитанного значения температуры от номинального значения по поперечному сечению материала не превышает 6%. 61 Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Термообработка диэлектрических стержней Первые экспериментальные исследования стержней были приведены в работе [17] для диаметра 20 мм, на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Эксперименты проводились в микроволновом устройстве, электродинамическая система которого была выполнена в виде круглого волновода на основном типе волны Е01. Результаты экспериментальных и теоретических исследований не удовлетворяли технологическому режиму термообработки материала с точки зрения равномерности распределения температуры по поперечному сечению стержня. В работе [17] был предложен иной подход, а именно использовать в качестве электродинамической системы диафрагмированный волновод. Однако экспериментальных исследований распределения температуры в стержневых материалах в работе не приведено. В работе [13] представлены экспериментальные результаты распределения температуры по поперечному сечению стержня из стеклопластиковой арматуры диаметром 20 мм. Эти результаты получены для стационарного режима в СВЧ устройстве, представленном на рис. 2.1.1. исследований, по распределению стеклопластиковой арматуры, Результаты экспериментальных температуры в объеме стержня из удовлетворяли требованиям технологического процесса. В работах [18-20] представлены теоретические (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры по поперечному сечению диэлектрического стержня представлено на рис. 3.1.1 для стационарного режима для микроволнового устройства, представленного на рис. 2.1.1. Характеристики получены путем суперпозиции характеристик распределения температуры в стержне от двух секций микроволнового устройства в стационарном режиме. Диаметр стержня составлял 40 мм. 62 Ò,° Ñ 190 170 1 150 -20 -15 Рисунок 3.1.1. характеристики -10 -5 2 0 Теоретические распределения 5 (1) температуры 10 и 15 20 r,ì ì экспериментальные по поперечному (2) сечению диэлектрического стержня для стационарного режима Максимальное отклонение экспериментального значения температуры от номинального значения температуры не превышает 9%, а расхождение рассчитанных и экспериментальных характеристик по радиусу стержня не превышает 5%. Повторить экспериментальные исследования по распределению температуры в объеме стержня на микроволновом устройстве, представленном на рис. 2.1.1, не представлялось возможным ввиду отсутствия материала данного диаметра. 3.2 Термообработка диэлектрических стержней в периодическом режиме Экспериментальные исследования характеристик распределения температуры в материале проводились в периодическом режиме в камере лучевого типа. На рис. 3.2.1 представлена камера лучевого типа, состоящая из прямоугольной камеры размером 1200х900х600 мм, восьми магнетронных 63 источников СВЧ энергии, расположенных определенным образом на верхней стенке камеры и системы управления источниками СВЧ, обеспечивающей контроль мощности и общего времени термообработки. Суммарная мощность 8ми источников СВЧ энергии составляет 4,8 кВт. Рисунок 3.2.1. Общий вид экспериментальной СВЧ установки лучевого типа. На рис. 3.2.2 представлена схема излучения СВЧ энергии из волноводных выводов источников СВЧ энергии, расположенных на верхней крышке микроволновой установки, представленной на рис. 3.2.1. Рисунок 3.2.2. Распределение энергии в камере от 8 источников СВЧ энергии. Прямоугольный волновод как излучающая антенна работает на основной волне типа Н10. Для этого размеры его поперечного сечения выбираются из условий [1]: a 2 , b 2 (3.1) где: а – размер широкой стенки волновода; b – размер узкой стенки волновода. Составляющие электромагнитного поля по прямоугольным координатам имеют следующие значения [1]: 64 E x Eo sin e a Eo y j z Hy sin e , o a Ео y j z Hz cos e j o a a y j z (3.2) где: k 1 2a 2 (3.3) Здесь k – волновое число свободного пространства, которое определяется соотношением [1]: k 2 . (3.4) Задача об излучении из раскрыва прямоугольного волновода не имеет в настоящее время строгого решения [1]. Косвенные данные, результаты решения для аналогичных более простых задач дают основание утверждать, что хорошую точность можно получить при решении этой задачи так называемым методом Гюйгенса – Кирхгофа, который заключается в следующем. Принимается, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным, определяемым по формулам (2.2), что отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна. Расчет излучения мощности из раскрыва прямоугольного волновода на волне типа Н10, как по узкой, так и по широкой стенке, который в первом приближении описывается уравнениями Гюйгенса – Кирхгофа. Мощность электромагнитного поля, излучаемая из раскрыва волновода источника СВЧ энергии, неравномерно распределена в пространстве. Зависимость истечения мощности излучения от величины угла , который составляет 65 интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе, описывается функциями: в Е – плоскости: FЕ 2 k b sin sin 2 2 1 1 cos k b 2a sin 2 2 (3.5) в Н – плоскости: FН 2 k a sin 2 cos 2 cos 1 2 2a 1 2 a sin 2 . (3.6) Температура в материале будет расти со скоростью: P dT погл , dt cд д (3.7) где cд - теплоемкость материала, д - плотность материала, г см 3 Дж ; г С ; dT град - скорость изменения температуры, . dt сек Распределение мощности по объему обрабатываемого материала определяется экспоненциальным законом: Pz Pпов е 2 z , (3.8) 66 - значение постоянной затухания амплитуды напряженности где электрического поля в материале для СВЧ устройства лучевого типа, которое определяется диэлектрическими параметрами обрабатываемого материала: z . (3.9) В настоящей дипломной работе модель расчета основана на том, что: - область от поверхности расположения системы излучателей является свободным полупространством, то есть вся излучаемая мощность источников СВЧ энергии поглощается диэлектрическим материалом, а отраженная мощность равна нулю; - не учитывается наличие боковых стенок и отражение от них; - система излучателей в виде антенн представляет собой раскрывы прямоугольных волноводов, работающих на волне типа Н10; - исходный материал является изотропным и обладает малой теплопроводностью, которой в расчетах можно пренебречь. В работе приводятся зависимости распределения температуры по объему стержневых материалов, полученных экспериментальным путем. Длина арматуры из стеклопластика составляла 1000 мм. Диаметр арматуры составлял 8 мм. Арматура вставлялась в трубу из фторопласта. На рис. 3.2.3 показана арматура из стеклопластика и трубы из фторопласта, в которые эта арматура вставлялась для проведения процесса полимеризации. Рисунок 3.2.3. Арматура из стеклопластика и трубы из фторопласта, в которые они вставляются для проведения процесса полимеризации. Состав композиционного материала из стеклопластиковой арматуры: - связующее (15…20)%: 67 - эпоксидная смола ЭД-20 или ЭД-22, ГОСТ 10587-84....56% - изо-МТГФА ТУ-6-10-124-91 или ТУ-38-103149-85 ...…43% - УП-606/2 или Агидол -53 ТУ 38.10.3356-96 ……….…..1% - наполнитель (80...85)%: - ровинг из стеклянных (алюмоборосиликатных) нитей ГОСТ 17139-79, марка РБН 13-2520 “7в” или РБТ 13-1680 Полимеризация стеклопластиковой арматуры проводится в стационарном режиме. - начальная температура стержня в электродинамической системе (камера) составляет (25…30) градусов Цельсия; - температура стержня в процессе полимеризации в СВЧ – устройстве должна лежать в пределах от 170 ºС до 190 ºС (это интервал температур, при которой происходит полимеризация материала стержня); - оптимальное значение температуры в стержне составляет 180ºС; - максимальная температура стержня из стеклопластика в микроволновом устройстве не должна превышать 190ºС. Предварительные экспериментальные исследования материала стержня были проведены в бытовой микроволновой печи и дали положительные результаты, как с точки зрения производительности (время обработки в СВЧ печи составляла не более 20 секунд) и равномерности распределения температуры. В связи с тем, что необходимо было провести процесс полимеризации только одного стержня, то было принято решение о создании в камере лучевого типа такой плотности микроволнового излучения, как и в бытовой печи. Стержень из стеклопластика, расположенный во фторопластовой трубе помещался, на высоту 300 мм с использованием специальной подставки и располагался под четырьмя источниками СВЧ – энергии. Для создания требуемой концентрации электромагнитного поля под эти источники помещался короб, выполненный из металла, размера 1200 мм 300 мм 300 мм. Объем этого короба соответствовал объемам четырех традиционных микроволновых печей. 68 На рис. 3.2.4 показана конструкция микроволнового устройства лучевого типа, подставка из древесины. Над подставкой расположены четыре источника СВЧ энергии. Частота колебаний электромагнитного поля составляла 2450 МГц. Рисунок 3.2.4. Микроволновое устройство лучевого типа и подставка для проведения процесса полимеризации стержня из арматуры. На рис. 3.4.5 представлен металлический короб, который поставлен на подставку и в этот короб был помещен стержень из стеклопластиковой арматуры в трубе из фторопласта. Рисунок 3.4.5. Экспериментальная установка лучевого типа для полимеризации арматуры из стеклопластика. Результаты коэффициент экспериментальный полезного действия исследований микроволновых подтвердили высокий установок и их производительность. Время микроволнового излучения 20 секунд, температура стержня 180 градусов Цельсия. Мощность СВЧ установки составляла 2,4 кВт. Таким образом, настоящая дипломная работа посвящена созданию энергосберегающих и экологически чистых термообработки современных композиционных технологических процессов материалов и разработке микроволнового оборудования для их реализации. В дипломной работе условия технологического процесса и технического задания выполнены. Время нагрева стержня до заданного значения температуры материала на порядок меньше времени нагрева до заданной температуры стержня в газовой 69 среде. Затраты электроэнергии при использовании микроволнового нагрева на (65-70)% меньше затрат электроэнергии при традиционной технологии полимеризации композиционного материала. Измерения температуры проводились с использованием лазерного датчика и с помощью термопары. На рис. 3.4.6 представлен лазерный датчик для измерения температуры в материале. Рисунок 3.4.6. Датчик измерения температуры Измерение уровня побочных излучений от СВЧ установки проводились с использованием датчика измерения мощности до уровня 10 мкВт на квадратный сантиметр, фотография которого представлена на рис. 3.4.7 Рисунок 3.4.7. Датчик измерения уровня излучений от работающей микроволновой установки Выводы к главе 3 1. Представлены термообработки стержней результаты экспериментальных исследований малой теплопроводности в СВЧ устройствах с продольным взаимодействием и в периодическом режиме в СВЧ устройствах лучевого типа. Показано, что максимальное отклонение температуры от номинального значения температуры по поперечному сечению стержня не превышало 9%, а расхождение характеристик не превышало 5%. теоретических и экспериментальных Распределение температуры по длине материала в СВЧ устройствах лучевого типа практически равномерное 70 (отклонение температуры от номинального значения меньше трех градусов Цельсия); 2. Время нагрева материала до заданного значения температуры материала на порядок меньше времени нагрева до заданной температуры материала в газовой среде. Затраты электроэнергии при использовании СВЧ нагрева на (6570)% меньше затрат электроэнергии при традиционной технологии полимеризации композиционного материала. Глава 4 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 4.1. Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий труда на человека могут воздействовать, как известно, опасные и вредные производственные факторы. В соответствии со ст.209 ТК РФ Охрана труда – система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, которые обеспечивают безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. 71 Опасный производственный фактор производственный - фактор, воздействие которого на работающего приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др. Вредный производственный фактор – производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным. При проектировании и организации работы в вычислительных центрах (ВЦ) необходимо учитывать опасные и вредные факторы. Из опасных факторов внимание следует обращать на электроопасность и пожароопасность. Также надо обращать внимание на такие вредные факторы, как повышенный уровень шума и вибрация, повышенная или пониженная температура внешней среды, отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, статическое электричество, ионизирующее излучение, ионизация воздуха, электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля, микроклиматические параметры и чистота воздуха. Электроопасность. Электрические установки, к которым относится почти все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека. Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических сред, что вызывает в 72 них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физикохимического состава. Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма. Любое из перечисленных воздействий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги ГОСТ 12.1.009-76 (1999). Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов: величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушения дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др. Нарушение сердечной деятельности может привести к смерти. Защита от поражения электрическим током осуществляется техническим средством, - занулением. Принципиальная электрическая схема представлена на рис. 4.1. 73 Область применения: трехфазные четырехпроводные сети с глухозаземленной нейтралью. Заземление – преднамеренное соединение нетоковедущих частей с ненулевым рабочим проводником. Принцип защиты основан на отключении электрических устройств от сети в случае короткого замыкания с использованием нулевого защитного проводника. По заданным параметрам определим возможный ток короткого замыкания I кз . I кз Uф Rобщ r1 r2 r3 ri Rобщ 3 r S По величине I кз определим с каким I ном , необходимо в цепь питания ЭЛЦ включать автомат. I ном I кз k I ном I кз k k 3 S1 2мм2 1 700 м S 2 1мм2 2 500 м ri 0,412Ом S3 0,5 мм2 3 100 м U ф 220 В r1 1 S1 r2 r1 6,125Ом r1 0,0175 2 S2 r2 4,375Ом м еди 0,0175 r3 Ом мм 2 м 3 S3 r3 0,875Ом 700 6,125Ом 2 r2 0,0175 250 4,375Ом r3 0,0175 50 0,875Ом 74 Rобщ 11,375Ом I кз 220 19,109941А 0,412 11,375 3 I ном 19,109941 6,3699 А 3 I кз 19 А I ном 6 А В соответствии с законом . N 13 от 12.03.2008 г "О пожарной безопасности в городе Москве" в цепь питания необходимо установить автомат на 10А. Пожароопасность. В современных ЭВМ высокая плотность размещения элементов электронных схем, близость друг к другу соединительных проводов, коммутационных кабелей представляют серьезную пожароопасность. Источником пожара может быть короткое замыкание, искрение или например чрезмерный нагрев. Опасность при пожаре представляют: токсичные продукты горения, выделяемые горящими материалами и предметами (теплоизоляционные, акустические, декоративные и другие синтетические отделочные материалы), воздействие огня и высокие температуры. Воздействие этих факторов на человека может привести к отравлению, тепловым ударам, ожогам различной степени и смерти. Шум и вибрация. Для рабочих мест ВЦ характерно наличие всех видов шумов: средства механического, создают компрессоры – аэродинамического, механический шум, аэродинамический, электрического. установки Технические кондиционирования, преобразователи напряжения - электромагнитный. Проявление вредного воздействия шума на организм человека разнообразно: затруднение разборчивости речи, снижение работоспособности, обратимые и необратимые потери слуха, механическое повреждение органов 75 слуха, воздействие на центральную и вегетососудистую нервную систему (через них на внутренние органы). Может вызвать головную боль, бессонницу, ослабление внимания, ухудшение памяти. Вибрации также могут неблагоприятно действовать на организм человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечнососудистой систем (спазмы сосудов), а также опорно-двигательного аппарата. Они также могут быть причиной головных болей, головокружении, повышенной утомляемости. Возможно также ухудшение состояния желудочно-кишечного тракта, головного и спинного мозга. Вибрации способны оказывать действие на все органы. Особо вредными считаются колебания с частотой 6…9 Гц, близкой к частоте колебания тела человека. При вибрациях таких частот возникает вредный резонанс, который увеличивает колебания внутренних органов, расширяя их или сужая. Ионизированное излучение. Экран монитора представляет собой источник бета-и гамма – рентгеновского излучений. Эти излучения являются ионизирующими. При воздействии на человека они могут вызвать образование в организме чужеродных молекул белка с токсическими свойствами. При длительном воздействии ионизирующее излучение может привести к малокровию, образованию злокачественных опухолей. Возможно снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям и другие неблагоприятные эффекты. При работе за дисплеем особенно подвергаются облучению кожа лица, глаза, головной мозг и кровь. Чрезмерная ионизация воздуха также может негативно влиять на человека. Электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля. Низкочастотные электромагнитные поля возбуждает отклоняющая система электронно-лучевой трубки монитора. Источник электростатического поля – прежде всего экран монитора и система формирования электронного луча ЭЛТ. Переменные магнитные поля образует трансформатор развертки монитора, трансформаторы блоков питания и другие вспомогательные устройства. 76 Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, происходит повышение температуры тела. Перегревание органов и тканей ведет к их заболеваниям. Электромагнитные поля могут влиять и непосредственно на клетки, приводя к изменению происходящих в них процессов. Особенно болезненно могут реагировать на электромагнитное поле клетки глаз, мозга, почек, желудка. Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые и необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение кровяного давления, выпадения волос, ломкость ногтей. Электростатические поля могут вызвать вторичную электризацию человеческого организма. Это вредное явление способствует развитию дерматита, появлению угрей. Низковольтный разряд способен прекратить клеточное развитие, вызвать помутнение кристаллика. Воздействие магнитных полей на человека может приводить к нарушениям в нервной системе, пищевом тракте, сердечно-сосудистой системе, изменениям в составе крови. Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная или неправильная освещенность рабочей зоны. Освещенность помещения ВЦ создается естественным и/или искусственными источниками света. Недостаток освещенности или неправильная освещенность рабочей зоны, как отсутствие или недостаток естественного света приводят к вредным воздействиям на органы зрения и психику человека. В результате снижается работоспособность, происходит отрицательное психологическое воздействие, длительная адаптация зрения, что приводит к снижению производительности труда. 4.2. Охрана труда при проведении исследований Нормализация микроклимата. 77 Оптимальными параметрами температуры при почти неподвижном воздухе являются 19ºС…21ºС, допустимыми 18 ºС или 22ºС. Комфортное состояние при данных температурах воздуха определяется влагосодержанием. Оптимальное влагосодержание составляет 10 Г Г , допустимое – не ниже (табл. 4.1.). 6 м3 м3 Таблица 4.1. Содержание абсолютной и относительной влажности воздуха в зависимости от температуры Темп- Влажность В Сº Абсолютная г/м3 Относительная г/м3 Оптима допусти ра льная Оптима льная мая допусти мая 18 10 6 65 39 19 10 6 62 37 20 10 6 58 35 21 10 6 55 33 22 10 6 52 31 Для обеспечения надлежащего микроклимата и качественного состава воздуха, включая аэронный режим в котором исследованиями не предусматривались компьютеры, а их оборудование осуществлялось в других помещениях, необходимо систематически перед началом работы и с периодичностью 45 минут осуществлять проветривание не менее 10 минут. Наилучший обмен воздуха осуществляется при сквозном проветривании, если позволяют погодные условия, то работа за компьютером должна производиться при открытых окнах. Другой путь обеспечения воздухообмена, может быть достигнут установлением в оконных рамах автономных кондиционеров. 78 Режим работы кондиционера должен обеспечить максимально возможное поступление наружного воздуха, но не менее 50% от производительности кондиционера. В каждом конкретном случае необходим расчет воздухообмена по количеству избытков тепла от машин, людей и солнечной радиации. Для повышения влажности воздуха можно использовать увлажнители или устанавливать емкости с водой типа аквариумов вблизи отопительных приборов. В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть для окон солнцезащитные регулируемые устройства типа жалюзи, расположенные снаружи или в межстекольном пространстве. Освещение На уровень освещенности помещения оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их ограждающая способность. Для уменьшения поглощения света потолок и стены свыше 1,5…1,7 м, если они не облицованы звукопоглощающим материалом, окрашиваются белой водоэмульсионной краской ( должен быть не менее 0,7). Допускается окраска стен до потолка цветом панелей. Для окраски стен и панелей рекомендуется применять светлые тона красок ( =0,5…0,6). Предпочтение следует отдавать холодным тонам: светло-голубому, светло-зеленому, светло-серому. Допускается окраска стен светло-желтым, светло- бежевым цветом или цветом слоновой кости. Нельзя окрашивать стены, расположенные напротив экрана монитора, более темными тонами красок ( =0,3…0,4). На окнах монтируются занавеси, по цвету гармонирующие с краской стен. Занавеси не должны пропускать естественный свет и не полностью закрывать оконные проемы. Запрещается применять для окон черные занавеси. В осветительных установках помещения следует использовать систему общего освещения, выполненную потолочными или подвесными 79 люминесцентными светильниками, равномерно размещенными по потолку рядами, параллельно проемам света, так, чтобы экран монитора находился в зоне защитного угла светильника, и его проекция не приходилась на экран монитора. Оператор не должен видеть отражение светильников на экране ЭВМ. Применять местное освещение при работе на ЭВМ не рекомендуется. Минимальная освещенность рабочей поверхности стола должна быть 100…500 лк. (табл. 4.2.). Таблица 4.2 Нормы освещенности поверхностей в производственных помещениях 4 1 2 3 5 А Вы 6 7 8 9 10 200 500 150 300 0 сокая От Б 100 300 750 200 В 750 300 600 200 Г 400 200 400 150 А 750 300 600 200 От Б 500 200 500 150 До В 400 150 400 100 Г 300 150 300 100 А 300 200 300 150 От Б 200 150 300 100 До В 200 100 300 50 точ 0,3 ность 0 0 До 0,5 Ср едняя 0,5 То чность 1,0 Ма лая 1,0 точ 80 ность 5,0 Г 200 100 300 1- Характеристика зрительной работы по степени точности. 2- Наименьший размер объекта различения, мм. 3- Подразряд зрительной работы. 4- Освещенность, лк. 5- Освещенность при газоразрядных лампах. 6- Освещенность при лампах накаливания. 50 7, 9 - комбинированное освещение. 8, 10 – одно общее освещение. Яркость экрана должна быть равной ½ или более яркости рабочей поверхности стола при освещенности 400…700 лк. При проектировании осветительных установок с люминесцентными светильниками в помещении целесообразно выбирать коэффициент запаса, равный 1,4. Допустимая величина дискомфорта, одного из основных качественных параметров осветительных установок, регламентируемого для ограничения прямой блескости, не должны превышать 15. При проектировании осветительных установок следует пользоваться инженерным методом оценки слепящего действия осветительных установок по дискомфорту. Величина коэффициента пульсации не должна превышать 10%, для чего следует применять многоламповые светильники с компенсирующими ПРА, осуществлять расфазировку светильников при электромонтаже осветительных установок. Для освещения помещения рекомендуется применять светильники с металлической экранирующей решеткой и непрозрачными боковинами. В качестве источников света рекомендуется использовать люминесцентные лампы мощностью 40 Вт или энергоэкономичные мощностью 36 Вт. 81 Светильники должны освобождаться от пыли не менее двух раз в год. Работа на видеотерминалах может осуществляться при следующих видах освещения: 1. Общем люминесцентном освещении, когда мониторы располагаются по периметру помещения или при центральном расположении рабочих мест в два ряда по длине помещения с экранами, обращенными в противоположные стороны, а также при одно-, трехрядной расстановке рабочих мести с ЭВМ; когда на улице темно, окна должны быть зашторены; 2. Совмещенном освещении (естественное + искусственное) только при одно- и трехрядном расположении рабочих мест, когда экран и поверхность рабочего стола находится перпендикулярно светонесущей стенке; 3. Естественном освещении, когда рабочие места с ЭВМ располагаются в один ряд по длине помещения на расстоянии 0,8…1,0 м от стены с оконными проемами и экраны видеомониторов находятся перпендикулярно этой стене. Основной поток естественного света при этом должен быть слева. Не допускается направление основного светового потока справа, сзади и спереди работающей ЭВМ. Солнечные лучи и блики не должны попадать в поле зрения работающей ЭВМ. При выполнении работы в качестве источников света использовались люминесцентные лампы мощностью 40 Вт. Шум. Помещение, где проводится расчет на ЭВМ, не должно граничить с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума, а также располагаться вблизи таких помещений. Уровень шума помещения, свободного от операторов и вычислительной техники, не должен превышать 40 дБ (СН и П 11-12-77 “Защита от шума. Нормы проектирования ”), а уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц – соответственно 63, 52, 39, 28, 20 дБ (табл.4.3.). 82 Таблица 4.3 Уровни звукового давления в машинном зале ВЦ (данные спектра в октавных полосах в дБ) Параметр/ f, Гц 6 3 25 1 2 50 00 7 6 8 3 5 5 6 8 6 6 2 4 6 6 9 7 7 7 5 3 5 1 000 2 000 4 000 8 000 Допустимые значения для помещения У 8 3 4 6 6 0 5 7 5 5 5 4 одного печатающего устройства 6 6 6 У двух ПУ 7 2 2 У одного HDD 7 2 8 У двух HDD 7 8 4 5 6 2 6 5 7 6 8 6 6 6 7 5 8 5 8 6 9 2 3 3 5 6 6 7 0 7 3 4 5 5 2 6 4 5 8 Звукоизоляция ограждающих конструкций помещения должна отвечать требованиям согласно главы СНиП 11-12-77. Во время работы на ЭВМ в помещении уровень шума не должен превышать 50 дБ, а уровни звукового давления в октавных полосах частот со среднегеометрическим значением 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц – соответственно 71, 61, 54, 49, 42, 40 и 38 дБ, ГОСТ ССБТ 12.1.003-83 (1999) “Шум. Общие требования безопасности”; ”Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах” № 3223-85). Для снижения уровня шума потолок или стены выше панелей (1,5…1,7 м от пола), а иногда и стены и потолок должны облицовываться звукопоглощающим материалом с максимальным коэффициентом звукопоглощения в области частот 63…8000 Гц. 83 Дополнительным звукопоглощением в помещении могут быть занавеси, подвешенные в складку на расстоянии 15…20 см от ограждения, выполненного из плотной тяжелой ткани. Ширина занавеси должна быть в два раза больше ширины оконного проема. При проведении исследований уровень звукового шума не превышал 50 дБ (48 дБ), что можно признать удовлетворяющем норме. Качественный состав воздуха. Содержание кислорода в помещении должно быть в пределах 21…22 об.% Двуокись углерода не должна превышать 0,1 об.%, озон – 0,1 мГ , аммиак – 0,2 м3 мГ мГ мГ , хлористый винил – 0,005 3 , формальдегид – 0,003 3 . 3 м м м Количество легких (положительных и отрицательных) ионов должно соответствовать оптимальным значениям: для положительных – 150…300, для отрицательных – 3000…5000. Коэффициент полярности (отношение разности числа положительных и отрицательных ионов к их сумме) должен находиться от – 0,5 до 0 (“Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений” № 2152-80). В помещении, где используется компьютер, следует ограничивать применение полимерных материалов для оценки интерьера и оборудования. Пол должен иметь поливинилхлоридное антистатическое покрытие. Двери и стенные шкафы могут быть облицованы поливинилхлоридным декоративным антистатическим материалом. Запрещается применять для отделки интерьера компьютерного помещения строительные материалы, содержащие органическое сырье: древесно-стружечные плиты (ДСП), декоративный бумажный пластик, поливинилхлоридные пленки, моющиеся обои и др. Пожары. К опасным факторам относится возникновение пожара, которое может произойти, например, от короткого замыкания из-за неисправностей в 84 электропроводке. Находясь в горящем помещении, человек может получить сильные ожоги. При горении полимерных материалов, используемых для отделки интерьера, выделяются токсичные вещества, вызывающие сильное отравление организма. Для того, чтобы избежать пожара, необходимо обязательно предусмотреть автоматическую пожарную сигнализацию, средства первичного пожаротушения, а также план эвакуации людей. Таблица 4.4 Нормы первичных средств пожаротушения на действующих предприятиях Еди Помещение, ница сооружение, установка _________________ Огнету шители ОУ-5, ОУ-8 ______ Во , химические, йлок, измерения, ручные ОУ-2, м2 Пенные воздушно- кошма пенные и или жидкостные Административные асбест огнетушители (1 1; здания и сооружения 2 1,5; 2 2м) (а) служебно- бытовые помещения - 1 200 - (б) вычислительные центры, машиносчетные станции, архивы, библиотеки, 1 1 проектно- 100 1 конструкторские бюро (в) типографии, помещения 1 множительных, 1 печатно- 200 - копировальных машин Примечание: 1. К (а) – должно быть не менее двух огнетушителей на этаж. 85 2. К (б) – вместо углекислотных огнетушителей могут устанавливаться порошковые. 3. Помещения, установками оборудованные пожаротушения, автоматическими обеспечиваются стационарными первичными средствами пожаротушения из расчета 50% расчетного количества. Помещение, в котором осуществлялась настоящая дипломная работа, относится к категории (б). Другие факторы. Зрительное и умственное перенапряжение можно уменьшить путем правильной организации рабочего места при работе с компьютером. При работе на ЭВМ необходимо соблюдать правильную посадку. Работающий за видеотерминалом должен сидеть прямо, опираясь в области нижних углов лопаток на спинку стула, не сутулясь, с небольшим наклоном головы вперед (до 5…7º). Предплечья должны опираться на поверхность стола, снимая тем самым статическое напряжение мышц плечевого пояса и рук. Угол, образуемый предплечьем и плечом, а также – голенью и бедром, должен быть не менее 90º. Уровень глаз должен приходиться на центр экрана и оптимальное ее отклонение в вертикальной плоскости должно находиться в пределах 10º. Оптимальный обзор в горизонтальной плоскости от центральной оси экрана должен быть в пределах 15º, допустимый - 30º. При рассмотрении информации, находящейся в крайних положениях экрана ЭВМ, угол рассматривания ограниченный линией взора и поверхностью экрана должен быть не менее 45º. Чем больше угол рассматривания, тем легче воспринимать информацию с экрана видеотерминала и меньше будут уставать глаза. Оптимальное расстояние глаз до экрана монитора должно составлять 60…70 см, допустимое – не менее 50 см. Рассматривать информацию на экране видеотерминала ближе 50 см не рекомендуется. 86 Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются: 1. Осуществление перерыва после каждого академического часа работы длительностью не менее 15 минут, независимо от ее вида; 2. Проведение во время перерыва проветривания помещения (желательно сквозное); 3. Осуществление во время перерыва подвижной паузы в течении 3…4 минут: 4. Через каждые 20…25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз. Комплекс упражнений рекомендуется менять не реже одного раза в 2…3 недели. Уровень неиспользованного рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от экрана и других поверхностей ЭВМ не должен превышать 100 мкР/ч. Напряженность электростатического поля на рабочем месте при работе на видеотерминале должна быть не более 15 кВ/м. В целях предупреждения электрических травм запрещается работать на незаземленных мониторах, а также на мониторах, у которых нарушен внешний вид (повреждена поверхность корпуса и ЭЛТ и т.п.), имеются нехарактерные сигналы, нестабильное изображение на экране ЭДТ и др. Помещения должны быть оснащены устройствами защитного отключения. Электрические розетки, находящиеся на рабочих местах операторов, должны быть расположены в труднодоступном месте. Свободные розетки должны быть закрыты заглушками. Должны быть соблюдены нормы, препятствующие легкому извлечению сетевых вилок из розеток (на розетках устанавливаются защитные кожухи). Средства вычислительной техники должны быть установлены и подключены в строгом соответствии с инструкциями по их эксплуатации и заземлены. Провода электропитания не должны свешиваться со столов или висеть 87 под столами. Должна быть исключена возможность случайного касания ногами проводов или электрических розеток. Операторы не должны иметь легкого доступа к задним панелям видеотерминалов. ЭВМ должны находиться на столах в устойчивом положении, а столы должны быть прикреплены к полу. Средства вычислительной техники должны иметь чехлы, предохраняющие их от пыли. Для снижения пыли в помещении с компьютером рекомендуется: 1) не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной обуви; 2) на входе в помещение необходимо предусмотреть шкаф с полками для хранения портфелей и сумок, или же встроенный шкаф: 3) ежедневно проводить уборку помещения влажным способом и протирать экраны и корпус видеомонитора. 4.3.Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки В дипломной работе инженерный расчет проведен для СВЧ камеры, размерами: длина 1200 мм, ширина 900 мм, высота 600 мм, а рабочая длина волны источника СВЧ энергии 12,24 см при общей СВЧ мощности установки 4 кВт. Основной целью электромагнитной экранировки установки является не допущение воздействия СВЧ – мощности на обслуживающий персонал. Для частот свыше 300 МГц установлена максимальная мощность длительного (несколько часов) воздействия на человека и она равна 10 мкВт . см 2 Экранирование производится металлическими листами. 88 Защитные свойства обусловлены тем, что электромагнитное поле создает на экране токи Фуко, наводящие в нем вторичное поле по амплитуде примерно равное, а по фазе - противоположное экранируемому. Результирующее поле, возникающее при сложении этих двух полей очень быстро убывает в экране, проникая на незначительную глубину. В исследованиях применяется частота 2450 МГц, получаемые выходные мощности находятся в пределах до 4,0 кВт при следующих геометрических размерах камеры СВЧ установки: длина -1200 мм, высота – 600 мм, ширина – 900 мм. Таким образом, в объем резонаторной камеры излучается СВЧ мощность – 4,0 кВт, и следовательно можно определить величину мощности, приходящейся на единицу поверхности камеры: Пизл РСВЧ площадь СВЧ устройства Пизл 4000 Вт 4000 Вт Вт 925 0,2 1,2 0,9м 2 4 0,9 0,6м 2 4,32 м 2 м2 (4.1) Экранирование производится листами из стали, толщиной (z = 4) мм. Величину мощности СВЧ – излучения из СВЧ – устройства можно рассчитать из уравнения [2]: Пизл ( z ) Пизл (0) e 2 z (4.2) В этом выражении: Пизл (0) - плотность мощности излучения внутри установки; Пизл (z ) - плотность мощности излучения из установки; z – толщина металлического стально листа; - постоянная затухания СВЧ – мощности в медном листе. Величина постоянной затухания может быть определена по формуле [2]: f 0 2 (4.3) В этом выражении: 89 f - частота колебаний электромагнитного поля, f 2450 10 6 Гц ; - проводимость меди, ( 0,57 108 1 ); Ом м - относительная магнитная проницаемость стали; Гн 0 - абсолютная магнитная проницаемость 0 4 10 7 ; м 2450 106 100 10 7 4 0,3 107 1 68 104 2 м Пизл ( z ) 925 Вт 5440 e 0 м2 Таким образом, величина СВЧ – мощности, которая излучается из установки равна нулю, и следовательно, удовлетворяет всем требованиям по безопасным условиям работы обслуживающего персонала. В России в настоящее время действуют следующие нормативные документы: 1. ГОСТ 12.1.006 – 84г. “Система безопасных условий труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допускаемые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”; 2. Отраслевые “Правила техники безопасности и производственной санитарии в электронной промышленности”, разделы К, Н, согласованные с Министерством электронной промышленности СССР от 16 февраля 1983 г. Оба указанные документа устанавливают в качестве безопасной нормы, при 8 часовом рабочем дне, уровень плотности потока мощности не более 10 мкВт . см 2 Конструкция СВЧ устройства выполнена из металлических листов, толщиной 4 мм. Толщина металла (4 мм) выбрана исходя из обеспечения необходимой прочности при постановке на верхней крышке 8 источников СВЧ энергии. Каждый источник весит 10 кг. 90 Каждый источник СВЧ энергии крепится к СВЧ установке с помощью 8 болтов с использованием фланцев и специальных контактных пластин, которые препятствуют истечению СВЧ энергии во внешнее пространство. Дверь СВЧ установки также имеет контактные пластины, препятствующие истечению СВЧ энергии во внешнее пространство и показана на рис. 4.3.1. Рис. 4.3.1. Контактные пружинные пластины, препятствующие истечению СВЧ энергии во внешнее пространство. 4.4.Основные требования к помещению для СВЧ – установки Установка является экологически чистой, не содержит вредных выбросов в атмосферу и повышает качество стержневых материалов за счет достижения более однородной структуры. СВЧ – установка для термообработки стержневых материалов изготовлена в исполнении УХЛ и предназначена для работы в сухом помещении, при температуре от +5°С до +40°С; относительной влажности воздуха до 98% при температуре +25°С и более низких без конденсации влаги, атмосферном давлении 745 мм.рт.ст. в среде невзрывоопасной, не содержащей пыли и капель воды в количестве снижающем параметры источников СВЧ – энергии в допустимых пределах. 91 Глава 5 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5.1. Воздействие электромагнитного излучения на человека О вредном воздействии на здоровье человека электромагнитного излучения высоковольтных ЛЭП уже много писали, но, оказывается, наши квартиры, опутанные электрическим кабелем и переполненные бытовыми приборами, не намного безопаснее. Речь пойдет о воздействии на людей магнитных полей, которые создаются некоторыми бытовыми электроприборами, а в основном разнообразным линиями, электротехническим подводящими оборудованием электричество ко всем здания: квартирам, кабельными системами энергоснабжения лифтов. В России не установлены предельно допустимые уровни переменного магнитного поля частотой 50 Гц для населения, поэтому этот вид излучения не контролируется органами санэпидемнадзора в жилищах и для бытовых приборов. А вот в Швеции цифра 0,2 мкТл фигурирует уже в обязательных к исполнению существующих правил, и в них рекомендовано снижать уровень поля, насколько это позволяют сделать современные технические средства. В результате исследований населения в Швеции установлено, что у тех, кто живет в условиях повышенного (более 0,1 мкТл) уровня магнитного поля промышленной частоты, риск развития лейкемии у детей возрастал в 3,6 раза с повышением уровня магнитного поля от 0,1 мкТл до 0,4 мкТл. Споры о воздействии электромагнитного излучения аппаратов сотовой связи на здоровье пользователей ведутся уже несколько лет, при этом самым 92 главным аргументом защитников радиотелефона было отсутствие достоверных экспериментальных данных о связи высокочастотного излучения и заболеваемости. В майском выпуске журнала “ Radiation Research” группа исследователей под руководством доктора Майкла Рипачелли сообщила об экспериментах по облучению лабораторных животных импульсно-модулированным радиочастотным сигналом (900 МГц), соответствующим одному из наиболее распространенных стандартов сотовой связи. Исследование проведено на мышах, методами генной инженерии выведенных для изучения раковых заболеваний. Эти мыши имеют особый ген, вызывающий склонность к образованию лимфомы, и ученые заранее знают, какой процент животных в нормальных условиях окажется больным через любое время. В ходе эксперимента около 100 мышей – самок подвергались облучению дважды в день в течение 30 минут. Через полтора года 43% облученных животных заболело лимфомой, в контрольной группе – только 22%. Эти эксперименты устанавливают статистически достоверную связь между электромагнитным излучением сотового телефона и ростом онкологических заболеваний у подопытных животных. Исследование группы Майкла Рипачелли выполнено квалифицированным коллективом с использованием самых современных методов. Работа проводилась в рамках международного проекта Всемирной организации здравоохранения. Биологическое действие электромагнитных полей, и ее результаты, очевидно, указывают на возможность канцерогенного действия электромагнитных полей, особенно в сочетании с другими канцерогенными факторами. Однако полностью переносить эти результаты на человека пока преждевременно. Провести эксперименты на человеке невозможно, поэтому надо ждать, когда проявятся последствия для здоровья сегодняшних пользователей радиотелефонов. Точно так же в сороковых годах ученые не имели данных об онкологическом воздействии ядерного излучения на человека, хотя опыты на животных достоверно связывали радиацию и рак. Лишь потом, в ходе 93 медицинских наблюдений за жертвами ядерных взрывов и аварий, все данные лабораторных исследований были подтверждены. Результаты исследований доктора Рипачелли являются тревожным сигналом и требуют большой осторожности в использовании техники мобильной связи. Биологическое действие электромагнитных полей зависит, прежде всего, от двух параметров – мощности и частоты излучения. В зависимости от мощности различают тепловое и нетепловое воздействие. Условной границей между этими областями является величина в 10 мВт на квадратный сантиметр облучаемой поверхности. При таком значении мощности ткани могут прогреться на несколько десятых долей градуса. От частоты излучения зависит, насколько хорошо поглощается электромагнитная энергия в теле человека. Например, волны метрового диапазона (40 МГц) слабее поглощаются в тканях, чем волны дециметрового диапазона (900 МГц), а излучение сантиметрового диапазона может полностью “застрять” в живой ткани на глубине в несколько сантиметров. Значение выходной мощности является основной энергетической характеристикой – чем она больше, тем больше уровень электромагнитного поля будет около антенны. Для радиотелефонов ручного пользования мощность находится в пределах от десятых долей Ватта до 10 Ватт. В России уже несколько десятков лет действуют нормы для предельно допустимых уровней радиочастотных излучений. Например, для устройств, работающих в области частот 30…300 МГц была введена предельная напряженность электрического поля волны в 100 В/м. Для частот выше 300 МГц установлена предельно допустимая мощность излучения 10 мкВт на сантиметр квадратный (для облучаемого персонала). Для населения этот уровень меньше в 5,1 раза, без ограничения времени облучения. При использовании любой бытовой аппаратуры в России эти нормы должны соблюдаться. Простейшие оценки показывают, что радиотелефон (например, 900 МГц) с мощностью излучения около одного ватта способен создать в области вашей височной кости плотность мощности в 10…100 раз большую, чем предельно допустимые значения. Заметим, что 94 инструментальные измерения уровней излучения радиотелефонов подтверждают эту печальную картину. Проблему влияния электромагнитного поля радиотелефона на здоровье стали широко обсуждать в США в начале 90-х годов. Именно тогда к производителям аппаратов и владельцам сотовых сетей был предъявлен ряд гражданских исков от родственников людей, активно пользовавшихся при жизни радиотелефоном и умерших от рака мозга. Вся эта история вызвала панику среди пользователей аппаратов сотовой связи, которая и привела в 1993 году к резкому падению курса акций крупнейших компаний, занятых в радиотелефонном бизнесе. Производители провели беспрецедентную компанию по формированию благоприятного общественного мнения: в рекламу были включены сообщения о безопасности продукции, проводились прессконференции ученых, заявившие, что не было отмечено ни одного случая существования угрозы для здоровья от применения сотового телефона. При этом никто не отрицал того факта, что ни одного специального исследования, посвященного проблемам биомедицинских эффектов от радиотелефона к тому времени выполнено не было. Традиционно при рассмотрении биологических эффектов от электромагнитного поля считалось, что основным механизмом воздействия является “тепловое” поражение тканей. Исходя из этого, и разрабатывались стандарты безопасности во многих странах. Однако, в последнее время появляется все большее количество доказательств, что существуют другие пути взаимодействия электромагнитного поля живого организма при интенсивностях поля недостаточных для тепловых воздействий. В числе отдаленных проявлений этих воздействий и раковые, и гормональные заболевания, и многое другое. Кроме того, ученые обратили внимание на комбинированное воздействие малых интенсивностей различных видов воздействий. Практически все мы находимся в условиях одновременного воздействия электромагнитных полей, ионизирующих излучений, химических веществ и прочее. В результате совместного действия всех этих факторов процессы в организме протекают иначе, не так, как это моделировалось в лабораториях для какого-либо одного вредного воздействия. 95 Одна из групп провела в течение месяца эксперимент, в ходе которого 20 добровольцев 6 дней в неделю по 2 часа в день использовали стандартный сотовый телефон, а врачи анализировали их гормональное состояние. В отчете приведены данные об устойчивом снижении тиреотропного гормона, отвечающего за работу щитовидной железы. Хорошо известно, что при снижении функции щитовидной железы уменьшается потребление кислорода, снижается скорость обменных процессов. Внешние признаки этого - прорежение волос, сухая, одутловатая кожа с желтоватым оттенком, хриплый голос. Эксперименты на животных показали, что практически все контрольные системы организма реагируют именно на модулированный сигнал при низкой интенсивности энергии воздействия (100 мкВт/кв.см.) При исследовании теплового воздействия электромагнитного излучения необходимо иметь ввиду тот факт, что ткани живого организма неоднородны. Например, в тканях головного мозга есть участки, которые из-за высокой проводимости способны поглотить значительно большую часть энергии электромагнитного излучения, чем соседние ткани. Возможность такого “локального” перегрева была достоверно установлена еще до изобретения радиотелефона. При превышении некоторых доз (кстати, весьма незначительных) высокочастотного излучения в мозгу подопытных животных наблюдались микроскопические участки, которые были буквально сварены. Не исключено, что подобное явление приведет к раку мозга. Вопрос о воздействии радиотелефонов на здоровье человека остается по сей день открытым. Вывод: Соблюдая предложенную мной технику безопасности и защиту от излучения, сотрудник может без вреда для здоровья находиться на своем рабочем месте и работать с СВЧ - установкой. 96 Глава 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Оценка стоимости разработки микроволнового устройства лучевого типа для термообработки стеклопластиковой арматуры включает в себя следующие основные этапы: 1. Разработка технического задания на микроволновую установку, которое включает в себя такие основные параметры: - выбор конструкции микроволновой установки; разработка модели и метода расчета распределения температуры по длине и по поперечному сечению стержневого материала, расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не должно превышать 5%; - рабочая частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц; - температура материала 180°С, а отклонение температуры от номинального значения не более 10% - мощность микроволновой установки не более 2,4 кВт; - производительность микроволновой установки; 2. Разработка конструкции микроволновой установки, которая включает в себя следующие основные параметры: размеры металлической камеры и запорного устройства, выбор конструкции источника СВЧ энергии и пульта управления. Этот этап работы включает проведение расчета распределения температуры в материале стержня, расположенного в микроволновой установке и ее производительности; 3. Разработка конструкторской документации для изготовления микроволновой установки. Конструкторская документация состоит из двух 97 основных частей: чертежи на микроволновую камеру и чертежи на изготовления источника СВЧ энергии и пульта управления; 4. управления Покупка комплектующих для источника СВЧ энергии, пульта и микроволновой установки, а также изготовление их на профильном предприятии; 5. Производство сборочных работ. Сборка источника СВЧ энергии и сборка микроволновой камеры и пульта управления. 6. Проведение пуско-наладочных работ; 7. Проведение экспериментальных исследований по термообработки стеклопластиковой арматуры. Оценка изготовления металлической камеры для микроволновой установки, размерами: (1200 х 900 х 600) мм и двери с запорным устройством на предприятии составляет 120 тыс. рублей. Оценка изготовления источника СВЧ энергии для микроволновой установки составляет 12 тыс. рублей (на микроволновой установке расположено 4 источника, которые стоят 48 тыс. рублей). Оценка амортизационных и прочих затрат определяется деятельностью конкретного предприятия. 98 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основным итогом дипломной работы является решение актуальной задачи в области создания высокоэффективных СВЧ устройств, формирующих равномерное распределение температуры в материалах различных диаметров с малой теплопроводностью. При решении поставленной задачи в работе разработаны модель, метод расчета, а также научно обоснованные технические решения, которые позволили создать новые СВЧ устройства и реализовать высокоэффективные технологические процессы термообработки стержневых материалов различных диаметров. Основные результаты работы: 1. Предложено микроволновое устройство равномерного распределения температуры по поперечному сечению стержней диаметром (Ø 0,3∙λ), основанный на том, что в качестве нагревательных элементов микроволнового устройства используется сочетание секций волноводных и замедляющих систем и принцип суперпозиции характеристик распределения температуры по поперечному сечению материала; 2. Разработана модель и метод расчета микроволновых устройств термообработки продольным стержней диаметром (Ø 0,3∙λ) малой теплопроводности с взаимодействием, при этом максимальное отклонение экспериментального значения температуры от номинального значения по поперечному сечению материала не превышало 9%, а расхождение теоретических и экспериментальных характеристик не превышало 5%; 3. Получены результаты экспериментальных исследований в периодическом режиме в СВЧ устройствах лучевого типа. Время микроволнового 99 излучения 20 секунд, температура стержня 180 градусов Цельсия. Мощность СВЧ установки составляла 2,4 кВт; 4. Результаты экспериментальных исследований термообработки композиционных материалов показали: - скорость нарастания температуры в материалах в 8-10 раз выше, по сравнению с традиционными способами нагрева; - время набора заданной температуры материалом составляло 65- 90 секунд (время нагрева стержневого материала, диаметром 20 мм в газовой среде до заданной температуры составляло 12-15 минут); - в настоящей работе выполнены условия технологического процесса в периодическом режиме и установлено, при этом затраты электроэнергии при использовании микроволнового электроэнергии при нагрева традиционной на технологии (65-70)% процесса меньше затрат полимеризации композиционного материала; 5. Рассмотрены вопросы экологии, экономики и техники безопасности. 100 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Низкоинтенсивные СВЧ – технологии (проблемы и реализация)/ Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельникова. – М.: “Радиотехника”. 2003. – 112с. 2. А.В. Мамонтов, И.В. Назаров, В.Н. Нефедов, Т.А. Потапова “Микроволновые технологии”. Монография // Москва: ГНУ “НИИ ПМТ”, 2008.308с. 3. Ю.С.Архангельский “СВЧ – электротермия” // Саратов: СГТУ. 1998. – 4. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Выпуск 408с. 10 (1681). Г.Г. Гонтарев, Б.Н. Глазырин, Г.В. Лысов, М.Н. Молохов, Э.В. Перовский, А.П. Пиденко, В.Н. Удалов. Микроволновое технологическое оборудование и приборы // ЦНИИ “Электроника”. Москва. 1992. 5. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов // Саратов: Издательство Саратовского университета. 1983. 6. Окресс Э. СВЧ – энергетика // М.: Мир. 1971. т. 2. 7. Глазырин Б.Н., Литков Б.К., Карпов А.В. Микроволновые установки в народном хозяйстве страны // Тез. докл. VI Всесоюзн. научн.-практ. конф. “Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях”. Саратов. 1991. с. 11. 8. обработки Торговников Г.И. О перспективах использования СВЧ энергии для древесины и древесных материалов//Деревообрабатывающая промышленность. 1989. вып. 5. с.13–15. 9. V. de Janeiro, “European regulations and directives on energy efficiency, renewables and CO2 trading, and impact on electricity”, pg.2 of the Proceedings of the 101 Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 – 12 November 2004). 10. K. Van Reusel, “Energy savings in the chemical industry”, pg.2 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 – 12 November 2004). 11. C. Debard, “Dielectric heating versus other electroheat technologies – some case studies”, pg.3 of the Proceedings of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, Texas, (7 – 12 November 2004). 12. Мамонтов А.В., Нефедов В.Н. “Воздействие концентрированных потоков СВЧ – энергии на процессы полимеризации диэлектрических стержней”. Труды IY межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине” // МГУ, 2003 г., стр.101-105. 13. Мамонтов А.В. Разработка и исследование СВЧ устройств для термообработки диэлектрических материалов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук // Москва. 2005. 14. Девяткин И.И. и др. Замедляющие системы для СВЧ нагрева диэлектрических стержней / /Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1972. № 5. с.106–111. 15. Ю.Н. Пчельников, В.Т. Свиридов. Электроника сверхвысоких частот // Москва: “Радио и связь”. 1981. 16. А.с. № 326940 СССР. Устройство для изготовления колбасных изделий без оболочки / В.Я. Адаменко и др. – Опубл. в Б.И. 1972. № 5. 17. Девяткин И.И. и др. Замедляющие системы для СВЧ нагрева диэлектрических стержней // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1972. № 5. с.106–111. Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Черкасов А.С. 18. “Использование СВЧ энергии для полимеризации стержневых материалов”. Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов 102 “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине” // МГУ, 2008 г., стр. 63-66. 19. Лоик Д.А., Нефедов М.В., Никишин Е.В. “СВЧ – устройство для термообработки диэлектрических стержней”. научно-технической конференции “Актуальные Материалы международной проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2008” // Саратов, СГТУ, стр. 324-327. 20. Патент РФ на полезную модель. № 83379 по заявке № 2008143103/22(056118) от 31.10.2008 г. Авторы: Лоик Д.А., Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В. 103