CC BY
37
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 621.365 Лившиц Александр Валерьевич,
канд. техн. наук, доцент, зав. каф. ТРТСиМ ИрГУПС, г. Иркутск,
тел.: 638395-362, e-mail: [email protected] Машович Андрей Яковлевич, канд. техн. наук, доцент, каф. «Промэкология и БЖД», ИрГТУ, г. Иркутск, тел.: 89500620622, e-mail: [email protected] Филиппенко Николай Григорьевич, ст. преподаватель каф. ТРТСиМ ИрГУПС, г. Иркутск, тел.: 638395-149, e-mail: [email protected]
АСПЕКТЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
A.V. Livchitc, A.J. Machovich, N.G. Filippenko
ASPECTS OF ELECTROTHERMAL PROCESSING OF MATERIALS BY A HIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD
Аннотация. Статья ставит задачу дать физические представления о работе электротермического оборудования, с целью расширения возможностей его применения в области транспортного машиностроения для повышения эффективности использования полимерных материалов. Дать сравнительный анализ результатов высокочастотного и сверхвысокочастотного нагрева. Определить область использования каждого типа оборудования и выдвинуть предложения по его модернизации путем создания автоматизированной системы управления.
Ключевые слова: высокочастотный нагрев, недостатки, автоматизация, электротермическая обработка.
Abstract. The article puts a task to give physical representations of work of the electrothermal equipment, with the purpose of expansion of opportunities of its application in the field of transport mechanical engineering for increase of efficiency of use of polymeric materials. To give the comparative analysis of results of high-frequency and super-high-frequency heating. To define the area of use of each type of equipment and to put forward the suggestions on its modernization, by creation of the automated control system.
Keywords: high-frequency heating, lacks, automation, electrothermal processing.
Появление мощной высокочастотной (ВЧ) и сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники позво-
ляет создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить.
Электротермическая обработка материалов использует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний, без понимания физических процессов которых сложно разобраться в воздействиях электромагнитной волны (ЭМВ) на материал, причем достаточно учитывать лишь макроскопические свойства диэлектрической среды, описываемые с позиций классической физики.
Электромагнитное поле состоит из неразрывно связанных друг с другом электрического и магнитного полей, вектора напряженности которых перпендикулярны друг другу и к направлению распространения волны.
Таким образом [1], любая электромагнитная волна характеризуется тремя векторами:
1. E - вектор напряженности электрического поля;
2. H - вектор напряженности магнитного поля;
3. P - вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова - Пойнтинга).
Р = [ё-И] . (1)
В зависимости от частоты различают ЭМ-волны: радио- (V = 104-106 Гц), УКВ- (V = 107-108 Гц), СВЧ- (V = 1011-109 Гц), инфракрасного (V = 1014-10 12 Гц), видимого (V = 1015-1014 Гц), ультрафиолетового (V = 1017-10 15 Гц), рентгеновского (V = 1019-10 17 Гц) и гамма- (X > 0,1 мм,
иркутским государственный университет путей сообщения
V > 10 Гц) диапазонов. Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе, причём они переносят не вещество, а энергию. При этом перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны.
Электромагнитная волна любой частоты, попав в вещество, затухает по закону Бугера:
I = 10 (I - Я)-е~2кх, (2)
где 10 - интенсивность падающей ЭМ волны; Я -коэффициент отражения; х - толщина слоя поглотителя; к - коэффициент поглощения ЭМ-энергии в среде.
Чем больше коэффициент поглощения среды, тем меньше расстояние х, на протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, т. е. быстрее протекает затухание колебаний.
Поглощенная материалом энергия электромагнитной волны в итоге передается атомам вещества и расходуется на нагревание образца.
Нагрев непроводниковых (диэлектрических и полупроводниковых) материалов обусловлен диэлектрическими потерями за счёт потерь, обусловленных сквозной электропроводностью и релаксационными (медленными) видами поляризации.
Диэлектрические потери за счёт электропроводности возникают в результате выделения тепла Джоуля при прохождении через диэлектрик сквозного тока.
Причиной возникновения релаксационных диэлектрических потерь являются медленные виды поляризации. К ним относятся дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации. В присутствии электрического поля полярные молекулы ориентируются, а ионы смещаются в направлении сил поля. При этом энергия электрического поля превращается в кинетическую энергию частицы. В результате увеличивается амплитуда и частота колебаний поляризующихся частиц, избыточная кинетическая энергия передаётся окружающим атомам среды, что эквивалентно нагреву материала. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то при каждом изменении поля внутри материала будет генерироваться некоторое количество тепла. Чем чаще изменяется направление поля, т. е. чем выше его частота, тем больше тепла выделится в диэлектрике за единицу времени.
Удельная мощность, выделяющаяся в единице объема диэлектрика, может быть определена по формуле [2]:
Руд = 5,53-1011 -Е2 -/-е-(3)
где Руд. - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см3; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц; е - относительная диэлектрическая проницаемость; tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь.
Для большинства сред наблюдается тенденция роста удельной мощности Руд. с увеличением частоты вплоть до субмиллиметрового диапазона. Однако отсюда не следует, что этого обстоятельства достаточно, чтобы выбрать частоту термообработки.
С увеличением частоты генератора уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в нагреваемую среду, т. к. диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и Руд. являются функциями от частоты (/) излучения. Отсюда зависимость Руд. от f носит нелинейный характер. Это объяснение можно дополнить понятием скин-эффекта (поверхностный эффект). Переменный ток высокой частоты при протекании в проводнике распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
С точки зрения электродинамики, деление сред на диэлектрики и проводники относительно, так как принадлежность среды к одному из этих классов зависит от частоты и электрофизических параметров среды.
Подтверждение этой же закономерности нашлось в приведенных таблично-графических расчетах рис.1, рис.2 и в работах [3], где отмечено, что для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, сосисочный фарш и пр.), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны более 0,1^, особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам, электрическое СВЧ-поле, а следовательно и нагрев по сечению могут быть крайне неравномерны.
Для технологических целей важно знать область основного поглощения ВЧ-энергии материалом. Эта величина обозначается через А и соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность электромагнитного поля уменьшается в е раз по сравнению с её значением на поверхности:
Д =---, (4)
2^-f - tgS
где с = 299 792 458 ± 1,2 м/с. В большинстве случаев (обычно) скорость - и групповая, и фазовая -распространения электромагнитного излучения в веществе отличается от таковой в вакууме очень незначительно, на доли процента [4].
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
6000,00
со
Ш 5000,00
га
к ^
£ 4000,00
т
о
X
13000,00
—ж— Полиэтилен (высокого давления)
(ПЭВД)
ч (П ЭНД) листирол (ПС) липропилен П)
\
\ (П
сх.
\
Частота и — В злучения ЭМВ -В- -В- -И-
Рис. 1. Расчетная глубина проникновения ЭМВ в полярные диэлектрики
Кремнийорганическая резина Поливинилхлорид (ПВХ) Поливинил хлоридный пластикат Фторопласт-2М Текстолит
~Частота излучения ЭМВ
а
-о-
433,92 МГц
866МГц
915МГц
2375МГц
2450МГц
5800МГц
22125МГц
Рис. 2. Расчетная глубина проникновения ЭМВ в неполярные диэлектрики
Согласно [2], глубина проникновения электромагнитной волны в нагреваемую среду рассчитывается:
X
8е =■
(5)
-1)
Различия полученных результатов при использовании формул (4) и (5) незначительны, поэтому авторами было принято решение принять за основу формулу (4), основываясь на её простоте. Вышеприведенные формулы справедливы для любых размеров и любой формы электродов, в любом поле. Тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость представляют собой основные параметры материала и в свою очередь зависят от частоты поля и температуры материала.
Исходя из изложенного, можно говорить о существенных ограничениях в процессе электротермического нагрева: выбрав достаточно высокую частоту для увеличения Руд. (для ускорения процесса термообработки), можно не получить ожидаемого тепловыделения в глубине нагреваемой среды и даже перегреть ее наружный слой [2].
Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество уменьшается с увеличением частоты f а выделяемая тепловая энергия повышается. Исходя из этого, рабочая частота для электротермических установок должна быть выбрана из компромиссных соображений.
В диапазоне частот 20-30 МГц, применяемом для высокочастотного нагрева диэлектрических материалов, глубина проникновения исчисляется десятками метров и обычно превышает линейные размеры материала, что дает положительный эффект равномерности нагрева по всему объему материала, что подтверждается расчетно-графическими данными рис. 1, рис. 2.
Промышленные технологические среды представляют собой сложный конгломерат различных веществ, структур, и в литературе отсутствуют данные, характеризующие электрофизические свойства таких сред, а имеющиеся сведения о механизме диэлектрических потерь противоречивы [5].
Природа этих противоречий кроется в следующем.
1000,00
0,00
40.68М1 ц
иркутским государственный университет путей сообщения
Публикуемые данные не соответствуют фактическим, т. к. технологические процессы производства претерпели изменения. На рынок пришли новые производители. География поставщиков в значительной мере сместилась на Восток, и материалы сложно классифицировать по привычным и применяемым у нас стандартам.
Это подтверждается расчетно-графическими данными. Для расчетов глубины проникновения ЭМВ в материалы были выбраны диэлектрики, имеющие максимальные электрофизические показатели со значительными физико-химическими различиями. Были произведены расчеты по ряду частот, используемых в промышленности при процессах ВЧ- и СВЧ-электротермии.
Из полученных данных видно, что наблюдается устойчивая тенденция к снижению глубины проникновения ЭМВ в материал, вплоть до нулевой, с увеличением частоты волны, а разность данных по полярным и неполярным материалам достигает нескольких порядков.
Авторами были получены и экспериментальные подтверждения расчетных данных, в частности по нагреву масло-бензостойкого пластиката марки ОМБ-60, ГОСТ 5960-98. Пластикат является одним из основных изолирующих материалов в электросиловых цепях ОАО РЖД. Воздействие на него ВЧ- и СВЧ-волн в процессе эксплуатации является одним из малоисследованных факторов. Результаты экспериментальных данных, из которых видно, что при нагреве в ВЧ-поле происходит значительное увеличение температуры материала и практически не наблюдается его разогрева в СВЧ-поле, приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1 Нагрев ВЧ и СВЧ ЭМВ пластиката марки ОМБ-60
ПВХ пластиката марки 0МБ-60 Вре мя, сек. Мощность, ватт Температура нагрева (начальная 20 0С)
ВЧ-нагрев, частота 27,12 МГц 30 700 34
45 700 48
60 700 62
СВЧ-нагрев, частота 2450 МГц 30 700 20
45 700 20
60 700 21
Итак, если использовать нагрев диэлектрика с помощью СВЧ-энергии, то из-за непрохождения волны вглубь объекта преобразование СВЧ электромагнитных колебаний в теплоту в подав-
шшт
ляющем большинстве случаев происходит на поверхности используемого материала, что является основным недостатком СВЧ-излучения.
Также к недостаткам СВЧ-установок промышленного типа можно отнести следующее:
- Технически сложно обеспечить регулирование мощности СВЧ-установок. Изменение суммарной мощности создается периодическим отключением самого генератора, а такой циклический режим работы оборудования в значительной степени сказывается на КПД установок. Пиковые нагрузки в момент включения-отключения снижают надежность и срок эксплуатации самой установки.
- Практически невозможно в динамике отслеживать изменение физико-химических свойств обрабатываемого материала в СВЧ-установках, т. к. снятие параметров СВЧ-излучения непосредственно в камере - крайне сложный и дорогостоящий процесс.
- Невозможно изменение частотных характеристики СВЧ-установок в допустимых диапазонах. Конструкция СВЧ-генераторов (магнетронов, клистронов и др.) рассчитана только на определенную длину волны.
- Объемы загрузки камер СВЧ-установок и мощность излучения - не взаимосвязанные величины, т. е. независимо от количества, а иногда и от качества загрузки камеры СВЧ, генератор будет выдавать за период работы одну и туже мощность.
- Степень воздействия на материал в СВЧ-установках - слабоконтролируемая технологическая операция (например, при сушке), что зачастую приводит к перегреву материала
- СВЧ-излучение, в отличие от ВЧ, более «жесткое», что является вредным фактором БЖД. При коротких диапазонах сверхвысоких частот все рабочие места находятся в волновой зоне и на них действует сформированный поток электромагнитных волн, а при относительно длинных волнах электромагнитное поле рабочих мест, расположенных вблизи источников излучения, еще не сформировано [6].
При оптимально подобранном режиме ВЧ диэлектрический нагрев имеет преимущества:
1. Равномерность нагрева всего объема материала. Этому есть две причины:
• Первая - источники тепла находятся внутри тела, а не на его поверхности, как это имеет место при СВЧ- и конвекционном нагреве. В результате при диэлектрическом нагреве градиент температур направлен равномерно из материала, что облегчает массоперенос из внутренних слоев к наружным. Этот факт обеспечивает многократное ускорение
различных термостимулированных процессов: сушка древесины, полимеризация, спекание керамики и т. д.
• Вторая - интенсивность ВЧ-волны во всем объеме материала постоянна, т. е. температура в каждой точке объёма образца одинакова. В СВЧ-нагреве градиент температур смещен к поверхности материала.
2. Избирательность: наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими диэлектрическими потерями, например влага в древесине, высокопроводящие фазы в керамике, клеевые растворы, вредные насекомые в злаковых культурах, а мощность генерируемой энергии, следовательно и интенсивность воздействия, ослабевает с окончанием процесса. Таким образом, можно активизировать только нужные процессы. На этом принципе построены такие ВЧ-технологии, как дезинсекция, склейка, спекание и модифицирование керамики, сушка влажных изделий.
3. Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери ВЧ-энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.
В гетерогенных структурах высокочастотная обработка, как правило, приводит к возникновению больших градиентов температуры между фазами. Данный эффект стимулирует массоперенос, который стремится уменьшить неоднородность структуры. Таким образом, ВЧ-отжиг позволяет значительно улучшить свойства материалов за счет гомогенизации их строения. Наконец, к позитивным особенностям ВЧ-нагрева следует отнести возможность изменения скорости нагрева образца в очень широких пределах. [7]
Наряду с достоинствами ВЧ диэлектрического нагрева существует и ряд недостатков.
Из приведенных формул следует, что нагрев диэлектриков в электромагнитном поле зависит от частоты и напряженности электрического поля, а также от электрических параметров материала. Скорость нагрева материала пропорциональна выделяющейся в нем мощности. Увеличить скорость нагрева посредством изменения фактора потерь нельзя, так как этот фактор является постоянной величиной, характеризующей сам материал. Логи-
чески сделать вывод, что для более эффективного увеличения скорости нагрева остается практически одна возможность - повышение напряженности электрического поля, т. к. увеличение частоты [1] не всегда приводит к желаемому результату. Повышение напряженности электрического поля имеет свой конечный предел, так как это приводит к пробою диэлектрика.
При пробое резко возрастает электропроводность диэлектрика в электрическом поле, напряженность которого превышает т. н. электрическую прочность, и происходит образование проводящего канала в диэлектрике. Пробой диэлектриков может сопровождаться их разрушением.
По этим причинам брак готовой продукции достигает 20 %., а вследствие тепловых потерь в электроды и околошовную зону невысоким является и термический КПД процесса [8].
Эту ситуацию возможно изменить, используя лабораторные установки для контроля параметров материалов, применяемых при технологических обработках в электротермических установках, но промышленный выпуск лабораторных установок ВЧ-типа в нашей стране не налажен, несмотря на доказанную актуальность вопроса и очевидное превосходство электротермических процессов: нетеплового воздействия, полимеризации, разогрева, сушки, сварки - по сравнению с традиционными.
В результате проведенного анализа состояния вопроса были поставлены задачи по необходимости создания лабораторной установки для исследований технологических процессов электротермических установок с автоматизированной системой процесса управления. При выборе предпочтительной частоты ВЧ-излучения, согласно анализу расчетных и экспериментальных данных, авторами была принята разрешенная к использованию в установках промышленного типа (Постановление Правительства РФ от 25.07.2007 № 476) частота 27,12 МГц, которая позволяет в максимально-возможных пределах (см. табл. 1, рис. 1, 2 зона №1), производить обработку исследуемых материалов.
Внедрение автоматизированной ВЧ-установки позволит расширить возможности ва-гонно-локомотивостроительных и ремонтных предприятий в области создания и упрочнения полимерных материалов, лакокрасочных покрытий и других современных технологических процессов. Исходя из «реформирования» электроэнергетики, согласно Постановлению правительства РФ № 530, и перехода на рыночные стоимостные показатели продажи энергии (которые возросли только с 2010 по 2011 год на 210 %) применение ВЧ-
иркутским государственный университет путей сообщения
оборудования даст значительный экономический эффект. Принимая во внимание изложенное, исследования в данном направлении представляются весьма актуальными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Княжевская Г. С., Фирсова М. Г., Килькеев Р. Ш. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. - Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 251 с. - (Б-чка высокочастот-ника-термиста).
2. Калганова С. Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле : дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук / Саратов. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2009. - 272 с.
3. Изюмова Т. И., Свиридов В. Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. - М. : Энергия, 1975. - 463 с.
4. Физические величины : справ. / А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина А. М. Братковский и др. ; под
ред. И. С. Григорьева. М. : Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
5. Гетерогенно-каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона : моногр. / Даминев Р. Р., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Рахман-кулов Д. Л. - М. : Химия, 2006. - 144 с.
6. Электромагнитные волны [Электронный ресурс] // Охрана труда. - URL : http://ohrana-bgd.narod.ru/elmag1.html (дата обращения: 18.03.2011), свободный. - (Дата обращения 06.06.2011).
7. Основы электротехнологий: практикум / Анненков Ю. М., Михайлов М. М., Шарафутдино-ва В. В., Меркулов В. И. - Томск : Изд-во ТПУ, 2005. - 104 с.
8. Румынский Н., Юленец Ю. П. Автоматизация процесса высокочастотной сварки корпусов щелочных аккумуляторов : сб. науч. тр. по хим. источникам тока. - СПб. : Химиздат, 2004. -139 с.
УДК 519.6:311 Краковский Юрий Мечеславович,
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ИС ИрГУПС, тел. 89149269992
Михайлова Елена Александровна,
соискатель, Читинский институт БГУЭП, тел. 89244775555
МНОГОФАКТОРНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА ПРИМЕРЕ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ
Y.M. Krakovsky, E.A. Mikhaylova
MULTIFACTOR PREDICTION OF POLLUTANT EMISSIONS ON EXAMPLE OF THE BAIKAL TERRITORY
Аннотация. Приводятся обоснование, математическая постановка, методы оценки нелинейных прогнозных моделей задачи прогнозирования, когда помимо многофакторной регрессионной модели по каждому фактору создаются прогнозные модели на основе временных рядов. По последним моделям делаются прогнозы, результаты которых используются в многофакторной модели.
Ключевые слова: прогнозирование, выбросы загрязняющих веществ, мониторинг.
Abstract. Includes justifications, mathematical formulation, methods for evaluating nonlinear models of the problem of prediction, when in addition to multi-factor regression model for each factor predictive
models based on time series are created. According to the latest models some predictions are made, the results of which are used in the multivariate model.
Keywords: prediction, pollutant emissions, monitoring.
Введение
На техническое состояние атмосферного воздуха значительное влияние оказывают выбросы загрязняющих веществ от действующих на территории предприятий различных сфер деятельности. В литературе этот процесс называют «выбросами загрязняющих веществ, отходящих от различных источников народного хозяйства» [1].
