CC BY
12УДК 621.385.6:62-52
ОСОБЕННОСТИ ГИБРИДНЫХ СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Тухватуллин М.И., Архангельский Ю.С., Ахметшин А.Т.
ФГБОУ ВО Башкирский государственный аграрный университет
Аннотация. В сверхвысокочастотной электротехнологической установке с камерой гибридного типа, применяя сверхвысокочастотную электромагнитную энергию, возможно осуществлять тепловую модификацию диэлектрических материалов и нетепловую модификацию полимерных материалов, в результате которой у обрабатываемых объектов изменяются свойства и параметры быстрее и равномернее, чем при нагреве традиционными способами. В работе предложена конструкция сверхвысокочастотной электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа. Такая конструкция позволяет в одной установке одновременно проводить нетепловую СВЧ модификацию полимерного материала и тепловую СВЧ модификацию диэлектрического материала. СВЧ электротехнологическая установка с рабочей камерой гибридного типа дешевле, занимает меньшую площадь в сравнении с двумя отдельными установками, выпускающими в общей сложности туже продукцию с той же производительностью. Установка имеет максимальный коэффициент полезного действия, максимальную энергетическую и достойную экономическую эффективности, что обуславливает ее применение.
Ключевые слова: электротехнологическая установка с камерой гибридного типа, СВЧ модификация.
Цель исследования. Разработка СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа.
Методы исследования. Тепловая СВЧ модификация проводятся на базе решения согласованной краевой задачи электродинамики и тепломассопереноса, нетепловая СВЧ модификация проводится на базе решения уравнения Максвелла.
Введение. Термообработка диэлектрических материалов и изделий -технологический процесс, который широко применяется в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и быту. Нагрев диэлектрического материала за счет энергии электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты в электромагнитном поле происходит значительно быстрее и равномернее чем при традиционных методах нагрева, так как распространение электромагнитной волны в обрабатываемом диэлектрике происходит с огромной скоростью, а тепловыделение происходит в каждом элементарном объёме обрабатываемого материала [1,9]. Созданием научных основ проектирования и разработкой конструкций СВЧ электротехнологических установок и их элементов занимаются такие ученые, как Архангельский Ю.С. [2]. В последние годы проводятся исследования по применению СВЧ энергии в сельском хозяйстве: Сивяков Б.К. [5], Стеаненко В.В. [6], Хасанов Э.Р. [10], ведутся исследования в области нетепловой СВЧ модификаций Злобина И.В. [4], математическому моделированию СВЧ термообработки Тригорлый С.В. [7], Захаров В.В. [3].
Материалы и методы исследования. В данной работе предложена конструкция СВЧ
электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, в которой одновременно реализуются тепловая СВЧ модификация диэлектрического материала, например, сосновые доски, сено, овощи и нетепловая СВЧ модификация полимерного материала, например, поликапроамидные нити, полимерные масла, зерно в потоке.
На рисунке 1 приведен алгоритм проектирования СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа.
При выборе исходного варианта СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа следует выбирать наиболее простой вариант компоновки установки. На данном этапе приходиться решать задачу определения параметров модифицируемых обетов. Это весьма трудоемкий и ответственный этап проектирования. Определение приближенных значений таких параметров как относительная диэлектрическая проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь обрабатываемых материалов может привести к неприемлемым ошибкам в расчете геометрии рабочих камер и режимов их работы. Параметры нетепловой СВЧ модификации полимеров изучены значительно меньше, и поэтому при проектировании следует проявить особую осмотрительность. В первую очередь нужно знать значения оптимальных напряжённостей еопт , частоты у и времени
нетепловой модификации Топт.
Необходимо знать число СВЧ генераторов м , их мощность р и частоту у (длина волны л). В первом приближении можно записать
V = Л; (1)
5 = (3...6)Л2, (2)
где V и 5 - объём и площадь поверхности нагреваемого диэлектрика; л - длина волны генератора.
Если нетепловая СВЧ модификация выполняется при заданном значении напряженности е , то мощность СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа выбирается с учетом сечения волновода такой, чтобы в этом волноводе выполнялось условие
Е = ЕОПТ . (3)
Длина однородного волновода рабочей камеры нетепловой СВЧ модификации выбирается по следующей формуле
I = 1 ЕОПТ + ДЕОПТ , (4)
2а Е -ДЕ '
ЕОПТ 1ЛЕОПТ
где а-коэффициент затухания в волноводе, частично заполненном обрабатываемым полимером;
деопт - допустимое в нетепловой СВЧ модификации отклонение напряженности е от оптимального значения де .
Рисунок 1 Алгоритм проектирования СВЧ электротехнологической установки
с рабочей камерой гибридного типа Проектирование СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа
базируется на решении тепломассопереноса [2,8]
согласованной краевой задачи электродинамики и
гаги = о +дП; дг
дв.
дг'
гоге = -
ЛпБ = 0; йШ = 0,
да р
— + уЧв = кпЧ 2в + кпЧ 2и + к1?У2 р +; дг сдРд
— + уУи = к21У2в + к22У2и + к2У р; дг
др + уУр = кзу2в + к32У2и + к33V2 р; дг
е = т - т0 ,
(5)
(6)
(7)
где и, е - напряженности магнитного и электрического поля электромагнитной волны; О - плотность тока проводимости (при нагреве диэлектрика о = 0); в, п - магнитная и электрическая индукции электромагнитного поля; Т, т0 -текущая и начальная температуры обрабатываемого объекта; и - удельное влагосодержание обрабатываемого объекта; р - давление водяных паров в обрабатываемом объекте; V - скорость транспортировки обрабатываемого объекта в рабочей камере; к11, к12...к33 - коэффициенты тепломассопереноса;
Руд - удельная мощность, поглощаемая обрабатываемым объектом; сд, рд - удельная теплоемкость и плотность обрабатываемого объекта. Результаты исследования и их анализ.
Структурная схема СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа приведена на рисунке 2.
I I
Источник
СВЧ энергии
220 В 50 Гц
Рабочая камера гибридного типа
СВЧ 1 1 1 1 1 1 1 ч Линия
генератор 1 г* 1 1 1 1 передачи
1 1_ ---------- ---
1— --------- ---
Технологической блок нетеплоЁой СВЧ модификации
РаВочая камера нетеплойои СВЧ модификации
Технологический блок тепловой СВЧ модификации
= ! Система загрузки- йыгрузки
Блик питания !: Система управления
---и--------1
Возв уходуйка или
йозду шная система
Система
загрузки-
йыгрузки
Вспомогательное оборудование
I____________________________________________________
Рисунок 2 Структурная схема СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа
Конструкция СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа, приведенная на рисунке 2, выпускает два вида продукции, ее экономическая эффективность выше, чем у отдельно взятой установки нетепловой или тепловой СВЧ модификации, а ее коэффициент полезного действия, то есть энергетическая эффективность, равен максимально достижимой величине.
В установке можно проводить модификацию поликапроамидных нитей, от чего у нитей увеличивается прочность на разрыв, тепловую СВЧ модификацию жидкостей в потоке, от чего у нее уменьшается вязкость.
Поперечные сечения рабочих камер технологических блоков СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа приведены на рисунке 3.
жидкость
а б
Рисунок 3 Поперечные сечения рабочих камер технологических блоков СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа:
а - прямоугольный волновод со слоем обрабатываемых нитей; б - камера с бегущей волной на круглом нерегулярном волноводе, частично заполненном обрабатываемым объектом
Нетепловая СВЧ модификация длиться считанные секунды, а потому рабочая камера нетепловой СВЧ модификации должна работать в методическом режиме, тепловая СВЧ модификация проводится в том же режиме. Периодический режим работы потребует выключение источника СВЧ энергии, при остановке нетепловой СВЧ модификации полимера, а это приведет к появлению начального и конечного брака продукции.
Заключение.
Предложена конструкция нового типа СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, позволяющая проводить одновременно нетепловую СВЧ модификацию полимерного материала и тепловую СВЧ модификацию диэлектрического материала.
СВЧ электротехнологическую установку с рабочей камерой гибридного типа предлагается использовать вместо отдельных СВЧ электромагнитных установок, реализующих только нетепловую СВЧ модификацию полимерного материала или тепловую СВЧ модификацию диэлектрического материала.
Предлагаемая СВЧ электротехнологическая установка с рабочей камерой гибридного типа имеет ряд существенных преимуществ. Для реализации нетепловой и тепловой СВЧ модификаций в ней используется всего лишь один СВЧ генератор, то есть она потребляет меньше электроэнергии чем две отдельные СВЧ электротехнологические установки
нетепловой и тепловой СВЧ модификаций. Следовательно, СВЧ электротехнологическая установка с рабочей камерой гибридного типа дешевле двух отдельных СВЧ установок, производящих туже продукцию, дешевле обходится ее эксплуатация и она занимает меньшую площадь.
Оставшаяся после нетепловой модификации СВЧ мощность в СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, поступает в рабочую камеру тепловой СВЧ модификации, где расходуется на термообработку диэлектрического материала, так что КПД всей установки по использованию СВЧ энергии оказывается высоким и определяется главным образом типом рабочей камеры тепловой СВЧ модификации. Если это камера с бегущей волной, то этот КПД достигает порядка 98%. В предлагаемой СВЧ электротехнологической установке с рабочей камерой гибридного типа в результате использования нетепловой модификации в 10...50 раз ускоряется отверждение эпоксидных компаундов, в 1,5 раза увеличивается прочность на разрыв поликапроамидных нитей. В технологическом блоке тепловой СВЧ модификации могут быть использованы камеры с бегущей волной, камеры лучевого типа, камеры меандрового типа, то есть любая из известных сегодня рабочих камер, что дает возможность проводить нетепловую СВЧ модификацию объектов разных габаритов и с разными параметрами.
Список использованных источников:
[1] Aipov R.S. Process unit for drying sawn timber rotating in the ultra high frequency field with a discrete arrangement of magnetrons / R.S. Aipov, 1.1. Gabitov, M.I. Tuhvatullin, A.V. Linenko, M.F. Tuktarov, A.T. Akhmetshin // Bulgarian Journal of Agricultural Science, 25 (Suppl. 2), pp. 3-11. 2019.
[2] Архангельский Ю.С. Измерения в СВЧ электротехнолгических установках [Текст] / Ю.С. Архангельский, С.Г. Калганова, Р.К. Яфаров. - Саратов: Амирит, 2018. - 322 с.
[3] Захаров В.В. Численное моделирование процессов СВЧ термообработки диэлектриков большой площади с применением СВЧ установок методического действия [Текст] / В.В. Захаров, С.В. Янкин, С.В. Тригорлй // Вопросы электротехнологии, 2018. -№3(20). - С. 36-41.
[4] Злобина И.В. Низкотемпературная упрочняющая модификация отвержденных полимерных композиционных материалов в СВЧ электромагнитном поле [Текст] / И.В. Злобина. // Вопросы электротехнологии, 2018. - №4(21). - С. 16-23.
[5] Сивяков Б.К. Математическое моделирование многоволновой СВЧ установки для сушки продуктов [Текст] / Б.К. Сивяков, С.В. Григорьян // Вопросы электротехнологии, 2019. №4 (25). - С. 5-11.
[6] Степаненко В.В. Дезинсекция пищевых продуктов энергией СВЧ электромагнитного поля [Текст] / В.В. Степаненко, В.Ю. Кажевников // Вопросы электротехнологии, 2017. - №4(17). - С.19-22.
[7] Тригорлый С.В. Численное моделирование процессов плавления диэлектриков в СВЧ установках лучевого типа [Текст] / С.В. Тригорлый, В.В. Захаров, В.С. Алексеев // Вопросы электротехнологии, 2019. - №2(23). - С. 13-19.
[8] Tuhvatullin M.I. Microwave drying of wood, mathematical simulation of rotating lumber in the SHF field / M.I. Tuhvatullin, R.S. Aipov, A.V. Linenko, R.R. Galiullin, T.I. Kamalov // International Journal of Advanced Science and Technology, vol. 28. №9 (2019). Pp. 208-218.
[9] Тухватуллин М.И. Результаты экспериментальных исследований сушки пиломатериалов в СВЧ-установке [Текст] / М.И. Тухватуллин // Вопросы электротехнологии.
- 2019. - № 4. - С. 50-56.
[10] Хасанов Э.Р. Влияние режимов обработки токами СВЧ на обеззараживание и стимуляцию прорастания семян с последующей инкрустацией [Текст] / Э.Р. Хасанов // Вестник Башкирского ГАУ.- 2015.-№ 3 (35).- С.77-81.
ТухватуллинМидхат Ильфатович, к.т.н., старший преподаватель кафедры электроснабжения и автоматизации технологических процессов ФГБОУВО Башкирский государственный аграрный университет e-mail: midhat.tuhvatullin @ mail. ru Архангельский Юрий Сергеевич, доктор технических наук профессор, заслуженный
деятель науки РФ.
Ахметшин Артур Талгатович, к.т.н., доцент кафедры электроснабжения и автоматизации технологических процессов ФГБОУ ВО Башкирский государственный аграрный университет e-mail: artur-2506@mail.ru.
FEATURES OF HYBRID MICROWAVEELECTRICAL INSTALLATIONS Tukhvatullin M.I., Arkhangelskiy Yu.S., Akhmetshin A.T.
Abstact. In an ultra-high-frequency electrical installation with a hybrid-type chamber, using ultra-high-frequency electromagnetic energy, it is possible to carry out thermal modification of dielectric materials and non-thermal modification of polymer materials, because of which the properties and parameters of the processed objects change faster and more uniformly than when heated by traditional methods. The paper proposes the design of an ultra-high-frequency electrotechnical installation with a hybrid-type working chamber. This design makes it possible to simultaneously carry out non-thermal microwave modification of a polymer material and thermal microwave modification of a dielectric material in one installation. A microwave electrotechnical installation with a hybrid-type working chamber is cheaper and takes up less space in comparison with two separate installations that produce the same products with the same productivity in total. The installation has the maximum efficiency, maximum energy and worthy of economic efficiency, which determines its use.
Key words: electro technical installation with a hybrid-type chamber, microwave modification.
Tukhvatullin Midkhat Ilfatovich, candidate of technical sciences, senior lecturer Department of Power Supply and Automation of Technological Processes Bashkir State Agrarian University email: midhat.tuhvatullin@mail.ru. Arkhangelsky Yuri Sergeevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Scientist
of the Russian Federation. Akhmetshin Artur Talgatovich, candidate of technical sciences, senior lecturer Department of Power Supply and Automation of Technological Processes, Bashkir State Agrarian University email: artur-2506@mail.ru.
