"Микроволновые устройства термообработки стержневых материалов с низкой теплопроводностью (стр. 1 )

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

Руководитель ВКР

Профессор, профессор

Консультант

Доцент

Москва, 2013

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

______________ / /

«___» ____________ 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 руководи

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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 , 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.

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 ______________________ / /

(подпись)

Консультант _____________________ / /

(подпись)

7. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г.

Руководитель ВКР ________________________ / /

(подпись)

Задание принято к исполнению _____________________ / /

(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.

ОГЛАВЛЕНИЕ

АННОТАЦИЯ............................................................................................... 6

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 7

ГЛАВА 1 СВЧ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГРЕВА СТЕРЖНЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ 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

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......................................................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................

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 построения микроволновых устройств равномерного распределения температуры 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. Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств термообработки 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.

ВВЕДЕНИЕ

Использование энергии микроволнового излучения для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии .

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 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 [9-12] . 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 и большими значениями диаметров материалов (Ø 0,3∙λ). В этой связи, наиболее целесообразно нагрев строительных материалов в виде 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 с низкой теплопроводностью, требуемыми 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 и диаметром (Ø 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;

- 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 равномерный нагрев стержневых материалов, диаметром (Ø 0,3∙λ), за счет суперпозиции характеристик распределения 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.

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 устройств для равномерного нагрева стержневых строительных материалов, 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:

1. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован метод построения микроволновых устройств, который позволяет реализовать равномерное распределение температуры в 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 температуры в центре материала, и секций замедляющих систем, 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;

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 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.

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 микроволновых устройств, предназначенных для технологических процессов термообработки композиционных материалов, используются 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 материалов отражены в материалах международных конференций. Одним из наиболее представительных международных съездов специалистов в области микроволновых технологий является конгресс по применению энергии микроволнового излучения в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицины.

На этих конгрессах рассматриваются наиболее перспективные направления развития микроволновых технологий, в частности: энергетическая эффективность микроволновых технологий; термообработка керамики, полимеров, стекла и минералов; 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 направлений применения микроволновой энергии, в которых сочетается экономическая эффективность с 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].

Оценка эффективности микроволнового технологического процесса производства полимерных композитных строительных материалов проводится по следующим основным параметрам: механическая прочность; время обработки; изменение микроструктуры материала; температурная стойкость материалов; 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 на снижение отклонения температуры в материалах от номинального значения температуры с малой теплопроводностью и увеличенными размерами поперечных сечений обрабатываемых материалов по отношению к выбранной длине волны источника СВЧ энергии.

Отклонением температуры материала от номинального значения температуры материала определяется соотношением

, (1.1)

где - 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 производительности, обрабатываемые диэлектрические материалы 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).

В работе [15] предложено микроволновое устройство полимеризации капроновых канатов с использованием спиральной замедляющей системы. На рис. 1.2.1 показано продольное сечение микроволнового устройства.

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 , длина спиральной 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 , рабочая частота колебаний электромагнитного поля источника СВЧ энергии составляет 2450 МГц, а диаметр сосисок – 20 мм.

На рис. 1.2.2 представлено продольное поперечное сечение микроволнового устройства, которое может использоваться также и для термообработки различных движущихся стержневых материалов.

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 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 , распределение температуры по радиусу стержня имеет вид:

, (1.2)

где - температура в материале на оси круглого волновода;

. (1.3)

Максимальное значение отклонения температуры в стержне от номинального значения температуры по радиусу стержня определяется в виде:

. (1.4)

При использовании замедляющих систем, распределение температуры по радиусу стержня определяется в виде:

, (1.5)

где - температура на поверхности стержня.

Максимальное значение отклонения температуры по радиусу стержня от номинального значения температуры стержня определяется в виде:

. (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

Следовательно, необходимо разработать такие конструкции микроволновых устройств равномерного нагрева 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 значений постоянной затухания энергии электромагнитного поля в обрабатываемом однородном материале с диэлектрическими потерями для микроволнового устройства в режиме бегущей волны воспользуемся методами теории поля для произвольной конструкции электродинамической системы.

Поместим произвольную электродинамическую структуру в изотропную среду с диэлектрическими потерями, которая характеризуется материальными известными уравнениями [2-3]:

, (1.7)

где: – абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;

– плотность тока проводимости;

– векторы напряженности электрического и магнитного поля;

– 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:

(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:

. (1.9)