Главная » 2014 » Июль » 30 » Скачать Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов. Бубнов, Александр Владимирович бесплатно
03:45
Скачать Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов. Бубнов, Александр Владимирович бесплатно
Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов
Диссертация
Автор: Бубнов, Александр Владимирович
Название: Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов
Справка: Бубнов, Александр Владимирович. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов : диссертация кандидата технических наук : 05.13.06 Санкт-Петербург, 2004 113 c. : 61 04-5/3562
Объем: 113 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2004
Содержание:
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВЬСА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 2 ЭКСПЕРРШЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ ТЕРМООБРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ
21 Экспериментальное исследование поля температур в однородных материалах и двухслойных структурах
Введение:
Развитие технического прогресса в условиях рыночных отношений в экономике диктует концепцию существенного повышения эффективности производства и улучшения качества выпускаемой продукции на основе передовых достижений науки и техники, интенсификации производства, широкого внедрения автоматизированных систем управления. К числу научных направлений, призванных обеспечить, качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на применении ЭМ-методов воздействия на различные технологические процессы.К числу ЭМ-методов воздействия относится сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев. В силу особых физических преимуществ (быстрый и управляе-^ мый прогрев материала' в объеме вне зависимости от его геометрических, размеров, формы и коэффициента теплопроводности, отсутствие тепловой инерции нагревателя, отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах) СВЧ-нагрев наряду с высокочастотным (ВЧ) нагревом позволяет по-новому решать, задачи термической обработки и; сушки материалов. Если в отношении эффективности использования СВЧ-нагрева в технологических процессах производства материалов. и изделий, как правило, каждый раз (при замене традиционной технологии на нетрадиционную) требуется конкретное техникоэкономическое обоснование, то иначе обстоит дело с принципиально новыми технологиями. К числу таких, принципиально новых технологий относится СВЧ-технология термообработки, ставящая своей целью уничтожение грибков и вредителей. Технология применима как для диэлектрических материалов в строительных конструкциях (стены, полы, потолки из штукатурки, древесины, кирпичной кладки в различных сочетаниях), так и для предметов бытового назначения и произведений искусства (мебель, деревянные рамы старинных картин, книги). Конечно, технико-экономическое обоснование желательно и в этом случае. Только проводить сравнение с традиционной технологией не представляется возможным, ввиду ее отсутствия.СВЧ-нагрев в поле плоской ЭМ-волны (аппаратурное оформление процесса - СВЧ-генератор с рупорным излучателем) позволяет эффективно проводить термообработку, а также сушку диэлектрических материалов в строительных конструкциях жилых и производственных помещений, как на поверхности, так и в глубине. При этом время прогрева до требуемых температур составляет несколько минут.Тем не менее, практической СВЧ-установки для данного назначения в России до сих пор не создано. К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: неизученность технологических режимов процессов СВЧтермообработки и сушки в строительных материалах и конструкциях, в том числе при их различной влажности и при различных сочетаниях составляющих материалов (штукатурка-дерево, штукатурка-кирпичная кладка), отсутствие неразрушающих методов контроля влажности материалов с неограниченным объемом, недостаточный уровень разработки теории тепломассопереноса применительно к процессу термической обработки влажных материалов в СВЧ-поле плоской ЭМ-волны, и, наконец, отсутствие разработок в области автоматизации установок СВЧ-нагрева с рупорным излучателем.Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской Программы исследований «Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии», которые в течение ряда лет ведутся в СПб — государственном технологическом институте в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.Цель работы. Математическое моделирование и алгоритмизация управления процессом СВ Ч-термообработки материалов с неограниченным объемом и разработка автоматизированной системы управления мобильной СВЧустановкой указанного назначения.В первой главе проведен критический анализ состояния вопроса в области методов математического моделирования и расчета СВЧ-установок, предназначенных для термообработки и сушки материалов. Подчеркнута специфика материалов - объектов настоящего исследования (материалы с неограниченным объемом).Рассмотрены особенности i процесса санитарной термообработки, ставящего целью уничтожение грибков и насекомых в глубине материалов, в том числе разнородных по своему составу (штукатурка-дерево, штукатуркакирпичная кладка). Кратко изложены физические основы СВЧ-нагрева, дана общая характеристика СВЧ-оборудования, используемого для целей термической f обработки и сушки, в том числе лучевых СВЧ-камер. При критическом рассмотрении состояния вопроса в области расчета СВЧ-сушильных установок отмечается, что известные математические модели либо учитывают только стадию нагрева, либо без достаточных оснований упрощенно трактуют стадию сушки, например: влагосодержание на поверхности равно начальному влагосодержанию. Кратко проанализированы методы экспериментального исследования процессов СВЧ-нагрева и сушки. На основании проведенного анализа состояния вопроса сформулированы задачи диссертационной работы.Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию кинетики СВЧ-нагрева и поля температур в глубине влажных конструкционных строительных материалов (гипсовая штукатурка, древесина, кирпичная кладка), а также двухслойных структур: гипсовая штукатурка-древесина, гипсовая штукатурка-кирпичная кладка. Описаны методика приготовления образцов и методика экспериментального исследования. Анализ полученных зависимостей распределения температуры в глубине материалов проведен с использованием современных представлений теории распространения плоской ЭМ-волны в диэлектриках с потерями и теории тепломассопереноса. Экспериментальным путем определены режимы проведения процесса СВЧ-термообработки (времена СВЧ-облучения), обеспечивающие уничтожение домового гриба и жучкаточильщика в различных конструкционных строительных материалах. Рассмотрено устройство мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов, дан анализ установки данного типа как объекта управления. Сформулированы подходы к реализации расчетно-экспериментального метода экспрессоценки влагосодержания в неоднородных материалах с неограниченным объемом (стена).В третьей главе рассматриваются вопросы теории и расчета процесса СВЧ-термообработки материалов с неограниченным объемом. Разработаны физическая и математическая модели процесса. Математическая модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в глубине однородных и неоднородных (двухслойных) материалов при их одностороннем GB4облучении, а также сушку. Механизм сушки до достижения температуры фазового перехода интерпретирован как. диффузионный перенос влаги в жидком виде; после достижения температуры фазового перехода - как фильтрационный перенос пара. Предложен и разобран на примере расчетно-экспериментальный метод определения коэффициентов затухания и отражения ЭМ-волны в материале с неизвестными (или неполными) электрофизическими свойствами. Получены с оотношения - для расчета поля температур и поля влагосодержании Ё глубине однородных и неоднородных материалов (двухслойных структур) при их СВЧ-облучении. Получено выражение для оценки величины давления пара, развиваемого в материале при его интенсивной СВЧ-сушке. В заключение главы рассмотрены методика и примеры расчета параметров процесса СВЧтермообработки, осложненного сушкой, в сопоставлении с экспериментом. Методика расчета предусматривает определение времени нагрева однородного материала и двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине.Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Разработан и проанализирован на примерах расчетно-экспериментальный метод экспресс-оценки влагосодержания на высоком уровне мощности (метод основан на непосредственном СВЧ-облучении материала и регистрации температурного распределения в его толщине). Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термообработки материалов с неограниченным объемом.Автоматизированная система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, при необходимости производит коррекцию времени догрева до заданной температуры на заданной глубине, исполняет операции, обеспечивающие перемещения СВЧ-установкис рупорной ан^ , тенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка. Численные значения температур, до которых следует производить разогрев материалов с целью уничтожения в них вредителей (домовой гриб, жучок-точильщик), уточнены с помощью дополнительно поставленных экспериментов по кинетике естественного охлаждения двухслойных структур.Научная новизна. Разработана математическая модель, процесса GB4термообработки однослойных и двухслойных влажных материалов. Модель описывает нестационарный процесс распространения тепла в толще материала и учитывает перенос влаги как путем диффузионного механизма, так и за счет фильтрационного движения пара. Получены соотношения для расчета поля температур и поля влагосодержаний в глубине однослойных и двухслойных материалов при их одностороннем СВЧ-облучении.Предложен метод экспресс-оценки влагосодержания однослойных и двухслойных материалов с неограниченным объемом, основанный на анализе распределения температуры в их глубине. Метод предусматривает контрольное СВЧ-облучение, измерение температур в толще (числом, равным числу слоев), процедуру расчета влагосодержания.Впервые разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления мобильной СВЧ-установкой для термической обработки материалов с неограниченным объемом. Система управления определяет момент догрева влажного материала или влажной двухслойной структуры материалов до заданной температуры на заданной глубине, производит коррекцию времени нагрева, осуществляет операции по перемещению СВЧ-установки с рупорной антенной на заданное расстояние в горизонтальном и вертикальном направлениях в моменты окончания циклов облучения фиксированного участка.Практическая ценность. Определены технологические режимы процесса СВЧ-термообработки в строительных конструкциях, обеспечивающие уничтожение домового гриба в древесине и кирпичной кладке и жучка-точильщика в древесине. Показана высокая эффективность технологии СВЧ-термообработки как средства борьбы с вредителями в материалах строительных конструкций.Разработана методика исследования объекта управления - мобильной СВЧ-установки для термообработки материалов с неограниченным объемом, включающая методы косвенного определения влагосодержания и электрофизических свойств материалов непосредственно в процессе их СВЧ-облучения.Разработанная в диссертации автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой может быть использована для тиражирования при практической реализации процессов СВЧ-нагрева различного технологического назначения.Реализация результатов. Автоматизированная система управления мобильной СВЧ-установкой рекомендована к применению на объектах Министерства культуры РФ при проведении комплекса реставрационных работ.Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств" (Краснодар, Кубанский государственный технологический университет, 2002) и 16 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, СПб-государственный технологический институт, 2003).Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных работ.
