Высокотемпературные СВЧ электротехнологии

УДК 621.365.5

К.Н. Огурцов, Д.Д. Давыдов

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Изложены физические основы высокотемпературного СВЧ диэлектрического нагрева. Описаны перспективные технологии применения высокотемпературных СВЧ установок.

Диэлектрик, сверхвысокочастотная электротермия, высокотемпературный нагрев, испарение, конденсация, спекание

K.N. Ogurtsov, D.D. Davydov HIGH-TEMPERATURE MICROWAVE SYSTEMS

The article describes physical foundations of the microwave electrical technology. We describe theemerging technologies of high-temperature microwave systems.

Dielectric microwave electroheat, high-temperature heating, evaporation, con-densationand sintering

Применение СВЧ энергии в технологических целях началось около 70 лет назад. Бытовые СВЧ печи вошли в наш быт и заняли постоянное место на наших кухнях, однако о применении СВЧ энергии в промышленных целях и техпроцессах мы слышим нечасто. Активное внедрение СВЧ энергии сдерживается технологическими (сложность оборудования, нехватка опыта проектирования, отсутствие квалифицированных специалистов), экономическими (дороговизна установок СВЧ диэлектрического нагрева) и психологическими факторами (некоторые люди утверждают, что продукты, обработанные в СВЧ электромагнитном поле, вредны для человека).

Стремление создать новые материалы и модифицировать уже известные приводят исследователей к созданию новых технологий и использованию уже известных в нетрадицион-

ных сферах. Одной из таких перспективных сфер является использование СВЧ диэлектрического нагрева для реализации высокотемпературных технологий, таких как выращивание кристаллов, получение наноматериалов, спекание керамик, получение композиционных и огнеупорных материалов и др. Все вышеперечисленные технологии объединяет необходимость нагрева исходного материала до температур свыше 1000 0С, причем зачастую нагрев сопровождается фазовыми переходами.

Среди всех видов нагрева СВЧ диэлектрический нагрев, пожалуй, можно считать наименее исследованной областью с точки зрения получения высоких температур. А ведь СВЧ диэлектрический нагрев позволяет существенно интенсифицировать процессы равномерного нагрева диэлектриков, что, безусловно, сыграет существенную роль в получении новых конструкционных материалов и модификации известных.

Конечно, для создания высокотемпературных СВЧ установок предстоит решить массу вопросов, связанных с теплоизоляцией, вакуумированием, материалами для изготовления рабочих камер, новыми методами расчета установок, измерения диэлектрических свойств при высоких температурах и многое другое, но перспективы, которые открываются перед исследователями в этой области, многообещающие.

Уже сейчас в лабораторных условиях с помощью СВЧ энергии удается получить наноразмерные структуры, спеки керамик и металлокерамик, выращивать кристаллы и получать полупроводниковые материалы, существенно экономя и электроэнергию по сравнению с традиционными способами.

В конце прошлого века было выявлено так называемое «нетепловое» воздействие СВЧ энергии на материалы, которое выражалось в изменении свойств материалов после непродолжительного пребывания в СВЧ электромагнитном поле без явно выраженного нагрева. Так, доказано влияние СВЧ энергии на скорость отверждения эпоксидных компаундов, щелочевпитываемость полисульфона. До этого было обнаружено воздействие СВЧ энергии на биологические объекты. Ускоряются процессы пастеризации и подавления патогенной микрофлоры при меньших температурах, чем при традиционной тепловой обработке.

Самосогласованная краевая задача электродинамики и теплопроводности для высокотемпературной термообработки диэлектриков

Задача проектирования СВЧ электротермических установок для нагрева диэлектрических материалов имеет комплексный характер и находится на стыке электродинамики СВЧ, тепломассопереноса, материаловедения, термомеханики,

метрологии, технологии. Процессы в таких СВЧ электротермических установках описываются системой уравнений Максвелла и уравнений тепломассопереноса. Исключая из рассмотрения термообработку небольшого класса веществ, у которых электрофизические параметры зависят от векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей уже в сравнительно слабых полях (ферромагнетики и сегнетоэлектрики), можно ограничиться линейной зависимостью вектора электрической индукции О от Е и вектора магнитной индукции В от Н, а так как подвергаемые СВЧ термообработке среды обычно изотропны, запишем материальные уравнения в виде [1]:

О = еЕ, у = аЕ, В = ¡л Н,

где е, ¡л- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; о- проводимость среды; у - плотность тока проводимости.

Нагреваемые в СВЧ электротермических установках среды можно отнести к несовершенным диэлектрикам (диэлектрики с потерями), обладающим начальной (структурной) неоднородностью. Обычно структурные неоднородности многочисленны, размеры их много меньше длины волны в среде, а потому в практических приложениях, воспользовавшись теорией смесей [2], заменим неоднородную среду однородной с эквивалентными электрофизическими параметрами.

У большинства сред имеются зависимости относительной диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь tgS от температуры. Следовательно, при 140

нагреве таких сред е'и tgSоказываются функциями координат и времени. Теплофизические параметры, входящих в уравнения и граничные условия тепломассопереноса, так же существенно меняются как в процессе нагрева диэлектриков, так и с изменением агрегатного состояния вещества, причем эти изменения достаточно существенны и их необходимо учиты-

вать при математическом моделировании.

В таком случае уравнения Максвелла и теплопроводности в отсутствие сторонних токов и объемных зарядов, при отсутствии массопереноса и перемещения объекта в рабочей камере для капиллярно-пористого материала можно представить в виде [2, 3]

„ . dD

rot H =j + — ,

at

dB

rotE = -д ’

divD = 0 ,

divB = 0,

— + uV0 = adV2 0 + -^,

dt cd pd

где ад - коэффициент температуропроводности; Т- температура объекта; Т0 - температура

окружающей среды; U - скорость транспортировки нагреваемого материала;

• 2

Руд =0,5ш£о Stgd E ;

где о- круговая частота; £0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Электромагнитные поля в отдельных областях рабочей камеры сопрягаются на поверхностях раздела сред 1 и 2 с помощью граничных условий

[H2 - H,и] = 0, [n, E2 - Ej ] = 0

,

n(D2 - D1 ) = 0, n(B2 - B1 ) = 0 где n - единичный вектор, направленный из среды 2 в среду 1.

Если среда 1 является идеальным проводником, то

[n,E] = 0, nB = 0 .

Взаимодействие поверхности нагреваемого материала с окружающей средой описывается граничными условиями четырех видов [1]. Для высокотемпературных СВЧ установок необходимо учитывать конвективный, кондуктивный и теплообмен излучением, последний в зонах высоких температур превалирует.

В этом случае граничным условием первого рода задано распределение температурного напора по поверхности тела

0

граничным условием второго рода задается плотность теплового потока для каждого элемента поверхности тела как функция времени то есть

д0

дп = f

(простейший случай = const), граничным условием третьего рода задан закон теплооб-

дп

мена между поверхностью тела и окружающей средой

д0 h

дп =Т0.

И, наконец, граничным условием четвертого рода - закон теплообмена на соприкаса ющихся твердых поверхностях

д1 _ д2

©1 = © 2,

дп дп

где ©1,2 = Г1,2-То.

Высокотемпературный нагрев может сопровождаться фазовыми переходами: твердая фаза - жидкая, жидкая - газообразная. Такие фазовые переходы наблюдаются при выращивании кристаллов из расплавов и паров, получении наноматериалов из твердого материала конденсационным методом. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое обычно происходит с выделением или поглощением энергии (фазовый переход первого рода), при этом энергия фазового перехода зависит от многих факторов (например, энергия фазового перехода из твердого состояния в жидкое при атмосферном давлении для воды Тплавл=0 0С составляет ЛН=6,013 кДж/моль, а из жидкого в газообразное Тиспар=100 0С ЛН=40,683 кДж/моль).

При фазовом переходе первого рода температура нагреваемого объекта не изменяется, а подводимая к объекту энергия расходуется на совершение фазового перехода.

Количество теплоты, необходимое для совершения фазового перехода

б = ту ,

где у - удельная теплота фазового перехода.

Зная у, можно моделировать нагрев материала с учетом фазовых превращений.

Тепловые процессы нагрева диэлектрика в СВЧ электромагнитном поле могут быть описаны решением краевой задачи теплопроводности (7) и (10)-(14) в приближении заданного электромагнитного поля, в свою очередь найденного из решения краевой задачи электродинамики (2)-(5), (8), (9) с учетом (1). Определив, например, экспериментально зависимости электрофизических и теплофизических параметров нагреваемой среды от температуры, разобьем время термообработки на интервалы т, в пределах которых эти параметры будем считать не зависимыми от времени. Решение краевой задачи (2)-(5), (8), (9) на этом временном интервале определит функцию Руд, что позволяет в явном виде найти решение краевой задачи (6), (10)—(14). Решение краевой задачи теплопроводности дает возможность установить электрофизические параметры диэлектрика на следующем временном интервале. Повторяя расчеты для все новых интервалов времени до достижения заданной или установившейся температуры нагреваемого диэлектрика, можно выяснить динамику процесса, учесть изменение во времени электрофизических и теплофизических параметров диэлектрика, исследовать влияние различных параметров установки (рабочей камеры) на его характеристики, проводить машинный синтез оптимальных СВЧ электротермических установок.

В рамках исследований новых технологий на кафедре АЭУ СГТУ им. Гагарина Ю.А. создана лабораторная установка для исследования высокотемпературных СВЧ процессов (рис. 1) [4].

а б

Рис. 1. Высокотемпературная СВЧ установка: а - с рабочей камерой на нерегулярном круглом волноводе, б - с рабочей камерой резонаторного типа

Спекание керамических и металлокерамических материалов. Спекание керамических и металлокерамических изделий проводилось в установке с камерами с бегущей и стоячей волной. После спекания диэлектрические свойства полученных материалов существенно изменялись. Образцы, полученные при спекании керамики (оксид цинка), представлены на рис. 2.

Рис. 2. Образцы спеченной в СВЧ электромагнитном поле керамики оксида цинка

Выращивание кристаллов из расплавов и паров. Для выращивания кристаллов оксида цинка использовался спрессованный образец. После нагрева образца до температуры сублимации СВЧ энергия отключалась а на поверхности образца образовывались кристаллы оксида цинка (рис. 3).

а б

Рис. 3. Образцы кристаллов, полученных в СВЧ электромагнитном поле

Рис. 4. Результаты гранулометрического анализа суспензии оксида цинка

Получение наноматериалов конденсационным методом. Для получения нанораз-мерных частиц оксида цинка конденсационным методом спрессованный образец помещался в рабочую камеру с бегущей волной. Вакуумный насос откачивал пары из рабочей камеры. Парогазовая смесь, проходя через водяной затвор в склянке Дрекселя, конденсировалась. Результаты анализа гранулометрического состава полученной суспензии представлены на рис. 4.

Из полученных спектрограмм видно, что в образцах присутствуют наночастицы размером порядка 3 нм и 2000 нм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Ю.С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки / Ю.С. Архангельский. - Саратов: СГТУ, 2008. - 343 с.

2. Архангельский Ю.С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации тепловых процессов / Ю.С. Архангельский, И.И. Девяткин. - Саратов: Изд. Сарат. ун-та, 1983. - 140 с.

3. Архангельский Ю.С. Математическое моделирование высокотемпературного нагрева диэлектриков с фазовыми переходами / Ю.С. Архангельский, К.Н. Огурцов // Вестник СГТУ. - 2010. - №3(47). - С. 116-119.

4. Огурцов К.Н. Высокотемпературная СВЧ-электротехнологическая установка для получения наноматериалов, монокристаллов и спекания керамических и металлокерамических материалов / Ю. С. Архангельский, В. В. Чернецов // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, Саратов, 23-25 марта 2011 г.: в 2 ч. / СГАУ. - Саратов, 2011. - Ч. 1. - С. 122.

Огурцов Константин Николаевич -

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю.А.

Konstantin N. Ogurtsov -

Ph. D., Associated Professor

Head: Department of Automated Electrical-

Technological Plants and Systems,

Gagarin Saratov State Technical University

Давыдов Денис Дмитриевич -

студент кафедры «Ядерные реакторы и установки» Московского государственного технического университета им. Баумана

Denis D. Davydov -

Student

Department of Nuclear Reactors and Plants, Bauman Moscow State Technical University

Статья поступила в редакцию 14.05.12, принята к опубликованию 13.06.12