Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Рис.4. Схема электронного генератора МИРА: 1 - источник высокого на-

пряжения, 2 – конденсатор, 3 – разрядник,4 – катод, 5 – изолятор, 6 - электронный

пучок, 7 – масло.

Параметры аппарата МИРА:

энергия электронов - 150 кэВ;

длительность импульса - 20 нс;

ток в импульсе - 50 А;

частота следования импульсов - 1 имп/с;

площадь выходного окна - 1,5 см

При изучении технологии получения сшитого полиэтилена исполь-

зуются также образцы, облученные на линейном ускорителе ЭЛУ-4.

Параметры ускорителя:

энергия электронов - 4 МэВ;

плотность среднего тока - 0,2 мкА/см

;

длительность импульсов - 5 мкс;

частота следования импульсов - 200 Гц;

плотность тока в импульсе - 3 мА/см

2.4.2. Прибор для испытания радиоэлектретов

Измерение заряда электрета осуществляется либо с помощью элект-

рометра, либо методом вибрирующего электрода, принцип действия ко-

торого иллюстрируется на

рис.5.

инд

ис.5. Принцип метода ди-

намического конденсатора.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Электрод А плотно прижат к образцу. Электрод В расположен на

расстоянии L от поверхности электрета. На электроде В индуцируется

поверхностный заряд плотностью σ

инд

. Верхний электрод вибрирует с

частотой 20 Гц.

При изменении величины зазора «электрет-электрод», индуцирован-

ные на электроде В заряды меняются, что вызовет появление в цепи

электрического тока. Если на пути тока включить вольтметр с входной

емкостью С

, то вольтметр покажет разность потенциалов (U), пропор-

циональную индуцированному заряду.

инд

= . (8)

Поверхностная плотность заряда электрета определяется по формуле:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= 1

UС

, (9)

где S - площадь электрода,

L – зазор между электродом и диэлектриком,

ε - диэлектрическая постоянная материала.

Величина напряженности электрического поля электрета определяет-

ся из выражения:

⋅

. (10)

2.4.3. Испытания модифицированного полиэтилена

Для образцов сшитого полиэтилена измеряется прочность на разрыв

с помощью разрывной машины. Результаты измерений сравниваются с

аналогичными данными для необлученных образцов.

2.5. Порядок работы

1. Ознакомиться с работой источника электронов МИРА.

2. Рассчитать по формулам (4,6,7) пробег электронов и поглощенную

дозу для исследуемых материалов.

3. Получить радиоэлектреты при разных дозах облучения.

4. Измерить заряд радиоэлектретов.

5. Облучить образцы полиэтилена несколькими дозами на ускорите-

лях МИРА и ЭЛУ-4.

6. Определить прочность на разрыв и относительное удлинение облу-

ченных и необлученных

образцов.

7. Результаты испытаний оформить в виде таблиц и графиков.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.6. Контрольные вопросы

1. Изложите физические основы электронно-лучевых технологий.

2. На какие типы технологических электронных ускорителей ?

3. Приведите разновидности электронно-лучевых технологий.

2.7. Литература

1. А.Чарлзби. Ядерные излучения и полимеры.- Изд-во ИЛ,1962.

2. Введение в технологию электронно-лучевых процессов./ Под ред.

Н.А.Ольшанского.- Изд-во Металлургия, 1965.- 395 с.

3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справоч-

ник.- Изд-во "Машиностроение", 1985.- ….с.

4. Пикаев А.К.. Современная радиационная химия.- Изд-во Наука,

1985.-375 с.

5. Петров А

.В. Исследование токов термодеполяризации в полярных

полимерах. Методические указания. - Томск: ТПУ, 1985.- 19 с.

6. Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и

электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машиностроение,

1985.- 496 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА

МАТЕРИАЛОВ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Электромагнитные волны высокой частоты

Электромагнитными волнами (ЭМ) называются распространяющиеся

в пространстве переменные электромагнитные поля.

Электромагнитное поле состоит из неразрывно связанных друг с дру-

гом электрического и магнитного полей, вектора напряженности кото-

рых, перпендикулярны друг другу и к направлению распространения

волны.

Таким образом, любая электромагнитная волна характеризуется тре-

мя векторами:

- вектор напряженности электрического поля;

H - вектор напряженности магнитного поля;

P - вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор

Умова-Пойнтинга).

[

]

HEP

⋅

(1)

В зависимости от частоты различают ЭМ волны: радио (

ν = 10

–

Гц), УКВ (ν = 10

- 10

Гц), СВЧ (ν = 10

– 10

Гц) , инфракрасного

(

ν = 10

– 10

Гц), видимого (ν = 10

–10

Гц) , ультрафиолетового

(

ν = 10

– 10

Гц) , рентгеновского (ν = 10

– 10

Гц) и гамма (λ >

0,1 мм,

ν > 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:

(

)

xk2

eR1II

⋅

−

⋅−⋅= (2)

где I

– интенсивность падающей ЭМ волны;

R – коэффициент отражения;

х - толщина слоя поглотителя;

k - 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.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В технологиях высокочастотного нагрева используются электромаг-

нитные волны в диапазоне 150 кГц

÷ 500 МГц. Иначе эти воздействия

называются токами высокой частоты (ТВЧ).

1.2. Индукционный нагрев металлов

Метод индукционного нагрева основан на открытом Фарадеем

явлении электромагнитной индукции, которое состоит в том, что при

помещении проводника в магнитное поле, по нему протекает ток, и воз-

никает Э.Д.С.:

10Фnf44,4E

−

⋅⋅⋅⋅=

[В], (3)

где

Е— электродвижущая сила, В;

f—частота электрического тока, Гц;

n—число витков проводника (индуктора);

Ф — магнитный поток, [Вб].

В проводящем контуре (проводнике) существование Э.Д.С. индук-

ции приводит к появлению индукционного тока (вихревые токи Фуко),

направление которого всегда таково, что создаваемое им магнитное по-

ле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукци

онный ток. Индукционный ток наводит ЭДС в той же цепи, где он про-

текает, поэтому данное явление называется

самоиндукцией. Эти токи,

проходя по проводнику, нагревают его. Причиной поверхностного эф-

фекта являются вихревые токи, возникающие в результате действия пе-

ременного магнитного поля на заряженные частицы. Сила, действую-

щая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле называется

силой Лоренца. Она направлена всегда перпендикулярно к скорости

движения заряженной частицы, т.е. является

центростремительной си-

лой. В результате этого заряженная частица движется по окружности.

Если на движущийся электрический заряд кроме магнитного поля дей-

ствует и электрическое поле, то результирующая сила, приложенная к

заряду, равна векторной сумме силы, действующей на заряд со стороны

электрического поля и силы Лоренца. Таким образом, заряженная час-

тица в объёме

проводника совершает движение по спирали. Количество

теплоты, выделяемое в единицу времени вихревыми токами, пропор-

ционально квадрату частоты магнитного поля. Таким образом, коэффи-

циент поглощения электромагнитного поля (k) в металлах определяется

генерацией вихревых токов и выражается следующей формулой:

πµ

⋅⋅

, (4)

где f - частота поля;

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

µ - абсолютная магнитная проницаемость;

ρ - удельное сопротивление металла.

Важной для практики величиной является глубина проникновения

тока в металл (

∆), которая определяется по выражению:

503

⋅

′

⋅==

∆

[м], (5)

где

µ′ - относительная магнитная проницаемость.

Оценки показывают, что глубина проникновения токов высокой час-

тоты в металлы составляет, в среднем, микрометры.

При помещении металла в переменное электромагнитное поле в нём

возникает поверхностный эффект (скин - эффект): протекание пере-

менного тока сопровождается неравномерным распределением плотно-

сти тока по сечению проводника и, следовательно, неравномерным вы-

делением

мощности. Причиной поверхностного эффекта являются вих-

ревые токи, возникающие в результате действия переменного магнитно-

го поля.

Для индукционного нагрева используют высокочастотные гене-

раторы, снабженные индукторами, которые имеют форму одновитковой

или многовитковой катушки.

Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко применя-

ется в различных областях для самых разнообразных целей:

• в машиностроении (нагрев, обработка металлов давлением, рекри-

стализационный отжиг, закалка, термообработка, сушка изоляции элек-

трических машин и окрашенных поверхностей);

• в химическом производстве (получение смол, борьба с затверде-

ванием или замерзанием, нагрев пресс-форм и экструдеров при прессо-

вании и переработки пластмасс, нагрев валков и натяжных роликов во

избежание образования трещин на поверхности).

1.3. Диэлектрический нагрев материалов

Нагрев непроводниковых (диэлектрических и полупроводниковых)

материалов обусловлен диэлектрическими потерями.

Диэлектрическими потерями называется часть энергии внешнего

электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в единицу

времени и вызывает нагрев диэлектрика.

Если нагрев непроводниковых материалов осуществляется в пере-

менном электрическом поле частотой 10

÷ 10

Гц, то этот вид нагрева

называют

ВЧ нагревом. При этих частотах нагрев осуществляется за

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

счёт диэлектрических потерь, обусловленных сквозной электропровод-

ностью и релаксационными (медленными) видами поляризации.

Диэлектрические потери за счёт электропроводности возникают в

результате выделения тепла Джоуля при прохождении через диэлектрик

сквозного тока.

Кроме этого, в диэлектрике при помещении его в электрическое поле

появляются

релаксационные диэлектрические потери. Причиной их

возникновения являются медленные виды поляризации. К ним относят-

ся 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 ко-

лебаний

поляризующихся частиц, избыточная кинетическая энергия пе-

редаётся окружающим атомам среды, что эквивалентно нагреву мате-

риала. 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.

Мощность диэлектрических потерь рассчитывается по формуле:

Р = U

. ω . C . tgδ, (6)

где U - напряжение на конденсаторе емкостью С,

δ - тангенс угла диэлектрических потерь,

ω - круговая частота.

Удельная мощность, выделяющаяся в единице объема диэлектрика,

может быть определена по формуле

δε

tgfЕ1053,5P

211

уд

⋅⋅⋅⋅⋅=

−

, (7)

где Р

уд

- удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см

;

Е - напряженность электрического поля, В/м ;

f - частота поля, Гц ;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

Эти формулы справедливы для любых размеров и любой формы элек-

тродов, в любом поле. Из них видно, что поглощаемая мощность прямо

пропорциональна квадрату напряжения, частоте тока, тангенсу угла по-

терь и диэлектрической проницаемости нагреваемого материала. Тан-

генс угла потерь и диэлектрическая проницаемость представляют собой

основные параметры материала

и в свою очередь зависят от частоты

поля и температуры материала.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Для технологических целей важно знать область основного пог-

лощения ВЧ - энергии материалом. Эта величина обозначается через

∆

и соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность

электромагнитного поля уменьшается в

е раз по сравнению с её значе-

нием на поверхности:

δπ

tgf

к ⋅⋅

==∆

. (8)

В диапазоне частот 5 - 80 МГц, применяемом для высокочастотного

нагрева диэлектрических материалов, глубина проникновения исчисля-

ется десятками метров и обычно превышает линейные размеры мате-

риала.

Основные преимущества диэлектрического нагрева:

Равномерность нагрева всего объема материала. Этому есть две

причины:

•

Первая - источники тепла находятся внутри тела, а не на его по-

верхности, как это имеет место при конвекционном нагреве. В результа-

те при диэлектрическом нагреве градиент температур направлен из ма-

териала, что облегчает массоперенос из внутренних слоёв к наружным.

Этот факт обеспечивает многократное ускорение различных термости-

мулированных процессов: сушка древесины,

полимеризация, спекание

керамики и т.д.

•

Вторая - интенсивность ЭМ волны во всем объеме материала по-

стоянна, т.е. температура в каждой точке объёма образца одинакова.

Избирательность, т.е. наиболее сильно нагреваются компоненты

материала, обладающие наибольшими диэлектрическими потерями. На-

пример, влага в древесине, высокопроводящие фазы в керамике, клее-

вые растворы, вредные насекомые в злаковых культурах. Таким обра-

зом, можно активизировать нужные процессы. На этом принципе по-

строены такие ВЧ-технологии, как дезинсекция, склейка, спекание и

модифицирование керамики

, сушка влажных изделий.

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 по-

зволяет значительно улучшить свойства материалов за счет гомогениза-

ции их строения. Наконец, к позитивным особенностям ВЧ-нагрева сле-

дует отнести возможность изменения скорости нагрева образца в очень

широких пределах.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2. Генераторы ВЧ- излучения

Эффективная термическая обработка диэлектриков в электрическом

поле осуществляется при частоте поля выше 0,5 МГц. Поэтому в ВЧ -

технологиях используются, как правило, ламповые генераторы.

Генераторы диэлектрического нагрева состоят из тех же узлов, что и

ламповые генераторы для индукционного нагрева материалов. Отличие

заключается в том, что в генераторах диэлектрического нагрева нагруз-

кой является рабочий

конденсатор, в котором находится нагреваемый

материал.

На рис.1 показана принципиальная схема лампового автогенератора

для диэлектрического нагрева.

В схеме автоге-

нератора напряже-

ние высокой час-

тоты на сетке воз-

никает, благодаря

обратной связи с

анодным контуром

L C

Частота возни-

кающих колеба-

ний определяется

по формуле:

f ⋅≈

. (11)

При включении генератора из-за переходных процессов в анодном

контуре возникают слабые колебания. Если сеточная (L

) и анодная (L)

катушки не связаны индуктивно, то колебания в анодном контуре зату-

хают. Если же взаимная индуктивность L

и L велика, то в анодном кон-

туре установятся незатухающие колебания с частотой f.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

Познакомиться с основными разновидностями ВЧ-технологий.

Освоить технологию высокочастотной сушки диэлектриков.

Сравнить эффективность ВЧ-сушки диэлектрических материалов по

сравнению с конвекционной сушкой.

Lp Cp

ис. 1. Принципиальная схема лампового ВЧ-

генератора

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2. Экспериментальное оборудование

Для диэлектрического нагрева материала используется высокочас-

тотная установка ВЧД2-1.6/40. Установка характеризуется следующи-

ми параметрами:

- рабочая частота - 40,68 + 1% МГц;

- номинальная колебательная мощность - 1,6 кВт;

- анодный ток - до 0,8 А;

- сеточный ток - от 0,2 до 0,27 А;

- одновременная загрузка в рабочем конденсаторе - (0,2 - 0,6) кг.

образцов массой

2.3. Порядок работы

Приготовить 4 - 6 образцов кабельной бумаги в виде квадратов 10х10

см. После увлажнения определить суммарный вес образцов.

Включить пакетный выключатель 1ПВ, при этом включится двига-

тель вентилятора.

Включить пакетным выключателем первую ступень накала генера-

торной лампы (накал). Через 30 секунд автоматически должна вклю-

читься вторая ступень накала и загорится сигнальная лампочка зеленого

цвета.

Разместить

образцы в рабочем конденсаторе и нажать кнопку «На-

грев» (загорится лампочка красного цвета).

По истечении времени (15 секунд) нагрева нажать кнопку «Стоп»,

вытащить образцы из камеры и произвести замеры их массы.

Повторить операцию до полного высыхания образца.

В идентичных условиях провести сушку образцов исследуемых ма-

териалов обычным термическим способом при 100

С и провести анало-

гичные измерения. Сравнить эффективность высокочастотной и терми-

ческой сушки.

Аналогичную программу выполнить для керамики.

Дать анализ эффективности ВЧ-нагрева диэлектриков.

2.3.3. Оформление результатов

По результатам эксперимента заполнить таблицу и построить гра-

фик изменения массы образцов от времени сушки при конвекционном и

диэлектрическом нагревах. В выводах объяснить полученные результа-

ты.