Микроволновые технологии

Главными особенностями МВТ являются нагрев материалов электромагнитными полями, а также широкий спектр эффектов воздействия электромагнитного поля в зависимости от диапазона частот, интенсивности, длительности воздействия и параметров модуляции. Нагрев материалов в микроволновой технике обусловлен выделением тепла в объёме обрабатываемого материала; является безынерционным (выделение тепла прекращается немедленно с прекращением электромагнитного воздействия). При нагреве возможно управление процессом: путём изменения частоты колебаний, за счёт изменения параметров рабочих камер, а также селективного воздействия на неоднородные материалы, т. е. более интенсивного нагрева частей с большим удельным поглощением. Воздействие электромагнитного поля, как правило, приводит к результатам, неэквивалентным нагреву объекта до той же температуры традиционными средствами. При высокой интенсивности электромагнитного поля наблюдаются эффекты угнетения, вплоть до гибели биологичекских объектов, при умеренных и низких интенсивностях — эффекты стимулирующего характера (ускорение развития, повышение иммунных функций организмов и др.).

По признакам, связанным с длительностью и интенсивностью воздействия, различают классы высокоинтенсивных и низкоинтенсивных МВТ.

Процессы 1-го класса (сушка, разогрев, размораживание, обжиг материалов и т. д.) характеризуются высокой интенсивностью и продолжительностью воздействия электромагнитного поля, что приводит к существенному нагреву материала и теплообмену с окружающей средой, изменению фазового состояния и массы обрабатываемых веществ. Для поддержания условий равномерной обработки необходимо создавать изменяющиеся во времени электромагнитные поля. При анализе и оптимизации этих процессов требуется совместно рассмотрение электродинамических и теплофизических аспектов, включая явления тепломассообмена.

Для процессов 2-го класса (использование стимулирующего воздействия электромагнитного поля КВЧ-диапазона на биологические объекты) характерны низкие уровни интенсивности электромагнитных воздействий, не приводящие к существенному нагреву. Низкоинтенсивные МВТ отличаются жёсткими требованиями к степени однородности используемых электромагнитных полей. Процессы теплообмена с окружающей средой не играют существенной роли, а электрофизические параметры в процессе обработки остаются постоянными.

С 1950-х гг. центрами развития МВТ в России стали Москва, Фрязино, Ленинград, Саратов, Челябинск, Новосибирск. С середины 1980-х гг. наблюдается значительный интерес к использованию МВТ в различных областях научной и хозяйственной деятельности.

В РТ исследования в области МВТ проводятся в Научно-исследовательском центре прикладной электродинамики Казанского технического университета (НИЦ ПРЭ). Работы ведутся по трём направлениям: методы математическое и физическое моделирования процессов при воздействии электромагнитного поля СВЧ и КВЧ; эффекты воздействия электромагнитного поля СВЧ и КВЧ на материальные среды различного характера; методы проектирования и разработки технологических установок и комплексов.

Казанскими учёными предложены методы и технические средства МВТ для сельского хозяйства и нефтяной отрасли (Г.А.Морозов, Ю.Е.Седельников, Н.Г.Воробьёв, Н.Е.Стахова и др.); разработаны теоретические основы применения электромагнитного поля СВЧ и КВЧ-диапазонов в низкоинтенсивных МВТ; решены вопросы выбора режимов обработки на основе принципа минимизации приведённых энергозатрат СВЧ; предложены методики анализа и оптимизации многоэлементного возбуждения электромагнитных полей в рабочих камерах установок, специальные методы контроля, в т.ч. с использованием принципов радиометрии. Впервые в РФ и странах СНГ учёные НИЦ ПРЭ применили в научной практике микроволновых процессов и комплексов методы системологии, стат. анализа и синтеза, сфокусированных апертур, оптимизации излучающих систем из некогерентных источников, которые позволили разработать экономически оправданные микроволновые технологии комплексы в нефтегазодобывающей и др. отраслях промышленности. Совместно с сотрудниками Казанской академии ветеринарной медицины (Ф.М.Шакурова, М.Н.Корнишина) и лаборатории микробиологии Главного управления ветеринарии КМ РТ проведены исследования по уничтожению паразитарной микрофлоры в различных средах (стоки животноводческих помещений, первичные и вторичные грунты в теплицах, мука, транспортировочная тара).

Предложены установки для дегельминтизации и обеззараживания стоков животноводческих помещений, обработки семян зерновых культур и многолетних трав с целью повышения их всхожести, устойчивости к заболеваниям; разработаны режимы уничтожения личинок растительноядных жуков в зародыше гороха, а также способы лечения животных безмедикаментозными методами с использованием аппаратуры типа «Луч» и «Явь» (Г.А.Морозов, М.Ш.Шакуров, А.Г.Макаров). Разработаны МВТ предпосевной обработки семян ели и сосны (внедрены во всех лесхозах РТ), сконструированы установки типа «Шитым» для семенных опытных станций (в поселке Васильево Зеленодольского района и лесхозе «Арский»), которые позволяют повысить всхожесть, энергию прорастания, устойчивость семян к заболеваниям, сэкономить до 30% семенного фонда (совместно с сотрудниками Татарской лесной опытной станции и Министерства лесного хозяйства РТ). С целью экологического мониторинга создан программно-аппаратурный комплекс контроля уровней электромагнитного поля для крупных городов (Г.А.Морозов, Ю.Е.Седельников, В.Н.Лаврушев и др.).

Разработаны установки и комплексы для нефтедобывающей отрасли: экспериментальный микроволновый технологический комплекс расплава асфальтопарафиновых отложений в трубах нефтяных скважин, промысловый модуль «ПМВК-400» и микроволновое устройство «ДОН» для обработки и анализа компонентного состава водонефтяной эмульсии. Разработки НИЦ ПРЭ внедрены в комплексах подготовки нефтей (НГДУ «Лениногорскнефть»).

Морозов Г.А., Морозов О.Г. Микроволновые технологии для нефтегазодобывающего комплекса // Материалы 12 Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2002; 

Морозов Г.А. 15 лет НИЦ ПРЭ: Реальность и перспективы // Вестн. Казан. техн. университета. 2003. № 3; 

Анфиногентов В.И., Морозов Г.А., Морозов О.Г. Развитие микроволновых технологий в авиационной промышленности // Сб. докл. науч.-практ. конф. «Авиакосмические технологии и оборудование». К., 2003.

Автор — Г.А.Морозов