Экспериментальные микроволновые установки непрерывного действия

Установка GWR (кликните картинку для увеличения)

Установка GWR (кликните картинку для увеличения)

17.06.2009 (1:46)
Просмотров: 10213
Рейтинг: 1.76
Голосов: 17

Теги:
СВЧ, эксперимент,
Технология >> Высокие технологии






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Началом использования МВИ в качестве источника энергии для проведения органического синтеза принято считать 1986 год, когда появились первые работы R. N. Gedue [1] и R. J. Giguere [2], показавшие эффективность применения данного вида энергии для ускорения химических реакций, однако не вскрывшие причины этого ускорения. Эти работы вызвали большой интерес в научном мире, и многие химики стали использовать бытовые микроволновые печи для проведения химических реакций с целью их ускорения.

В связи с отсутствием массового производства специализированной микроволновой лабораторной техники большинство исследователей проводили и проводят реакции в бытовых печах. Несмотря на частые неудачи, такие как взрывы реакционных сосудов, вызванные избыточным давлением в них, воспламенение органических растворителей, поломки магнетронов. Сложность «переоборудования» печи для условий химического опыта, невозможность измерения температуры и давления обычными средствами в условиях высокочастотного электрического поля.

Практически все используют в качестве прототипа все ту же бытовую СВЧ печь, при этом, не понимая всей сложности ситуации. Однако с первой попытки применить СВЧ в какой-либо области и по настоящее время представляется весьма сложным. Ученые многих стран пытались разработать адекватные МВ системы. Самые большие успехи создания и применения МВ технологий представлены в материалах Г. Пюшнера.

Невозможность применения бытовых микроволновых печей в химическом эксперименте вынуждает разрабатывать микроволновые системы, которые позволяют не только проводить некоторые химические реакции, но и наблюдать, контролировать и управлять процессом.

Рассмотрев существующие к настоящему времени аппаратные решения СВЧ установок, можно сделать следующие выводы:

1)Практически все реакторы, используемые в лабораторных условиях являются мультимодовыми, созданными на основе обычных бытовых микроволновых печей.

2)Мультимодовость подразумевает использование большого числа тип волн, и как следствие крайне неэффективное использование энергии, генерируемой магнетроном.

3)Создание МВ системы на основном типе волны (мономодовая система) приводит к увеличению КПД системы. При применении меньшей мощности излучения в мономодовой системе (в 10 раз) выход продукта в 2 раза выше, чем в мультимодовой системе.

4)Для передачи энергии от магнетрона к нагрузке без потерь, необходимо тщательное согласование всех элементов СВЧ системы, а значит, алгоритм разработки подразумевает несколько этапов: 1 – теоретический расчет системы, 2 – компьютерное моделирование, 3 – изготовление, 4 – индивидуальная настройка.

ОСНОВНЫЕ СЛОЖНОСТИ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СВЧ УСТАНОВОК



Перемешивающие устройства, обратные холодильники, детекторы утечек излучения, системы контроля и регулировки температуры и давления и т.д. – эти системы просто необходимы в любом физико-химическом эксперименте []. Здесь мы раскроем сложности, возникающие в процессе использования СВЧ.

Для передачи энергии от генератора к нагрузке в СВЧ диапазоне используются несколько типов линий:

1)воздушная (открытая) линия;

2)изолированная линия;

3)экранированная линия;

4)коаксиальная линия;

5)волноводы.

Наиболее часто используются коаксиальные линии и волноводы, так как обладают минимальными потерями на излучения. Далее энергия попадает в нагрузку, которая обычно располагается в резонаторной камере.

Таким образом, для того, чтобы использовать СВЧ энергию, генерируемую магнетроном, с высокой эффективностью необходимо согласовать, во-первых, магнетрон с отводящим волноводом, во-вторых, отводящего волновода с резонаторной камерой (нагрузкой). Поэтому конструирование СВЧ систем представляет собой очень сложную физическую задачу, которая, на первый взгляд, кажется, что решается в два действия – купил «микроволновку», поставил сосуд с реактивом и включил. На самом деле для адекватного решения поставленной задачи необходимо применить фундаментальные физические основы и достаточно сложный математический аппарат. Для полного понимания всей сложности решения задачи приведем основной принцип расчета в максимально упрощенной форме.

Определение электромагнитного поля внутри произвольной области связано с полным решением уравнений Максвелла в координатной системе, соответствующей данной области. Эти области можно разбить на однородные и неоднородные области. Электромагнитное поле внутри однородной или неоднородной областей математически представляется в виде суперпозиции бесконечного числа типов волн. Составляющие векторов электрических и магнитных полей каждого типа можно представить в виде произведения функции формы, зависящей только от координат в поперечном сечении, перпендикулярном направлению распространения, и амплитудной функции, зависящей от координаты и направления распространения. Поперечные функции формы каждого типа волны зависят от формы поперечного сечения данной области, с точностью до амплитудного множителя, одинаково во всех поперечных сечениях. Таким образом, амплитуды типов волн полностью характеризуют волну в каждом поперечном сечении. Изменение каждой амплитуды вдоль направления распространения определяется решением одномерного волнового уравнения. В зависимости от типа рассматриваемой волны волновые амплитуды могут быть либо распространяющимися, либо затухающими в направлении распространения.

Во многих практических задачах, как, например, в волноводах, размеры области и возбуждение поля таковы, что может распространяться волна лишь одного типа. Так как амплитуда волны определяется решением телеграфного уравнения, то амплитуды поперечных составляющих векторов электрического и магнитного поля волны этого основного типа можно отождествить с напряжением и током, соответственно, в некоторой эквивалентной линии. Отсюда следует, что электромагнитное поле почти во всем волноводе можно выразить через напряжение и ток в соответствующей линии передачи. Эта линия передачи полностью характеризует поведение волны основного типа во всем волноводе. Зная волновое сопротивление и волновое число для этой линии передачи, можно вполне строго описать распространение основной волны. Подобным методом можно рассмотреть и поведение не распространяющихся и высших типов волн, которые возбуждаются вблизи неоднородностей в волноводе. Таким образом, для полного описания электромагнитного поля в волноводе, необходимо рассматривать напряжения и токи в бесконечном числе эквивалентных линий передачи. Для использования такого представления в целях количественных расчетов, необходимо при данной геометрии волновода иметь возможность:

1)определить функции, характеризующие распределение поперечных составляющих векторов поля каждого типа в поперечных сечениях волновода;

2)составить и решить телеграфные уравнения амплитуд волн различных типов, зная величины волновых сопротивлений эквивалентных линий и постоянных распространения в них для волн каждого типа;

3)выписать выражения для составляющих поля, выражая их через функции формы и амплитуды для волн каждого типа.

Описание электромагнитных полей с помощью эквивалентных линий передачи может быть выполнено для ряда однородных и неоднородных волноводов.

Проблема, возникающая при согласовании нагрузки с волноводом – это изменение характеристик материала нагрузки под действием СВЧ, например, диэлектрическая проницаемость обычной воды изменяется с увеличением температуры от 80 (при 20°С) до ≈40 (при 80°С), и как следствие приводит к изменению волнового сопротивления и рассогласованию нагрузки.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Наиболее правильный подход к поставленной проблеме осуществляют сотрудники Научно-исследовательского Центра имени Николы Тесла при разработке СВЧ установки для профессора Казанского ГТУ Лиакумовича А.Г. Коллектив НИЦ им. Н. Тесла с 2000 г. работает в области СВЧ технологий и имеет к настоящему времени большое количество разработок в данной области. Установки проточного типа предназначены для непрерывного облучения потока жидкости и позволяют максимально приблизить эксперимент к технологическому процессу.

В установке GWR (главный рисунок) волновод и резонаторная камера представляют собой трубу прямоугольного сечения размерами 45×90 мм. На широкой стенке волновода установлен специальный разъем для подключения магнетрона. Два штуцера для входа и выхода обрабатываемой жидкости находятся у резонаторной камеры. Внутри резонаторной камеры находится фторопласт, форма и размеры которого определяются из условия эффективного использования микроволнового излучения во время работы.

установка GWC

установка GWC
В установке GWC волновод и резонаторная камера представляют собой коаксиалы. Волновод представляет собой металлический цилиндр внутренним диаметром 16 мм с расположенным на оси металлическим стержнем внешним диаметром 8 мм. С одной стороны к волноводу крепится магнетрон, а с другой резонансная камера. Резонаторная камера также представляет собой металлический цилиндр внутренним диаметром 26 мм, заглушенный с одной стороны, на оси которого располагается металлический стержень внешним диаметром 4 мм. Внутри резонансной камеры для согласования с волноводом установлена специальная фторопластовая вставка. Сверху и снизу резонаторной камеры приварены штуцеры для входа и выхода жидкости.

На входе и выходе жидкости на обеих установках установлены термосопротивления для измерения и регулирования температуры проходящей жидкости во время проведения экспериментов.

Геометрические размеры СВЧ-трактов (волновод и резонаторная камера) установок строго нормированы, что обусловлено согласованием волновых сопротивлений составных элементов и эффективным использованием СВЧ волн при регенерации. Используемая в установках мономодовая система волноводов и резонаторных камер позволила увеличить КПД излучения почти до 90 % при использовании в качестве обрабатываемой жидкости полярных веществ.

Таблица, Характеристики СВЧ установок:

Режим работы Непрерывный

Мощность излучения СВЧ Регулируемая от 0 до 1000 Вт

Обрабатываемая среда Жидкость

Температура обрабатываемой среды, не более 2500С

Давление обрабатываемой среды, не более 1,0 МПа

Производительность по потоку обрабатываемой среды 0,50-10 л/ч

Условный проход входа и выхода обрабатываемой среды узла СВЧ 15 мм

Напряжение питания 220 В, 50 Гц

Заземление, не более 4 Ом ГОСТ 12.2007.0-75

Размещение резонаторной камеры Горизонтальное

Температура окружающей среды От плюс 50С до плюс 400С

панель оператора СВЧ установки

панель оператора СВЧ установки
На передней панели установок располагаются панели оператора, с помощью которых устанавливаются параметры работы установок: время работы, излучаемая мощность магнетрона. Также можно задавать значения температуры жидкости (на входе или выходе) для автоматического включения или отключения узла генерации СВЧ. Во время работы на дисплее отображаются значения температур на входе и выходе, температуры магнетрона, значение излучаемой мощности, общее и оставшееся время работы установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



Описанные выше экспериментальные установки позволяют изучить влияние СВЧ энергии на многие химические и нефтехимические производственные процессы (пиролиз, дегидрирование и т.д.) и максимально приблизить эксперимент к технологическому процессу.

Возможность регулирования мощности и температуры обрабатываемой жидкости позволяет подобрать наиболее выгодные условия для проведения того или иного химического процесса.

Иванов Валерий Васильевич, руководитель научного отдела НИЦ им. Н. Тесла;

Румянцев Алексей Иванович, инженер-физик НИЦ им. Н. Тесла;

Мюллер Райэн Фридрихович, директор НИЦ им. Н. Тесла.

Нравится


Редколлегия

Источники:
  1. Gedye R. N., Smith F. E., Westway K. C., Ali H., Baldisera L., Laberge L., Raussell J. / / Tetr. lett.– 1986.– V. 27.– P. 279.
  2. Giguere R. J., Bray T. L., Duncan S. M. et al. / / Tetr. lett.– 1986.– V. 27, № 41.–P.4945.
  3. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. Пер. с английского. М., «Энергия», 1968 г. 312 с.
  4. А.М. Калашников, Я.В. Степук. Колебательные системы. Основы радиотехники и радиолокации. Ордена Трудового Красного Знамени Военное издательство Министерства обороны СССР. Москва. 1972 г. 376 с.
  5. А.Н. Матвеев. Электродинамика: Учеб. Пособие. – 2-е изд., перераб. и дораб. – М.: Высш. школа, 1980. – 383 с.
  6. С.Д. Гвоздовер. Теория электронных приборов сверхвысоких частот. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва, 1956 г. 528 с.
  7. Основы техники сантиметровых волн в радиолокации. Перевод с английского под редакцией А.Я. Брейтбарта. Издательство «Советское радио». Москва, 1951 г. 374 с.
  8. Д.Л. Рахманкулов, С.Ю. Шавчукова, Ф.Н. Лапытова, В.В. Зорин. Применение микроволновой техники в лабораторных исследованиях и промышленности. Журнал прикладной химии. 2002 г. Т. 75. Вып. 9. с. 1409-1416



самое популярное

Детальное описание скачать гта 5 здесь.



Rambler's Top100