Экспериментальные микроволновые установки непрерывного действия
 Установка GWR (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
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 |
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 |
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.
Источники: