Содержание к диссертации
Введение
Состояние и перспективы развития производства цемента в россии и мире
1.1. Цементная промышленность в России и мире 7
1.2. Современные технологические процессы, используемые для производства цементного клинкера 12
1.3. Прогрессивные направления инновационного процесса в мировой цементной промышленности 20
Выводы по главе 1 26
Процессы горения топлива во вращающихся печах 27
2.1. Газодинамика и практические основы горения топлива во вращающихся печах 27
2.2. Применение низкосортного твердого топлива и горючих отходов при обжиге цементного клинкера 39
2.2.1. Особенности сжигания низкосортного топлива в цементообжигательных печах и декарбони-заторах 39
2.2.2. Низкосортное топливо, применяемое во вращающихся печах и декарбонизаторах 44
2.3. Перспективные методы процесса интенсификации обжига цементного клинкера. 49
Выводы по главе 2 53
Теоретические исследования взаимодействия электромагнитных свч полей с топливо - воздушной смесью 54
3.1. Исследование электродинамических схем камер сгорания без плазменного заполнения 55
3.1.1. Цилиндрический резонатор 57
3.1.2. Сферический резонатор 67
3.1.3. Тороидальный резонатор 73
3.1.4. Исследование частотных характеристик сфероидальных и полусфероидальных резонаторов 76
3.2. Исследование частотных характеристик резонаторов с плазменным заполнением. 80
3.2.1. Общие характеристики и задачи 80
3.2.2. Модель «кулоновского» разряда 84
3.2.3. Частотные характеристики цилиндрического резонатора, частично заполненного однородной диссипативной плазмой 89
3.3. Электродинамическая схема системы зажигания 95
3.4. Физика явления СВЧ - разряда в резонаторе 100
3.4.1. Физика явления разряда в воздухе 100
3.4.2. Физические модели разряда с использованием стороннего источника электронов 115
3.4.3. Снижение пробивного напряжения за счет эффекта Пеннинга 120
3.5. Оценка констант скоростей химических реакций и скорости горения под действием СВЧ - разряда 124
Выводы по главе 3 136
Экспериментальные исследования системы СВЧ-зажигания 138
4.1. Разработка экспериментального стенда для исследования системы СВЧ-зажигания 138
4.2. Описание и интерпретация экспериментальных результатов 150
4.2.1. Задачи эксперимента 150
4.2.2. Методика проведения экспериментов 150
4.2.3. Результаты эксперимента 153
4.2.4. Интерпретация результатов измерений 156
4.3. Общая схема системы автоматизации процесса режима сгорания топлива при помощи СВЧ-зажигания применительно к цементообжигательной печи или декарбонизатору 158
Выводы по главе 4 168
Основные выводы по диссертационной работе 169
Список литературы 170
Содержание 180
- Цементная промышленность в России и мире
- Газодинамика и практические основы горения топлива во вращающихся печах
- Исследование электродинамических схем камер сгорания без плазменного заполнения
- Разработка экспериментального стенда для исследования системы СВЧ-зажигания
Введение к работе
Цементная промышленность является ведущей отраслью в производстве строительных материалов. Очевидно, что в ближайшее время альтернативы цементу, как основному строительному материалу, не предвидится, поэтому совершенствование технологических процессов производства цемента и их удешевление являются важными задачами, решение которых позволит снизить затраты на строительство.
Одним из направлений снижения себестоимости изготовления цемента является снижение энергоёмкости производства. В настоящее время удельный расход топлива в среднем по цементной промышленности, равен 215-230 кг усл.т/т. кл, что составляет около 40% всей себестоимости производства цемента, причем учитывая расход топлива и энергии только на технологические нужды, поэтому энергосбережение, является первоочередной проблемой развития цементной промышленности. Создание и освоение малоэнергоемких технологий приобретают особую актуальность при решении вопросов экологии и увеличения объемов производства вяжущих материалов.
При современных технологиях производства цемента, для сжигания во вращающихся печах различных видов топлива используются специальные горелки (форсунки) различной конструкции. Рациональный тип горелок подбирается в зависимости от типа и размеров печи, вида и характеристики форсуночного топлива, исходя из оптимальных скоростей истечения топливно-воздушной смеси, определенного угла раскрытия и конфигурации факела и обеспечения условий интенсивного смешения топлива и воздуха.
Процесс клинкерообразования требует вполне определенных положения, длины и температуры зоны горения, а также скорости движения и времен пребывания сырья в зоне спекания. При определенном диаметре и тепловой мощности печи длина и объем зоны горения повышает ее тепловое напряжение и температуру горения, удлинение приводит к обратным явлениям.
Поскольку температура горения топлива должна быть максимальной, то для достижения этого необходимо обеспечить интенсивное смешение топлива с воздухом и полное его сгорание при минимальном коэффициенте избытка и максимальной температуре воздуха. Регулируя процесе горения топлива, можно изменять процесс образования обмазки в зоне спекания и размер гранул клинкера, повышать производительность печей и стойкость футеровки, а также снизить расход топлива.
Наряду с процессом горения на эффективность работы цементообжигательных печей влияет также воспламенение топлива.
Известно, что рост температуры обработки способствует ускорению физико-химических реакций разложения исходных сырьевых компонентов и клинкерообразо-вания. Это, наряду с интенсификацией теплообменных процессов, движущей силой которых является градиент температур между нагреваемым материалом и теплоносителем, обеспечивает увеличение удельной производительности обжиговых агрегатов. Применение высокотемпературных источников тепловой энергии, характеризующихся одновременно высокими значениями удельного энерговыделения, способствует также решению экологической проблемы за счет уменьшения пылегазовых выбросов в технологическом процессе получения клинкера.
В настоящее время, увеличение доли твердого топлива, а в будущем - замена его полностью или частично низкосортным твердым топливом -это важнейшие задачи, стоящие перед отраслью. К низкосортным топливам относятся также отходы, в состав которых входят горючие компоненты. Актуальность применения последних в цементной промышленности возрастает в связи повышением цен на топливо и поиском путей его экономии.
При определении возможности использования низкокалорийного топлива для обжига клинкера надо учитывать, что для завершения процесса клинкерообразования в достаточно короткий срок необходимо, чтобы температура факела составляла около 2000°С. Топливо с низкой теплотой сгорания не может обеспечить данную температуру, поэтому в зоне спекания цементообжигательных печей без добавки высококалорийного топлива, непригодно.
Вместе с тем следует отметить, что в современных обжиговых печных агрегатах, оснащенных декарбонизаторами и эффективными охладителями клинкера, уже практически исчерпаны резервы дальнейшего повышения эффективности тепло- массооб-мена, а также снижения удельного расхода топлива на обжиг клинкера.
Зольность низкосортного пылеугольного топлива существенно влияет на форму факела, а также снижает его температуру и излучательную способность, что отрицательно сказывается на качестве клинкера. Также, высокая зольность может приводить к росту выбросов в атмосферу, так как не вся зола присаживается к материалу, особенно в коротких вращающихся печах, при этом концентрация твердой фазы, поступающей в электрофильтры, может превышать 45-50 г/м3.
Все вышесказанное позволяет определить основное направление в совершенствовании технологии изготовления цемента, заключающееся в разработке и внедрении новых систем зажигания и сжигания топлива, которые позволят сжигать низкосортные виды топлив с большой зольностью, низкой теплотворной способностью и высокой температурой воспламенения. Реализация таких систем требует применения новых высокотемпературных инициаторов горения.
Одним из перспективных путей решения данной проблемы является автоматизация управления процессом обжига цементного клинкера при помощи сверхвысокочастотного (СВЧ) зажигания топливной смеси, основанного на получении частично ионизированной топливно-воздушной смеси за счет накачки микроволновой энергии в СВЧ-резонансный контур, представляющий собой в данном случае камеру сгорания, расположенную перед вращающейся печью или декарбонизатором.
Проведённый ниже анализ показывает, что метод автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера, базирующегося на применении СВЧ-зажигания, позволит сжигать смеси низкосортных видов топлива с низким процентным содержанием высококалорийных, что позволит получить значительную экономию от внедрения данных систем зажигания. При этом, благодаря более высоким температурам сжигания топлива, снизится экологический ущерб от цементообжигатепьных печей.
Основная цель работы.
Регулирование интенсивности горения топлива путем автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера, основанного на принципиально новом методе зажигания.
Для достижения поставленной цели необходимо:
• Теоретически обосновать возможность применения СВЧ-зажигания для интенсификации процессов декарбонизации и обжига клинкера.
• Экспериментально проверить вышеназванный метод СВЧ-зажигания.
• Разработать общую схему технической реализации метода автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера при помощи СВЧ-зажигания, применительно к процессу сжигания топлива во вращающихся печах и декарбонизаторах при производстве цементного клинкера.
Научная новизна.
• Проведенный теоретический анализ газодинамических процессов при обжиге цементного клинкера показал, что применяемые в настоящее время системы сжигания топлива не могут обеспечить сжигания низкокалорийного топлива с относительно малой долей высококалорийного.
• Теоретически обоснован процесс сгорания топлива в цементообжигательных печах при сверхвысокочастотном зажигании.
• Разработана математическая модель взаимодействия электромагнитного СВЧ-поля стопливно-воздушной смесью.
• Теоретически обоснована возможность сжигания низкокалорийного топлива с относительно малой долей высококалорийного при применении метода СВЧ-зажигания.
Практическая значимость.
Разработанная система автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера, базирующегося на применении сверхвысокочастотного зажигания, может быть применена на любом цементном заводе, работающем как по мокрому, так и по сухому способу производства, что позволяет заменить значительную часть высококалорийного топлива низкокалорийным, получить экономию затрат на топливо порядка 15-20%, а также снизить количество вредных выбросов в атмосферу.
Обоснована возможность применения автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера при помощи сверхвысокочастотного зажигания для осуществления процесса синтеза цементного клинкера в жидкой фазе (плавления), характеризующиеся увеличением скорости в 10М03 раз, что позволяет сократить время обжига до нескольких секунд.
На защиту вынося гея:
1. Результаты теоретического анализа взаимодействия электромагнитного СВЧ-поля с топливо-воздушной смесью.
2. Основы методики построения системы автоматизации управления процессом обжига цементного клинкера базирующейся на применении СВЧ-зажигания для декарбонизаторов и вращающихся печей.
3. Результаты экспериментальных исследований сжигания различных видов топлива под воздействием электромагнитного СВЧ-излучения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы.
Цементная промышленность в России и мире
Цементная отрасль наряду с металлургией, электроэнергетикой, химией и машиностроением определяет экономический потенциал и уровень промышленного развития страны. На протяжении многих лет развитие цементной промышленности было обязано росту инвестиций в основной капитал и объемов строительно-монтажных работ.
В составе строительного комплекса страны цементная промышленность -ведущая отрасль по производству строительных материалов.
От устойчивой работы цементной промышленности в большей степени зависит состояние и дальнейшее развитие экономики страны, решение социальных вопросов, дорожное строительство.
Цементная промышленность - одна из старейших отраслей в России, которая слово "цемент" узнала еще в начале XVIII века. Первые заводы были построены почти 250 лет назад. Почти двадцать лет, с 1962 по 1990 год, по производству цемента СССР занимал первое место в мире, достигнув максимального объема производства к 1989 году, - 85,3 миллиона тонн. Впрочем, лидирующее положение отрасли в советские годы сочеталось с прогрессирующим технологическим отставанием отечественной цементной промышленности от уровня промышленно развитых стран.
До 1992 г. цементная промышленность России развивалась по единому плану. Объемы производства в последние годы существования СССР полностью удовлетворяли потребности строительства. Проводимая реконструкция действующих предприятий цементной промышленности и строительство новых обеспечивались на современном инженерном уровне. Распад СССР не позволил далее развивать цементную промышленность по единой схеме. Прошедшая приватизация промышленных предприятий, нарушение существовавших промышленных связей обусловили для каждого предприятия свой путь развития. Рост цен на сырьевые материалы, комплектующие изделия и топливо привели к резкому сокращению производства цемента. Особенно в трудное положение попали заводы мокрого способа производства цемента в связи со значительным ростом цен на топливо и его доставку к месту потребления. Экономический кризис страны привел к резкому снижению объема промышленного и гражданского строительства, значительно сократив потребность в цементе.
При существующей (на 01.01.2002) производственной мощности цементной промышленности России 70,8 млн. т. фактическое его производство составило: 2001 г. - 36 млн. т., т.е. коэффициент использования мощностей в цементной промышленности в 2001 г. составил 51 %. Потребление цемента на душу населения в 2000 г. упало до 173 кг на одного российского жителя, что более чем в два раза ниже показателя развитых европейских стран [3].
Цементная промышленность России, практически заново построенная после Великой Отечественной войны и получившая свое дальнейшее развитие в 60 -70-е годы, в настоящее время оснащена в значительной мере изношенным оборудованием. Износ основных фондов составляет в целом по цементной промышленности более 50%, а их активной части - более 70%.
По прогнозам специалистов в 2002—2005 годах ожидается подъем промышленного производства. Строительная отрасль в первую очередь отреагирует на этот рост. В соответствии с темпами роста инвестиций и динамикой изменения объемов строительно-монтажных работ, принятых в прогнозе развития строительного комплекса, прогнозируется рост спроса на цемент к 2005 году в 1,3 -1,4 раза, т.е. до 40 млн. т., а по расчетам Госстроя РФ даже до 45 - 46 млн.т. Через 5-6 лет потребность в цементе возрастет до 45-46 млн. тонн в год. В то же время многие предприятия цементной отрасли практически прекратили свое существование; производительность труда российского рабочего-цементника, по данным [1] составляет 7% от уровня американского рабочего; по техническому оснащению российская цементная промышленность отстала от многих развивающихся стран Азии и Африки; износ оборудования на многих предприятиях приближается к 100%; энергоемкость нашего производства втрое выше японской. Однако в работе отрасли наметилась положительная тенденция. В 1999 году возрос объем производства цемента на 9,6% по сравнению с предыдущим, а в 2000 году произошел еще больший прирост, примерно 14%. В 2001 году было произведено уже более 36 млн. т цементного клинкера.
Направления промышленного развития российской и мировой цементной промышленности вытекают из оценки их технического уровня и состояния экономики страны, а также из сопоставления технического потенциала отечественного и зарубежного цементного производства по основным переделам.
Для оценки технического уровня отечественной цементной промышленности с зарубежным достаточно проанализировать два критерия - энергоемкость производства и производительность труда.
Главной тенденцией развития мировой цементной промышленности является снижение энергоемкости производства.
За рубежом завершен, в основном, наиболее эффективный этап в решении этой проблемы - перевод производства с энергоемкого мокрого способа на энергосберегающий сухой процесс.
Его допя в таких развитых странах, как Япония, Испания и Германия составляет 100%, в Италии - 96%, в США - 60%, во Франции и других странах Европы -75...97% [15]. Внедрение энергосберегающих высоких технологий и сопровождающей ее глобальной компьютеризации позволило кардинальным образом снизить энергоемкость цементного производства с 200 до 120 -130 кг условного топлива для получения в печах 1 т клинкера, а также повысить производительность труда в среднем до 4500 -5000 т цемента в год на одного работающего (в условиях, сопоставимых с российской промышленностью) [3].
На зарубежных заводах активно реализуется второй этап снижения энергоемкости. Это наращивание выпуска многокомпонентных цементов, а также использование вторичных сырьевых ресурсов и топливосодержащих отходов других отраслей промышленности. Главный акцент на этом этапе делается на стимулирование государством использования вторичного сырья и отходов. Использование на зарубежных заводах современных печных агрегатов и других достижений на данном переделе производства позволило снизить удельный расход топлива на обжиг клинкера до 680 - 700 ккал/кг или до 100 кг условного топлива на 1 т.
Доля сухого способа производства цемента в России не превышает 16%. Основная масса цемента здесь производится мокрым способом, поэтому расход условного топлива составляет в среднем 225-230 кг на 1 т клинкера [3].
Газодинамика и практические основы горения топлива во вращающихся печах
Учитывая, что вращающаяся печь является не только теплообменным агрегатом, но одновременно включает в себя и топку, большое внимание в теории и практике работы печи уделяется процессу горения топлива в ней и формированию оптимального факела.
Характер движения газового потока имеет важное значение при обжиге материала во вращающейся печи. Являясь основным теплоносителем, газовая фаза определяет теплообмен, циркуляцию пылевых потоков, пылеунос, предельную тепловую мощность, качество продукции и в целом, эффективность работы агрегата. Расчетные и экспериментальные данные по движению газового потока в печах представлены в работах [11,33...34].
Рассмотрим протекающие при горении твердого топлива процессы, т.к. ввиду их многоступенчатости, они отчасти включают случаи сжигания других видов топлива. По мере нагрева частица топлива подогревается, подсушивается, затем начинается возгонка летучих. Чем больше содержание летучих в топливе, тем интенсивнее и при более низкой температуре происходит их выход [7]. Например, из бурых углей, при содержании летучих V =50%, их возгонка начинается при f=170C. Из газовых углей при V =38%, f=210C; из ПЖ при V =27%, t =260C; из тощих углей V =5 - 7%, =320С; из горючих сланцев при 250С. Основная масса летучих возгоняется из топлива в интервале 200С - 400С, несколько меньшая часть от 400 - 700С, выход остатков летучих продолжается вплоть до 800С- 1000С.
При горении мелких частиц, благодаря высокой интенсивности тепло- и мас-собмена, основная масса летучих выделяется и диффундирует в окружающую среду, где, образуя горючую смесь, сгорает в газовом объеме. В случае горения крупных частиц, вследствие недостаточно интенсивного диффузионного обмена, летучие воспла 28 меняются около поверхности и выгорают за небольшой период времени, составляющий примерно 10% времени выгорания частицы.
Определяющей стадией процесса является стадия горения углерода, интенсивность которой и лимитирует скорость горения топлива. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим: Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех применяемых для вращающихся печей твердых топлив. Во-вторых, стадия горения углерода оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения. В-третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий, т. к. наибольшая теплота выделяется от горения углерода.
Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода. В некоторых случаях определяющими процесса горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Например, при сжигании высоковлажного топлива лимитирующей может быть стадия подсушки.
Процесс горения пылевидного топлива во вращающейся печи совершается в ограниченном прочном пространстве в потоках больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания. Основой горения является химическая реакция окисления топлива, протекающая под сильным влиянием физических процессов, таких как: движение пылегазовых струй с развитием вихревых потоков турбулентной и молекулярной диффузии; теплообмен в топке, между частицами топлива, газовой средой, футеровкой, материалом и др. [72].
Таким образом, горение угольной пыли является сложным физико-химическим процессом, состоящим из двух стадий: подвода кислорода путем турбулентной и молекулярной диффузии к поверхности топлива и химической реакции на ней. Следовательно, скорость горения топлива и длина факела в топке зависит от интенсивности смешения топлива с воздухом и скорости химического воздействия кислорода с топливом и в общем виде может быть выражено через константу скорости суммарного процесса [7]: r \tK + \laDl где: /С- константа скорости химической реакции; а о - коэффициент диффузионного обмена. Не вдаваясь в подробности механизма реагирования углерода с кислородом, процессы, протекающие на поверхности углеродистой частицы, можно формально характеризовать следующими химическими реакциями: 1. C + 02 = C02+qi 2. 2C+02 = 2CO+q2 3. C + C02 = 2CO-q3 4. 2СО + Ог=2С02+Ч4
В условиях реальных топочных температур решающая роль принадлежит второй реакции, которая и лимитирует процесс в кинетической области [58,59]. Важнейшее значение при горении имеет скорость реакции, которая зависит от природы топлива и физических условий: концентрации реагирующих газов, температуры и давления среды [12]. Температурная зависимость является наиболее сильной и определяется по уравнению Аррениуса через константу скорости реакции где: К - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации; R- универсальная газовая постоянная; 7-температура.
При снижении температуры константа К уменьшается по экспоненте, поэтому в области низких температур скорость химической реакции во много раз меньше скорости диффузии, т.е. К« 3D.
При снижении температуры константа К уменьшается по экспоненте, поэтому в области низких температур скорость химической реакции во много раз меньше скорости диффузии, то есть К«а о. В этих условиях величиной Ma D можно пренебречь по сравнению с 1/К и, следовательно, скорость горения - К будет определяться лишь скоростью химических реакций К»« К
Низкотемпературная область, при которой процесс горения лимитируется скоростью химической реакции, называется кинетической областью горения. С увеличением температуры скорость химического взаимодействия, согласно уравнению Арре-ниуса, растет по экспоненте и при определенной температуре приобретает настолько большое значение, что на поверхности не остается свободного кислорода. В этих условиях процесс горения определяется скоростью подвода кислорода к частице топлива, r.e.cto«K. Следовательно, пренебрегая 1/К по сравнению с 1/ого, имеем К9 и а о. Область горения, когда процесс лимитируется скоростью диффузии кислорода к реакционной поверхности, называется диффузионной областью горения. В диффузионной области скорость горения практически не зависит от реакционной способности топлива. В этой области на скорость горения влияют гидродинамические факторы: относительная скорость газовых потоков, размер частиц топлива и др.
Исследование электродинамических схем камер сгорания без плазменного заполнения
a Другими словами, должны быть минимальными джоулевые потери за счет конечной проводимости стенок резонатора, джоулевых потерь за счет конечного тангажа угла потерь диэлектрического заполнения, а также излучения из объема резонатора за счет различных запредельных и незапредельных отверстий. Сказанное, безусловно, относится к линейному режиму, когда R, L, С не зависит от приложенного поля. Как будет показано ниже, подобное требование необходимо для первоначального пробоя и зажигания разряда, т.е. на первой стадии. Дальнейшая процедура управления сводится к «закачке» максимально возможной мощности в загоревшийся разряд для обеспечения заданной его конфигурации и создание требуемого поля температуры.
Данные резонаторы достаточно хорошо изучены и можно было бы привести соответствующие выражения для полей в их полостях. Однако, поскольку, в дальнейшем будут анализироваться их резонансные характеристики в условиях неоднородного диэлектрического заполнения, ниже приводятся общие теоретические соотношения. Применительно к цилиндрическому резонатору наиболее характерной структурой волны является волна Еою, которая получается из решения уравнения.
Таким образом, правая часть уравнения (3.26) определяет как приток энергии извне через некоторые отверстия в оболочке резонатора, так и опок в его стенки из-за конечной их проводимости.
Первое интегральное слагаемое определяет изменение энергии, запасенной в объеме. Второе и третье слагаемое определяют джоулевые потери в среде заполняющей резонатор, четвертое и пятое - приток или отток энергии через элементы связи.
Отметим, что для использования закона сохранения энергии в общем случае необходимо применение самосогласованного поля, полученного в результате решения уравнения Максвелла для линейной среды. Данная задача является весьма сложной. Однако в ряде инженерных случаев можно воспользоваться приближением заданного поля, в особенности в тех случаях, когда возмущение диэлектрической или магнитной проницаемости под действием приложенного поля сравнительно не велико (см. ниже).
В случае реального резонатора добротность может быть гораздо ниже. Так, в реальном резонаторе, образованной камерой постоянного объема добротность оказывается равной 200 вместо 1730.
Это свидетельствует о том, что при разработке систем СВЧ-зажигания необходима определенная дисциплина проектирования камеры и ее профиля. Из формулы для добротности Q= а 1/(Ща+1),(0 а/ф Может создаться впечатление, что добротность можно увеличить до величины Q = a/d при /»а Однако при использовании волны типа Еою амплитуда поля будет убывать 1/с.т.е. . Ep„ = UQ/l Ua/d(a+l). При / а напряженность Ер $ слабо зависит от Б, а с увеличением / она убывает.
Таким образом, емкость цилиндрического резонатора определяется площадью пластин (верхней и нижней) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. В этом можно усмотреть практически полную аналогию между цилиндрическим резонатором и плоским конденсатором. Индуктивность оказывается пропорциональной высоте резонатора. На основании сказанного становится понятным, по какой причине выше оценивалось напряжение на емкости: именно напряжение между верхней и нижней пластиной будет определять вероятность пробоя в газовой смеси между ними.
Напряжение на конденсаторе, т.е. разность потенциалов между верхней и нижней пластинами, определяется формулой: Положим Р = 10 Вт, Zo = 50 Ом, тогда Uk = = 3/ІИ02 В Тогда амплитуда резонансного поля оказывается равной: При Q = 200; и4рез = 6,2 хЮ4 В; Е4рез = 3,1 хЮ4 В/см, т.е. почти на порядок напряженность поля оказывается ниже.
Литая сталь Q4 = 4699,00 Етах4 = 4,33 Х104 В/СМ Сопоставление аналогичных величин для цилиндрического и сферического резонаторов показывает, что напряженность поля в сферическом резонаторе при равной резонансной частоте примерно в 5,8 раз меньше, чем в цилиндрическом, т.к. размер разрядного промежутка в последнем больше, чем в сферическом.
Разработка экспериментального стенда для исследования системы СВЧ-зажигания
Разработка экспериментальной системы возбуждения была продиктована наличием имеющегося и наиболее доступного оборудования для создания камеры сгорания и, в частности, камеры сгорания постоянного объема.
Она представляла собой цилиндрическую полость диаметром 100 мм и высотой 19 мм. При такой конструкции камеры и наборе технологических отверстий наиболее оптимальным представлялось применение вибраторного (электрического) возбуждения резонатора. При этом вибратор располагался на плоской поверхности на оси резонатора или с некоторым смещением относительно нее.
Для возбуждения резонатора использовалось специально созданная коаксиальная линия с волновым сопротивлением 50 Ом, центральный проводник которой трансформировался в вибратор; наружная оболочка электрически прочно соединялась резьбовой структурой со стенкой камеры.
Другой конец коаксиальной линии соединялся с волноводным адаптером на волноводе сечением 72 х 34. Для обеспечения условий герметичности и требуемой электрической прочности центральный проводник центрировался диэлектрическими шайбами. В первоначальном варианте в составе системы СВЧ-зажигания использовался возбудитель, состоящий из металлического корпуса, изготовленного из стали А12 методом точения и сердечника (изолятора в сборе). Сборка корпуса с сердечником осуществлена путем завальцовки буртика корпуса на плечико изолятора с усилием 30 кН и с последующей термоосадкой корпуса на специальной сборочной машине. Между коническими поверхностями корпуса и изолятора проложена медная уплотнительная теплоот-водящая шайба. Данный метод сборки обеспечивает герметичность по соединению корпус-сердечник на всех режимах работы камеры сгорания.
Изолятор возбудителя изготовлен из особопрочной корундовой керамики «бор-корунд». Изолированный (центральный) электрод в отличие от известных конструкций свечей зажигания изготовлен из латуни в виде двухступенчатого цилиндра с резьбой М4, выполненный на более тонкой части электрода. Утолщенная до 6,0 мм часть электрода свечи выступает в рабочую камеру на 8,0 мм. В торце утолщенной части выполнено отверстие на глубину 6,0 мм с резьбой МЗ.
Для удобства проведения экспериментов возбудитель по соединению электрод-изолятор выполнен разборным с соответствующей герметизацией этого соединения. Для соединения с камерой сгорания на корпусе возбудителя выполнена резьба М14 х 1,25 мм. Длина резьбовой части-19 мм.
При проведении пробных опытов на моделирующей установке вышеописанный возбудитель вышел из строя. После подачи СВЧ-энергии произошел пробой изолятора. Таким образом, материал изолятора оказался неподходящим для работы с СВЧ-энергией. После этого был разработан и изготовлен другой вариант возбудителя, структурная схема которого и представлена на рис. 4.1.
Внешний (корпус) и внутренний (электрод) проводники этого возбудителя закреплены между собой с помощью диэлектрической втулки - изолятора, обеспечивающей герметизацию камеры-резонатора. Диэлектрик втулки должен обладать малыми электрическими потерями и обеспечивать механическую прочность в широком диапазоне температур (от -50С до +500С и выше). Наиболее подходящим материалом может служить фторопласт и некоторые типы керамики, обладающие малым потерями в СВЧ-диапазоне.
Для простоты определения экспериментальных исследований применялась фторопластовая втулка, помещенная в корпус, состоящий из двух половинок. При их свинчивании обеспечивается достаточная герметизация для проведения отдельных циклов исследования.
Электрические параметры применяемых материалов измеряются обычным ме тодом замещения при установке образцов в линию передачи в диапазоне работы СВЧ генератора - источника зажигания в камере сгорания. Таким образом, наиболее подходящая конструкция возбудителя должна содержать кварцевую втулку-изолятор, а корпус и электрод должны быть выполнены из сплава - инвара, для обеспечения работы в ши 1 роком температурном диапазоне.
Она включает в себя источник СВЧ энергии (СВЧ - генератор) 1, коаксиальные элементы связи 4, аттенюаторы 3, вентили 2, объемный резонатор 5, автоматизированную систему управления 7 и топливопровод 8. Цифрой 6 обозначена вращающаяся печь.
Действие СВЧ-зажигания в камере сгорания для цементообжигательной печи или декарбонизатора происходит следующим образом:
- в начальный момент времени to открывается автоматический аттеньюатор и начинается подача СВЧ энергии в камеру сгорания (резонатор). Одновременно происходит подача топлива в камеру сгорания. С момента времени to, внутри резонатора происходит распространение электромагнитной волны. Она взаимодействует с топливно-воздушной смесью и возбуждает ее за счет ионизации и релаксации молекулярных структур. В результате таких взаимодействий растет температура и накапливается энергия, что приводит к появлению возбужденной и ионизированной среды.
- через некоторое время ti напряженность магнитного поля внутри резонатора достигает своего критического значения. В этот момент максимально открывается автоматический аттенюатор, увеличивая тем самым подачу СВЧ-энергии в камеру сгорания до максимального уровня и в режиме квазирезонанса с одновременным возбуждением топливо-воздушной смеси в камере сгорания возникает объемный разряд. В этот момент, в камере сгорания открывается клапан во вращающуюся печь, и происходит выпуск горящей смеси, представляющей собой высокотемпературный инициатор горения.
При установке в камере сгорания штыревых или кольцевых элементов, СВЧ-разряд возникает именно на указанных неоднородностях, что позволяет регулировать процесс горения. В результате СВЧ-разряда возникает плазма, которой необходимо управлять с целью упорядочения электронных потоков для увеличения продолжительности горения и наиболее полного использования горячей плазмы для зажигания низкокалорийного топлива. Подача СВЧ-энергии продолжается и после открытия клапана, при этом возникает взаимодействие электромагнитного поля и плазмы. По прошествии небольшого промежутка времени t2 toi клапан закрывается, автоматический аттенюатор возвращается в состояние, в котором он находился в промежуток времени toi, и процесс повторяется вновь.
На данном этапе проведения работы для получения микроволнового разряда и зажигания топливно-воздушной смеси использовалась экспериментальная установка, моделирующая камеру сгорания без выпускного клапана. Такая схема экспериментальной установки позволяет смоделировать процесс горения впрыскиваемой топливно-воздушной смеси непосредственно в камеру сгорания.
