Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сверхвысокочастотный нагрев диэлектрических сред 11
1.1. Области применения СВЧ нагрева 11
1.2. Установки СВЧ нагрева 22
1.3. Проблемы практической реализации СВЧ комплексов 27
1.3.1. Процессы СВЧ обработки 30
1.3.2. Реализация СВЧ обработки и управления в технологических установках обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред 34
1.4. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева...44
Выводы 49
Глава 2. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических сред 51
2.1. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева полубесконечных диэлектрических сред 53
2.1.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на полубесконечную диэлектрическую среду (модель 1) 53
2.1.1.1. Сравнительный расчёт СВЧ нагрева по модели Рикенглаза Л.Э. и новому полученному решению...56
2.1.1.2. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева при разном времени нагрева 57
2.1.1.3. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды на разных частотах и при разной мощности источника 58
2.2. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических сред конечной толщины 60
2.2.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы (модель 2) 61
2.2.1.1. Повышение равномерности нагрева среды за счёт выбора частоты излучателя. Численный расчет 64
2.2.2. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы с поворотом плоскости поляризации (модель 3) 65
2.3. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических сред конечной толщины с встречным возбуждением 68
2.3.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых некогерентными источниками (модель 4) 68
2.3.2. Модель сверхвысокочастотного нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых когерентными источниками (модель 5) 70
2.3.3. Сравнительный анализ результатов численного моделирования сверхвысокочастотного нагрева при разных способах возбуждения электромагнитного поля 72
2.4. Двумерная модель сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды с известными поверхностными распределениями плотности мощности источника (модель 6) 74
2.4.1 .Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева древесины..76
2.4.2. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии (ВНЭ) движущимся излучателем..80
2.5. Трёхмерная модель сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды (модель 7) 82
Выводы 84
Глава 3. Экспериментальное исследование сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии 86
3.1. Экспериментальное исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости водонефтяной эмульсии от температуры 87
3.1.1. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии с учетом экспериментальных данных 89
3.2. Проверка адекватности математических моделей сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии 92
3.2.1. Проверка адекватности трёхмерной математической модели сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии .92
3.2.2. Проверка адекватности математической модели сверхвысокочастотного нагрева полубесконечной среды 95
Выводы 96
Глава 4. Разработка комплексов сверхвысокочастотного нагрева нефтепродуктов 98
4.1. Исследование режимов воздействия сверхвысокочастотных электромагнитных полей на водонефтяную эмульсию 99
4.2. Пилотный образец технологического модуля сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии в канале концевого делителя фаз 107
4.3. Промысловый модуль сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии (ПМВК-400) 115
4.3.1. Разработка камеры электродинамической обработки водонефтяной эмульсии 118
4.4. Сверхвысокочастотные устройства по переработке водомасляной эмульсии 120
4.5. Устройство термообработки сыпучих и жидких диэлектрических материалов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты 124
Выводы 126
Приложение 127
Основные результаты и выводы 128
Литература
- Проблемы практической реализации СВЧ комплексов
- Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на полубесконечную диэлектрическую среду (модель 1)
- Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии с учетом экспериментальных данных
- Пилотный образец технологического модуля сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии в канале концевого делителя фаз
Введение к работе
В последние десятилетия в России широко развиваются и используются технологические процессы, основанные на использовании эффекта воздействия электромагнитной энергии СВЧ и КВЧ диапазонов длин волн. Области использования энергии СВЧ возрастает с каждым годом, к ним относится сушка различных материалов, обеззараживание отходов, стерилизация, пастеризация, размораживание пищевых продуктов, приготовление пиши и переработка сельскохозяйственной продукции, в том числе кормов, утилизация пищевых и животноводческих отходов, производство строительных материалов, производство и переработка продуктов нефтехимической промышленности и т.д.
Интерес к научным исследованиям и внедрению их в промышленность объясняется рядом преимуществ СВЧ технологий, некоторые из которых невозможно реализовать, применяя традиционные способы обработки материала. СВЧ технологии реализуют экологически чистые процессы, быстродейственны и энергоэкономичны, предоставляется возможность локального воздействия на материал.
Первыми областями применения СВЧТК следует считать радиолокацию. Использование СВЧ колебаний в радиолокации к настоящему времени подробно изучено, и по этому вопросу имеется большое количество публикаций [1-5].
Одним из важнейших показателей эффективности использования энергоносителей являются энергозатраты на выработку единицы продукта. К сожалению, по этому параметру Россия сильно отстает от передовых промышленных стран. СВЧ комплексы относятся к числу энергосберегающих, и их внедрение способствует уменьшению энергозатрат на единицу продукта.
Для оценки эффективности внедрения СВЧТК необходимо изучить структуру энергетики [6]. Электроэнергия СВЧТ для нашей страны составила
20% всего энергопотребления. Необходимо отметить, что эта структура не является оптимальной и в развитых странах доля электроэнергии СВЧТ значительно выше [6]. Поэтому можно сделать заключение, что если значительная часть электроэнергии будет использоваться в виде СВЧ энергии, то СВЧТ могут внести существенный вклад в программу энергосбережения вообще.
В настоящее время актуальным вопросом в нефтегазодобывающей промышленности является подготовка нефти к транспортировке. Одним из этапом обработки водонефтяной эмульсии (ВНЭ) является её нагрев. СВЧ нагрев имеет значительные преимущества перед традиционными способами, поэтому проектирование и создание СВЧК обработки ВНЭ является актуальной научно-технической задачей.
Несмотря на целесообразность развития многофункциональных, автоматизированных СВЧК, основанных на унификации используемой элементной базы и вспомогательного оборудования, основные вопросы, такие как определение требуемых режимов обработки, формирование требуемого распределения температурного поля в СВЧ камере и управление им ещё не рассмотрены в должной мере.
Целью диссертационной работы является разработка методов и устройств, способствующих улучшению технико-экономических показателей СВЧ комплексов обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред. Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:
разработки новых математических моделей СВЧ нагрева;
исследование физических режимов обработки энергией электромагнитных полей (ЭМП) СВЧ диэлектрических сред;
разработка практических рекомендаций и исходных данных для
проектирования и создания СВЧТК.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
впервые для повышения эффективности СВЧТК использовано новое аналитическое решение математической модели СВЧ нагрева;
получены новые аналитические решения математических моделей СВЧ нагрева одномерных, двухмерных и трёхмерных задач, как для полубесконечных сред, так и для сред конечных размеров, для разных способов возбуждения электромагнитного поля;
разработанные математические модели использованы при решении задач СВЧ нагрева диэлектрических сред, а также при проектировании и разработке практических вариантов СВЧ установок с целью повышения их эффективности;
предложены новые устройства СВЧ обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред.
Практическая ценность результатов диссертации определяется:
возможностью использования моделей СВЧ нагрева для оценки качества работы СВЧ установок в процессе проектирования;
возможностью использования разработанных моделей и методик, способствующих улучшению технико-экономических показателей при разработке СВЧТК с автоматизированным управлением.
Методы исследований. При решении основных задач в диссертации использованы следующие методы:
аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных;
методы конечномерной оптимизации.
При решении задач использованы современные программные средства ЭВМ, например Microsoft Excel.
Достоверность основных результатов диссертации определяется:
корректным использованием математического аппарата;
хорошим совпадением результатов моделирования СВЧ нагрева с результатами других авторов;
совпадением результатов численного моделирования с
экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту:
одномерные, двумерные, трёхмерные математические модели СВЧ нагрева диэлектрических сред;
методики решения задач оптимизации СВЧ нагрева;
комплекс программных средств моделирования СВЧ нагрева сред;
сравнительный анализ результатов СВЧ нагрева при различных способах возбуждения электромагнитного поля;
сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов;
функциональная схема СВЧК обработки ВНЭ с автоматизированным управлением технологического процесса;
камера электродинамической обработки (КЭО);
СВЧ устройства обработки нефти и других диэлектрических сред. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих форумах: IX Всероссийские Туполевские чтения памяти В.И. Поповкина (Казань, 2001г.); IV Республиканская научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов (Казань, 2002г.); VII Четаевская международная конференция "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением" (Казань, 2002г.); Республиканский конкурс научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии имени Н.И. Лобачевского (Казань, 2002г.); конкурс на соискание стипендии главы администрации г. Казани (Казань 2002г.); конференция «Современные методы теории функций (Воронеж, 2003г.), 13-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». (Севастополь, 2003г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 4 статьи, 8 тезисов докладов и патент РФ на полезную модель, а также получено положительное решение на изобретение.
Практическое использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в организациях: НГДУ «Лениногорскнефть» в ходе выполнения работ по исследованию возможностей использования СВЧ установок на предприятиях нефтедобывающего комплекса, в НИЦ ПРЭ КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) при разработке опытной установки для обработки водонефтяной эмульсии, в КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) в учебном процессе курсового и дипломного проектирования.
Автор выражает благодарность доценту кафедры специальной математики КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ), к.т.н. Анфиногентову В. И. за научные консультации, а также коллективу НИЦ ПРЭ КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) за помощь в работе.
Проблемы практической реализации СВЧ комплексов
Построению СВЧТК предшествуют иерархические этапы жизненного цикла. В работе [66] предлагается иерархическая схема жизненного цикла СВЧТК, но она не учитывает важнейший этап при предпроектном исследовании — это математическое моделирование СВЧ нагрева.
Создание эффективных СВЧТК, отвечающих современным требованиям времени, невозможно без этапа математического моделирования. При использовании методов моделирования не требуется значительных материальных и временных затрат открываются широкие возможности отыскания управляющих параметров, обеспечивающих эффективные режимы СВЧ нагрева и улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик СВЧ установок.
Математическое моделирование СВЧ нагрева позволяет выбрать оптимальные режимы работы, которые обеспечивают при меньших энергетических и временных затратах получение требуемого качества обрабатываемого материала. В работе [86] изложены результаты экспериментальных исследований влияния СВЧ электромагнитного поля на изменение температуры диэлектрика и показано, что для детального анализа исследуемых явлений недостаточно экспериментальных исследований, а необходимо математическое моделирование этих процессов.
Автором диссертации предлагаются схема иерархических уровней жизненного цикла СВЧТК (рис. 1.1). Важнейшим этапом жизненного цикла при проектировании СВЧТК является предпроектное исследование.
Предпроектное исследование, на основе разработанных математических моделей и результатов экспериментального исследования физических режимов СВЧ нагрева ВНЭ, в начале пути создания СВЧ установок, позволяет выбрать оптимальный режим обработки диэлектрической среды, что обеспечивает уменьшение затрат на создание и способствует улучшению технико-экономических показателей СВЧ устройств.
Начальным этапом предпроектного исследования является физическое моделирование, т.е. исследование и выбор оптимального режима наименьшего энергопотребления с обеспечением требуемых параметров технологического процесса, так как контроль физических параметров технологического процесса, таких как температуры, давления, времени нагрева и др. является важным моментом при формировании режимов управления технологического процесса.
Сокращение затрат на этапе проектирования существенно зависит от этапа моделирования процесса СВЧ нагрева ВНЭ. Следующий этап предпроектного исследования является выбор способов управления ЭМП в СВЧ камере СВЧТК (раздел 1.3). На основе выбора способа управления СВЧТК определяется структура и параметры проектируемой СВЧ установки. Следующими иерархическими уровнями жизненного цикла являются производство, проверка работы и надёжности СВЧТК, а также эксплуатация установки.
К настоящему времени созданы необходимые предпосылки для практического освоения многих СВЧТ: проведены теоретические исследования, создана элементная база для построения СВЧТК. Однако для большинства приложений СВЧТК пока не вышли из фазы лабораторных исследований [134].
Это свидетельствует о том, что существует ряд факторов, сдерживающих более широкое практическое использование СВЧТ. К числу указанных факторов в первую очередь относятся: экономические - относительно высокая стоимость и низкие экономические показатели потенциально перспективных СВЧТК по сравнению с комплексами, использующими традиционные технологии; недостаточная проработка вопросов методологии создания и технического проектирования как универсальных, так и специализированных СВЧТК; недостаточная проработка вопросов определения наиболее эффективных технологических процессов и их комбинаций с традиционными; недостаточная проработка конкретных режимов обработки.
Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на полубесконечную диэлектрическую среду (модель 1)
Решается задача определения температурного поля в среде с постоянными параметрами, отличие которой от рассмотренной в [118] состоит в том, что снято ограничение на условие применимости адиабатического приближения. Согласно работе [118] температурное поле в среде (х 0) описывается нестационарным одномерным уравнением теплопроводности. (2.1) дТ ,д2Т . ч ср— = Я—j + q(xft), t 0y ot ox где с, p, X - теплоемкость, плотность и теплопроводность среды соответственно, q(x, t) = - div S (x, t)n S (x, t) - вектор Пойнтинга в среде. Начальное и граничное условия для уравнения (2.1) имеют вид [118] Т(х,0) = Т(ъ,г) = Т0, (2.2) где Т0- начальная температура среды.
При условии постоянства параметров среды мощность объемных источников тепла для случая (рис. 2.1) плоской электромагнитной волны, перпендикулярно падающей на полубесконечную диэлектрическую среду, определяется согласно работе [118] q (х, i) = 2aFeS0 lexp(-yx)\2, где Fe - коэффициент энергетического прохождения, S0+= Ao/2w0 - вектор Пойнтинга в вакууме, Ао — амплитуда электрического поля, w0 - волновое сопротивление вакуума, у = a + jfi, а — коэффициент затухания, /Ї - фазовый коэффициент.
Преобразуем выражение \ехр(-ух)\ : \ехр(-ух)\2=\ъхр(-(а +jfi)x)\ =lexp(-ax-jfix)\2=\exp(-ax)exp(-Jftx)i = =\exp(-ax)[cos(fix) jsm(flx)]\ = cxp(-2ax). Таким образом, q(x, t) = Aexp(-2ax), где A = 2aFJS0+. Будем искать решение уравнения (2.1) с условиями (2.2) в следующем виде T(x,t) = TQ +f(t) ехр (-2ах), (2.3) где/(У - дифференцируемая функция, удовлетворяющая в силу (2.2) условию /(0)-0. Вычисляя частные производные, получим Ш=/(і)ехр(-2ах) ot l=f(t)exp(-2ax)-(-2a); дх Щй =f(t)exp(-2ax) -4 а \ дх Подставив в (2.1) частные производные от T(x,t), получим уравнение для определения функции f(t) cpf/(t)-exp(-2ax)=Xf(t)-Qxp(-2ax) 4a 2+ А -ехр(-2ах), откуда Ш = 4а а /(0 + , (2.4) at ср 2 Л где a = температуропроводность среды. Интегрируя уравнение (2.4) с ср начальным условием /(0)=0, получим 4сpa а Тогда в соответствии с формулой (2.3) решение поставленной задачи записывается в виде F S + T(x,t)=T0 + ехр(-2аж)(ехр(4сг V/) - I). (2.5)
Отметим, что решение (2.5) удовлетворяет условиям (2.2). При малых t полученное решение совпадает с решением (2.5) работы [118], полученным при допущении адиабатического приближения. Температура на границе вакуума и среды (х = 0) определяется по формуле Г(0,0 = Т0+ - (exp(4aV0-U. (2.6) 2аЯ Интересно заметить, что формула (2.6) совпадает с формулой (6.2) работы [118], полученной для случая линейной зависимости коэффициента затухания от температуры, опять-таки при упрощающем предположении адиабатического приближения.
Математическая модель Рикенглаза Л.З., полученная при допущении адиабатического приближения, имеет вид [118] Т(х, t)=Т0 + Ь texp(-2ax). (2.7) ср
Если в адиабатическом приближении зависимость температуры среды от времени носит линейный характер, то при отказе от адиабатического приближения температура среды является функцией времени. Ниже приведены результаты численных расчётов для сравнения решения (2.5.) и (2.7).
Для сопоставления решения из [118] с полученным в разделе 2.1.1 были проведены численные расчёты по формулам (2.5) и (2.7).
При расчётах полагалось: начальная температура 7 0=20оС, действительная часть диэлектрической проницаемости е -2,5, мнимая часть диэлектрической проницаемости е"=0,5, частота/=2450 МГц, коэффициент теплоёмкости среды =1717 Дж/(кгК), коэффициент теплопроводности 1=1,15 Вт/(мК), плотность среды р=1560 кг/(мК) [50]. Мощность ЭМП А0=500 Вт, глубина х=0 м.
Сравнивая результаты, полученные по формулам (2.5) и (2.7), видно, что температурные поля в диэлектрике неодинаковы. Это хорошо заметно на рис. 2.2, 2.3. Если процесс нагрева продолжается длительное время, то отличия температуры значительны. В верхних слоях диэлектрика эти отличия более выражены (рис. 2.3). Из рис. 2.2 и формулы (2.5) видно, что температура изменяется во времени по экспоненциальному закону, что не описывает формула (2.7), в которой зависимость температуры от времени носит линейный характер. Результаты численного расчёта СВЧ нагрева грунта при мощности 25 кВт, частоте 2450 МГц, начальной температуре 7V=5C осуществлялись по формуле (2.5) и представлены на рис. 2.4. При расчётах полагалось: =750- -,./7 = 1240- 1, Д = 0,5- -, = 2,5, tg=0,15. кг К м М К
Значения теплофизических и электрофизических параметров среды взяты из [50].
По горизонтальной оси отложены значения глубины грунта (0 х 0,2м), по вертикальной - значения температуры. Незначительное повышение температуры при глубине х 0,15м связано с большим затуханием электромагнитного поля в грунте (глубина проникновения электромагнитного поля на заданной частоте Ь=а 1»0,155м). Полученные результаты качественно согласуются с результатами из работы [50], полученными при численном решении уравнения теплопроводности методом конечных элементов.
Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии с учетом экспериментальных данных
Техника и методы измерения параметров сред на сверхвысокой частоте приведены в [144-151]. Структурная схема установки для измерения комплексной диэлектрической проницаемости представлена на рис 3.1, которая состоит из перестраиваемого СВЧ генератора, измерительной линии, согласованной нагрузки и измерительного прибора.
Методика измерения комплексной диэлектрической проницаемости заключается в определении действительной части диэлектрической проницаемости по смещению минимума электромагнитной волны при заполнении волновода диэлектриком. Согласно методике регистрировался минимум волны при воздушном заполнении волновода и при заполнении волновода ВНЭ. По смещению минимума электромагнитной волны вычислялась диэлектрическая проницаемость ВНЭ. Измерения проводись на частоте 2450 МГц при разной температуре среды, которые регистрировались электронными термометрами.
Комнатная температура или начальная температура измерения 7if=18C. По результатам экспериментов построен график зависимости действительной части диэлектрической проницаемости от температуры ВНЭ, (рис. 3.2).
Используя методики измерений параметров диэлектрической среды на СВЧ частоте [146-149, 151] измерялся коэффициент стоячей волны (КСВ), вычислялся коэффициент затухания ВНЭ и вычислялись значения мнимой части диэлектрической проницаемости.
По результатам измерений построен график зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости от температуры, усреднённый по большому числу измерений (рис. 3.3).
Проведённые измерения показали, что в диапазоне температур 18-50С действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости являются монотонно возрастающими функциями температуры.
При решении уравнений теплопроводности (глава 2) значения параметров диэлектрической среды полагались постоянными. На основании моделей (глава 2) по формулам (2.5), (2.11), (2.13) произведены численные расчёты СВЧ нагрева ВНЭ с учётом измеренной зависимости диэлектрической проницаемости от температуры и при постоянных параметрах ВНЭ, а также произведено их сравнение. Результаты расчёта представлены на рис. 3.4, 3.5.
Численные расчеты проводились при следующих значениях параметров: мощность источника электромагнитной волны Ад=750 Вт; частота излучателя f =2450 МГц; коэффициент теплоемкости среды С=750 Дж/(кгК); коэффициент теплопроводности Я — 0,125 Вт/(мК); плотность среды р=961 кг/(мК).
Использовалась математическая модель СВЧ нагрева диэлектрика полубесконечного слоя. Кривые на рис. 3.4, отражающие зависимость температуры от глубины (кривая / — с постоянными параметрами ВНЭ и кривая 2 — с учётом зависимости диэлектрической проницаемости от температуры) отличаются друг от друга, особенно это заметно в верхних слоях ВНЭ.
Результаты расчёта температуры СВЧ нагрева ВНЭ проводились для моделей 2 и 3 (рис. 3,5). На рис. 3.5 приведены кривые, отражающие зависимость температуры от глубины среды - ВНЭ, для разных математических моделей СВЧ нагрева. Кривая 1 модель СВЧ нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых некогерентными источниками с постоянными параметрами ВНЭ. Кривая 2 - модель СВЧ нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн, на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых некогерентными источниками, с учётом зависимости комплексной диэлектрической проницаемости ВНЭ от температуры. Кривая 3 — модель СВЧ нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы с постоянными параметрами ВНЭ. Кривая 4 — модель СВЧ нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы с учётом зависимости комплексной диэлектрической проницаемости ВНЭ от температуры.
Пилотный образец технологического модуля сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии в канале концевого делителя фаз
Моделирование СВЧ нагрева позволяет выбрать оптимальный режим работы установки по переработки ВМЭ. В зависимости от скорости перемещения источника СВЧ энергии происходит нагрев ВМЭ до нужной температуры (рис. 2.14).
Для представленной выше установки при температуре окружающей среды около 20С, частоте 2450 МГц и мощности 5 кВт скорость перемещения СВЧ источника должна составлять 0,1 м/с, чтобы нагреть среду до температуры примерно 60С (рис. 2.14).
В случае, когда требуется перерабатывать значительное количество ВМЭ (сотни кг), следует использовать микроволновое устройство непрерывного действия следующего типа, рис. 4.27.
ВМЭ, помещённая в волновод, облучается встречными потоками СВЧ энергии от некогерентных источников, тем самым нагрев осуществляется в большем объёме за единицу времени, чем в предыдущем варианте (рис. 4.26), и, как показано в настоящей работе, с равномерным распределением температурного поля в ВМЭ. ВМЭ заливается в волновод через устройство ввода, расположенное в верхней его части. Переработанные вода и масло, предназначенные для вторичного применения, выливаются через отверстия, расположенные на боковой стенке волновода на разных уровнях (вода ниже масла).
При нагреве ВМЭ до требуемой температуры СВЧ энергией осуществляется эффективное расслоение ВМЭ на обеззараженную воду, масло и твердые частицы, которые тоже можно использовать, например, в технологическом процессе изготовления строительных кирпичей.
Исследования математических моделей СВЧ нагрева, полученных в диссертации, и эксперименты позволят определить оптимальный режим работы этой микроволновой установки. С помощью выбора частоты, мощности, используя результаты эксперимента, зная параметры диэлектрической среды, выбирается оптимальный режим нагрева ВМЭ во всём объёме.
Для увеличения объёма волновода, т.е. объёма обрабатываемой ВМЭ целесообразно применение следующей микроволновой установки (рис. 4.28).
Ширина волновода увеличена по сравнению с предыдущей конструкцией (рис. 4.27) для того, чтобы можно было разместить несколько излучателей СВЧ энергии (рис. 4.28). Таким образом, увеличен объем обрабатываемой ВМЭ. Устройства слива воды и масла остаются такими же, как и в предыдущей конструкции. Принципы выбора режима работы СВЧ установки при таком изменении конструкции аналогичны предыдущему варианту СВЧТК.
При проектировании и управлении параметрами СВЧ излучения, для определения оптимального режима работы данного СВЧ устройства использовались результаты численного моделирования СВЧ нагрева (раздел 2.3.3), математическая модель «Плоские электромагнитные волны, возбуждаемые некогерентными источниками, перпендикулярно падающие на диэлектрик конечной толщины» (глава 2),
На рис. 4.29 приведена структурная схема СВЧ установки с тремя волноводными отрезками. СВЧ установка содержит СВЧ генератор 7, волноводно-коаксиальный переход 2Л волноводные отрезки 3, ловушки просачивающейся СВЧ энергии 5, фильтры б, экран 7, ферритовые вентили 8, делитель мощности Р, волноводные переходы 10, трансформаторы поляризации 11. В волноводных отрезках выполнены узкие продольные щели для транспортировки материала 4.
СВЧ установка работает следующим образом. Диэлектрический материал 4 помещают в волноводные отрезки. Включают СВЧ генератор 1. Электромагнитная СВЧ волна поступает в волноводные отрезки 3 в прямом направлении с одинаковой мощностью, проходит через волноводно-коаксиальный переход 2, делитель мощности 9, волноводные переходы 10, ферритовые вентили 8. Отражённые электромагнитные СВЧ волны от трансформаторов поляризации 11, с изменённой плоскостью поляризации, так же распространяются в волноводных отрезках, но в обратном направлении. Электромагнитные СВЧ волны поглощаются в протягиваемом материале 4, нагревая его.
Электромагнитные СВЧ волны в волноводных отрезках поступают с одинаковой мощностью в противоположных направлениях, отражаясь с изменённой плоскостью поляризации, тем самым достигается равномерность нагрева вдоль оси соответствующих волноводных отрезков.
СВЧ устройство может быть использовано не только при обработке ВНЭ и других нефтяных продуктов, но и в процессе сушки, полимеризации, вулканизации, в пищевой, легкой, химической промышленности и в других отраслях народного хозяйства. Получен патент РФ на полезную модель и положительное решение на способ и устройство «Устройство для термообработки диэлектрического материала в электромагнитном СВЧ поле».
