Содержание к диссертации
введение 9
Глобальные предпосылки более широкого применения электроэнергии. і о
глава 1.место свч энергетики в задачах интенсификации
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.
14
1.1 ВОЛНОВОЙ ЭНЕРГОПОДВОД В ЗАДАЧАХ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ. 14
ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ И УРАВНЕНИЯ, ОТОБРАЖАЮЩИЕ ИХ. 15
Кондуктивный (диффузионный) перенос энергии 16
Конвективный (трансляционный) перенос 18
Волновой перенос энергии. 20
интенсификация процессов переноса 2 5
два вида волнового переноса энергии: акустика и электромагнетизм 26
фундаментальные взаимодействия в тепломассообменных процессах 26
спектр механических (акустических) колебаний 31
спектр электромагнитных колебаний 34
перенос энергии электромагнитными волнами 36
диапазон сверхвысоких частот 3 8
Общее уравнение потоков в различных процессах 39
СОПРЯЖЕННЫЙ тепломассообмен с внутренними источниками 40
уравнения сопряженного тепломассообмена (уравнения лыкова а.в.) 40
параметры источников свч-поля 42
Применение энергии поля свч в различных отраслях 43
Основные работы в области СВЧ нагрева 44
1.6 Основные проблемы в технологии СВЧ нагрева и постановка задач
ИССЛЕДОВАНИЯ 49
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ ЭНЕРГИИ В ЗАДАННОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ 50
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД 50
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ И СТРУКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЧ ПОЛЕЙ 51
СОГЛАСОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВЧ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ 51
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ УСТРАНЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ 52
ГЛАВА ^ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЯ ДЛЯ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СРЕД S3
ПОЛОЖЕНИЕ РОССИИ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ МИРОВОМ РЫНКЕ 53
ОБ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОЛЕЙ 54
НЕОБХОДИМОСТЬ АПРИОРНОЙ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 54
СОПОСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА ЭНЕРГИЕЙ ПОЛЯ И КОНДУКТИВНОГО ТЕШЮПОДВОДА 55
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТОИМОСТЬ СЕТЕВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 57
КРИТЕРИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАГРЕВА ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 58
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННОГО КРИТЕРИЯ 61
2.3 СВЧ-НАГРЕВ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ПОРИСТЫХ СРЕД. 64
РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ ЗАДАННОЙ СКОРОСТИ СУШКИ 65
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ НА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ В СУШИМОМ МАТЕРИАЛЕ 68
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОГО КОНВЕКТИВНОГО ПОТОКА 70
ВЫИГРЫШ ВО ВРЕМЕНИ ДЛЯ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО- ПОРИСТЫХ ТЕЛ 71 2.4 ЭНЕРГЕТИКА В ПРОЦЕССАХ С СВЧ НАГРЕВОМ 73
ЭНЕРГОЗАТРАТЫ В ПРОЦЕССАХ БЕЗ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ 75
ПРОЦЕССЫ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ 79
УЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ КОНВЕКЦИЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЕМ 82 Материал 84 Состояние поверхности 84
ГЛАВА З.МЕТОД РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ СВЧ-ПОЛЯ
В ЖИДКОСТЯХ 86
КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ, ПЕРЕРАБАТЫВАЕМЫХ В ХИМИЧЕСКОЙ И РОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ, С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СВЧ НАГРЕВА. 86
КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЛЯ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ 89
3.2.1 ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ 89
Перпендикулярное падение волны на границу раздела сред 89
Наклонное падение волны на границу раздела 90
3.3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ 93
3.3.1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕДАХ 93
НЕОБХОДИМОСТЬ РАЗРАБОТКИ МЕТОДА РАСЧЕТА ФАКТОРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 95
ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ 96
УРОВНИ ЭНЕРГИИ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 96
УРОВНИ ЭНЕРГИЙ ФЛУКТУАЦИИ ОРИЕНТАЦИИ 97
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭНЕРГИЙ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ С МИНИМАЛЬНЫМИ ЭНЕРГИЯМИ (КВАНТАМИ) ПОЛЯ СВЧ 98
3.6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЧ ПОЛЯ В ВОДЕ 100
ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ СОСУДЕ 101
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВА ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ 106
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ 108
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ПО
ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 113
О ПОГЛОЩЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРОВОДНИКАХ 116
3.7 О ФИЗИКЕ НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ
ЧАСТОТЫ 117
ТЕОРИЯ РАВНОВЕСИЯ ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ 117
ФЛУКТУАЦИОННО-ДИССИПАЦИОННАЯ ТЕОРЕМА 118
ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОГЛОЩАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ 119
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ И ФЛУКТУАЦИИ ПЛОТНОСТИ 119
СОПОСТАВЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ СВЧ ПОЛЯ С ЭНЕРГИЯМИ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ЖИДКОСТИ 121
МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛЯ С ЖИДКОСТЬЮ 121
ПОДХОДЫ К ВЫЧИСЛЕНИЮ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 122
3.8 МЕТОД РАСЧЕТА ФАКТОРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 123
ФЛУКТУАЦИОННО-ДИССИПАЦИОННАЯ ТЕОРЕМА 124
РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА ФЛЮКТУАЦИЯХ ПЛОТНОСТИ 125
МЕТОД РАСЧЕТА ФАКТОРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 128
ГЛАВА 4.МЕТОД РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
С СВЧ ЭНЕРГОПОДВОДОМ. Ш
4.1 ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА С СВЧ ЭНЕРГОПОДВОДОМ. 132
ИСТОЧНИКИ СВЧ ЭНЕРГИИ. 132
ВОЛНОВОДЫ-ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПОЛЯ СВЧ. 135
РЕЗОНАТОРЫ. 137
ОБЪЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 137
4.2 ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ВНУТРЕННИХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ 138
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИХ РЕШЕНИЯ 138
ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ВНУТРЕННИХ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ 141
4.3 МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕМОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 144
МЕТОД ПАРЦИАЛЬНЫХ ВОЛН В ВОЛНОВОДЕ. 144 4.3.1.1 Расчет СВЧ нагревателя выпарного аппарата 146
КОМПЬЮТЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА. 151
Лучевая модель. 151
Характеристики волновых уравнений 152
Интегралы по траекториям 152
4.4 СПОСОБ РАСЧЕТА СТРУКТУРЫ ПОЛЕЙ В ВОЛНОВОДАХ 153
ГЛАВА 5.МЕТОДЫ ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ СВЧ
ЭНЕРГОПОДВОДЕ. 164
НЕОДНОРОДНОСТИ НАГРЕВА ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ 164
МЕТОДЫ ВЫРАВНИВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ 167
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ПОЛЯ ДИСЕКТОРАМИ. 167
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ НАГРЕВАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ В ПОЛЕ. 170
5.3 ВЫРАВНИВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ СГЛАЖИВАНИЕМ ВОЛНОВОЙ
СТРУКТУРЫ НАПРЯЖЕННОСТИ СВЧ ПОЛЯ 170
ВЫРАВНИВАНИЕ ВОЛНОВОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЕМ ИСТОЧНИКОВ 170 5.3.1.1 Применение метода смещения источников 173
МЕТОД ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИМПУЛЬСНЫМ ЭНЕРГОПОДВОДОМ 177 5.3.2.1 Термодинамические соотношения для диэлектриков и магнетиков. 177
5.4 НЕОДНОРОДНОСТЬ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ НЕВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ 186
5.4.1 РАСЧЕТЫ ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА ПО МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА. 188
ГЛАВА 6. УСТРОЙСТВО СОГЛАСОВАНИЯ ДЛЯ СВЧ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
6.1 ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ 191
ДАТЧИК МОЩНОСТИ С НАКАЛЬНЫМ ТЕЛОМ ИЗ ФЕРРИТА 191
ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ НА МИНИАТЮРНОЙ ЛАМПЕ НАКАЛИВАНИЯ 192
СОГЛАСОВАНИЕ В ВОЛНОВОДНЬГХ ТРАКТАХ СВЧ 195 6.2.1 МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ШТЫРЬ В ВОЛНОВОДЕ 196
ИНДИКАТОР ПРОХОДЯЩЕЙ СВЧ МОЩНОСТИ 198
ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ СВЧ ПОЛЯ 198
КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ 200
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СТЕРЖНЯ ИНДИКАТОРА 204
УЗЕЛ СОГЛАСОВАНИЯ НА СТЕРЖНЯХ С ЛАМПОЧКОЙ 207
ГЛАВА 7. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ С СВЧ НАГРЕВОМ
2П
7.1 Технология и аппарат выпаривания высококонцентрированных растворов
энергией поля свч 212
Аппарат выпаривания высококонцентрированных растворов энергией поля сверхвысокой ЧАСТОТЫ 212
расчет рабочего объема 216
расчет активной зоны рабочего объема аппарата 221
7.2 технология выпаривания солей драгоценных металлов 223
7.2.1 Существующая технология 224
7.2.1.1 Технология выпаривания инфракрасными лампами 224
7.2.2 аппарат свч-выпаривания агрессивных растворов 226
Технология и машина для интенсификации процесса тепловой обработки растительного сырья 228
Аппарат кондиционирования воздуха и других газов 237
7.4.1 Определение физически необходимых энергозатрат. 237
Исходные условия. 237
Максимальные энергозатраты на испарение воды. 237
Максимальные энергозатраты на нагрев воздуха 238
Полная необходимая мощность 238
кондиционирование воздуха и других газов с применением СВЧ энергии 238
краткое описание процесса 239
обоснование применения СВЧ ЭНЕРГИИ для оперативного нагрева потока газа 240
7.5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА И АППАРАТА ДЛЯ СВЧ НАГРЕВА ВОЗДУХА 240
Нагрев воздуха в кипящем слое 240
РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КИПЯЩЕГО СЛОЯ. 244
Определение высоты слоя. 244
Определение скорости фильтрации потока воздуха. 245
Гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки. 246
7.5.3 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА. 247
Расчет поверхности теплообмена. 247
Определение коэффициента теплоотдачи 247
Расчет температуры поверхности частиц слоя 247
РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ СВЧ ГЕНЕРАТОРА 248
ПАРАМЕТРЫ АКУСТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ. 250
7.6 ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА 250
7.6.1 НАЗНАЧЕНИЕ РАСШИРЕННОГО ГРАФИТА, СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 250
Получение расширенного графита 250
Традиционная термообработка и ее недостатки 251
ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ОКИСЛЕННОГО ГРАФИТА 253
ПРОМЫШЛЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ГРАФИТА 256
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 258
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 259
Список основных обозначений Латинские и русские буквы
аи-коэффициент влагопроводности
t - время
х, у, : - пространственные координаты
г - радиус-вектор
5 - площадь поверхности
V - объем
т - масса
Q - удельная мощность тепловых источников
q - поток энергии
W - энергия
w - объемная плотность внутренней энергии,
Т - температура,
р - давление, плотность энергии
А - термодинамическая работа,
S - энтропия,
j - плотность электрического тока,
v - линейная (трансляционная) скорость,
F - сила,
р - давление,
D - коэффициент диффузии,
ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении,
h = 1,05- Ю'3'1 - постоянная Планка,
У - вектор Умова; вектор волнового потока энергии,
г - удельная теплота парообразования,
и - удельное влагосодержание,
a, h - коэффициент теплопередачи,
к =1,38-10 - постоянная Больцмана
с - скорость света в свободном пространстве
м'/с с м м
кг Вт/м3 Вт/м2
Дж/м3
К, С
Н-м"2,
Дж-м"3
Дж Дж-К
м-V1
м/с
Н/м2
м2/с
Дж/кг-К
Дж-с
Вт/м2
Дж/кг
кг/кг, %
Вт/м2
Дж/К
м/с
с, - скорость звука
q - объемная плотность заряда
S - вектор Поинтинга (поток электромагнитной энергии)
Е - напряженность электрического поля
Н - напряженность магнитного поля
В - вектор магнитной индукции
D - вектор электрической индукции
м/с
Кл/м3
Вт/м2
В/м
А/м
Кл/м2
Греческие буквы
а - коэффициент температуропроводности
у - -удельная электрическая проводимость
8 - толщина пограничного слоя
ат8 - термоградиентный коэффициент
Ео = 8,85-Ю"12 - электрическая постоянная
є' - относительная диэлектрическая проницаемость
є" - фактор диэлектрических потерь
1Ло^4л-\~ - магнитная постоянная
Ят - коэффициент теплопроводности
р - плотность
со - частота
v - кинематическая вязкость
/7 - динамическая вязкость
Фа - относительная влажность воздуха
Х0 - длина волны в свободном пространстве
Л - длина волны в среде
є - коэффициент конденсации и испарения
ш - объемная плотность колебательной энергии
fi' - относительная магнитная проницаемость
/л" - фактор магнитных потерь
Рт — изотермическая сжимаемость
р - температурный коэффициент расширения
м2/с
См/м
м2/с-К
Ф/м
Гн/м
Зт/м-К
кг/м3
м2/с
Па-с
м м
Дж/м3
[Н/м2)"1
к-1
Индексы
а - воздух;
ак - акустический;
max - максимальный (ая);
min - минимальный (ая) ;
т - масса;
з - заряд;
* - поверхность;
х,у,: - координаты;
О - начальное значение;
s - поверхность;
Введение к работе
Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев, это - применение энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (диапазон частот 3-Ю8 -5- 3-Ю10 Гц) для нагревания различных сред и тел в промышленных и других целях. Тела или среды помещают в поле, оно проникает в тело и, поглощаясь в нем, нагревает тело по объему. Такой нагрев не связан с теплопроводностью, поэтому гораздо более скоростной. СВЧ нагреву присущи оперативная управляемость и, как следствие, широкие возможности автоматизации.
Техника генерирования, передачи и приема электромагнитных волн сверхвысоких частот существует с начала сороковых годов текущего столетия. Разработана она была (в нашей стране и США) для военных целей, в основном для радиолокации. И уже тогда была замечена (случайно) возможность применения энергии поля СВЧ для целей разогрева различных неметаллических материалов.
С тех пор технология СВЧ разогрева апробирована во многих процессах и почти везде показала высокие технологические свойства. Однако широкое, достойное своих преимуществ, применение такая технология нагрева нашла только в быту. Сначала в США и в Западной Европе, позже в Восточной Европе, а теперь и в России СВЧ, или микроволновые, печи свободно продаются в магазинах, то есть, доступны населению. В промышленных же технологических процессах СВЧ энергия применяется гораздо более ограниченно.
Объясняется это положение слабой изученностью процессов СВЧ нагрева, сложностью расчетов СВЧ оборудования и, в значительной степени, неготовностью инженеров-механиков и инженеров-технологов не радиофизического профиля к особенностям волнового энергоносителя и к самой технике СВЧ.
В развитых странах к этому барьеру, видимо, добавляется также насыщенность их рынка широким предложением хорошо отработанных технических решений, основанных на традиционных принципах нагрева. В силу давнего применения, отработанности технических и производственных вопросов, традиционные решения значи-
тельно более дешевы. Нетрадиционные же предложения в силу своей нетрадиционности, стоят перед проблемой преодоления финансового барьера.
