Применение микроволнового излучения в промышленности

Содержание

Введение. 3

1. Применение микроволнового излучения в промышленности. 5

2. Использование микроволнового излучения в химии. 10

3. Развитие микроволновой химии как науки. 12

4. Торф - возобновляемый природный биоресурс. 14

5. Высокотемпературный СВЧ-пиролиз торфа. 16

Список литературы.. 20

Введение

Микроволновым излучением называют диапазон частот, расположенный в спектре электромагнитных излучений между инфракрасными и радиочастотами, область частот 300 ГГц–300 МГц.

История применения микроволнового излучения и создания микроволновой техники и приборов началась с исследований радиоволнового диапазона и открытия явления радиолокации, которые, в свою очередь, берут начало с создания в 1895 г. А. С. Поповым первой системы радиосвязи.

Далее последовало бурное развитие беспроводной связи, значительная роль в котором принадлежит итальянскому ученому и предпринимателю Г. Маркони. Открытия А. С. Попова и Г. Маркони (рис.1) еще не вели к радиолокации, но подготовило базу для дальнейших исследований в области радиоволнового диапазона.

а б

Рис.1: а - Попов Александр Степанович (1859-1905 г.), б - Гульельмо Маркони (1874-1937 г.)

Развитие в 1920-е гг. науки вообще и радиотехники в частности создало определенные теоретические и практические предпосылки для разработки техники радиообнаружения кораблей и самолетов, создание которой неразрывно связано с именами советских физиков и инженеров.

Термин «магнетрон» ввел в науку американский физик A. Hull (рис.2), который в 1921 г. впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом режиме и предложил ряд его конструкций.

Рис.2 - Альберт Уоллес Халл (1880-1966 г.)

Однако первый патент на способ генерирования электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн получил в 1924 г. чехословацкий физик А. Жачек. В 1920-е гг. исследованием влияние магнитного поля на генерирование колебаний сверхвысокой частоты занимались ученые многих стран мира. Среди них Е. Хабан (Германия), К. Окабе и Х. Яги (Япония), И. Ранци (Италия) и другие.

В СССР разработкой магнетронов занимались ученые и инженеры А. А. Слуцкин, М. Т. Грехова, В. И. Калинин, Д. С. Штейнберг, М. А. Бонч-Бруевич, Н. Ф. Алексеев, Д. Е. Маляров, К. И. Крылов, В. П. Илясов, С. А. Зусмановский и многие другие.[1]

Список литературы

1. Кузнецов С.И. Физика. Ч. II. Электричество и магнетизм. Электромагнитные колебания и волны, 3-е изд., перераб. и доп. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 248 с.

2. Гареев Ф.Х. Проблемы и перспективы СВЧ-сушки древесины//Лесная промышленность. 2004. №1.

3. Способ СВЧ обработки зерна и устройство для его осуществления// Патент РФ №2061351, 10.06.1996/ Рустам М.А., Чернов А.И.

4. Иванов И.А., Тихонов В.Н., Пронина О.Э. СВЧ установка для дезинсекции древесины // Современная техника и технологии. 2015. № 8.

5. Полевик Н.Д. Методы и средства борьбы с сорной растительностью с использованием импульсных СВЧ-излучений: диссертация кандидата технических наук : 05.20.02 Челябинск, 2007, 344 с.

6. Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959; Вилков Л. В., Мастрюков В. С., Садова Н. И., Определение геометрического строения свободных молекул, Л., 1978;

7. Бердоносов С.С. Микроволновая химия. Соросовский образовательный журнал, том 7, № 1, 2001

8. Кубракова И. В. Микроволновое излучение. // Успехи химии, 2002, 71, (4). С. 329.

9. Автореферат. Работа выполнена в ГНУ «Научно-исследовательский институт малотоннажных химических продуктов и реактивов» (НИИ Реактив) Минобразования РФ, 2003, г. Уфа.

10. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Латыпова Ф. Н., Зорин В. В. Применение микроволновой техники в лабораторных исследованиях и промышленности // ЖПХ.– 2002.– Т. 75, № 9.– С. 1409–1416.

11. M.Yu. Glyavin, Y. K. Kalynov, T.O. Krapivnitskaia, S.V. Kuzikov, N.Yu. Peskov, L.L. Semenycheva, 26th International Conference "Microwave and Telecommunication Technology" (CriMiCo 2016), Sevastopol, Crimea, 2016.

12. J. Yang, H. Chen, W. Zhao, J. Zhou. TG–FTIR-MS study of pyrolysis products evolving from peat // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. № 117, 296-309 (2016).

13. Usup A, Hashimoto Y, Takahashi H, Hayasaka H. Combustion and thermal characteristics of peat fire in tropical peatland in Central Kalimantan, Indonesia. Tropics. 2004;14: 1–19.

14. Limpens J, Berendse F, Blodau C, Canadell JG, Freeman C, Holden J, et al. Peatlands and the carbon cycle: from local processes to global implications—a synthesis. Biogeosciences. 2008;5:1475–91.

15. Chen H, Zhao W, Liu N. Thermal analysis and decomposition kinetics of Chinese forest peat under nitrogen and air atmospheres. Energy Fuels. 2011;25: 797–803.

Содержание

Введение. 3

1. Применение микроволнового излучения в промышленности. 5

2. Использование микроволнового излучения в химии. 10

3. Развитие микроволновой химии как науки. 12

4. Торф - возобновляемый природный биоресурс. 14

5. Высокотемпературный СВЧ-пиролиз торфа. 16

Список литературы.. 20

Введение

Микроволновым излучением называют диапазон частот, расположенный в спектре электромагнитных излучений между инфракрасными и радиочастотами, область частот 300 ГГц–300 МГц.

История применения микроволнового излучения и создания микроволновой техники и приборов началась с исследований радиоволнового диапазона и открытия явления радиолокации, которые, в свою очередь, берут начало с создания в 1895 г. А. С. Поповым первой системы радиосвязи.

Далее последовало бурное развитие беспроводной связи, значительная роль в котором принадлежит итальянскому ученому и предпринимателю Г. Маркони. Открытия А. С. Попова и Г. Маркони (рис.1) еще не вели к радиолокации, но подготовило базу для дальнейших исследований в области радиоволнового диапазона.

а б

Рис.1: а - Попов Александр Степанович (1859-1905 г.), б - Гульельмо Маркони (1874-1937 г.)

Развитие в 1920-е гг. науки вообще и радиотехники в частности создало определенные теоретические и практические предпосылки для разработки техники радиообнаружения кораблей и самолетов, создание которой неразрывно связано с именами советских физиков и инженеров.

Термин «магнетрон» ввел в науку американский физик A. Hull (рис.2), который в 1921 г. впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом режиме и предложил ряд его конструкций.

Рис.2 - Альберт Уоллес Халл (1880-1966 г.)

Однако первый патент на способ генерирования электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн получил в 1924 г. чехословацкий физик А. Жачек. В 1920-е гг. исследованием влияние магнитного поля на генерирование колебаний сверхвысокой частоты занимались ученые многих стран мира. Среди них Е. Хабан (Германия), К. Окабе и Х. Яги (Япония), И. Ранци (Италия) и другие.

В СССР разработкой магнетронов занимались ученые и инженеры А. А. Слуцкин, М. Т. Грехова, В. И. Калинин, Д. С. Штейнберг, М. А. Бонч-Бруевич, Н. Ф. Алексеев, Д. Е. Маляров, К. И. Крылов, В. П. Илясов, С. А. Зусмановский и многие другие.[1]

Применение микроволнового излучения в промышленности

Впервые микроволновый нагрев пищевых продуктов начали исследовать в 1950-е гг. в Институте пищевых технологий (Массачусетс, США). Патент на микроволновую печь был выдан в 1946 году. Первая в мире СВЧ-печь «Radarange» была выпущена в 1947 году фирмой Raytheon (Рис.3) и была предназначена не для приготовления пищи, а для быстрого размораживания продуктов и использовалась исключительно военными (в солдатских столовых и столовых военных госпиталей). Её высота была примерно равна человеческому росту, масса 340 кг, мощность — 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи. [10] В 1949 году началось их серийное производство. Стоила эта печь около $3000.

а б

Рис.3: а - Перси Лебарон Спенсер (1894-1970 г.), б – первая микроволновая печка.

Промышленное применение микроволнового нагрева в пищевой отрасли было освоено в 1960-х гг. Микроволновая обработка позволила значительно интенсифицировать технологические процессы производства пищевых продуктов, таких как сушка и досушивание, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и ряд других. Микроволновая обработка продуктов позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии в пищевой промышленности, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат на строительство предприятий, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.

Научные исследования по использованию микроволнового излучения с целью сокращения длительности термообработки показали эффективность использования энергии микроволн. Варьируя геометрией и напряженностью электрического поля, можно создать условия, при которых температура в центре изделия будет выше, чем на его поверхности. Достигаемый при этом объемный нагрев изделия позволяет значительно интенсифицировать процесс термообработки; повысить качество готовых изделий; уменьшить площадь, занимаемую нагревательными установками; повысить экономические показатели процесса; организовать и интенсифицировать технологические процессы; создать новые их виды, нереализуемые при использовании традиционных методов нагрева.

К настоящему времени в пищевой отрасли созданы установки периодического действия, конвейерные микроволновые установки, установки с комбинированным нагревом (вакуумные, конвективные, с инфракрасным нагревом и др.).

Необходимость высушивания древесины и пиломатериалов перед их дальнейшим использованием привела к созданию сушильных установок различного типа, и способ микроволновой сушки показал свою эффективность и в данном производстве. Сушка древесины заключается в удалении влаги путем испарения. Механические методы обезвоживания не применимы к древесине. Ротационное и ультразвуковое обезвоживание недостаточно снижают влажность древесины до уровня 42–48 %. Важным преимуществом микроволнового нагрева является возможность осуществления и практического применения избирательного, равномерного, сверхчистого,саморегулирующегося нагрева обрабатываемого материала.

Преимущества применения энергии микроволн для сушки древесины следующие:

– высокая концентрация энергии в единице объема при сравнительно малых значениях напряженности электрического поля и соответственно быстрый объемный нагрев объекта;

– высокая степень поглощения древесиной энергии поля (за счет влажности древесины);

– возможность с высокой скоростью подвести и выделить в единице объема древесины мощность, не доступную ни одному из традиционных способов подвода энергии;

– осуществление бесконтактного избирательного нагрева и получение требуемого распределения температур в древесине, в том числе в режиме саморегулирующегося нагрева;

– к.п.д. преобразования электромагнитной энергии в теплоту, выделяемую в объекте нагрева, близок к 100%; низкие потери энергии в подводящих трактах и рабочих камерах;

– диэлектрический нагрев позволяет создавать такие виды распределения источников теплоты в нагреваемых объектах, которые неосуществимы при обычном нагреве;

– возможность использовать в сушке древесины, заложенные природой механизмы транспорта больших объемов жидкости вдоль волокон. [2]

Микроволновое излучение представляет большие возможности для применения в горном деле. Можно выделить следующие перспективные направления использования энергии сверхвысоких частот:

– оттаивание мерзлых грунтов,

– разупрочнение и дробление пород, разделение руды на составляющие,

– полное извлечение металлов из отходов и шламов.

Использование энергии микроволн при разработке и применении новых методов разрушения горных пород избавляет от ряда проблем – дает

возможность снизить опасность горных работ, загрязнение окружающей среды, улучшить условия труда горняков. Технология СВЧ разрушения энергетически выгодна для пород, содержащих небольшое количество (10%) рудных минералов, когда нагревается один минерал без нагрева пустой породы и затрачивается небольшое количество энергии, в том числе и на последующих операциях измельчения и обогащения.

Особый интерес в последние годы вызывает использование микроволнового излучения в нефтяной отрасли промышленности по следующим направлениям:

– борьба с микробиологическим поражением нефти и нефтепродуктов;

– разделение нефтяных эмульсий;

– обеззараживание и утилизации отходов нефтяного производства.

Большой круг перспективных приложений связан также с воздействием СВЧ излучения на биологические объекты. Одной из актуальных проблем растениеводства и пищевой промышленности является выявление грибковых поражений зерновых культур. Перспективным подходом в решении данной задачи является микроволновая сушка зерна. Согласно результатам проведенных исследований [3] проведение подобной предпосевной подготовки увеличивает всхожесть семян на 10-12% и повышает урожайность на 20-30%. Технологии приведены в таблице 1.

Применение химических методов дезинсекции древесины в жилых строениях не экологично, поэтому высокую актуальность приобретают физических методы дезинсекции древесины. Использование в рамках данного приложения СВЧ-облучения позволяет эффективно уничтожать вредителей внутри древесины [4].

Достоинствами СВЧ дезинсекции являются:

- простота управления;

- безинвазивность, безвредность;

- отсутствие химических остатков;

- высокая экологичность и безопасность для окружающей среды;

- высокая контролируемость процесса и возможность его автоматизации;

- работа в широком диапазоне температурных условий;

- безопасность оборудования и работ;

- возможность обработки через различные диэлектрические материалы (штукатурка, кирпичная кладка, гипсокартон, обои, пластик, лак, краска, мебель, деревянные рамы, иконы, книги и др.

Таблица 1. Применение СВЧ для обработки зерна

Так же актуальной задачей является борьба с сорной растительностью и обеззараживание почвы при помощи СВЧ-комплексов. Эксперименты по обработке почвы показывают [5], что ростовыми процессами и всхожестью семян сорной растительности, плодородием почвы и урожаем культуры можно управлять с помощью импульсного микроволнового излучения, а биотропные параметры, характеризующие его пространственно-временную структуру, являются эффективными регуляторами этих процессов.