научная статья по теме ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА – НАГРУЖЕННОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕЗОНАТОРА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА – НАГРУЖЕННОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕЗОНАТОРА»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 2, с. 243-245

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

УДК 621.384

ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА - НАГРУЖЕННОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕЗОНАТОРА

© 2009 г. Ю. Д. Черноусов, В. И. Иванников, И. В. Шеболаев, В. А. Болотов,

Ю. Ю. Танашев, В. Н. Пармон

Поступила в редакцию 02.03.2007 г.

Приведены соотношения для расчетов параметров реакторов с СВЧ-нагревом химических реагентов: коэффициента распределения поглощенной СВЧ-энергии в реакторе - в полости резонатора между стенками резонатора и реагентами, КПД преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева реагентов. Оценен диапазон изменения СВЧ-свойств реактора при изменении свойств реагентов, определены параметры связи резонатора с внешней линией для достижения высокого КПД.

В последнее время возрастает интерес к применению СВЧ-энергии в технологических целях [1-11]. Например, СВЧ-энергия может использоваться при проведении химических реакций для нагрева реагентов, что по сравнению с традиционными методами нагрева имеет ряд особенностей и преимуществ [1-5, 11]. Первые работы середины 1980-х годов [2, 3] по использованию СВЧ-энергии для нагрева реагентов химических процессов привели к неожиданным и многообещающим результатам, был обнаружен так называемый "микроволновый эффект" (резкое увеличение скорости химической реакции), в погоне за которым и его объяснением до настоящего времени заняты многочисленные ученые во многих лабораториях мира.

При использовании СВЧ-энергии могут быть достигнуты: высокий коэффициент преобразования электрической энергии "от розетки" в энергию (теплоту) нагрева реагентов (более 50%); высокая степень плотности мощности нагрева (более 100 Вт/см3), высокая температура реагентов (более 1000°С); селективность нагрева (например, может нагреваться практически только катализатор в реакторе); экологическая "чистота" процесса - нагрев реагентов в замкнутом, ограниченном объеме без теплового и механического контакта с внешними элементами установки; высокая, 100%-ная управляемость процессом.

СВЧ-нагрев образцов производят в реакторах-резонаторах с высоким [1-6] или низким индексом [7-10] рабочей моды. Важной характеристикой такого устройства является КПД преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева реагентов. При изменении свойств реагентов в процессе нагрева может меняться коэффициент поглощения ими СВЧ-энергии, что будет приводить к изменению КПД и, вследствие этого, температуры и скорости реакций и может интерпретироваться как "микроволновый эффект". Несмотря на зна-

чительное количество публикаций, в том числе методического характера, обсуждение этих вопросов в литературе, насколько нам известно, не приводится.

Определим для такого реактора, состоящего из резонатора, в котором установлен образец, КПД п преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева образца в общем случае, в основном следуя [12]. Будем считать, что образец небольших размеров закреплен в области однородного электрического или магнитного СВЧ-поля.

Пусть Q0 - собственная добротность резонатора, 2н - нагруженная добротность резонатора с установленным в нем образцом. Положим, что в стационарном режиме в резонаторе запасена энергия Ж, при выключенном генераторе за период рассеивается энергия в стенках резонатора Жс, образце Жоб и подводящей линии ЖЕХТ, которая для резонатора является нагрузкой, и Ж = Жс + + Жоб + Жвн. По определению Q0 = 2пЖз/Жс, Qн = = 2пЖз/Ж, р = Жвн/(Жс + Жоб), где р - коэффициент связи резонатора с образцом с подводящей линией, т.е. отношение внешних потерь за период к полным внутренним потерям при выключенном генераторе [12]. В данном случае внутренние потери включают в себя потери в стенках резонатора Жс и потери в образце

Введем обозначение: а = Жоб/Жс - отношение СВЧ-энергии, поглощенной в образце, к энергии, поглощенной в стенках резонатора; рх = Жвн/Жс -коэффициент связи пустого резонатора (без образца) с подводящей линией. Поскольку

1/р = (Жс+ Жоб) / = Ж с! +

+ Жс^об/Ж с = 1/р1 + а/р1,

то

а = (Р1/Р) -1.

(1)

243

8*

244

ЧЕРНОУСОВ и др.

Если на резонатор падает единичная СВЧ-мощ-ность, то при коэффициенте связи в в резонатор через отверстие связи проходит доля 4р/(1 + в)2 [12], а из прошедшей мощности в образце поглощается доля а/(1 + а), и следовательно, формула для КПД п будет иметь вид

П = 4ав/(1 + в)2 (1 + а). (2)

Используя (1), (2) и приведенные выше определения добротностей, получаем эквивалентные выражения для КПД п:

П = 4(в1-в)в/( 1 + в)2в1, (3)

П = 4ав1/(1 + а + в1 )2, (4)

П = {1- (1 + в) QJQo} 4 в/( 1 + в)2. (5)

Наиболее просто эти формулы выглядят при "критической" связи (в = 1):

П = а/ (1 + а) = (в 1-1)/в1 = 1-2 Qн/Qo. (6)

Можно проследить, как изменяется КПД п при изменении параметров системы. Важными являются случаи зависимости п от коэффициента связи при неизменном поглощении в образце (а = const) и зависимости п от степени поглощения СВЧ-энер-гии в образце (т.е. от а) при постоянном отверстии связи (в1 = const).

В первом случае, поскольку а не зависит от того, сколько СВЧ-мощности отражается от реактора, при в = 1 (критическая связь) достигается режим максимального КПД-преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева данного образца. При увеличении коэффициента связи до критического КПД растет, далее падает. Коэффициент связи увеличивают, например, увеличивая отверстие в диафрагме связи. При в = 1 значение п определяется из (6).

Во втором случае максимальное значение п находим из соотношения (4). Полагая, что п является функцией а при в1 = const, получаем

аопт = 1+ в1, пмакс = в1/( 1+ в1).

Соответственно,

в = вопт = в1/(2 + в1) .

При увеличении поглощения в образце (увеличении а) значение п увеличивается, проходя при аопт = 1 + в1 через максимум. При этом коэффициент связи уменьшается (от "пересвязи" до критической связи и далее "недосвязи"). Поглощение в образце увеличивают, например, увеличивая его объем. Отметим, что максимальное значение КПД достигается при связи меньше критической ("недосвязи"): в = вопт = вх/(2 + вх) < 1, т.е. при наличии отражений от резонатора. Это объясняется тем, что при увеличении а в точке критической

связи (в = 1) поглощение в образце растет быстрее, чем отраженная от резонатора СВЧ-мощ-ность.

Если задан желательный коэффициент п, можно найти коэффициент связи в1 пустого резонатора (без образца) с линией. Из (3) получаем

Рх = 4в2/{4р - (1 + р)2п}, (7)

где Р - достижимый коэффициент связи при наличии образца. Например, при Р = 1, п = 0.6, находим Р1 = 2.5. В этом случае вначале пустой резонатор должен быть настроен с "пересвязью" Р1 = 2.5, а затем согласован до связи Р = 1 с помощью образца. Эффективность преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева реагентов при критической связи составит п = 0.6. Соответственно, при п = 0.9 и Р = 1 находим Р1 = 10.

При изменении свойств реактора (изменении состава и свойств реагирующей смеси, перемещении, удалении образца) будет меняться коэффициент связи резонатора с линией. Диапазон изменения коэффициента связи можно определить из соотношения (7). При единичной падающей СВЧ-мощности отраженная от резонатора мощность Ро определяется из соотношения Р0 = 1 - 4Р1/(Р1 + 1)2 [12]. Эта мощность может оказаться значительной, что будет влиять на режим работы СВЧ-генерато-ра. Например, в приведенных выше примерах при п = 0.6, Р = 1, Рх = 2.5 от резонатора без реагентов отражается 36% падающей мощности, при п = 0.9, Р = 1, Рх = 10 отражается около 66% падающей мощности. При изменении параметров нагрузки изменяются СВЧ-параметры магнетронного генератора - частота, генерируемая мощность и КПД.

При использовании магнетрона считается приемлемым, если коэффициент отражения нагрузки не превышает значения 0.2, т.е. во всех режимах работы от нагрузки отражается не более 4% СВЧ-мощности [12]. Изменение (увеличение) КПД, мощности генератора (магнетрона) при изменении свойств реагентов будет приводить к повышению скорости нагрева реагентов и повышению скорости реакций, что может интерпретироваться как "микроволновый эффект". В первых работах для нагрева реагентов использовались бытовые СВЧ-печи, в которых магнетрон непосредственно нагружен на камеру печи - резонатор с высоким индексом рабочей моды [1-5]. СВЧ-параметры не контролировались, поэтому наблюдавшийся значительный "микроволновый эффект" можно отнести к ошибкам измерения. Эффект переменной нагрузки тем более усиливается, если, как это происходит в бытовых печах, образец больших размеров перемещается в рабочей камере для обеспечения равномерности нагрева. В более поздних работах перед реактором устанавливали развязывающий элемент (цирку-лятор, вентиль) на полный уровень падающей

ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

245

СВЧ-мощности [7, 8], полученные результаты более надежны, а наблюдаемые при этом эффекты скромнее. Однако даже при относительно небольшом неподвижном образце различные его компоненты могут нагреваться до разной температуры. Например, при СВЧ-нагреве до более высокой температуры может нагреваться катализатор, и в результате может наблюдаться "микроволновый эффект" - химические реакции будут идти при более низкой (в среднем по образцу) температуре, чем при обычном нагреве.

Приведенные соотношения пригодны для технических расчетов параметров реакторов с СВЧ-нагревом реагентов и прогнозирования процессов нагрева на высоком уровне мощности по результатам "холодных" измерений. Из соотношения (1) по измерениям коэффициентов связи с образцом Р и без образца Рх можно определить коэффициент распределения поглощенной СВЧ-энергии в реакторе (а) в полости резонатора между стенками резонатора и реагентами. Расчетная оценка такого коэффициента затруднена для образца, состоящего из переменного набора составляющих, имеющих разные коэффициенты поглощения. Именно такой является смесь различных реагентов и катализаторов [1]. Обычно измеряется р -коэффициент стоячей волны нагрузки на резонансной частоте. При "пересвязи" Р = р, при "не-досвязи" Р = 1/р [12].

Соотношения (2)-(6) определяют КПД преобразования СВЧ-энергии в теплоту нагрева реагентов. Применение конк

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком