№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ДМИТРИЕВ М.С., КОБЕЛЕВ А.П., КОЛЯСКИН А.Д., ЛЕБЕДЕВ В.В.*
РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ СВЧ-РАЗОГРЕВА НЕСОВЕРШЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Рассмотрен метод получения "затравочного" электропроводного расплава стартовой шихты, которая наносится на поверхность остекловываемого материала в индукционном плавителе с холодным тиглем. Разработанный эффективный стартовый СВЧ-нагреватель позволяет избежать существенных недостатков, присущих используемым способам стартового разогрева стекломассы для метода индукционной плавки в холодном тигле.
Постановка задачи
Для решения проблемы обезвреживания различных радиоактивных отходов (РАО) в последние годы разработан ряд методов и аппаратурно-технологических схем переработки РАО в формы, устойчивые к воздействию окружающей среды. С начала 80-х годов прошлого века ведутся работы по применению метода индукционной плавки в холодных тиглях (ИПХТ) токами высокой частоты для остекловывания РАО [1]. Преимущества метода ИПХТ обусловили его использование для высокотемпературного синтеза материалов, которые могут включать в свою структуру радионуклиды. Разработанные технические решения имеют самостоятельное применение в технологии высокотемпературных материалов, получении монокристаллов, стекол и плавленой керамики высокой химической чистоты [2].
Для индукционной плавки используются мощные ВЧ-генераторы, для которых расплавляемая шихта и расплавленное стекло являются полезной нагрузкой. В процессе плавления существенно меняются теплофизические свойства расплава. Так, в первый момент материал находится в холодном состоянии и является диэлектриком. После создания стартового объема монотонно увеличивается количество расплавленного стекла, и растет его температура. Таким образом, ВЧ-плавление тугоплавких диэлектриков состоит из нагрева материала от комнатной температуры до температуры плавления (что не достигается непосредственно индукционным способом) и поддержания вещества в расплавленном состоянии путем подвода энергии ВЧ-поля [3].
Исследованием способов получения стартового расплава занимаются СПбГЭТУ "ЛЭТИ", СПбГТУ, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, МосНПО "Радон" и др.
Стартовый расплав в тигле может обеспечиваться добавлением в шихту графита, стружек металла, оксид которого входит в состав расплава, с помощью магнетитовой пасты или короткозамкнутого металлического контура. Известны способы создания стартового расплава с помощью электрической дуги и залива в рабочее пространство ИПХТ предварительно расплавленной шихты. При включении ВЧ-генератора введенный в шихту стартовый материал разогревается энергией ВЧ-поля и расплавляет окружающую шихту. Характерное время стартового разогрева - 20-40 мин.
* Дмитриев М.С., Коляскин А.Д. - МИФИ; Кобелев А.П., Лебедев В.В. - ГУП МосНПО "Радон".
Используемые способы стартового разогрева имеют недостатки. Стартовый нагрев и плавление шихты с металлической фракцией может сопровождаться интенсивным горением металла и выделением парогазовой смеси, что способствует большому уносу компонентов стекла, перегреву и замыканию секций тигля. Стартовое плавление шихты с помощью короткозамкнутого контура характеризуется длительной работой генератора в режиме высокого напряжения на индукторе, когда высока вероятность меж-виткового пробоя. При этом следует избегать значительного перегрева, который может сопровождаться деформацией или разрушением материала контура. Замена стартового кольца возможна только при частичной разборке тигля.
Особым случаем является получение материалов высокой химической чистоты. Любое вещество или стартовое устройство, имеющие непосредственный контакт с загрузкой, будет загрязнять исходные чистые реактивы.
В настоящей работе предлагается метод получения "затравочного" электропроводного расплава, который будет полезной нагрузкой для ВЧ-генератора, с использованием локального микроволнового нагрева и плавления стартовой шихты. Преимущества применения СВЧ-энергии - возможность сосредоточения большой электромагнитной энергии в малых объемах и ее концентрации в нужном месте и большая гибкость, с которой СВЧ-энергия трансформируется в другие виды энергии [4]. Применение СВЧ-мето-дов позволит осуществить быстрый бесконтактный локальный нагрев и плавление стартовой шихты и избежать недостатков, свойственных другим методам получения стартового расплава.
Тепловой баланс СВЧ-нагревателя
При запуске действующей установки ИПХТ используется легкоплавкая стартовая шихта, размещаемая на поверхности стекломассы в виде тонкого слоя толщиной ~1 см. Для получения стартового расплава требуется довести и поддерживать температуру шихты до >550°С. Минимальный радиус кольца или круга расплава, с которого может быть произведен запуск 160 кВт ВЧ-генератора, работающего на частоте 1,76 МГц, равен 60 мм.
При использовании СВЧ-нагрева для оценочного расчета баланс мощности в нагревательной системе можно представить как
Рт = р + Р2, (1)
где Рмк - СВЧ-мощность, выделяемая в слое стартовой шихты; Р1 = о^Т4 - мощность радиационного излучения с поверхности шихты; Р2 = XSДT/^ - мощность, теряемая стартовой шихтой за счет теплопроводности; о = 5,67 ■ 10-8 Вт/м2 К4 - постоянная Стефана-Больцмана, X - теплопроводность стартовой шихты; S - площадь поверхности нагреваемого круга; I - толщина слоя стартовой шихты; Т и ДТ - температура поверхности шихты и разница температур между поверхностью шихты и подложкой из стекломассы. В первом приближении конвективной формой теплообмена через воздушную среду и кондуктивной теплопередачей вдоль радиуса нагреваемого объекта можно пренебречь.
При проведении расчета в качестве исходных данных принимались следующие величины: X = 1,3 Вт/(м К), S = пЯ2, где Я = 0,06 м, I = 0,01 м, Т = 873 К, ДТ = 600 К. При этом, требуемое значение СВЧ-мощности составляет Рмц, = 1,3 кВт при плотности потока излучения 11 Вт/см2.
Полученное оценочное значение может рассматриваться как нижний уровень необходимой мощности. Для ускорения процесса нагрева и/или получения большего объема стартового расплава требуется большая мощность. С этой целью для проведения экспериментальной работы был выбран СВЧ-генератор на базе магнетрона М-117 с выходной мощностью 5 кВт.
СВЧ-излучатель
Для нагрева до температуры 550-600°С и плавления стартовой шихты для эффективной работы на начальном этапе высокочастотной индукционной установки по остекло-
3 Энергетика, № 2
65
Рис. 1. Расчетная модель рабочего варианта нагревательной системы
выванию РАО был разработан, изготовлен и экспериментально опробован оригинальный коаксиальный рупорный излучатель. В нем электромагнитное поле сосредоточено в пространстве между внешней и внутренней коническими поверхностями, что позволяет повысить плотность потока излучаемой СВЧ-энергии.
В основе методики проектирования устройства лежат результаты расчета излучения из открытого конца коаксиальной линии в свободное пространство. Используется метод расчета излучения по заданному полю для случая, когда ток на конце центрального проводника равен нулю [5]. Получена расчетная формула для определения радиуса центрального проводника коаксиальной линии с согласованным открытым концом
а = 6,824 [ см ] УЫ (Ь / а)/л/(Ь/а) 2-1, (2)
где а и Ь - радиусы внутреннего и внешнего проводников соответственно.
Вариант с Ь/а = 1,1, который при мощности генератора 5 кВт обеспечивает требуемую плотность потока СВЧ-излучения ~100 Вт/см2 для плавления стартовой шихты и приемлем конструктивно, выбран в качестве рабочего.
Численное моделирование рабочей камеры установки
Проведено численное моделирование работы СВЧ-излучателя, размещенного в рабочей камере. Использовались следующие начальные данные: металлическая рабочая камера представляла собой цилиндрической формы резонатор диаметром 200 мм и высотой 200 мм, заполненный наполовину диэлектриком с е = 10 и tg 5 = 0,004. Над диэлектриком располагается СВЧ-излучатель, расстояние которого до нагреваемого объекта составляет 10 мм.
При моделировании рассчитывалось распределение СВЧ-полей для нескольких вариантов продольных размеров внутренней части излучателя. Оптимальным представляется вариант, когда продольные размеры обоих конусов излучателя равны. Граничные условия для этого варианта даны на рис. 1. В расчетах получено распределение электрического поля в рабочей камере при комнатной температуре. Результаты расчета коэффициента отражения на входе СВЧ-излучателя в зависимости от частоты для этого варианта показаны на рис. 2. Расчетное распределение электрического поля показано на рис. 3.
Распределение имеет сложный характер, определяемый сложностью граничных условий, в нем можно выделить две области: первая располагается над диэлектриком и определяется двойным рупорным коаксиалом излучателя, вторая - имеет регулярный периодический (вдоль камеры) характер и сосредоточена в пределах диэлектрика. Зона с максимальной напряженностью электрического поля находится в приповерхностном слое диэлектрика вблизи СВЧ-излучателя.
Результаты расчета показывают, что минимальное значение параметра 81.1 расположено в рабочей области магнетрона. Минимальное значение коэффициента отражения составляет 0,135 при частоте 2,245 ГГц. Наличие минимума свидетельствует о хорошем согласовании рабочей камеры с волноводным трактом нагревателя.
Частота, ГГц
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения от частоты для рабочего варианта СВЧ-излучателя
Рис. 3. Распределение электрического поля в рабочей камере
Рассчитаны распределения электрических полей в различных поперечных сечениях на участке срез излучателя - нагреваемая шихта. Распределение полей в четырех сечениях показано на рис. 4. Координаты х = 24 мм и х = 216 мм соответствуют расположению стенок рабочей камеры. Сечение 1 расположено на 13 мм выше шихты (3 мм от среза излучателя), 2 - на 6 мм выше шихты (в свободном пространстве между излучателем и шихтой), 3 - на глубине 1 мм под поверхностью шихты, 4 - на глубине 7 мм под поверхностью шихты.
Для получения количественных оценок уровня излучения СВЧ-мощности из рабочей камеры рассматри
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.