№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ЗВЕРЕВ Б.В., ПРОКОПЕНКО A.B.
УСТАНОВКА ПРОСЫПНОГО ТИПА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД СВЧ-МОЩНОСТЬЮ 5 кВт
Разработана резонаторная установка просыпного типа для теплового разрушения горных пород. Проведен расчет цилиндрической резонаторной рабочей камеры с керамической трубой на оси для просыпания породы и отдельных элементов системы стабилизации частоты магнетрона М-117, питающего резонатор. Приведены результаты испытаний на созданной установке с СВЧ-мощностью 5 кВт по разрушению кимберлитов.
Введение. Тепловой метод разрушения горных пород основан на эффекте возникновения механических напряжений в твердом теле при быстром изменении его температуры. Горные породы можно быстро нагреть электромагнитными полями сверхвысокой частоты [1]. Горные породы являются несовершенными диэлектриками, и СВЧ-поле проникает в образец, вызывая объемный нагрев образца. Нагрев веществ СВЧ-энерги-ей может иметь высокую эффективность, так как коэффициент передачи СВЧ-энергии образцу составляет ~85 % при малых тепловых потерях образца в свободное пространство, что позволяет на адиабатической стадии нагрева получить высокую скорость изменения температуры. СВЧ-нагрев является эффективным при быстром нагреве веществ.
В работах [2, 3] рассмотрено разупрочнение горных пород СВЧ-полем. Но в них плотность СВЧ-энергии и скорость нагрева незначительны, и разрушения не происходит. Эффективный метод получения угольной пыли при сверхбыстром СВЧ-нагреве предложен в работах [4, 5], что очень важно для тепло- и электроэнергетике.
Авторы экспериментально установили эффект разрушения кимберлитов быстрым СВЧ-нагревом [6]. Исследования [6, 7] показали, что кимберлитовая порода, имеющая сложную структуру со множеством включений, подвергается тепловому разрушению под действием СВЧ-энергии. Глубина проникновения СВЧ-поля 5 на частоте 2450 МГц оказалась порядка 5,0 см; необходимая для разрушения скорость роста температуры составила не менее 40 градусов в секунду; температура разрушения не превысила 150°С. Исследования выполнялись на установке резонаторного типа с производительностью разрушения не менее 2,5 г/с с использованием СВЧ-генератора мощностью 600 Вт на частоте 2450 МГц. Важно измельчать породу, исключая разрушение естественных граней алмазов.
На кафедре "Электрофизических установок" МИФИ совместно с АК "Алроса" разрабатывалась установка с большей производительностью по разрушению породы, на которой экспериментально исследовалась возможность повышения сохранности алмазов при использовании нового метода разрушения кимберлитов. В предлагаемой работе приведены результаты разработки установки для теплового разрушения горной породы с мощностью СВЧ-питания до 5 кВт на частоте 2450 МГц. Производительность такой установки составляет ~25-30 г/с для кусков кимберлита со средним размером 15-20 мм.
СВЧ-установка резонаторного типа для сверхбыстрого нагрева горных пород
СВЧ-нагрев может быть выполнен в волноводных и резонаторных рабочих камерах. В первоначальных экспериментах на малых уровнях мощности для нагрева использовались резонаторы с низшими видами колебаний. Для разрушения кусков горной породы целесообразно использовать резонаторные рабочие камеры, а не волноводные рабочие камеры, работающие в режиме бегущей волны [1], [6]. Напряженность электрического поля в резонаторах будет выше, чем в волноводах при одинаковой СВЧ-мощности, следовательно, и коэффициент поглощения СВЧ-энергии образцом будет также выше. В резонаторных рабочих камерах КПД передачи СВЧ-энергии образцу может достигать 85-90 %. В волноводных рабочих камерах значительная часть СВЧ-мощности идет в согласованную нагрузку, уменьшая коэффициент передачи СВЧ-энергии нагреваемому образцу. Таким образом, для эффективного нагрева образцов небольших объемов предпочтительно использовать резонаторные рабочие камеры.
Для эффективного разрушения горных пород в промышленном масштабе с производительностью от 100 кг/ч используются резонаторные установки просыпного типа. Передача СВЧ-энергии нагреваемому образцу в объемном резонаторе происходит при его движении по диэлектрической трубе, которая определяет траекторию движения образца и исключает попадание разрушившихся частиц в объем резонатора. Куски горной породы по трубе могут перемещаться под действием силы тяжести при наклоне трубы порядка 45° к горизонту, при вращении диэлектрической трубы с частотой до 500 об/мин, под действием виброволн при размещении резонатора на вибростоле и сильфоном воде СВЧ-мощности, при продуве трубы сжатым воздухом. Для регулирования скорости перемещения породы по трубе можно сочетать эти методы в любой комбинации. Наиболее простое техническое решение состоит в подборе правильного угла к горизонту, а для устранения заторов, которые могут быть вызваны разрушавшимися мелкими осколками, предполагается дополнительно ввести обдув внутренней поверхности трубы воздухом, дополнительно охлаждающим поверхность диэлектрической трубы.
Характерный размер измельчаемого куска породы должен быть меньше размера диэлектрической трубы и глубины проникновения электромагнитного поля в породу на заданной частоте. Диаметр трубы в свою очередь определяется необходимостью поддерживать экологическую безопасность по СВЧ-излучению и требованием размещения трубы в максимуме электрического поля. Согласно этим критериям, в случае кимбер-литовой породы на частоте 2450 МГц внешний диаметр трубки не может превосходить 40 мм, на 915 МГц - 120 мм соответственно.
Материал, из которого изготовляется диэлектрическая труба, должен иметь высокую термостойкость до 200 °С, высокую механическую прочность и низкий тангенс угла диэлектрических потерь для минимизации потерь СВЧ-энергии в корпусе трубы. Таким требованиям удовлетворяют трубы из алюмооксидной керамики, содержащие А1203 не менее 95%, бериллиевой керамики и некоторые сорта фторопласта.
Производительность установки определяется мощностью СВЧ-генераторов. Отечественной промышленностью выпускаются генераторы 5 кВт на частоте 2450 ± 50 МГц и 50-75 кВт на частоте 915 ± 10 МГц. В работе [2] представлено несколько марок этих генераторов.
Оценим достижимую производительность установки по разрушению горных пород. При получаемой от магнетрона СВЧ-мощности 5 кВт в резонаторную рабочую камеру можно передать не более 4,5 кВт из-за трудностей, связанных с высокой добротностью резонаторной нагрузки. Учитывая, что коэффициент передачи СВЧ-мощности в резонаторе к породе составит ~80%, кимберлит нагревается СВЧ-мощностью ~3,6 кВт. Используя результаты работы [7], значения для кимберлитовой породы ск = = 1,1 кДж/(кг • град), Тн = 20°С и Тразр = 150°С, производительность установки по кимберлиту составит ~25 г/с или 1,5 кг/мин, или 90 кг/ч. Эта низшая оценка производительности, которую можно получить на разрабатываемой установке.
Е = 90° ф = о + 180° Е = 45°
Рис. 1. Блок-схема установки по просыпному измельчению кимберлита СВЧ-мощностью 5 кВт
СВЧ-энергия может эффективно передаваться в резонатор, если использовать систему стабилизации частоты магнетрона самой резонаторной нагрузкой, когда магнетрон сам будет следить за резонансной частотой, изменяющейся при перемещении, нагреве и разрушении кусков кимберлита в объеме резонаторной рабочей камеры.
В 2005-2006 гг. на кафедре Электрофизических установок (ЭФУ) МИФИ исследовались процессы разрушения горных пород на установке просыпного типа, рассчитывалась и разрабатывалась конструкция установки.
В исследуемой установке в качестве генератора был взят магнетрон М-117 с источником питания КИЭ-5, СВЧ-мощностью 5кВт и частотой 2450 МГц. На рис. 1 приведена блок-схема разработанной установки, состоящая из стандартных, выпускаемых промышленностью, и оригинальных элементов. Система питания установки собрана по схеме стабилизации частоты магнетрона резонаторной нагрузкой. Источник питания магнетрона (1) потребляет мощность ~8 кВт от трехфазной сети переменного тока с напряжением 380 В при СВЧ-мощности 5 кВт. Мощность, генерируемая магнетроном (2), -2,5-5 кВт, регулируется анодным током источника питания. Анодный блок магнетрона охлаждается проточной водой.
Волноводный тракт СВЧ-установки выполнен на основе прямоугольных волноводов сечением 90 х 45 мм с волной типа Н10. Волноводный поворот £-типа (3) на 90° необходим для размещения магнетрона в горизонтальном положении, согласно инструкции по его эксплуатации. Далее устанавливается волноводный пластинчатый фазовращатель (4) для настройки системы стабилизации частоты в режим слежения магнетрона за изменением частоты резонатора. Волноводный ферритовый циркулятор (6) марки WFHI2-24 с коэффициентом обратного ослабления 30дБ выпускается отечественной промышленностью. Для регулировки коэффициента обратного ослабления в пределах от 10 до 15 дБ в его плече перед согласованной водоохлаждаемой нагрузкой (8) вводится волноводный элемент с регулировочным индуктивным штырем (7). Сопряжение входного и выходного плеч циркулятора, изготовляемого на основе прямоугольного волновода 86,4 х 43,2 мм, с СВЧ-трактом установки выполняется с использованием волновод-ных переходов (5) и (9).
Основной рабочий элемент установки - цилиндрическая резонаторная рабочая камера (12) с размещенным устройством на диэлектрической трубе для просыпания породы и системой перестройки ее резонансной частоты. Угол наклона камеры регулируется в пределах 45 ± 10° к горизонту с использованием волноводного поворота £-типа на угол 45° (11) и двух регулировочных пластин (10), устанавливаемых между фланцами. Углом наклона резонатора к горизонту регулируется скорость просыпа материала в диэлектрической трубе. Мелкая фракция кимберлита, получившаяся после разрушения его куска в трубе, удаляется системой продува трубы воздухом (13).
Система стабилизации частоты магнетрона настраивается при помощи диодного индикатора поля (14). Безопасность по СВЧ-излучению при сборке установки контролируется прибором П3-19 (15), измеряющим плотность потока СВЧ-мощности в свободном пространстве антенными методами. Гене
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.