ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

January 8, 2015 by admin Комментировать »

А.Н. Диденко1, Б. В. Зверев2, А. Д Коляскин2 10тделение физико-технических проблем энергетики РАН, Москва;

Московский государственный инженерно-физический институт, Москва

Внедрение СВЧ-электроники в большую энергетику является одним из наиболее обещающих направлений развития современной электротехники. Первым ученым, обратившим на это внимание, является П. Л. Капица [1]. Сейчас уже совершенно четко выявляются основные преимущества СВЧ-энергетики, к числу которых относится возможность сосредоточения большой электромагнитной энергии в малых объемах, равномерного распределения энергии внутри образца и возможность ее концентрации в нужном месте, что может явиться основой разработки новых энергосберегающих технологий. Достоинством СВЧ-энергетики является и та большая гибкость, с которой СВЧ-энергия трансформируется в другие виды энергии.

Одним из важнейших показателей эффективности использования энергоносителей являются энергозатраты на выработку единицы продукта. К сожалению, по этому параметру Россия сильно отстает от передовых промышленных стран, поэтому проблема энергосбережения является одной из важнейших. По своей сути СВЧ-энергетика относится к числу энергосберегающих технологий, поэтому ее широкое внедрение будет способствовать уменьшению энергозатрат на единицу продукта.

Области практического использования СВЧ-энергетики в настоящее время быстро расширяются по мере использования ее в тех технологических процессах, для которых важна большая средняя мощность [2, 3].

В данной работе преимущества СВЧ-энергетики будут продемонстрированы на примере ее использования в водородной, ядерной энергетике и при сжигании углей.

1.                                      Использование СВЧ-энергии в водородной энергетике

Перспективность водородной энергетики зависит от того, насколько эффективно используется энергия внешнего источника для получения водорода. В последнее время неравновесные химические процессы все больше исследуются или в несамостоятельных разрядах, поддерживаемых ультрафиолетовым излучением или пучком релятивистских электронов, или в ВЧ- и СВЧ-разрядах. Проведенные исследования позволили выявить важную роль колебательного возбуждения молекул электронным ударом большинства электроотрицательных молекул, таких как Н20, С02, Ν2 (скорость колебательного возбуждения таких молекул достаточно велика). При этом основная доля энерговклада локализуется именно в колебательных степенях свободы, что обеспечивает селективность и высокую энергетическую эффективность таких процессов. В наиболее благоприятных условиях в колебательных степенях свободы сосредоточивается до 80% всей вложенной в разряд энергии. Такая эффективность не может быть достигнута в других каналах плазмохимических реакций.

Рассмотрим преимущества неравновесной СВЧ-плазмы на примере получения водорода путем прямого разложения водяного пара [4] в реакции Н20—»Н2 + 1/202 -2,6 эВ. Зависимость доли энергии, локализуемой в различных каналах электрон-молекулярного взаимодействия, рассчитанная приближенно в предположении максвелловской функции распределения электронов по энергиям, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Распределение энергии, теряемой электронами в Н20 по различным каналам возбуждения.

Из рисунка видно, что при температуре 77<1,5 эВ разложение должно определяться в основном колебательным возбуждением, а при более высокой температуре существенным оказывается диссоциативное прилипание. Как следует из расчетов, разложение паров воды и получение водорода в плазме может осуществляться с КПД 50%.

К настоящему времени наиболее высокая энергетическая эффективность плазмохимического разложения воды (-40%) достигнута в неравновесном СВЧ-разряде. Схема СВЧ-реактора приведена на рис. 2.

СВЧ-излучение мощностью до 1,7 кВт на частоте 2400 МГц поступало в прямоугольный волновод сечением 72×34 мм. Реактором служила кварцевая трубка диаметром 38 мм, пересекающая волновод перпендикулярно широкой стенке.

Рис. 2. Принципиальная схема стационарной плазмохимической СВЧ-установки: 1 – магнетрон, 2 – направленные осветители, 3 – реактор, 4 – согласованная калориметрическая нагрузка, 5 – система подачи исходного газа, 6 – пробоотборник, 7 – расходная шайба.

Тот факт, что достигнутый в описанном эксперименте предельный КПД (-40 %) все же ниже теоретически максимального, можно объяснить тем, что степень ионизации в системе, по-видимому, была недостаточно высока.Прямое разложение паров Н20 в неравновесной плазме сталкивается с ограничениями, связанными со степенью ионизации и с действием радикала ОН. Оба эти ограничения существенно смягчаются при добавлении в систему С02 и продукта его разложения СО. Наличие в системе окиси углерода приводит к снижению концентрации свободных радикалов ОН за счет практически беспороговой реакции ОН+СО—»Н+С02. С другой стороны, СО и С02 обладают на два порядка большим сечением колебательного возбуждения электронным ударом, чем Н20, что позволяет существенно снизить требования к степени ионизации. По сути дела, С02 может играть роль физического катализатора для процесса получения Н2 из Н20 в плазме и, не расходуясь, снимать трудности, возникающие при разложении чистого водяного пара.

Эффект плазменного катализа может быть использован для получения водорода и путём разложения метана с образованием водорода и углерода: СН4 —» 2Н2 + С [5].

Экспериментальная установка состояла из нагревателя газа, в котором метан с расходом QM при атмосферном давлении нагревался до температуры 400-600 °С и подавался в камеру СВЧ-плазмотрона, где плазма создавалась с помощью четырех магнетронов непрерыв ного действия. Разряд сообщал газу дополнительный энерговклад, отношение которого к тепловому энерговкладу не превышало 20%.

Рис. 3. Энергозатраты А разложения метана в водород в зависимости от СВЧ-энерговклада ср на полное количество водорода (1) и на дополнительный водород, полученный при включении СВЧ (2).

Было показано, что использование СВЧ более перспективно по сравнению с обычным термокатализом. Причиной процесса ускорения конверсии метана в водород при СВЧ- воздействии является или нагрев газа до более высоких температур, что приводит к более быстрому разложению метана, или генерация плазмой активных частиц, способствующих разложению метана. На рис. 3 приведены проанализированные полные энергозатраты на разложение метана в зависимости от СВЧ- затрат. Видно, что СВЧ-затраты малы (А ~ 0,,4 эВ/мол.), но они ускоряют процесс.

Таким образом, проведенная к настоящему времени работа показала, что с точки зрения эффективности процесса получения водорода наиболее перспективными являются плазмохимические процессы, протекающие селективно через колебательно-возбужденное состояние молекул, и наилучшие результаты можно получить, используя неравновесную СВЧ-плазму.

2.                                             Использование СВЧ-энергии в ядерной энергетике

Одним из перспективных направлений использования СВЧ-энергии в ядерной энергетике может стать спекание топливных элементов-таблеток для бланкетов ядерных энергетических установок. Об актуальности предлагаемого метода свидетельствует ряд отличительных моментов, связанных со спецификой СВЧ-нагрева, среди которых можно выделить следующие. Во-первых, такая технология относится к классу энергосберегающих технологий. Это, прежде всего, обусловлено тем, что воздействие СВЧ-поля носит объемный характер. Во-вторых, проведенные в зарубежных и отечественных научных центрах исследования указывают на возможность получения более качественной керамики и изделий порошковой металлургии с использованием СВЧ-нагрева по сравнению с традиционными технологиями. Образцы, изготовленные с помощью СВЧ-технологий, достигают высокой, близкой к теоретической плотности при значительно меньших температурах и поэтому имеют гомогенную мелкозернистую внутреннюю структуру. В-третьих, СВЧ-нагреватель более компактен по сравнению, например, с муфельной печью.

Рис. 4. Примерная температурная зависимость от времени спекания топливных таблеток на основе диоксида урана.

Спекание происходит в СВЧ-нагревателе, основным элементом которого является охлаждаемый водой высокочастотный резонатор, запитываемый от генератора на базе магнетрона, работающего в непрерывном режиме. Экономичность и производительность нагревательной установки обеспечивается высоким уровнем передачи СВЧ-мощности рабочему телу (до 80-90%) и выбором конструкции резонатора. Отношение к = V\/V2 (V\ — объем рабочего тела, V2 – объем резонатора) составляет, как правило, к = 0,02-Ю, 1, что в значительной степени продиктовано необходимостью обеспечения устойчивой работы СВЧ-генератора на нагрузку с переменным входным сопротивлением из-за существенной температурной зависимости объема, удельных теплоемкости, проводимости и других параметров нагреваемого образца.

Примерный температурный режим спекания топливных таблеток на основе диоксида урана показан на рис. 4.

Из рисунка видно, что в максимуме зависимости T{t) температура превышает 2000 К.

Характерной особенностью таких процессов является превалирование радиационного излучения над конвективной и кондуктивной формами теплообмена, которыми в первом приближении при оценке параметров СВЧ-нагревателя можно пренебречь. В этом случае предельную температуру Т образца можно определить из следующего выражения:

где Р – мощность генератора, η – коэффициент передачи СВЧ-мощности рабочему телу, σ – постоянная Стефана-Больцмана, S – площадь поверхности образца, yeff – эффективный коэффициент отражения мощности от стенок резонатора, определяемый как отношение мощности, отраженной от стенок резонатора и поглощенной телом, к мощности радиационного излучения.

Рис. 5. Зависимости температуры тела от времени для сферического (1) и цилиндрического (2) резонаторов.

Величина yeff существенно зависит от конфигураций и размеров нагреваемого тела и резонатора, так как именно они определяют количество внутренних отражений излученного теплового луча, прежде чем он вновь поглотится телом. В ряде случаев у^ может быть заметно меньше, чем коэффициент отражения внутренних стенок резонатора у. Для достижения максимальной величины Т при заданных Р и η необходима минимизация произведения А = (1 – -Yeff)S· Расчеты по определению оптимальных yeff для нагреваемого цилиндра и у = 0,98, выполненные с использованием метода Монте- Карло, показали следующее. Для резонатора цилиндрической формы минимум А соответствует yeff « 0,926; для сферического резонатора – yeff « 0,973. В обоих случаях к = 0,02, размеры нагреваемого тела и резонатора отвечали условию наименьших значений площадей поверхностей. В процессе моделирования полагалось, что излучение нагреваемого тела носит диффузный характер, а отражение от стенок резонатора – зеркальный. Графики температурных зависимостей при Р = 5 кВт, η = 0,8 и V\ = 1СГ[1] м3 представлены на рис. 5.

Предельные значения температур для первого и второго вариантов соответственно составляют 2620 и 2040 К. Это свидетельствует о том, что нагревательная система типа коаксиальных цилиндров существенно уступает по своей эффективности системе, в которой резонатор имеет сферическую форму.

Существенной особенностью данного метода является то, что таблетки можно нагреть до – 2200 К в медном резонаторе без использования конструктивных тугоплавких материалов.

Весь технологический процесс спекания топливных таблеток может быть успешно осуществлен с использованием однли многорезонаторного СВЧ-нагревателя при соответствующем выборе параметров резонаторов, причем реализация сложных температурных зависимостей процесса может достигаться путем выбора режима работы СВЧ-генераторов в форме управляемого меандра.

Применительно к топочным процессам это позволяет локализовать воздействие в определенной зоне, быстро изменять факторы воздействия при изменении условий горения в связи с изменением характеристик топлива. Итоговым результатом СВЧ-воздействия является повышение эффективности процесса сжигания топлива [6].

Кроме того, перспективным направлением использования СВЧ-энергии в теплоэнергетике может стать обработка топлива перед его сжиганием. Например, ископаемые угли, используемые в традиционной энергетике для питания котельных установок тепловых электростанций, требуют значительных затрат дополнительной энергии перед их сжиганием. В случае факельного горения топлива требуется его измельчение до зерен размером в десятые доли миллиметра, для чего используются шаровые мельницы, обладающие низким КПД.

Измельчение углей может быть осуществлено по совершенно новой технологии, если перед сжиганием их предварительно нагревать до температуры приблизительно 120 °С в резонаторных рабочих камерах. Здесь процесс измельчения угля происходит за счет быстрого вскипания воды, входящей в состав топлива в количестве 12% от его массы, когда куски угля разрываются давлением образующегося пара. Экспериментальные исследования диэлектрических проницаемостей ископаемых углей на частоте 2450 МГц (в « 3,8 и tg δ « 0,08) подтвердили возможность передачи СВЧ-энергии топливу с КПД не менее 80% в резонаторных рабочих камерах, заполненных углем на 0,5-1% по объему. Экспериментальные исследования СВЧ-измельчения углей были выполнены на цилиндрических резонаторных рабочих камерах с колебаниями типа Е0ю и ТЕМ, причем в последнем случае использовался СВЧ- резонатор, укороченный на емкость с угольным заполнением. Результаты исследований подтвердили перспективность внедрения СВЧ-измельчения углей. Предварительные оценки показали, что производительность установки ~0,4 кг/с достигается при мощности СВЧ-питания 50 кВт.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о перспективности использования СВЧ-колебаний для решения крупных энергетических проблем.

Работа выполнена при поддержке гранта 00-15-99028 в рамках программы ’’Ведущие научные школы”.

Литература

1.      Капица П. Л. Электроника больших мощностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

2.      Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2000. 262 с.

3.      Microwave power engineering / Ed. Okress Ernest C. Academic Press. New York and London. 1968.

4.      Русанов В. Д., Фридман А. А., Шолин Г. В. Физика химически активной плазмы с неравновесным колебательным возбуждением молекул // УФН. 1981. Т. 134, № 2. С. 185-233.

5.      Русанов В. Д., Эвитан К, Бабарицкий А. И. и др. Эффект плазменного катализа на примере диссоциации метана на водород и углерод // ДАН. 1997. Т. 354, № 2. С. 213-215.

Покрас С. М., Колесниченко Ю. Ф., Курышев В. А., Васильев К. Б. О возможности использования СВЧ- энергии для решения проблем, возникающих при сжигании твердых топлив // Радиофизика. М.: МРТИ, 1991. С.266-273.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты