Применение СВЧ-технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Применение СВЧ технологии в промышленности

1.1 Сушка материалов

1.1.1 Удаление влаги из материала механическим способом

1.1.2 Тепловой способ сушки

1.1.3 Химический способ

1.2 Дезинфекция медицинских отходов

1.2.1 Физические виды дезинфекции медицинских отходов

1.2.2 Химическая дезинфекция

1.3 Получение некоторых видов строительных материалов

1.4 История

1.4.1 Электромагнитный спектр и международные стандарты ISM

1.5 Микроволновые технологии -- энергоэффективны и технологичны

1.5.1 Преимущества и проблемы микроволнового нагрева

1.5.2 Физические основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов

1.5.3 Устройства, генерирующие волны СВЧ

1.5.4 Микроволновые устройства передачи

1.6 Оборудование для промышленного СВЧ нагрева

1.6.1 Конструкция микроволновых установок

1.6.2 Принцип СВЧ нагрева

1.6.3. СВЧ устройства конвейерного типа

1.6.4 СВЧ устройства периодического типа

2. Оценка энергетических характеристик микроволнового способа нагрева резиновой крошки

2.1 Технология производства резиновой плитки

2.1.1 Холодное прессование при производстве резиновой плитки

2.1.2 Горячее прессование при производстве резиновой плитки

2.2 Сравнение способов нагрева резиновой крошки при изготовлении резиновой плитки

2.2.1 Традиционная технология горячего формования резиновой крошки

2.2.2 Экспериментальная технология горячего формования резиновой крошки с помощью валкового оборудования

3. Экспериментальная оценка возможностей микроволнового нагрева для переработки резиновой крошки

3.1 Описание эксперимента

Заключение

Список использованных источников



Введение

В производственном процессе наиболее важной частью является технологический процесс. Это связано с тем, что сырьё перерабатывается, и из него получается конечный продукт. Технологический процесс разбивается на стадии и этапы, каждый из которых играет важнейшую роль в общей скорости процесса.

Инновации и развитие в этой области приводят к тому, что улучшаются показатели экономичности и эффективности использования энергии. Всё это сопровождается определённого рода закономерностями, и их условия становятся более жёсткими год от года.

Показатели в области экономики сильно зависят от уровня технологии производства. Именно по этой причине на основе показателей производительности, себестоимости и качества продукции разрабатывается оптимальный технологический процесс.

Технология СВЧ показывает лучшие результаты с этой точки зрения. В том числе в производстве плитки из резиновой крошки можно использовать эту технологию для нагревания сырья.



1. Применение СВЧ технологии в промышленности

В современном мире часто встречаются такие технологии производства и обработки материалов, которые уже много лет не модернизировались, и в следствие чего являются низкоэффективными и неэкологичными. Такая ситуация получается из-за того, что не хватает научных достижений. Используемые в наше время методы производства, кроме того, что наносят колоссальный урон природе, вредят и людям, которые работают на этих предприятиях или находятся в близи. Но благодаря тому, что с каждым годом требования к технологиям производств становятся всё более жёсткими, наука вынуждена разрабатывать современные способы производства материалов или модернизировать старые.

Давайте рассмотрим для примера некоторые этапы технологий производств из различных областей промышленности с неэффективными и экономически невыгодными свойствами. [6]

1.1 Сушка материалов

В современном мире процесс сушки различного рода материалов является одним из самых неэффективных этапов в цикле производства. В промышленности имеют место быть циклы производства, к которых на определённом этапе требуется вывести часть влаги из строительных материалов, исходного сырья, материалов разной твёрдости и сыпучести, бывает необходимо удалить растворитель с покрашенной детали, продукта или пасты, полуфабриката и т.п. Этот этап в производстве нужен для того, чтобы улучшить качество материала, например, повысить удельную теплоту сгорания каменного угля, или для того, чтобы ускорить некоторые процессы, такие как сушка древесины, ведь она необходима не только для уменьшения удельной массы материала, но и для ускорения строительства, увеличения срока эксплуатации. Кроме того, сушка применяется даже в целях увеличения срока хранения продуктов. [7, 9]

1.1.1 Удаление влаги из материала механическим способом

В настоящее время известны следующие методы удаления влаги из материалов: прессование, фильтрование и центрифугирование. Они необходимы для неполной сушки, когда из материала удаляется лишь часть влаги и не требуется полное её удаление.

Итак, несколько примеров обезвоживания механического типа:

· для того, чтобы высушить древесину, используют отсасывание. Смысл данного метода в том, что материал погружают в камеру, заполняют её горячим специальным агентом и после того, как влага из древесины передалась агенту, включают насос, который приближает давление в камере к вакууму;

· при сушке утфеля имеет место быть центрифугирование. Утфель -- это масса, состоящяя из кристаллов сахарозы и межкристального раствора. Чтобы из этого сырья получить сахар, его помещают в центрифугу, где межкристальный раствор оттекает от кристаллов сахарозы. Известно, что во время этого процесса материал высушивается до 1.0 -- 1.5% содержания влаги. После этого применяется сушка горячим воздухом, которая позволяется снизить процент содержания влаги до 0.14. Последний метод называют тепловой сушкой. [7]

1.1.2 Тепловой способ сушки

Тепловой способ сушки -- самый древний и известный метод удаления влаги из материала, который делится на 2 типа: естественный и искусственный.

Первый тип сушки происходит на открытом воздухе и являет собой довольно длительный по времени процесс. Сушильный агент в данном случае -- это воздух, а источник теплоты -- это солнечная энергия. Данный способ удаления влаги люди используют для того, чтобы высушить огромные массы материала на значительных территориях. Причём если говорить о обезвоживании дерева, травы, и прочего сырья, то нет определённых условий относительно температуры или влажности воздуха.

Если рассматривать искусственный способ тепловой сушки, то здесь имеет место быть более качественное и полное удаление влаги из материалов при помощи превращения влаги в пар и отвода последнего. Предназначенные для этого процесса установки похожи на другие массо- и теплообменными аппаратами. Так как в различных устройствах влага отводится по-разному, их подразделяют на следующие типы: установки с высокой промышленной частотой, контактные, радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. Рассмотрим поподробнее:

· в конвективных установках процесс передачи тепла от нагретой среды происходит с помощью процессов массо- и теплообмена через конвекцию на поверхности высушиваемого материала. В данном случае специальным агентом является рабочая среда, которая и переносит теплоту и массы водяного пара;

· кондуктивный процесс -- процесс обезвоживания материала на металлической нагретой поверхности. Здесь всё очевидно: от нагретого металла с помощью процесса теплопроводности тепло переходит к материалу, и происходит влага испаряется. В камере имеется вентиляция, которая отводит полученный пар вместе с воздухом;

· контактная сушка -- объединённое название кондуктивной и кондуктивно-конвективной сушки;

· при радиационной и радиационно-конвективной сушке процесса передачи тепла материалу происходит путём излучения из-за чего происходит испарение влаги и обезвоживание.

К примеру, давайте рассмотрим процесс сушки песка, КПД которого очень низкий. Рассмотрим рисунок 1.1.2:

Рис. 1.1.2 Трёхходовое барабанное сушило

Барабанное сушило является трёхходовым и имеет следующие части: топка 3, загрузочная воронка 1, трёхходовый барабан 2, разгрузочный желоб 5 и механизм вращения барабана 4. Данная конструкция делает путь перемещения материала троекротно большим, чем его длина, это увеличивает производительность при ограниченных габаритах. Потери тепла в данной сушилке снижаются на три четверти, если сравнивать с одноходовой. Это достигается из-за того, что отходящий газ более холодный, а площадь поверхности контакта барабана с окружающей средой уменьшен. [7]

Вертикальные сушила для песка разрабатывают подобно многоподовым печам. В них песок периодически пересыпается от вращающихся тарелок на неподвижные кольца и обратно с помощью скребков. Обычно конструкция вертикальных сушил разработана таким образом, что топочные газы текут против направления движения песка. Расход условного топлива в данных видах сушилок составляет 40 -- 60 килограмм на тонну материала. [7]

Но данный метод сушки песка можно заменить сушкой с помощью СВЧ технологии и конвейерного аппарата. В таком случае существенно сократятся затраты на нагревания материала и процесс производства станет много проще.

1.1.3 Химический способ

Кроме вышеупомянутых методов сушки материалов, имеет место быть химический способ. Смысл его в том, чтобы удалить влагу из материала с помощью гигроскопических веществ, таких, как хлористый кальций, серная кислота и т.п. Однако это очень дорого, поэтому такой метод сушки применяется лишь для осушки газов, ценных пород древесины и т.п.

Итак, можно подвести промежуточный итог: представленные виды обезвоживания материалов являются крайне неэкономичными и неэкологичными из-за больших затрат энергии. КПД таких методов сушки в производстве колеблется в пределах 23 -- 52%.

1.2 Дезинфекция медицинских отходов

По сравнению с другими отходами медицинские представляют наибольшую опасность для человека и окружающей среды, и, хотя доля их во всём отходообороте планеты составляет лишь 2%. В числе наиболее опасных можно рассмотреть следующие:

· возбудители инфекционных заболеваний;

· радиоактивные и токсичные вещества;

· патогенные микроорганизмы;

· повторное использование одноразовых медицинских инструментов.

Из-за высокого риска опасности в 79-м году 20-го столетия Всемирная организация здравоохранения отнесла медицинские отходы в категорию особо опасных отходов, для которых были созданы специальные условия дезинфекции. То есть необходимо проводить обязательную процедуру обеззараживания отходов перед тем, как вывезти их на полигон твёрдых бытовых отходов.

В связи с этим имеют место быть два вида воздействия на медицинские отходы: физическое и химическое.

1.2.1 Физические виды дезинфекции медицинских отходов

Самым понятным и простым способом дезинфекции медицинских отходов является стерилизация водяным паром в автоклаве. Водяной пар под давлением подают на предметы, подлежащие утилизации, в следствие чего они нагреваются и уничтожают различные споры. Эффективность этого процесса контролируют особыми спорами. Этот метод является знаменитым, отработанным и самым дешёвым в применении. При этом имеется несколько существенных недостатков: при плохой вентиляции образуются неприятные запахи; имеется риск выброса опасных химических соединений в воздух; сточные воды и полигоны могут быть загрязнены «остаточными отходами».

Итак, вывод следующий: при подобного рода дезинфекции имеет место быть риск влияния остаточных отходов на окружающую среду.

Далее рассмотрим другой вид дезинфекции -- сжигание отходов в инсинераторе. В специальной камере медицинские отходы дезинфицируются с помощью процесса сгорания. Основным недостатком данной технологии является экономическая составляющая процесса.

Кроме того, известен ещё один способ стерилизации -- инфракрасное и радиоактивное излучение. Данная технология появилась совсем недавно, однако не имела успех из-за того, что не все медицинские отходы дезинфицируются из-за устойчивости некоторых микроорганизмов к излучению. Кроме того, обслуживающий персонал такой установки рискует получить дозу излучения.

И, наконец, самый эффективный метод утилизации медицинских отходов -- использование микроволн. Подобного рода дезинфекцию способен выполнить как большой завод подобного рода профиля, так и малогабаритная передвижная установка.

Перед данного способа стерилизацией медицинские отходы измельчают и смешивают с водой. В ходе процесса образуются тепло и пар, равномерно нагревающие и эффективно обеззараживающие все МО. [6]

1.2.2 Химическая дезинфекция

Данный способ дезинфекции заключается в том, чтобы обработать измельчённые медицинские отходы в специальной камере химическими дезинфектантами. Данный метод измельчения и химдезинфекции способствует качественному проникновению веществ в глубь медицинских отходов. Это повышает эффективность обеззараживания в сравнении с обычным паровым методом. Однако если присмотреться более тщательно, то химическое обеззараживание проигрывает физическому в том, что подвергает нагрузке экологию окружающей среды и является вредным для обслуживающего персонала. Кроме того, стоит отметить, что при тестировании были обнаружены отходы с неполной дезинфекцией, что подтверждает низку эффективность химического метода обеззараживания.

1.3 Получение некоторых видов строительных материалов

Всем известно, что в сфере строительства имеет место быть большое число материалов для любого типа построек. Часть из них тяжела и дорога в производстве: теплоизоляционные материалы, бетонные блоки и т.п. К примеру процесс производства пеностекла, которое является одним из лучших теплоизоляторов, является отнюдь не дешёвым, и это, очевидно, влияет на розничную цену данного продукта. Самый популярный метод производства пеностекла таков:

· битое стекло очищают от мусора;

· измельчают до таких размеров, чтобы осколки были менее 50 мкм;

· в полученный порошок добавляют газообразователль;

· нагревают так, чтобы температура колебалась от 750 ^о C до 850 ^о С, и вся масса вспенивалась;

· охлаждают полученный материал в формах.

Данный метод делает необходимым применение сложных объёмных механических конструкций, большое количество спецреагентов, внушительных временных затрат. В итоге получается так, что розничная цена такого материала близка к экономически невыгодной.

Но решение данной проблемы есть. Можно применять в производстве пеностекла современных технологий объёмного нагревания в электромагнитных СВЧ полях. Смысл процесса в следующем:

· разливание жидкого стекла в спецформы;

· нагревание в спецкамере с помощью электромагнитных СВЧ волн;

· вспенивание сырья;

· остывание полученного материала.

Данный метод имеет колоссальное преимущество по сравнению с традиционным: жидкое стекло значительно дешевле колотого стекла, эффективность технологии в энергетическом и экологическом смысле заметно лучше, чем эффективность той технологии, которая применяется в настоящее время в производстве пеностекла. [2]

1.4 История

Принцип работы микроволновой печи был открыт случайно, как побочный продукт времён ВОВ при исследовании радиолокации с использованием электронной трубки. В 46-м году 20-го века инженер доктор Перси Спенсер, работавший в фирме Raytheon Corporation, занимался исследованием электронной трубки. В один прекрасный день случилось так, что в кармане у него оказалась плитка шоколада, и после завершения работы он заметил, что она расплавилась. У него появилась гипотеза, что излучение сверхвысокочастотными волнами могло расплавить шоколад. Он начал проводить эксперименты и осознал, что эта технология может способствовать при разработке микроволновых печей. По сравнению с традиционными печами, данный тип печей мог бы значительно сократить время нагревания веществ.

В 67-м году 20-го столетия дочерняя компания вывела в свет инновационную малогабаритную СВЧ печь, которую назвала Radarange. Данная печь работала от 115 вольт, была по габаритам сравнима со столом и имела розничную цену 459 долларов. Всего лишь 35 секунд было необходимо подержать гамбургер в такой печи для того, чтобы он приготовился.

Магнетрон -- это электронная лампа высокой мощности, которая создаёт СВЧ волны благодаря взаимодействию потока мельчайших заряженных частиц и магнитного поля. После этого огромные электронные трубки стали заменять на магнетрон, что позволило значительно уменьшить габариты печей.

Через год после выхода в свет Radarange после медицинских тестов Уолтера Рида стало понятно, что СВЧ печи в самом деле несут опасность для людей. В 1971-м году были утверждены федеральные стандарты, которые решили эту проблему. Через более чем 20 лет в 90% домов США стояла такая чудо-печь.

В советском союзе выпуск СВЧ печей был налажен с 1980-х годов на ЗИЛ и Южном машиностроительном заводе. Это были модели «ЗИЛ» и «Мария МВ» соответственно. Кроме того, завод «Электроприбор» в Тамбове и ЗИЛ в Днепропетровске выпускали модели «Днепрянка-1», которая имела следующие характеристики:

· 32 литра;

· магнетрон М-105-1; потребляемая мощность 1,3 кВт;

· мощность микроволнового излучения 0,6 кВт;

· 41 кг;

· 350 рублей.

1.4.1 Электромагнитный спектр и международные стандарты ISM

Всем известно, что электромагнитные волны имеют две составляющие: электрическое поле (E) и магнитное поле (B). Они распространяются в пространстве взаимноперпендикулярно со скоростью света.

Кроме того, они обладают такими же, свойствами, как и другие волны, а именно: отражение, преломление, интерференция, дифракция и поглощение. На Рис. 1.4.1 показан взаимноперпендикулярный характер распространения электрического и магнитного полей.

Рис. 1.4.1: Перпендикулярные колебания электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах (E-электрическое поле, B-магнитное поле).

Спектр электромагнитного излучения представляет собой определённый диапазон частот. Имеются следующие параметры волн: частота, длина волны и энергия фотона. При описании определённой волны обычно используется один из представленных параметров. Кроме того, электромагнитные волны занимают в спектре частот нишу от низкочастотных, которые обычно используются для радиосвязи, до гамма-излучения. Энергию, заключённую в электромагнитный фотон можно определить с помощью следующего уравнения:, где h -- постоянная Планка (6.63 ), Е -- энергия, -- длина волны, с -- скорость волны, -- частота.

Из данного уравнения можно сказать, что в СВЧ волнах заключена большая энергия, чем в радиоволнах, так как последние имеют более низкую частоту колебаний. Кроме того, в электромагнитных волнах различают следующие группы: ионизирующее излучение, которое удаляет электроны из атома, и неионизирующее излучение, которое этого процесса не вызывает. [6]

Рис. 1.4.2: Шкала частот электромагнитного спектра

СВЧ волны являют собой неионизирующую форму ЭМ энергии, которая в частотном спектре расположена между радио и инфракрасной областью, и которая имеет длину волны 1 -- 1000 мм.

СВЧ печь может работать в диапазоне частот 300 -- 300 000 МГц, однако власть ограничивает значительную часть из этого диапазона, чтобы оставить выделенные полосы частот для бытового, промышленного и медицинского применения. Чтобы уклониться от помех в телекоммуникационном оборудовании, для микроволнового нагрева используют спецполосы частот, которые предназначены для научных и медицинских исследований. Данные частоты отличаются в разных странах, но незначительно. К примеру, в Великобритании используют 896 МГц, а в РФ с США -- 915 МГц. Власть в различных государствах строго полагаются на таблицу распределения частот в мире для промышленных, научных и медицинских целей.



Таблица 1 Разрешенные частоты для ISM

1.5 Микроволновые технологии -- энергоэффективны и технологичны

1.5.1 Преимущества и проблемы микроволнового нагрева

Есть множество позиций, которые оправдывают применение энергии СВЧ в области нагревания в пищевой промышленности. Они привели к заметному улучшению в исследованиях и разработках, их применяют в обрабатывании разного рода материалов, таких, как керамика, пластмасса графен, золото, термопласт и даже отходах. Оказалось, что нагревание при помощи микроволн объёмных диэлектриков эффективно, потому что нагревание проходит равномерно и быстро по всему объёму.

Кроме того, заметным плюсом в пользу этого метода нагрева является экономическая эффективность, экономия энергии, чистота в экологическом смысле. Такая технология нагревания способна улучшить качество продукции, заметно ускорить темп производства, значительно сократить требуемую площадь, сокращает тепловые потери и, что немаловажно, позволяет держать под тщательным контролем нагревание теплоизоляторов.

Однако не всё так хорошо, потому что имеется и ряд минусов этой технологии. Так как для микроволновой технологии нагрева источником энергии является электричество, которое дороже, чем газ, такой способ нагревания материалов сильно зависит от стоимости электроэнергии при любом коэффициенте эффективности СВЧ печи. Кроме того, имеется ещё один значительный минус: во время переработки полезных ископаемых в промышленных масштабах есть риск возникновения теплового пробоя или тепловой неустойчивости из-за того, что излучение взаимодействует с нагреваемыми материалами. Данное явление порождает бесконтрольное возрастание температуры рабочей нагрузки, а затем может повредить материал. Интересным фактом является то, что причины возникновения этого явления различны в отличных друг от друга условиях обработки. И, наконец, последний минус в копилку технологии СВЧ нагрева: нагревание по такому методу значительным образом зависит от свойств нагреваемого материала. Как известно, есть ряд материалов, которые достаточно эффективно поглощают микроволновое излучение, но есть и прозрачные или, того хуже, отражающие СВЧ излучение без нагревания.

Можно сделать вывод о том, что чтобы применять технологию нагрева микроволновым излучением, крайне необходимо абсолютно чётко и ясно понимать суть взаимодействия СВЧ энергии с данным материалом.

1.5.2 Физические основы СВЧ термообработки диэлектрических материалов

Давайте разберёмся во влиянии микроволн на диэлектрики в физическом смысле этого выражения. Излучаемые из источника микроволны проникают вглубь диэлектрического материала, взаимодействуют с заряженными частицами вещества, из которого изготовлен материал, и заставляют их отклоняться систематическим образом. Известно, что молекулы в диэлектрике имеются как полярные, так и неполярные. В последних всё просто: заряженные частицы распределены так, что если отсутствует внешнее электрическое поле, то дипольный момент молекула равен точно нулю. В полярных молекулах всё наоборот: там дипольный момент в отсутствии внешнего электрического поля не ноль. Когда микроволновое излучение взаимодействует с неполярными молекулами, их дипольный момент перестаёт быть нулевым, и они поляризуются, в следствие чего нарушается симметрия распределения заряженных частиц. В случае с полярными молекулами всё иначе: когда они взаимодействуют с данным типом излучения их дипольный момент меняется и вместе с ним меняется расположение частиц молекула вдоль оси взаимодействия электрического поля. Так как на частотах уровня СВЧ ведущую роль играют дипольная и структурная виды поляризации, теплота возникает даже в том случае, если ток проводимости равен нулю.

Давайте опишем этот процесс: представим материал как среду, которая состоит из осцилляторов, которые взаимодействуют с электрическим полем, в следствие чего возникают отклонения систематического характера.

Материал, который нагревают, является изотопом, поэтому можно записать уравнение среды:

,

(1)

,

где: -- абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;

-- плотность тока проводимости;

-- векторы напряженности электрического и магнитного поля;

-- векторы электрической и магнитной индукции;

-- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

-- относительная магнитная проницаемость среды;

-- проводимость среды.

Если допустить, что электромагнитная составляющая поля подчиняется закону синуса, то

,

(2)

где - круговая частота колебаний.

Относительная диэлектрическая проницаемость может быть записана следующим образом:

(3)

где и - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

А относительная магнитная проницаемость среды:

(4)

где и - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды.

Когда имеют дело с отклонениями по закону синуса, обычно взаимодействуют со средней за период мощностью, поэтому можно записать, что мощность тепловых потерь равняется:

, (5)

где: и -- комплексно сопряженные значения амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Тогда из пятого уравнения можно выразить мощность тепловых потерь:

(6)

В этом выражении первое слагаемое представляет собой объёмную плотность мощности. Она выделяется в среде во время того как по ней протекает ток проводимости согласно закону Джоуля-Ленца.

Следующие два слагаемых представляют собой объёмную плотность мощности, которая выделяется в среде из-за смещения по фазе векторов и .

В данной работе мы будем иметь дело с такими материалами, у которых значение действительной части абсолютной магнитной проницаемости равно единице, а значение мнимой части равно нулю. Тогда в выражении (6) третье слагаемое аккурат ноль.

Если рассматривать вопрос выделения тепла в среде с макроскопической точки зрения, то невозможно отличить два случая: выделение тепло за счёт токов проводимости и поляризации. Этот факт можно выразить математическим образом, если взять в расчёт проводимость относительной диэлектрической проницаемости среды:

, (7)

(8)

(9)

Здесь: - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости среды.

Если учесть выражение (9), то выражение (6) можно записать следующим образом:

(10)

(11)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля, Гц;

- напряженность электромагнитного поля, В/cм;

- удельная мощность тепловых потерь, .

Получается, что удельная мощность тепловых потерь тем больше, чем выше частота электромагнитной составляющей поля. Кроме того, максимум величины у значительной части диэлектриков приходится на СВЧ диапазон.

В нашей стране в области обработки материалов СВЧ излучением в большинстве случаев используют частоты 915 МГц и 2450 МГц.

Когда Вы выбираете необходимую длину волны СВЧ генератора обязательно обратите внимание на то, что чем выше частота излучения, тем хуже оно проникает в материал. Значение помимо того, что зависит от частоты колебания электромагнитного поля, зависит также от температуры и влажности этой среды. [4, 8]

1.5.3 Устройства, генерирующие волны СВЧ

Подавляющая часть современных бытовых, промышленных и коммерческих аппаратов для обработки каких-либо материалов использует в качестве генератора в СВЧ печах магнетрон. Причина проста: магнетрон имеет высокую мощность на выходе, он эффективен, выдаёт стабильную частоту. Именно из-за этого в этой работе мы будем обсуждать устройство под названием «магнетрон». На Рис. 1.5.3 представлена схематическая картинка:

Рис. 1.5.3: Магнетронный резонатор бегущей волны.

Устройство состоит из клапана с вакуумом, который состоит из катода, а он, в свою очередь, окружён медным анодом, полым внутри. Представленный экземпляр -- это наиболее популярный в бытовой и промышленной сфере аппарат для СВЧ нагревания. В 98% систем используют именно этот вариант.

Анод состоит из большого количества лопастей, они выступают внутрь к центру и формируют слоты, находящиеся между ними, которые имеют резонансную частоту на уровне СВЧ. Такой аппарат может непрерывно или импульсивно создавать излучение, мощность которого достигает 1 МВт, а частота работы составляет 1 -- 40 ГГц. КПД такой системы равняется 85%, а надёжность такова, что она может прослужить почти 5000 часов. Два наконечника магнитов, имеющих большую полюсную форму, генерируют магнитное поле в той плоскости, в которой находится резонатор, из-за того, что ресницы потенциалом между анодом и катодом. В устройстве под название магнетрон перпендикулярные друг другу электрическое и магнитное поля зависят от движения мельчайших заряженных частиц, скорость движения и траектория полёта которых определяет напряжённость электрического и магнитного полей в пространстве между катодом и анодом. Выходную мощность магнетрона контролирует ток трубки или напряжённость магнитного поля. К примеру, на частоте 2,45 гигагерц мощность магнетрона доходит до 1,5 киловатт при воздушном охлаждении анодов и до 25 киловатт при водяном охлаждении. [1]

1.5.4 Микроволновые устройства передачи

Микроволновая энергия, которая генерируется источником СВЧ волн, с помощью направляющих волноводов попадает в микроволновую камеру. В ней осуществляется обработка материалов СВЧ волнами. В зависимости от того, какая мощность необходима, выбирают тип линии передачи. К примеру, если взять коаксиальный кабель, то он отлично подойдёт для передачи микроволн низкой мощности, однако при повышении мощности излучения потери значительно возрастут. Если же взять прямоугольный или круглый волновод, то он отлично подойдёт для передачи СВЧ излучения высокой мощности, так как такой тип волноводов имеют низкий уровень потерь на частотах уровня СВ.

Волновод представляет собой множество полых трубок, сделанных из металла, и имеющих постоянное сечение в виде круга или прямоугольника. Излучение уровня СВЧ распространяется в волноводах в двух режимах: поперечный электрический (ТЕ) и поперечный магнитный (ТМ). Более подробно эти режимы можно рассмотреть на Рис. 1.5.4:

Рисунок 1.5.4: Поперечное электрическое (TE) и поперечное магнитное (TM) распространение волн в волноводе.

Рассмотрим ТЕ-моду: в ней электрическая силовая линия ортогональна оси волновода, а электрическая составляющая поля равна нулю. Рассмотрим моду ТМ: в ней магнитная силовая линия ортогональна оси волновода, а магнитная составляющая равна нулю. Энергия производится благодаря двум составляющим поля: магнитной и электрической. [1]

1.6 Оборудование для промышленного СВЧ нагрева

1.6.1 Конструкция микроволновых установок

СВЧ аппарат обычно имеет в своём составе микроволновую камеру, магнетрон, волновод, блок питания, охлаждающую систему и разного рода системы, которые обеспечивают безопасность при работе с данным видом техники. микроволновой резиновый механический

В микроволновую камеру излучение, генерируемое магнетроном, поступает через прямоугольный волновод. Вентилятор и воздуховод, который проходит через микроволновую камеру, служит системой охлаждения магнетрона. Выходит, что материал, который находится внутри камеры не только нагревается от СВЧ излучения, но и от воздуха, отводимого от магнетрона. После этого воздух, который находится внутри СВЧ камеры, насыщается водой, и полученный пар выводится через не излучаемые отверстия, именуемые запредельными волноводами. Блок, который питает генератор СВЧ излучения, высоковольтный и состоит из диода, конденсатора и трансформатора. Чтобы добиться того, чтобы режим работы был нормальный, и, кроме того, чтобы СВЧ волны не вырывались наружу, ставят 2 -- 5 микропереключателей блокировочного типа для того, чтобы получить подтверждение, что дверца СВЧ камеры плотно заперта. В случае, если требуется освещение в СВЧ камере, то часто использую лампу накаливания, которую располагают внутри воздуховода. Режим работы СВЧ камеры обычно задают блоком управления, который состоит из электромеханического таймера или электронного блока. Кроме того, большинство СВЧ печей имеют в своей конструкции термореле для того, чтобы избежать перегрева и выхода из строя аппарата. Оно расположено в генераторе микроволнового излучения и на внешней стороне СВЧ камеры.

Рис. 1.6.1 Конструкция СВЧ установки.

1.6.2 Принцип СВЧ нагрева

Материал, который нагревают в СВЧ печах, содержит полярные молекулы и нагревается по принципу «дипольного сдвига». Электромагнитное излучение затрачивает свою энергию на то, чтобы двигать молекулы, дипольный момент которых не равен нулю. Именно из-за этого мы наблюдаем повышение температуры нагреваемого тела.

Как упоминалось выше, подавляющая часть микроволновых печей в быту и в промышленности имеют частоту работы 915 или 2450 мегагерц.

Такая частота выбрана из следующих соображений:

· генератор СВЧ излучения должен иметь мощность 500 ватт, необходимую эффективность, стоимость и заданные линейные размеры;

· необходимо, чтобы длина волны была согласована с международными и государственными стандартами разрешённых частот;

· необходимо выбрать частоту так, чтобы глубина, на которую проникают СВЧ волны, была несколько сантиметров (напомним: глубина проникновения тем меньше, чем выше частота излучения).

1.6.3 СВЧ устройства конвейерного типа

Микроволновые устройства проходного типа часто применяются на производстве теплоизоляционных материалов с применением сухих и жидких силикатов. Можно привести следующие примеры: смесь гидроалюмосиликатов, которые связаны жидким стеклом. Устройства делятся на два типа: для быстрой обработки теплом, что называется вспучиванием, и, соответственно, для медленной. Столько изобилующая скоростями обработка температурой даёт столь же многочисленное количество пузырьковых теплоизоляторов, которые, естественно, имеют разные свойства. Устройства, которые предназначены для микроволновой теплообработки спроектированы таким образом, что если внутри них волна не была поглощена материалом, то она отражается от стенок и неминуемо поглощается этим же материалом. Главный принцип, которого стоит придерживаться при нагреве с помощью микроволн, это наличие множества магнетронов с малой выходной мощностью (0,6 -- 0,85 киловатт), которые имеют воздушно охлаждение и располагаются определённым образом. К примеру, при частоте, равной 2450 мегагерц, магнетрон снабжён волноводом, поперечное сечение которого 7234 миллиметра. На Рис. 1.6.3. можно лицезреть конструкцию аппарата микроволновой теплообработки, который предназначен для того, чтобы производить теплоизолирующие плиты с линейными размерами 60060050 миллиметров из вспученного вермикулита, который связан с жидким стеклом. [8]

Рис. 1.6.3 Схема размещения источников СВЧ энергии на камере: 1 - корпус; 2 - источник СВЧ энергии; 3 - вентилятор; 4 - вентиляционное окно; 5 - конвейерная лента; 6 - фланец.

Материал, из которого изготавливается теплоизолятор, устанавливают на нижний поддон разборной формы из фторопласта. Последний пропускает микроволны, которые затем попадают внутрь установки и взаимодействуют с сырьём. После того, как материал проходит такую камеру, его масса уменьшается на 30 -- 40%, а объём, напротив, кратно увеличивается в 2 -- 6 раз в следствие вспучивания жидкого стекла.

Коэффициент полезного действия подобного рода установок близится к 90% с учётом потерь тепла, которое уходит в окружающую среду и стенки внутри устройства. Подобного рода аппарат способен производить более ста плит за одну смену, а мощность его составляет 27 киловатт. Подобная мощность достигается с помощью 45 магнетронов, мощность каждого из которых 0,6 киловатт.

1.6.4 СВЧ устройства периодического типа

Микроволновым аппаратом периодического типа можно назвать устройство для сушки древесины. Магнетроны располагаются по стенкам камеры, выходная мощность каждого из них -- 0,6 киловатт.

К магнетронам подводятся волноводы, которые выводят энергию, поперечное сечение каждого из них 7234 мм и 19294 мм при частотах 2450 и 915 мегагерц соответственно. Подобного рода расположение магнетронов позволяет нагревать материал равномерно.

Режимы сушки дерева в технологическом смысле были произведены для всех генераторов СВЧ энергии, при этом учитывался тот факт, что внутри камеры происходит многократное отражение от стенок. Температурное поле рассчитывалось как для начала процесса сушки, когда древесина ещё сырая, так и для конечного этапа процесса, когда материал почти сухой. Температурное поле рассчитывалось при том условии, что колебания температуры в любом взятом сечении штабеля дерева были не больше, чем 20°С.

Кроме устройства, описанного выше, имеется аппарат для того, чтобы обеззараживать грунт в теплицах. Эта микроволновая установка перемещается между теплицами, а вместо штабелей дерева в неё кладут грунт в ящиках. [8]

Из всего, что написано выше, можно сделать вывод о том, что для всех типов подобных систем важно соблюдать равномерное распределение магнетронов внутри камеры для того, чтобы материал, который подвергается температурному воздействию, нагревался равномерно. Этот факт является значительным в следующих случаях:

· при производстве инновационных теплоизоляционных материалов с технологией вспучивания, в основе которых жидкое стекло с наполнителями, гранулы пенополистирола на цементной связке и других);

· при нагревании и сушке материалов (к примеру, табака перед тем, как начать процесс ферментации и резки, продуктов питания и т.п.).

Необходимым фактом в конструкции подобных систем является строго равномерное распределение магнетронов в камере. Рекомендуется увеличивать линейные размеры камер, чтобы повысить удельную производственную мощность и, следовательно, обрабатывать большие объёмы материалов. [8]



2. Оценка энергетических характеристик микроволнового способа нагрева резиновой крошки

В современном мире ситуация такова, что масштабы отходов полимерного происхождения достигают 1 млн. тонн в год. Если принять во внимание тот факт, что данный вид материалов не подвержен коррозии и гниению, это оборачивается в проблему экологического характера. В данный момент в столице нашей страны перерабатывается лишь 5,7% подобных отходов, а производство шин от года в год лишь возрастает. Однако данная проблема решается следующим образом -- использованные шины могут послужить экономически выгодным сырьём, если производить из них регенерат. Последний термин имеет смысл продукта, который получается при переработке отходов резины. На данный момент наиболее популярным методом регенерации резины является термомеханическим, на последней стадии которого происходит нагревание материала. Именно на этом моменте представляется возможным применить СВЧ технологию нагрева. Об этом будет идти речь в этой главе.

2.1 Технология производства резиновой плитки

В рамках этого пункта главы мы поговорим о двух наиболее популярных технологиях производства резиновой плитки. Важно понимать, что, когда мы выбираем продукт из резиновой крошки, мы выбираем наиболее популярный строительный материал на данный момент, который используется на детских площадках, в спорткомплексах, в гаражах и на даче, на тротуарах, загонах для скора и т.п. Важность этого пункта состоит в том, какая же технология лучше, и в каком случае получается долговечный, надёжный и качественный продукт. Данный вид строительного материала отличается экологичностью, простым монтажом, долговечностью, презентабельным внешним видом.

Эти две технологии схожи в том, что сначала резиновую крошку тщательно смешивают с полиуретановым связующим, добавляя в эту смесь красящий пигмент для придания эстетически приятного вида конченой продукции. Однако состав материалов различается в зависимости от того, для чего предназначена плитка и какой применяется метод производства. К примеру, для покрытия на детской площадке используют EPDM крошку для верхнего слоя, но не используют красящий пигмент. Кроме того, при холодном и горячем методах производства применяются разные полиуретановые связующие.

2.1.1 Холодное прессование при производстве резиновой плитки

Начнём с технологии холодного прессования при производстве резиновой плитки. Резиновую крошку смешивают со связующим клеем и пигментным веществом. Этот этап производства является очень важным и напрямую влияет на качество получаемого на выходе изделия, так как критически важно тщательнейшим образом перемешать все эти компоненты. Обычно, это делается с помощью миксеров с лопастями на маленьких скоростях, причём, тем лучше, чем большее число миксеров задействовано. Затем разливают в пластиковые формы, которые в свою очередь устанавливаются ложементы. Последний термин обозначает фанерные рамки. На данном этапе важно понимать, что количество пресс-форм, которые обрабатываются за раз, зависит от их вместимости и колеблется в пределах 4 -- 20 штук. После этого это всё помещают в специальную тележку, равномерно распределяя одну за другой, где и происходит процесс прессования. Пресс выдаёт такую мощность, что давление на сырьё достигает пяти тысяч килограмм. После этого наступает завершающий этап производства, в котором и кроется главное различие двух конкурирующих технологий -- сушка. На данном этапе производства спрессованный в формах материал помещают в сушильный шкаф, где связующее вещество полимеризуется в течение отрезка времени от четырёх до шести часов. При этом температуру окружающей среды необходимо поддерживать в районе 60 градусов Цельсия. Очевидно, что линейные размеры камеры (сушильного шкафа) напрямую влияют на то, сколько пресс-форм можно одновременно подвергать полимеризации. Это и является главным и существенным минусом во всей этой истории -- долгий процесс сушки полученного материала. По прошествии указанного времени формочки извлекают из сушильного шкафа и подвергают тщательной проверке для того, чтобы выявить дефективные образцы и брак.

У данной технологии есть ряд преимуществ и существенных недостатков по сравнению с технологией горячего производства резиновой притки. Если взглянуть бегло, то можно решить, что технология холодного прессования при производстве данного материала, как говорилось выше, существенно повышает время производства одной единицы продукта, и, соответственно, значительно снижает производительность всего предприятия в целом. Однако если разобраться в вопросе, то имеется множество положительных позиций. Например, тот факт, что пресс-формы сдавливаются под высоким давлением, благотворно сказывается на качестве и плотности будущего материала. Кроме того, длительная сушка позволяет порам резиновой крошки раскрыться, за счёт чего полимеризующее вещество и красительная добавка более глубоко впитывается в материал. В итоге получаем плотное изделие, обладающее хорошей гибкостью. Надёжность резиновой плитки, произведённой при помощи технологии холодного прессования такова, что этот материал может прослужить больше 10 лет. Подобным образом изготовленная резиновая плитка не имеет едких запахов или выделений, кроме легкого запаха каучука.

Однако имеется и ряд недостатков, которые играют решающую роль при выборе технологии, которую использовать на производстве. Одним из самых главных недостатков является тот факт, что конечная продукция в виде плит имеет разные линейные размеры. Отклонения от номиналов могут достигать 4 мм, однако производители обычно умалчивают об этом. Кроме того, имеется ещё один существенный недостаток: так как на этапе прессования обычно используют один тракторный цилиндр, возникает неравномерная плотность в разных местах полученного материала. Это происходит из-за того, что нагрузка этого валика распределяется неравномерно. Имеется также ещё один значительный минус в копилку технологии холодного прессования: на этапе полимеризации, во время этого процесса гранулы начинают восстанавливать свою форму. Это приводит к тому, что материал выкрашивается и углы резиновой плитки становятся хрупкими.

Можно сделать вывод о том, что технология холодного прессования при производстве резиновой плитки имеет ряд существенных преимуществ, но, к сожалению, не идеальна.

2.1.2 Горячее прессование при производстве резиновой плитки

Достойным конкурентом для технологии холодного прессования в производстве данного типа материалов является технология горячего прессования.

Эти технологии схожи до того момента, когда начинается полимеризация. Данный процесс в случае горячего прессования протекает при температуре 140 градусов Цельсия, что на 80 градусов превышает аналогичную температуру в «холодной» технологии. При таком подходе к делу процесс полимеризации протекает меньше чем за 10 минут. При этом резина вулканизуется и происходит увеличение её адгезии. Данный метод полимеризации применяется также в сфере ремонта шин, которые имеют боковые порезы. После описанного процесса готовые изделия помещают на стеллажи, они остывают, и прочность материала становится всё более высокой.

Технология горячего прессования при производстве резиновой крошки имеет достаточно позиций в колонке преимуществ. Главным из таких плюсов является то, что в отличие от плитки, изготовленной холодным прессованием, плитка, полученная таким методом, не нарушает свою геометрию. Это достигается за счёт того, что при таком методе производства используются не пластмассовые, а металлические пресс-формы. В этом случае отклонения линейных размеров не превышают полумиллиметра. Кроме того, при применении горячего прессования плотность конечного материала остаётся равной на всей площади плитки. Ещё одним плюсом является то, что края не являются выкрашенными и, соответственно, становятся более прочными. Завершающей позицией в копилку плюсов данной технологии производства является то, что такая плитка легка в укладке. Она довольны простым образом стыкуется, не оставляет щелей или перепадов высот, поверхность получается довольно ровной.

Однако противники данной технологии производства заявляют о том, что она имеет ряд существенных недостатков. Например, при использовании высоких температур появляется сильно выраженный запах резины. Но самым главным их аргументом является то, что при горячем производстве ускорение процесса доводит до того, что компоненты элементарно не успевают реагировать между собой. А это важно, так как связующее вещество должно впитаться в сырьё. Изначально задумывалось, что высокая температура позволит сократить время высыхания материала в пресс-формах, но на деле бывает так, что связующие звенья запекаются. Это приводит к тому, что резиновая плитка становится рассыпчатой, теряется прочность, гибкость.

Таким образом из данного пункта можно сделать вывод о том, что горячий метод имеет место быть на рынке производства резиновой крошки, но важно не переходить за черту температур, после которых сырьё просто спекается. Если поддерживать рабочие температуры в нужно диапазоне, то можно достичь значительного сокращения времени сушки материала в пресс-формах.



2.2 Сравнение способов нагрева резиновой крошки при изготовлении резиновой плитки

2.2.1 Традиционная технология горячего формования резиновой крошки

Итак, технология горячего формования на производстве каучуковых плиточных покрытий возможна благодаря гидравлическому прессу высокой мощности. Используемые формы для прессования изготовлены из массивной формовочной стали, которая, в свою очередь, проявляет стойкость к нагревам цикличного характера и не меняет своей формы из-за механических нагрузок.

На сам процесс формования затрачивается от 5 до 20 минут. Время зависит от полиуретанового связующего, толщины плитки, которая изготавливается, плотности материала и фракции резиновой «крупы».

Как правило, на производстве используют многоярусные пресса: от 2-х до 4-х этажей. На каждом ярусе установлены электрические трубчатые нагреватели, с помощью которых происходит нагревание стальных форм для пресса до 150 градусов по Цельсию. Кроме того, встречается, но уже реже, паровое нагревание форм.

Для того, чтобы можно было быстро сменить формы для прессования используют обыкновенные рельсовые механизмы. Прес-формы перекатываются по специальным рельсам перекатываются матрицы (так называются нижние части пресс-форм). Как правило, на рельсы устанавливают две сменные подвижные матрицы и одну верхнюю неподвижную часть формы закрепляют «намертво» болтами к верхней плите. Неподвижную часть формы именуют пуансоном. Эти матрицы двигаются методом волока либо с помощью роликового механизма по двум гладким рельсам, задающим направление.

В то время, когда одна матрица «занята», то есть она находится под давлением пресса вместе с пуансоном, который находится внутри, и плитка формуется, имеется «свободная» матрица, в которую уже засыпают смесь, готовую для формования. Как только размыкается пресс, матрица, которая была «занята» укатывается влево, а «свободная» матрица, в свою очередь, встаёт на её место.

Таким образом получают непрерывный цикл производства плитки из резиновой крошки. Можно сказать, что материал «жарится» в пресс-формах подобно пирожкам.

К примеру, если производится плитка размером 500500 мм, а этажность пресса равна 4-м, то, получается, что за один цикл формования, который среднеарифметически длится 10 минут, выходит 4 готовых плитки общей площадью 1 м². За час таких циклов 6, а за восьмичасовую смену можно произвести покрытие общей площадью 48 м². Если на заводе график работы подразумевает 3 смены, то с учётом перерывов на обед производительность достигнет 120 м² выпускаемой площади за сутки.

2.2.2 Экспериментальная технология горячего формования резиновой крошки с помощью валкового оборудования

Для того, чтобы получить регенерат с помощью валкового оборудования, резиновую «крупу» заранее смешивают с химактиваторами, смягчителями (к примеру, стеариновая кислота).

Температура валков колеблется в пределах от 33 до 55 градусов по Цельсию. Режимы технологического характера для получения регенерата и химреагенты подбираются так, чтобы резина подвергалась девулканизации. Этот процесс подразумевает разрушение большинства поперечных связей (c-s и s-s связей), но в то же время сохранение термодеструкции молекул каучука. Благодаря такому подходу можно получить резиновую смесь высокомолекулярного характера, которая обладает достаточной пластичностью, а если девулканизацию провести повторно, то можно получить резину, обладающую механическими свойствами высокого уровня.

На Рис 2.2.2 представлена экспериментальная установка, для исследования процесса девулканизации резиновой крошки.

Рис 2.2.2 Экспериментальная установка для исследования процесса девулканизации резиновой крошки. 1 - плиты; 2 - станина; 3 - стяжки; 4 и 5 - подшипники валков; нажимный винт; 7 - резьбовая втулка винта; 8 - траверса; 9 и 10 - валки; 11 - противень; 12 - ограничительная стрелка.

Процесс производства плитки из резиновой крошки опишем ниже. Сначала заранее приготовленная шинная крошка смешивается со стеариновой кислотой. Затем данная смесь подаётся на предварительно нагретые валы. При обработке смеси горячими вальцами под давлением происходит процесс девулканизации. На выходе из валов получается практически готовый лист, которому необходимо лишь придать нужную форму с помощью экструдера.