А.Н. Діденко1, Б. В. Звєрєв2, А. Д Коляскін2 10тделеніе фізико-технічних проблем енергетики РАН, Москва;

Московський державний інженерно-фізичний інститут, Москва

Впровадження СВЧ-електроніки у велику енергетику є одним з найбільш обіцяють напрямків розвитку сучасної електротехніки. Першим вченим, які звернули на це увагу, є П. Л. Капіца [1]. Зараз вже абсолютно чітко виявляються основні переваги СВЧ-енергетики, до числа яких належить можливість зосередження великий електромагнітної енергії в малих обсягах, рівномірного розподілу енергії всередині зразка та можливість її концентрації в потрібному місці, що може з’явитися основою розробки нових енергозберігаючих технологій. Перевагою НВЧ-енергетики є і та велика гнучкість, з якою СВЧ-енергія трансформується в інші види енергії.

Одним з найважливіших показників ефективності використання енергоносіїв є енерговитрати на вироблення одиниці продукту. На жаль, за цим параметром Росія сильно відстає від передових промислових країн, тому проблема енергозбереження є однією з найважливіших. За своєю суттю СВЧ-енергетика відноситься до числа енергозберігаючих технологій, тому її широке впровадження сприятиме зменшенню енерговитрат на одиницю продукту.

Області практичного використання СВЧ-енергетики в даний час швидко розширюються по мірі використання її в тих технологічних процесах, для яких важлива велика середня потужність [2, 3].

У даній роботі переваги СВЧ-енергетики будуть продемонстровані на прикладі її використання у водневій, ядерній енергетиці та при спалюванні вугілля.

1.                                      Використання НВЧ-енергії у водневій енергетиці

Перспективність водневої енергетики залежить від того, наскільки ефективно використовується енергія зовнішнього джерела для отримання водню. Останнім часом нерівноважні хімічні процеси все більше досліджуються або в несамостійних розрядах, підтримуваних ультрафіолетовим випромінюванням або пучком релятивістських електронів, або в ВЧ-і СВЧ-розрядах. Проведені дослідження дозволили виявити важливу роль коливального збудження молекул електронним ударом більшості електронегативних молекул, таких як Н20, С02, Ν2 (Швидкість коливального збудження таких молекул досить велика). При цьому основна частка енерговклада локалізується саме в коливальних ступенях свободи, що забезпечує селективність і високу енергетичну ефективність таких процесів. У найбільш сприятливих умовах в коливальних ступенях свободи зосереджується до 80% всієї вкладеної в розряд енергії. Така ефективність не може бути досягнута в інших каналах плазмохимических реакцій.

Розглянемо переваги нерівноважної СВЧ-плазми на прикладі отримання водню шляхом прямого розкладання водяної пари [4] в реакції Н20- »Н2 + 1/202 -2,6 ЕВ. Залежність частки енергії, локализуемой в різних каналах електрон-молекулярної взаємодії, розрахована наближено в припущенні максвеллівською функції розподілу електронів по енергіях, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Розподіл енергії, що втрачається електронами в Н20 по різних каналах збудження.

З малюнка видно, що при температурі 77<1,5 еВ розкладання має визначатися в основному коливальним збудженням, а при більш високій температурі істотним виявляється дисоціативне прилипання. Як випливає з розрахунків, розкладання парів води та отримання водню в плазмі може здійснюватися з ККД 50%.

До теперішнього часу найбільш висока енергетична ефективність плазмохимического розкладання води (-40%) досягнута в нерівноважному СВЧ-розряді. Схема СВЧ-реактора наведена на рис. 2.

НВЧ-випромінювання потужністю до 1,7 кВт на частоті 2400 МГц надходило в прямокутний хвилевід перетином 72×34 мм. Реактором служила кварцова трубка діаметром 38 мм, що перетинає волновод перпендикулярно широкої стінці.

Рис. 2. Принципова схема стаціонарної плазмохимической СВЧ-установки: 1 – магнетрон, 2 – спрямовані освітлювачі, 3 – реактор, 4 – узгоджена калориметрична навантаження, 5 – система подачі вихідного газу, 6 – пробовідбірник, 7 – видаткова шайба.

Той факт, що досягнутий в описаному експерименті граничний ККД (-40%) все ж нижче теоретично максимального, можна пояснити тим, що ступінь іонізації в системі, очевидно, була недостатньо висока.Прямое розкладання парів Н20 в нерівноважної плазмі стикається з обмеженнями, пов’язаними зі ступенем іонізації і з дією радикала ОН. Обидва ці обмеження істотно пом’якшуються при додаванні в систему С02 і продукту його розкладання СО. Наявність в системі окису вуглецю призводить до зниження концентрації вільних радикалів ОН за рахунок практично безпорогової реакції ОН + СО »Н + С02. З іншого боку, СО і С02 володіють на два порядки більшим перерізом коливального збудження електронним ударом, ніж Н20, що дозволяє істотно знизити вимоги до ступеня іонізації. По суті справи, С02 може грати роль фізичного каталізатора для процесу отримання Н2 з Н20 в плазмі і, не витрачаючись, знімати труднощі, що виникають при розкладанні чистого водяної пари.

Ефект плазмового каталізу може бути використаний для отримання водню і шляхом розкладання метану з утворенням водню і вуглецю: СН4 – »2Н2 + С [5].

Експериментальна установка складалася з нагрівача газу, в якому метан з витратою QM при атмосферному тиску нагрівався до температури 400-600 ° С і подавався в камеру НВЧ-плазмотрона, де плазма створювалася за допомогою чотирьох магнетронов непрерив ного дії. Розряд повідомляв газу додатковий енерговклад, ставлення якого до теплового енерговклада не перевищувало 20%.

Рис. 3. Енерговитрати А розкладання метану в водень залежно від СВЧ-енерговклада зр на повну кількість водню (1) і на додатковий водень, отриманий при включенні СВЧ (2).

Було показано, що використання СВЧ більш перспективно в порівнянні зі звичайним термокаталізом. Причиною процесу прискорення конверсії метану в водень при СВЧ- впливі є або нагрів газу до більш високих температур, що призводить до більш швидкому розкладанню метану, або генерація плазмою активних частинок, що сприяють розкладанню метану. На рис. 3 наведені проаналізовані повні енерговитрати на розкладання метану в залежності від СВЧ- витрат. Видно, що СВЧ-витрати малі (А ~ 0,, 4 еВ / мол.), Але вони прискорюють процес.

Таким чином, проведена до теперішнього часу робота показала, що з точки зору ефективності процесу отримання водню найбільш перспективними є плазмохімічні процеси, що протікають селективно через колебательно-збуджений стан молекул, і найкращі результати можна отримати, використовуючи нерівноважну СВЧ-плазму.

2.                                             Використання НВЧ-енергії в ядерній енергетиці

Одним з перспективних напрямів використання СВЧ-енергії в ядерній енергетиці може стати спікання паливних елементів-таблеток для БЛАНКЕТ ядерних енергетичних установок. Про актуальність пропонованого методу свідчить ряд відмінних моментів, пов’язаних зі специфікою СВЧ-нагрівання, серед яких можна виділити наступні. По-перше, така технологія відноситься до класу енергозберігаючих технологій. Це, насамперед, обумовлено тим, що вплив НВЧ-поля носить об’ємний характер. По-друге, проведені в зарубіжних і вітчизняних наукових центрах дослідження вказують на можливість отримання більш якісної кераміки та виробів порошкової металургії з використанням СВЧ-нагрівання в порівнянні з традиційними технологіями. Зразки, виготовлені за допомогою НВЧ-технологій, досягають високої, близькою до теоретичної щільності при значно менших температурах і тому мають гомогенну мелкозернистую внутрішню структуру. По-третє, СВЧ-нагрівач більш компактний у порівнянні, наприклад, з муфельній піччю.

Рис. 4. Орієнтовна температурна залежність від часу спікання паливних таблеток на основі діоксиду урану.

Спікання відбувається в СВЧ-нагревателе, основним елементом якого є охолоджується водою високочастотний резонатор, живиться від генератора на базі магнетрона, що працює в безперервному режимі. Економічність і продуктивність нагрівальної установки забезпечується високим рівнем передачі СВЧ-потужності робочому тілу (до 80-90%) і вибором конструкції резонатора. Ставлення до = V \ / V2 (V \ – об’єм робочого тіла, V2 – Обсяг резонатора) становить, як правило, до = 0,02-Ю, 1, що в значній мірі продиктовано необхідністю забезпечення стійкої роботи СВЧ-генератора на навантаження зі змінним вхідним опором через істотну температурної залежності об’єму, питомих теплоємності, провідності та інших параметрів нагрівається зразка.

Приблизний температурний режим спікання паливних таблеток на основі діоксиду урану показаний на рис. 4.

З малюнка видно, що в максимумі залежності T {t) температура перевищує 2000 К.

Характерною особливістю таких процесів є превалювання радіаційного випромінювання над конвективной і кондуктивной формами теплообміну, якими в першому наближенні при оцінці параметрів НВЧ-нагрівача можна знехтувати. У цьому випадку граничну температуру Т зразка можна визначити з наступного виразу:

де Р – потужність генератора, η – коефіцієнт передачі СВЧ-потужності робочому тілу, σ – постійна Стефана-Больцмана, S – площа поверхні зразка, yeff – ефективний коефіцієнт відбиття потужності від стінок резонатора, який визначається як відношення потужності, відбитої від стінок резонатора і поглиненої тілом, до потужності радіаційного випромінювання.

Рис. 5. Залежності температури тіла від часу для сферичного (1) і циліндричного (2) резонаторів.

Величина yeff істотно залежить від конфігурацій і розмірів тіла, що нагрівається і резонатора, так як саме вони визначають кількість внутрішніх відображень випроміненого теплового променя, перш ніж він знову поглине тілом. У ряді випадків у ^ може бути помітно менше, ніж коефіцієнт відбиття внутрішніх стінок резонатора у. Для досягнення максимальної величини Т при заданих Р і η необхідна мінімізація твори А = (1 – -Yeff) S · Розрахунки з визначення оптимальних yeff для нагреваемого циліндра і у = 0,98, виконані з використанням методу Монте-Карло, показали наступне. Для резонатора циліндричної форми мінімум А відповідає yeff «0,926; для сферичного резонатора – yeff «0,973. В обох випадках к = 0,02, розміри тіла, що нагрівається і резонатора відповідали умові найменших значень площ поверхонь. У процесі моделювання покладалося, що випромінювання тіла, що нагрівається носить дифузний характер, а відображення від стінок резонатора – дзеркальний. Графіки температурних залежностей при Р = 5 кВт, η = 0,8 і V \ = 1СГ[1] м3 представлені на рис. 5.

Граничні значення температур для першого і другого варіантів відповідно становлять 2620 і 2040 К. Це свідчить про те, що нагрівальна система типу коаксіальних циліндрів істотно поступається по своїй ефективності системі, в якій резонатор має сферичну форму.

Суттєвою особливістю даного методу є те, що таблетки можна нагріти до – 2200 К в мідному резонаторі без використання конструктивних тугоплавких матеріалів.

Весь технологічний процес спікання паливних таблеток може бути успішно здійснено з використанням однлі багаторезонаторного СВЧ-нагрівача при відповідному виборі параметрів резонаторів, причому реалізація складних температурних залежностей процесу може досягатися шляхом вибору режиму роботи НВЧ-генераторів у формі керованого меандру.

Стосовно до топковим процесам це дозволяє локалізувати вплив в певній зоні, швидко змінювати фактори впливу при зміні умов горіння у зв’язку зі зміною характеристик палива. Підсумковим результатом СВЧ-впливу є підвищення ефективності процесу спалювання палива [6].

Крім того, перспективним напрямком використання СВЧ-енергії в теплоенергетиці може стати обробка палива перед його спалюванням. Наприклад, копалини вугілля, використовувані в традиційній енергетиці для харчування котельних установок теплових електростанцій, вимагають значних витрат додаткової енергії перед їх спалюванням. У разі факельного горіння палива потрібно його подрібнення до зерен розміром в десяті частки міліметра, для чого використовуються кульові млини, що володіють низьким ККД.

Подрібнення вугілля може бути здійснено за абсолютно новою технологією, якщо перед спалюванням їх попередньо нагрівати до температури приблизно 120 ° С в резонаторних робочих камерах. Тут процес подрібнення вугілля відбувається за рахунок швидкого закипання води, що входить до складу палива в кількості 12% від його маси, коли шматки вугілля розриваються тиском утворюється пара. Експериментальні дослідження діелектричної проникності копалин вугілля на частоті 2450 МГц (в «3,8 і tg δ« 0,08) підтвердили можливість передачі СВЧ-енергії паливу з ККД не менше 80% в резонаторних робочих камерах, заповнених вугіллям на 0,5-1% за об’ємом. Експериментальні дослідження НВЧ-подрібнення вугілля були виконані на циліндричних резонаторних робочих камерах з коливаннями типу Е0ю і ТИМ, причому в останньому випадку використовувався СВЧ- резонатор, укорочений на ємність з вугільним заповненням. Результати досліджень підтвердили перспективність впровадження НВЧ-подрібнення вугілля. Попередні оцінки показали, що продуктивність установки ~ 0,4 кг / с досягається при потужності СВЧ-живлення 50 кВт.

Таким чином, викладені вище відомості свідчать про перспективність використання НВЧ-коливань для вирішення великих енергетичних проблем.

Робота виконана за підтримки гранту 00-15-99028 в рамках програми ” Провідні наукові школи “.

Література

1.      Капіца П. Л. Електроніка великих потужностей. М .: Изд-во АН СРСР, 1962.

2.      Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. СВЧ-енергетика. М .: Наука, 2000. 262 с.

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

4.      Русанов В. Д., Фрідман А. А., Шолін Г. В. Фізика хімічно активної плазми з нерівновагим коливальним збудженням молекул // УФН. 1981. Т. 134, № 2. С. 185-233.

5.      Русанов В. Д., Евітан К, Бабаріцкій А. І. та ін. Ефект плазмового каталізу на прикладі дисоціації метану на водень і вуглець // ДАН. 1997. Т. 354, № 2. С. 213-215.

Покрас С. М., Колесніченко Ю. Ф., Куришев В. А., Васильєв К. Б. Про можливість використання НВЧ енергії для вирішення проблем, що виникають при спалюванні твердих палив // Радіофізика. М .: МРТІ, 1991. С.266-273.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.