книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

Среди описанных применений легко обнаружить пробел — нет ни одного примера, в котором СВЧ-энергия применялась бы для уменьшения вязкости материалов. Это объясняется не отсутствием заинтересованности в таком применении, а определенными трудностями при использовании СВЧ-энергии, обусловленными проявле­ нием свойств материалов на СВЧ. Таким образом, следует тщательно оценивать каждое применение СВЧ-энергии по его достоинствам и использовать ее лишь там, где она позволяет получить какие-то преимущества (например, экономию времени, производственных площадей, энергии или возможность лучше выполнить работу или получить продукт с уникальными свойствами).

В нефтяной промышленности применение СВЧ-энер­ гии (пока без' успеха) рассматривалось в двух задачах:

1.Как можно увеличить скорости потока в устье скважин, которые дают вязкую нефть?

2.Как можно перекачивать вязкую нефть по назем­ ным трубопроводам, не увеличивая чрезмерно рас­

ходов на перекачку и не опасаясь застывания нефти в трубопроводе?

Если повышенная вязкость обусловлена наличием в нефти парафиновых или битумных компонент, то приме­ нение СВЧ-энергии позволило бы в большинстве.случаев сконцентрировать выделение тепла в более вязких ком­ понентах и тем самым повысить их температуру; при этом, конечно, вязкость этих компонентов уменьшилась бы и вся смесь стала бы более однородной. Такого рода свой­ ства СВЧ-энергии побудили по меньшей мере одну из ведущих нефтедобывающих фирм рассмотреть применение СВЧ-нагрева в глубине скважины с целью разработки нефтеносных слоев.

Добыча нефти на участках с высокой вязкостью — дело трудное и ненадежное, так как пористость нефтеносных слоев может резко уменьшаться притоком тяжелых фрак­ ций из прилегающих слоев. Эти фракции могут в конце концов просто закупорить поры в продуктивной зоне скважины. Нагрев электроэнергией, острым паром или сжиганием нагнетаемого природного газа (с учетом воз­ можных опасностей) позволяет на некоторый период времени в достаточной мере повысить температуру в про­

дуктивной зоне и восстановить производительность сква­ жины почти до ее начального уровня. Применение непре­ рывного нагрева электрическими нагревателями в не­ которых скважинах с очень вязкой нефтью действитель­ но привело к повышению производительности. Это повы­ шение объясняется, очевидно, увеличением эффективного диаметра продуктивной зоны при повышенной темпера­ туре, которое связано с уменьшением вязкости на некото­ ром расстоянии от устья скважины.

В описанной задаче представлялось естественным при­ бегнуть к методу СВЧ-нагрева. В результате проведен­ ной совместной разработки был создан инструмент для использования в обсаженных скважинах диаметром 15 см и глубиной до 1000 м. Выходная мощность СВЧ-устрой- ства составляла 15 кет при длине зоны облучения 4 м.

Как это часто бывает при проведении работ на стыке двух различных областей техники, опытный образец СВЧ-устройства для испытаний в скважине был подго­ товлен прежде, чем обнаружилось, что в большинстве скважин для укрепления применяются обсадные стальные трубы с отверстиями. Эти труТ>ы, разумеется, непроницае­ мы для СВЧ-энергии. В такой ситуации можно было пой­ ти по двум разным направлениям: либо подготовить до­ рогостоящую замену стальных обсадных труб пластмас­ совыми (которые были бы прозрачны для СВЧ-энергии), либо использовать отверстия в металлических трубах так, чтобы они стали частью антенной системы. Однако получить средства на продолжение работ не удалось.

На основе приобретенного опыта при дальнейших применениях СВЧ-энергии в нефтяных скважинах нужно учитывать следующие рекомендации:

1) конструкцию облучателя необходимо координиро­ вать с перфорацией в обсадных трубах или даже соответст­ вующим образом изменить эту перфорацию;

2) облучатель следует возбуждать синхронизирован­ ными источниками мощности, сфазированными так, чтобы максимальная напряженность поля получалась на опти­ мальном расстоянии от устья скважины и чтобы тем самым достигался максимальный эффективный диаметр продук­ тивнойзоны;

3)поскольку всего лишь 10% общего числа скважин

вСША имеет диаметр 15 см, нужно постараться уменьшить диаметр СВЧ-блока до 6,5 см, что расширит возможную

область применений.

С учетом этих рекомендаций использование СВЧ-

энергии для нагрева продуктивной зоны скважины может оказаться эффективным.

Из-за высокой вязкости сырой нефти ее перекачка по трубопроводам на поверхности земли также оказывается проблемой. Кроме того, при более низких давлениях на поверхности некоторые компоненты просто замерзают. На глубинах скважин обычно существуют давления в не­ сколько атмосфер и поэтому температуры замерзания там ниже. Таким образом, часто бывает необходимо про­ греть трубопровод. Почему бы не воспользоваться для этих целей СВЧ-энергией, которую можно было бы посы­ лать по трубопроводам как по волноводу и которая селек­ тивно подогревала бы области потока, содержащие вязкие компоненты? Авторам ничего не известно о каких-либо экс­ периментах в этой области, но, по их мнению, возмож­ ность образования местных перегревов будет серьезным препятствием при реализации попыток, подобных опи­ санной ниже.

Если использовать обычное последовательное воз­ буждение через~боковой отросток трубопровода, то эффект в левой и правой ветвях трубопровода будет различным. В ветви, где распространение энергии от точки возбужде­ ния идет в направлении потока, будет поглощаться боль­ шая часть энергии, но энергия с удалением от точки воз­ буждения ослабляется из-за потерь, и поэтому возникает тенденция к поддержанию постоянной температуры вдоль трубы или постоянных тепловых потерь. Однако в ветви, где энергия направлена навстречу потоку, более нагретая среда приближается к точке возбуждения и поэтому не только получает возможность поглощать большую долю проходящей энергии, но и оказывается в зоне, где полное затухание меньше. В результате такого процесса в луч­ шем случае образуются чередующиеся горячие и холод­ ные области, а в худшем могут возникнуть паровые проб­ ки, блокирующие систему.

Относительные коэффициенты потерь растворителей

Если же для возбуждения использовать направлен­ ные устройства связи, которые направят энергию только по потоку, то перегрева из-за движения энергии навстре­ чу потоку не будет. Следовательно, СВЧ-нагрев можно -будет использовать для уменьшения вязкости потока в трубопроводе.

У т в е р ж д е н и е 2. Растворители можно испа­ рить из носителей.

Скорость выпаривания будет зависеть от потерь в но­ сителе и растворителе. Ниже для справок приводится таблица относительных значений коэффициента потерь различных растворителей на каждой из трех основных частот, отведенных для промышленного применения СВЧ. Таблица составлена в предположении, что потери в носи­ теле без растворителя отсутствуют или очень малы. По­ скольку результаты подобных измерений коэффициента потерь часто зависят от размеров образца, отнесенных к

.длине волны, данные в таблице нельзя считать точными, а рассматривать их лишь как некоторое приближение.

Следствие А. При проведении процессов выпаривания

можно с выгодой комбинировать различные источники энергии.

Для проведения любого процесса выпаривания к по­ верхности, с которой происходит испарение, необходимо подвести энергию, равную теплоте парообразования. Про­ цессы выпаривания с поверхности тонких пленок или порошков на ленте конвейера можно эффективно и на­ дежно проводить, ограничившись только одним видом подводимой энергии — энергией СВЧ, которая позво­ ляет легко управлять процессом. Если тело, из которого производится выпаривание, имеет большие размеры, то •СВЧ-энергию следует использовать для повышения тем­ пературы внутри тела относительно температуры на по­ верхности, благодаря чему диффузия растворителя к по­ верхности становится максимальной. В то же время дру­ гие средства нагрева целесообразно использовать для под­ ведения к поверхности тела большей части теплоты паро­ образования. Такими средствами нагрева могут быть го­ рячий воздух, пар или инфракрасное облучение, а также специально введенные поверхностные добавки. Выбор «средств нагрева и их вклада в общий энергетический ба­

ланс будет определяться: 1) опасностями, сопровождаю­ щими применение того или иного источника энергии; 2) трудностями, связанными с тем, что температура внутри нагреваемого тела может превысить допустимый уровень, если нарушен правильный тепловой баланс; 3) необходи­ мостью получить максимальную производительность при полностью сбалансированном потреблении энергии и

4)экономическими факторами.

У т в е р ж д е н и е 3. Под действием СВЧ-иагрева

происходит сглаживание распределения влаги (раство­ рителя) в нагреваемой среде.

Это утверждение справедливо, если тангенс угла по­ терь сложной среды определяется в основном свойствами растворителя. Но на практике существует много случаев, когда оно будет верно только частично. Так, например, в процессе сушки скорость испарения может меняться

взависимости от количества и вида солей, растворенных

вводе. На графике (фиг. 1) приведены кривые, получен­ ные в работе [3] при добавках в воду соли, однако анало­

гичное действие оказывает и добавка соляной кислоты в де­ натурированный спирт. Согласно этим кривым, тепловой

.поток будет пропорционален локальной концентрации растворителя до тех пор, пока вследствие испарения элек­ тросопротивление не уменьшится до величины 1 мом-см,

после чего выравнивание распределения влаги прекра­ щается. К сожалению, эти данные не охватывают доста­ точно широкой области изменения концентрации, чтобы •обнаружить последующее возрастание скорости выпари­ вания (после стадии прекращения выравнивания) при таких больших электропроводностях, при которых потери не возникают; в этих случаях растворы некоторых кон­ центраций приводят к лучшему выравниванию, следствием чего является возможность снижения мощности генера­ тора. Дальнейшее испарение практически отсутствует.

Следствие Б. В каждом применении возможно как

.выравнивание, так и подчеркивание неравномерного рас­ пределения влаги в зависимости от особенностей носителя и растворителя.

Тщательное проведение лабораторных измерений при •ожидаемых рабочих скоростях потока и температурах позволяет добиться успеха при конструировании системы.

Очевидно, что для устойчивой работы тангенс угла потерь должен иметь отрицательный температурный коэффициент.

Ф и г. 1. Возрастание температуры на трех частотах в зави­ симости от электропроводности раствора.

Р вих = 100 вт\ Т ■= 60 сек; образец 10 мл\ раствор ИаС1 в Н*0.

У т в е р ж д е н и е 4. Правильно сконструирован­ ный облучатель — необходимое условие успешного при­ менения СВЧ.

Хорошей иллюстрацией этому утверждению является случай СВЧ-нагрева вязких потоков в трубопроводах, описанный в утверждении 1. В этом случае неудовлетво­ рительных и даже потенциально опасных результатов можно избежать при использовании правильно сконструи­ рованного облучателя.

Для обработки каких-либо сооружений рекомендуется использовать большой рупорный облучатель, так как он обеспечит равномерное облучение достаточно большой поверхности, а глубина обработки будет зависеть только от потерь в данном материале. При обработке тонких стен или стен с ограниченной поглощательной способностью размещение металлического листа или экрана на расстоянии 7 4 длины волны от противоположной поверхности стены обеспечит защиту от облучения и позволит получить более равномерный нагрев стены, чем если бы экран на­ ходился непосредственно на поверхности стены.

В установке для разрушения бетона поле должно быть локализовано, чтобы получить максимальные тепловые нагрузки на каждый киловатт мощности; поэтому в уста­ новке, которая была описана в одной из статей этого раз­ дела, используются рупоры малых размеров.

Для проведения процессов полимеризации и процессов сушки лесопродуктов (дерева, фанеры, фанеры с покры­ тием, бумаги или пленки) применяют установки с волноводными линиями, имеющими форму «меандра». Эти ли­ нии должны быть хорошо сбалансированы, чтобы подво­ димая тепловая энергия усреднялась по длине установки.

Было показано, что для рабочих камер СВЧ-установок на данной частоте существует ряд оптимальных размеров, при которых достигается большая равномерность нагре­ ва и при которых допустимо изменение импеданса нагруз­ ки в более широких пределах без значительного измене­ ния теплового распределения. Равномерность нагрева может зависеть от положения устройства связи между генератором и камерой, так как коэффициенты связи с различными видами колебаний зависят от положения возбуждающего элемента. Описаны экспериментальные методы, которые оказались полезными для достижения равномерного распределения. Рассмотрены конструкции герметичных дверок и необходимость ослабителей на входах и выходах конвейерных установок. Назначение ослабителей — не допустить излучения в окружающую среду энергии на основной или паразитных частотах.

Следствие В. В некоторых применениях имеет значе­

ние выбор рабочей частоты.

Как было показано, глубина проникновения СВЧэнергии зависит от содержания влаги. Для процесса сушки фанеры частота 915 Мгц предпочтительна при

влажности до 30%, но для процесса сушки шпона твер­ дых пород, который затем идет на изготовление фанеры, лучше использовать частоту 2450 М гц. В каждом случае

выбор частоты производится с позиций получения макси­ мального высушивания по всему объему тела. Таким об­ разом, для нагрева более толстых материалов лучше использовать меньшую частоту.

У т в е р ж д е н и е 5. Эффективное использование СВЧ-энергии — требование к конструкции оборудования.

Основные преимущества, которые дает использование СВЧ-энергии и которые выражаются экономическими по­ казателями или улучшением управляемости процесса, рассматриваются в соответствующих разделах. Эффектив­ ность использования СВЧ-энергии определяется именно этими аспектами вопроса. Наиболее эффективно СВЧэнергия используется в системах с резонансными камера­ ми, так как в них излучение, отражаясь от стенок, много­ кратно проходит через нагреваемый объект до тех пор, пока не будет полностью поглощено. Достаточно эффектив­ но могут также работать описанные выше конвейерные установки с резонансными камерами, особенно если их длина велика по сравнению с поперечным размером рабо­ чей зоны СВЧ-нагрева. Объясняется это тем, что любое уменьшение к. п. д. обусловлено поглощением энергии на входном и выходном концах установок. Следующее место по эффективности использования СВЧ-энергии занимают облучатели ближнего поля, обычно выполняемые на ос­ нове меандровых волноводов [51. Но эти устройства эффек­ тивны в сравнительно узкой области изменения рабочих условий, и, кроме того> их применение ограничено нагре­ вом поверхностных слоев или тонких пленок.

Как было показано, эффективность использования СВЧ-энергии в некоторых процессах обработки лесопродуктов превышает 300%. Такие высокие значения эффек­ тивностей достигаются благодаря тому, что СВЧ-энергия поступает непосредственно в области с повышенной кон­ центрацией влаги и не тратится на повышение темпера­ туры других частей обрабатываемого объекта. Было от­ мечено также, что, когда эффективность использования СВЧ-энергии превышает 100%, повышается качество из­ делия, а его обработка занимает меньше времени. Так, например, прочность пиломатериалов, подвергнутых СВЧ-обработке, оказалась почти на 10% выше, чем таких же материалов, обработанных по обычной более медлен­ ной технологии. И, конечно, СВЧ-сушка шпона, идущего на изготовление фанеры, позволяла уменьшить коробле­ ние, выравнивание распределения влаги при СВЧ-сушке давало более высокую прочность фанеры после склейки.

Следствие Г При конструировании СВЧ-оборудова-

ния следует учитывать и такие факторы, как экономия

производственных площадей, времени обработки и (или) расходуемых материалов.

Установки непосредственного оболучения типа тех, которые использовались для разрушения бетона или для борьбы с паразитами, обладают наименьшей эффектив­ ностью, .так как в этом случае СВЧ-энергия проходит через рабочую зону только один раз, а затем поглощается или излучается. Тем не менее применение таких устано­ вок оправдано экономией времени и трудовых затрат.

У т в е р ж д е н и е 6. Стоимость 1 кет СВЧ-энергии

будет непрерывно снижаться по мере увеличения полной установленной мощности и по мере увеличения мощности отдельных установок.

Расширение применения СВЧ-энергии создает новые возможности увеличения производительности или объема выпускаемой продукции. Несмотря на то что изготови­ тели СВЧ-оборудования, работая по военным заказам, могут получать прибыль даже при обычно высокой стои­ мости разработки электровакуумных приборов СВЧ, со­ временная практика установления цен при закупках ста­ вит их в более трудные условия.. По мере расширения использования СВЧ-энергии ее стоимость станет лишь примерно вдвое больше стоимости энергии переменного тока с учетом затрат на амортизацию оборудования и стоимость замены электровакуумных приборов. При этом стоимость приборов и оборудования, отнесенная к 1 квт-Чу будет снижаться с-увеличением мощности уста­

новок.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. О' М е а г а ,1., Рго§ге55 герог! оп пп’сго\уауе с1гут&, Ргос. 291Ь Апп. СопГ. ЕхЫЬМ РоЫо СЫр 1пэ1. 1п1егп., Ьаз Уе^аз, №уас1а,. РеЪгиагу 1966.

2.М1Сго\уауе сооктд си!з 1аЬог соз!з т ЬаИ, ВгоИег 1п<1., 29, рр. 5862 (Лапиагу 1966).