Министерство образования и науки РФ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Факультет социальных наук
Кафедра философии
Реферат
«Развитие прикладных исследований по применению сверхвысокочастотного излучения (на примере пиролиза торфа)»
Выполнила: аспирантка 1 года обучения Крапивницкая Т.О. Проверила: к.ф.н., доц. Каржина Г.А.
Нижний Новгород 2017
Содержани
Введение 3
1. Применение микроволнового излучения в промышленности 5
2. Использование микроволнового излучения в химии 10
3. Развитие микроволновой химии как науки 13
4. Торф- возобновляемый природный биоресурс 15
5. Высокотемпературный СВЧ-пиролиз торфа 17
Список литературы 20
Введение 3
1. Применение микроволнового излучения в промышленности 5
2. Использование микроволнового излучения в химии 10
3. Развитие микроволновой химии как науки 12
4. Торф - возобновляемый природный биоресурс 14
5. Высокотемпературный СВЧ-пиролиз торфа 16
Список литературы 20
Введение
Микроволновым излучением называют диапазон частот, расположенный в спектре электромагнитных излучений между инфракрасными и радиочастотами, область частот 300 ГГц–300 МГц.
История применения микроволнового излучения и создания микроволновой техники и приборов началась с исследований радиоволнового диапазона и открытия явления радиолокации, которые, в свою очередь, берут начало с создания в 1895 г. А. С. Поповым первой системы радиосвязи.
Д
алее
последовало бурное развитие беспроводной
связи, значительная роль в котором
принадлежит итальянскому ученому и
предпринимателю Г. Маркони. Открытия
А. С. Попова и Г. Маркони (рис.1) еще не
вели к радиолокации, но подготовило
базу для дальнейших исследований в
области радиоволнового диапазона.
а б
Рис.1: а - Попов Александр Степанович (1859-1905 г.), б - Гульельмо Маркони (1874-1937 г.)
Развитие в 1920-е гг. науки вообще и радиотехники в частности создало определенные теоретические и практические предпосылки для разработки техники радиообнаружения кораблей и самолетов, создание которой неразрывно связано с именами советских физиков и инженеров.
Термин «магнетрон» ввел в науку американский физик A. Hull (рис.2), который в 1921 г. впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом режиме и предложил ряд его конструкций.
Рис.2 - Альберт Уоллес Халл (1880-1966 г.)
Однако первый патент на способ генерирования электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн получил в 1924 г. чехословацкий физик А. Жачек. В 1920-е гг. исследованием влияние магнитного поля на генерирование колебаний сверхвысокой частоты занимались ученые многих стран мира. Среди них Е. Хабан (Германия), К. Окабе и Х. Яги (Япония), И. Ранци (Италия) и другие.
В СССР разработкой магнетронов занимались ученые и инженеры А. А. Слуцкин, М. Т. Грехова, В. И. Калинин, Д. С. Штейнберг, М. А. Бонч-Бруевич, Н. Ф. Алексеев, Д. Е. Маляров, К. И. Крылов, В. П. Илясов, С. А. Зусмановский и многие другие.[1]
Применение микроволнового излучения в промышленности
Впервые микроволновый нагрев пищевых продуктов начали исследовать в 1950-е гг. в Институте пищевых технологий (Массачусетс, США). Патент на микроволновую печь был выдан в 1946 году. Первая в мире СВЧ-печь «Radarange» была выпущена в 1947 году фирмой Raytheon (Рис.3) и была предназначена не для приготовления пищи, а для быстрого размораживания продуктов и использовалась исключительно военными (в солдатских столовых и столовых военных госпиталей). Её высота была примерно равна человеческому росту, масса 340 кг, мощность — 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи. [10] В 1949 году началось их серийное производство. Стоила эта печь около $3000.
а б
Рис.3: а - Перси Лебарон Спенсер (1894-1970 г.), б – первая микроволновая печка.
Промышленное применение микроволнового нагрева в пищевой отрасли было освоено в 1960-х гг. Микроволновая обработка позволила значительно интенсифицировать технологические процессы производства пищевых продуктов, таких как сушка и досушивание, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и ряд других. Микроволновая обработка продуктов позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии в пищевой промышленности, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат на строительство предприятий, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.
Научные исследования по использованию микроволнового излучения с целью сокращения длительности термообработки показали эффективность использования энергии микроволн. Варьируя геометрией и напряженностью электрического поля, можно создать условия, при которых температура в центре изделия будет выше, чем на его поверхности. Достигаемый при этом объемный нагрев изделия позволяет значительно интенсифицировать процесс термообработки; повысить качество готовых изделий; уменьшить площадь, занимаемую нагревательными установками; повысить экономические показатели процесса; организовать и интенсифицировать технологические процессы; создать новые их виды, нереализуемые при использовании традиционных методов нагрева.
К настоящему времени в пищевой отрасли созданы установки периодического действия, конвейерные микроволновые установки, установки с комбинированным нагревом (вакуумные, конвективные, с инфракрасным нагревом и др.).
Необходимость высушивания древесины и пиломатериалов перед их дальнейшим использованием привела к созданию сушильных установок различного типа, и способ микроволновой сушки показал свою эффективность и в данном производстве. Сушка древесины заключается в удалении влаги путем испарения. Механические методы обезвоживания не применимы к древесине. Ротационное и ультразвуковое обезвоживание недостаточно снижают влажность древесины до уровня 42–48 %. Важным преимуществом микроволнового нагрева является возможность осуществления и практического применения избирательного, равномерного, сверхчистого,саморегулирующегося нагрева обрабатываемого материала.
Преимущества применения энергии микроволн для сушки древесины следующие:
– высокая концентрация энергии в единице объема при сравнительно малых значениях напряженности электрического поля и соответственно быстрый объемный нагрев объекта;
– высокая степень поглощения древесиной энергии поля (за счет влажности древесины);
– возможность с высокой скоростью подвести и выделить в единице объема древесины мощность, не доступную ни одному из традиционных способов подвода энергии;
– осуществление бесконтактного избирательного нагрева и получение требуемого распределения температур в древесине, в том числе в режиме саморегулирующегося нагрева;
– к.п.д. преобразования электромагнитной энергии в теплоту, выделяемую в объекте нагрева, близок к 100%; низкие потери энергии в подводящих трактах и рабочих камерах;
– диэлектрический нагрев позволяет создавать такие виды распределения источников теплоты в нагреваемых объектах, которые неосуществимы при обычном нагреве;
– возможность использовать в сушке древесины, заложенные природой механизмы транспорта больших объемов жидкости вдоль волокон. [2]
Микроволновое излучение представляет большие возможности для применения в горном деле. Можно выделить следующие перспективные направления использования энергии сверхвысоких частот:
– оттаивание мерзлых грунтов,
– разупрочнение и дробление пород, разделение руды на составляющие,
– полное извлечение металлов из отходов и шламов.
Использование энергии микроволн при разработке и применении новых методов разрушения горных пород избавляет от ряда проблем – дает
возможность снизить опасность горных работ, загрязнение окружающей среды, улучшить условия труда горняков. Технология СВЧ разрушения энергетически выгодна для пород, содержащих небольшое количество (10%) рудных минералов, когда нагревается один минерал без нагрева пустой породы и затрачивается небольшое количество энергии, в том числе и на последующих операциях измельчения и обогащения.
Особый интерес в последние годы вызывает использование микроволнового излучения в нефтяной отрасли промышленности по следующим направлениям:
– борьба с микробиологическим поражением нефти и нефтепродуктов;
– разделение нефтяных эмульсий;
– обеззараживание и утилизации отходов нефтяного производства.
Большой круг перспективных приложений связан также с воздействием СВЧ излучения на биологические объекты. Одной из актуальных проблем растениеводства и пищевой промышленности является выявление грибковых поражений зерновых культур. Перспективным подходом в решении данной задачи является микроволновая сушка зерна. Согласно результатам проведенных исследований [3] проведение подобной предпосевной подготовки увеличивает всхожесть семян на 10-12% и повышает урожайность на 20-30%. Технологии приведены в таблице 1.
Применение химических методов дезинсекции древесины в жилых строениях не экологично, поэтому высокую актуальность приобретают физических методы дезинсекции древесины. Использование в рамках данного приложения СВЧ-облучения позволяет эффективно уничтожать вредителей внутри древесины [4].
Достоинствами СВЧ дезинсекции являются:
простота управления;
безинвазивность, безвредность;
отсутствие химических остатков;
высокая экологичность и безопасность для окружающей среды;
высокая контролируемость процесса и возможность его автоматизации;
работа в широком диапазоне температурных условий;
безопасность оборудования и работ;
возможность обработки через различные диэлектрические материалы (штукатурка, кирпичная кладка, гипсокартон, обои, пластик, лак, краска, мебель, деревянные рамы, иконы, книги и др.
Таблица 1. Применение СВЧ для обработки зерна
Так же актуальной задачей является борьба с сорной растительностью и обеззараживание почвы при помощи СВЧ-комплексов. Эксперименты по обработке почвы показывают [5], что ростовыми процессами и всхожестью семян сорной растительности, плодородием почвы и урожаем культуры можно управлять с помощью импульсного микроволнового излучения, а биотропные параметры, характеризующие его пространственно-временную структуру, являются эффективными регуляторами этих процессов.