Использование свч технологий при ремонте и строительстве дорог

Современные тенденции развития технологических процессов термообработки материалов направлены на использование в качестве источника тепла энергии микроволнового излучения.

Использование микроволнового излучения для производства материалов позволяет улучшить технические характеристики обрабатываемых материалов за счёт объёмного и равномерного характера нагрева (повысить прочность и долговечность), а также поднять на более высокий уровень показатели самих технологических процессов, характеризующихся экологической чистотой, отсутствием тепловой инерции и высоким коэффициентом полезного действия.

В МИЭМ НИУ ВШЭ работы по научному направлению «Микроволновые технологии термообработки материалов» начались с 1992 года и ведутся по настоящее время.

По научному направлению опубликовано: 112 статей, из них 64 статьи в рецензируемых журналах ВАК, получено 27 патентов РФ на изобретение, 1 монография, 1 учебное пособие и 9 учебно-методических работ.

С 2002 года по настоящее время по научному направлению защищено 7 диссертаций (1- на соискание ученой степени доктора технических наук и 6 — диссертаций на соискание учёной степени кандидата технических наук).

ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ РЕМОНТА ДОРОГ

По научному направлению коллективом МИЭМ НИУ ВШЭ выполнено 30 научно-исследовательских и опытно – конструкторских работ.

Решением Президиума Российской Академией Естествознания была зарегистрирована научная школа: «Микроволновые технологии термообработки материалов». Сертификат № 00849. В книге «Российские научные школы», которая ежегодно переиздаётся Российской Академией Естествознания подробно описаны достижения нашей школы.

Научный коллектив МИЭМ НИУ ВШЭ активно занимается применением СВЧ энергии в народном хозяйстве с 1992 года. Научные исследования в этой области начались с того, что был проведён подробный анализ процесса внедрения СВЧ — установок как за рубежом, так и в России, а также проведена оценка их стоимости.

Выяснили, что микроволновые установки в США, Англии, Канаде, Германии и Франции изготавливают на основе одного или нескольких источников СВЧ — энергии, мощностью от 25 до 50 кВт. Такие установки отличаются рядом существенных недостатков: они имеют значительные размеры и большой вес, требуют специального водяного охлаждения (вода должна обладать определённым качеством) и средств защиты магнетронов от отраженной мощности (ферритовые циркуляторы). Равномерность нагрева материалов реализовать в таких установках сложно из-за трудностей подводки микроволновой энергии от одного или нескольких мощных источников к различным участкам обрабатываемого материала. Кроме того, выход одного источника из строя приводит к остановке всего технологического процесса. В этих условиях стоимость установленной СВЧ — мощности на технологической установке оценивается по зарубежным публикациям 2500-3000 долларов США за 1 кВт.

В России, для промышленных целей, использовались также мощные источники СВЧ — энергии от 25 до 50 кВт. Оценки стоимости на тот же период времени установленного 1 кВт СВЧ- мощности на технологической установке также лежало в пределах 2200-2500 долларов США.

НЕВЕРОЯТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ДОРОГ

Вывод, который был нами сделан, состоял в том, что для активного внедрения микроволновых установок необходимо снизить стоимость установленной микроволновой мощности на установке до 500 — 600 долларов США за 1 кВт (в 5 раз).

Для этого нами была выбрана концепция, которая состояла в том, что микроволновая установка снабжается малогабаритными источниками СВЧ – энергии (0,5 — 0,8) кВт, которые обладают небольшим весом до 10 кг с воздушным охлаждением, не требующим защиты от отраженной мощности и обеспечивает равномерность нагрева обрабатываемого материала за счёт возможности их размещения в определённом порядке по отношению к форме и размерам обрабатываемого материала и технологический процесс не останавливается при выходе одного из источников из строя.

Такой источник СВЧ — энергии был разработан нами на базе зарубежных комплектующих, и имел вес около 10 кг, максимальное значение выходной мощности 0,8 кВт и волноводный вывод энергии 72х34 мм на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

Это решение позволило нам завоевать определенные позиции, как на внутреннем, так и на внешнем рынке до 1998 года, поскольку ниша применения микроволновых установок с точки зрения конкурентной способности именно в этом плане оставалась открытой.

Я в своём докладе остановлюсь лишь на некоторых направлениях деятельности нашей научной школы.

1. Сушка древесины. Первая серия микроволновых установок по сушке штабеля древесины была внедрена в России (Тюменская область – 7 установок, в Казани -2, в городе Видное -1) за рубежом (США – 9 установок и Канада – 1 установка). Общий вид установки представлен на фотографии.

Установка имеет по 15 источников СВЧ — энергии с каждой стороны, что обеспечивает равномерность нагрева по площади штабеля, а экспоненциальный спад мощности с двух сторон по ширине штабеля обеспечивал её равномерный нагрев с учетом изменения влажности. Установка по сушке дуба окупала себя за 1 квартал. Качество, например, сушки заготовок из клёна для виолончелей на фабрике музыкальных инструментов «Лира» была подвержена лабораторным испытаниям и была признана самой высококачественной (отсутствие трещин и внутренних напряжений).

Микроволновые установки для сушки штабеля древесины в Тюмени (слева) и в Канаде (справа)

2. Обеззараживание грунтов под рассаду. Одна из установок была использована в одном из тепличных хозяйств для обеззараживания грунтов под рассаду. (по инициативе Бородина – ректора с/х академии). Ящики с грунтом под рассаду нагревались до 70ºС. Это дало очень высокий экономический эффект по сравнению с использованием шатрового метода (прогрев паром), а также высокое качество, а именно, отсутствие засоления почвы и других неприятностей к которым приводили традиционные способы.

Аналогичная микроволновая установка использована для обеззараживания ящиков с грунтом под рассаду, которые устанавливались вместо штабеля древесины

3. Ферментация и размораживание кип табака. Вторая серия установок была разработана в конвейерном режиме для ферментации и размораживания кип табака. Размер окна был сделан под кипу табака и составлял 600 х 400 мм. На проходной камере расположено 12 источников СВЧ энергии, как это показано на фотографии.

Разработаны специальная конструкция шлюзов, расположенные с каждой стороны рабочей камеры для защиты обслуживающего персонала и на которые получено два патента. Установки работали на Погарской табачной фабрике, и две установки (несколько позже были проданы на Украину). Это внедрение дало 10% прибыль предприятию.

Принципиальная схема микроволновой установки для ферментации табака

4. Производство теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла с различными наполнителями методом вспучивания. Мощность установок 28 — 32 кВт. Первая установка была сделана и эксплуатировалась в городе Орске (Орский завод легких металлоконструкций), фото установки. На камере располагалось в определённом порядке источники СВЧ — энергии. Их много (40 штук на одной камере).

Этот процесс управляем, чем сильнее темп нагрева, тем больше поры и меньше удельная плотность получаемого материала. Этот материал толщиной 10 см использовался, в частности, для утепления киосков и коттеджей.

Получение таких материалов методом вспучивания другими традиционными способами, например, с помощью автоклавов требует больших энергетических затрат.

Вторая установка конвейерного типа была сделана под Тулой (строительная фирма: “Этна”) для производства пожаропрочного материала и в качестве наполнителя использовался вермикулит (слюда). Кроме того, для данного материала была изготовлена и установка камерного типа.

Микроволновая установка в г. Орск по производству теплоизоляционного материала

5. Ускоренное твердение пенобетона. Была разработана установка, которая эксплуатировалась на 17 ЖБИ. Форма имела размеры 400х2000х2000см. на крышке установлено 20 источников СВЧ энергии. Внедрение такой установки подтвердило высокий экономический эффект. Разброс температурного поля при нагреве до 40ºС составил не более 4ºС. Для ускорения процесса твердения пенобетонной смеси, её температура поднималась до (70÷80)°С при использовании в качестве источника тепла энергии микроволнового излучения, что позволило отказаться от использования дорогостоящих зарубежных добавок для ускорения твердения пенобетонов, которые приводят к ухудшению их прочностных характеристик из-за повышения кислотности

Фото для научных экспериментов.

Экспериментальные микроволновые установки по ускоренной тепловлажностной обработке бетона

6. Установки для обеззараживания хлопьев Геркулеса с целью продвижения продукции на зарубежный рынок. Город Подольск. Установка представлена на фото, 50 кг хлопьев Геркулеса засыпалось в два поддона и в течении нескольких минут нагревались до температуры + 120ºС. При этом вся болезненная микрофлора, как показали лабораторные исследования, — погибала.

Разброс температурного поля составил 7ºС. Получен сертификат на продажу продукции за рубеж.

Микроволновая установка для обеззараживания хлопьев «Геркулес»

7. На фото представлена микроволновая установка для сушки мясных продуктов в качестве лакомств для собак. Производительность установки составляет 200 кг в сутки по сушке легких, а неравномерность нагрева при рабочей температуре 55ºС не более 5 ºС. Установка расположена под городом Долгопруный. Фирма ТИТБИТ. Одновременно происходит обеззараживание продуктов.

Микроволновая установка для производства лакомств для собак

8. Установки для регенерации (ремонта) кровельного покрытия. На фото показан общий вид микроволновой установки. Технология ремонта кровельного покрытия была такова: нагревался бетон и расплавлял старое рубероидно — битумное покрытие, и новый материал для ремонта кровли практически не требовался. СВЧ — установка поднималась в разобранном виде на крышу и там собиралась.

Общий вес источников СВЧ энергии составлял около 100 кг и вся установка весила -150 кг. Мощность СВЧ — установки составляла 8 кВт. Частота колебаний электромагнитного поля во всех разработках 2450 МГц. Расположение источников и выбор высоты обеспечивал равномерность нагрева покрытия по площади. Установка эксплуатировалась в Подмосковье (район Мытищи, 2 сезона).

Микроволновая установка для регенерации рубероидно-битумных покрытий

9. Микроволновая установка для ремонта асфальта-бетонного дорожного покрытия. “Федеральная служба испытаний и экспертизы США рекомендовала к испытанию новую ресурсосберегающую экологически чистую, низкотемпературную микроволновую технологию 100% восстановления старого асфальтобетонного покрытия непосредственно на дороге, позволяющую сэкономить до 50% денежных средств, обычно направляемых на восстановления покрытия”. Суть процесса состояла в том, что сначала асфальт размягчался, то есть происходила регенерация асфальтового покрытия под действием СВЧ — энергии, затем собирался в бункер, где ещё более нагревался, немного добавлялось нового материала – 5% и асфальт заново укладывался на дорогу.

К сожалению, нам была предоставлена возможность создать СВЧ установку для ремонта трещин асфальтобетонных дорог по заказу одной из дорожных фирм «Эмка» по рекомендации Московского комитета по науке, и технологиям. Конструкция представляла собой раструб, в который входило 16 волноводов и на каждый волновод работал источник микроволновой энергии. Плотность СВЧ энергии составляла 240 кВт/м 2 . Общий вид изделия представлен в виде тележки и общий вес СВЧ — установки составлял порядка 180 кг. В серию такие установки не пошли, так как рабочим платят не за качество ремонта, а за погонные метры и её эксплуатировали в аварийных ситуациях на правительственных трассах. Производительность такой установки 1 метр в минуту.

Микроволновая установка и излучающий раструб для ремонта трещин асфальтобетонных покрытий

10. Регенерация сажевых фильтров дизельных двигателей и установок. Эта работа проводилась совместно с ЭКО НАМИ на экспериментальной установке с тракторным двигателем. Фильтр имел объем 1 кубический дм, а мощность от источника подавалась через волновод в низкодобротный резонатор.

При наполнении фильтром определенным количеством сажевых частиц срабатывал датчик противодавления и включался источник СВЧ — энергии. Температура сажи быстро (за несколько десятков секунд) повышалась до температуры — 700ºС и сгорала. Фильтр делается из радиопрозрачного материала и нагревается только сажа. При этом сжигалось до 95% сажи. Система очень экономична и перспективна.

Была сделана эскизная проработка такой системы для автобуса «Икарус».

Выяснилось, что в зависимости от размеров частиц сажи иногда выгодно использовать вместо резонаторов двумерно-периодические замедляющие системы, так как с их помощью проще создать высокую напряженность электрического поля и проверить концепцию “спички”. Однако дальнейшие работы были заморожены ввиду обвала доллара в 98 году.

Схема микроволновой установки на базе двумерно-периодических замедляющих систем для очистки сажевых фильтров

11. Было проведено серийное производство установок (более 10 установок) для ускоренной полимеризации стоматологических протезов с использованием СВЧ — энергии «Дента». Цель – сократить время, более полный процесс полимеризации, чтобы не было мономеров. На сегодняшний день микроволновая технология изготовления съёмных протезов уже внедрена. Доказано, что ее применение позволяет улучшить физико-механические и санитарно-химические характеристики базисных акриловых пластмасс. Фотографии не сохранилось, возможно есть в сети интернет

12. В настоящее время ведутся работы по созданию технологических процессов полимеризации стержневых материалов в которых разброс температур не должен превышать 10ºС при нагреве от 180ºС до 200ºС. В этих работах предложены новые модели, методы расчёта и идеология построения самих СВЧ — устройств. Это сочетание волноводных и замедляющих систем, технические решения, которые связаны и электродинамикой и требует дополнительного или специального семинара.

В настоящее время проводятся экспериментальные исследования отработки технологических процессов полимеризации арматуры из стеклопластика на заводе в городе Ступино «ООО Стеклопластиков». При этом используются в качестве нагревательных элементов волноводы прямоугольного поперечного сечения на основном типе волны Н10. Используются два варианта конструкции в виде меандрового волновода и традиционного.

Процесс полимеризации изделий из стеклопластика происходит мгновенно по всему объёму, так как отклонение температуры в материале от номинального значения не превышает 8% при нагреве материала до температуры 180°С. Предполагается, что при использовании микроволновой технологии прочность изделий из стеклопластиковой арматуры увеличивается за счёт полноты реакции полимеризации (пока не доказано в виду ограниченного числа экспериментов).

На фото показаны электродинамические системы в виде традиционного волновода и волновода в виде меандра, а также СВЧ — установка в сборе.

Общий вид электродинамических систем волноводного типа для полимеризации арматуры из стеклопластика и микроволновая установка для полимеризации арматуры из стеклопластика на заводе «ООО Стеклопластиков»

13. В лаборатории проведены экспериментальные исследования по плавлению базальта. Данные по технологическому процессу плавления базальта (масса и объём образца базальта, время нагрева до конечной температуры, мощность источника СВЧ — энергии, частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц) позволили определить энергетические затраты, приведённые к весу нагреваемого образца базальта, которые составили 0,8кВт∙час/кг. Следует отметить, что лучшие зарубежные электродуговые печи имеют энергетические затраты 7,08 кВт∙час/кг. Использование микроволнового излучения позволяет сократить затраты энергии практически на порядок.

14. Проведена высокоэффективная сушка утеплителя в виде картона из базальтового волокна толщиной 24 мм с использованием микроволнового излучения. Показано, что энергетические затраты уменьшаются на 45% по сравнению с сушкой утеплителя по традиционной технологии и повышается качество получаемого материала.

15. Использование энергии микроволнового излучения позволяет осуществить эффективное уничтожение насекомых без нанесения вреда обрабатываемому материалу. Экспериментальные исследования по обеззараживанию шерстяных одеял проведены при температуре 50°С, на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 MГц в камере лучевого типа в течение 5 минут при мощности излучения 4,8 кВт.

Микроволновая установка для обеззараживания шерстяных изделий

Эксперименты подтвердили гибель насекомых и микроорганизмов 100%, что было подтверждено проведением специальных лабораторных исследований по соответствующим Гостам.

16. Разработано экспериментальное оборудование для научных исследований

17. В настоящее время мы практически готовы к новому прорыву на рынок, так как разработали новый источник СВЧ — энергии, который весит 5 кг и в два раза меньше по габаритам, при выходной мощности 0,8 кВт имеет КПД от сети 67%. Это позволит существенно уменьшить вес СВЧ — установок повысить их энергетическую эффективность. Энергетическая эффективность обеспечивается меньшей энергией, затрачиваемой от сети и более плавной системой управления выходной мощности СВЧ — источников.

Инверторный блок питания (вес блока питания — 200 г.)

Теория

В результате научных исследований разработаны методы формирования равномерного распределения температуры в обрабатываемых материалах (метод взаимодополняющих температурных полей):

• разработаны новые методы построения микроволновых устройств, которые позволяют реализовать равномерное распределение температуры по объёму обрабатываемых композиционных материалов за счёт суперпозиции излучений от различных типов антенн;

• предложены новые модели и методы расчёта распределения температуры в материалах с учётом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры;
• разработана новая концепция построения микроволновых устройств с поперечным взаимодействием для формирования равномерного распределения температуры в листовых материалах в режиме бегущей волны;

Концепция построения микроволновых устройств термообработки диэлектрических материалов в режиме бегущей волны, которая по имеющимся научным публикациям приводит к минимальному разбросу температурного поля в материале, основана на трех основных принципах:

1. Микроволновое устройство состоит из одинаковых по конструкции и параметров микроволновых секций, в которых энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно-противоположных направлениях и перпендикулярно направлению движения обрабатываемого материала.
2. Секция микроволнового устройства состоит из источника микроволновой энергии, электродинамической системы и согласованной водяной нагрузки с датчиком контроля проходящей мощности.
3. Принцип суперпозиции температурных полей в материале от каждой секции в отдельности.

Такое построение микроволновых устройств используется в режиме бегущей волны для различных конструкций электродинамических систем.

Устройство микроволнового нагрева, состоящее из двух секций прямоугольного волновода: 1 – источник микроволновой энергии; 2 – водяная нагрузка; 3 – прямоугольный волновод; 4 – обрабатываемый листовой материал

Теоретические ( сплошные линии) и экспериментальные (точки) характеристики распределения температурного поля в диэлектрическом материале от каждой секции (1 и 2) в отдельности и суммарное (3)

• разработан метод построения микроволновых устройств с продольным взаимодействием для равномерного распределения температуры в материалах в виде стержней и труб.

Принципиальная конструкция СВЧ устройства для термообработки диэлектрических стержней. 1 – источник СВЧ энергии, 2 – согласованная нагрузка,3 – круглый волновод, 4 – диафрагмированный волновод, 5 –диэлектрический стержень,l1=100 мм, l2=40 мм, l1 – длина круглого волновода, l2 – длина диафрагмированного волновода, v – скорость движения стержня

Рассчитанные (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температурного поля по поперечному сечению диэлектрического стержня для стационарного режима.

• разработка модели и метода расчета СВЧ устройств лучевого типа, в которых используют в качестве нагревательных элементов – излучающие антенны, как в виде раскрыва прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны H10, так и в виде специальных форм излучающих щелей, прорезанных в середине широкой стенки волноводов;

• разработка методов формирования равномерного распределения температуры в материалах с различными диэлектрическими потерями в СВЧ устройствах, использующих в качестве нагревательных элементов электродинамические системы с переменными параметрами (волноводного типа, одномерно и двумерно – периодические замедляющие системы) в направлении распространения бегущей волны;

Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей, метода эквивалентных схем, а также программ математического моделирования (Ansoft HFSS и программы расчета электромагнитного поля излучения в СВЧ камере лучевого типа с произвольным числом источников СВЧ энергии).

Метод построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа для реализации заданного распределения температуры в объемных материалах

Источник: miem.hse.ru

Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием свч энергии

Изобретение относится к оборудованию для строительства автомобильных дорог и применяется при приготовлении горячей асфальтобетонной смеси. Цель изобретения сохранение качества битума, снижение энергозатрат, улучшение экологии производства. Установка обезвоживания битума, содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, дополнительно снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5 — 10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25 — 30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для строительства автомобильных дорог и может быть использовано для приготовления горячей асфальтобетонной смеси.

Известен битумоплавильный агрегат непрерывного действия Д-506 [1], предназначенный для выпаривания влаги из битума. Он состоит из котла, оборудованного жаровыми трубами, двумя насосами для выпаривания влаги из битума и пароотделителя. Недостатками данного агрегата являются:

— обезвоживание осуществляется при высокой температуре и протекает достаточно длительное время;

— теплоносителем для обезвоживания битума, поступающего из битумохранилища с температурой от 80С до 90С в теплообменник, является также битум, предварительно обезвоженный и нагретый в собственно котле до температуры от 200С до 220С;

— наличие в агрегате жаровых труб с температурой поверхности, достигающей от 500С до 600С, что приводит к сильному перегреву битума, потере его основных свойств и его коксованию;

— наличие испарительной камеры с лотками, где битум с высокой температурой при многократной циркуляции протекает тонким слоем, что приводит к его окислению.

Вышеприведенные недостатки создают при обезвоживании условия для активного выделения из битума легких фракций (масел), перехода смолы в асфальтены, что существенно ухудшает его качество, а также значительно ухудшает экологическую обстановку вблизи агрегата.

Следует отметить, что в настоящее время на большинстве асфальтобетонных заводов (АБЗ) распространен более простой технологический прием обезвоживания битума, заключающийся в том, что установка обезвоживания представляет собой котел (технологическую емкость от 10 т до 30 т), на дне которого установлен электрический нагреватель с открытой спиралью мощностью от 30 кВт до 70 кВт. В котел заливается обводненный битум. Процесс обезвоживания осуществляется при температуре от 140С до 170С, длительность обезвоживания зависит от процентного содержания влаги, объема битума, мощности нагревателя и продолжается от 2 до 3 суток. Это объясняется сложностью выделения паров из нижних слоев битума в котле.

Данной установке присущи все вышеперечисленные для [1] недостатки при значительном увеличении длительности обезвоживания. Хотя поверхностный окислительный процесс проявляется слабее.

Известна безкотловая установка нагрева и обезвоживания битума [2]. Установка содержит приемный бак, лотки с электронагревателями с одинаковым углом наклона и расходную емкость. Битум, нагретый от 80С до 85С, из битумохранилища закачивается в приемный бак. Из бака битум самотеком попадает на лотки, протекая по которым омывает поверхности обезвоживается и стекает в расходную емкость. Данная установка имеет следующие недостатки:

— выпаривание производится при высокой температуре (от 140С до 200С);

— данная установка обезвоживает битум при его обводнении не более 1,5% и при повышенной обводненности битума необходима многократная циркуляция;

— при выпаривании влаги в тонком слое битума на лотках, нагретых до высокой температуры, происходит активное его окисление.

Установка [2] не получила применения на практике из-за низкой эффективности и существенного снижения качества битума за счет его окисления при высокой температуре.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для разогрева и обезвоживания битума лоткового типа [3]. Оно состоит из последовательно соединенных: приемного бака, крана, входного патрубка битума, регулятора потока битума, испарительной камеры в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости и выходного патрубка битума.

Снизу лотка, под его дном, а также над лотком, на несущем каркасе установки, расположены электрические излучатели, заключенные в теплоизоляционную обшивку. Двигатель с редуктором и эксцентриком позволяет регулировать величину наклона лотка. Слой материала на лотке регулируется автоматически за счет величины открытия крана.

Удаление паров воды происходит через щель, образованную боковинами лотка и неподвижной обшивкой. Верхние излучатели непосредственно облучают поверхность, проникают внутрь материала, нагревают его и находящуюся в нем влагу, нижние излучатели облучают поверхность лотка, через которую тепловая энергия передается нижнему слою вещества, расположенному на нем. При заполнении материалом всего сечения лотка термодатчиком фиксируется температура. При достижении установленной температуры автоматически открывается выпускной затвор и материал направляется потребителю.

Очевидно, что прототипу предлагаемой установки [3] присущи те же основные недостатки, что и аналогу [2]:

— обезвоживание производится при высокой температуре (от 140С до 200С), так как при низкой температуре (от 100С до 110С) процесс обезвоживания становится слишком длительным;

— при выпаривании влаги в тонком слое битума на лотке, нагретом до высокой температуры, происходит активное его окисление.

При современной технологии приготовления горячей асфальтобетонной смеси обезвоженный битум хранится и используется по мере необходимости при той же рабочей температуре от 140С до 150С. Этот процесс иногда бывает длительным. Однако известно, что битум при температуре 150С может храниться не более 5 часов, а при снижении температуры хранения до 100С-110С время его хранения практически не ограничено [4].

Поэтому для сохранения качества битума следует производить процесс его обезвоживания и дальнейшего хранения до момента приготовления асфальтобетонной смеси при температуре от 100С до 110С.

Целью изобретения является создание низкотемпературной установки обезвоживания битума, позволяющей получать высококачественный обезвоженный битум при снижении энергозатрат на обезвоживание и улучшении экологии производства.

Поставленная цель достигается тем, что известная установка обезвоживания битума [3], содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, дополнительно снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5-10, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25-30 и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка. Количество прямоугольных лотков в предлагаемой установке и количество нагревательных элементов над днищем лотка равно четырем.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемой низкотемпературной установке обезвоживания битума с использованием СВЧ-энергии процесс обезвоживания происходит в несколько этапов. На первом этапе осуществляется интенсивное преобразование в пар водяной фазы битума, нагретого до температуры от 100С до 110С, протекающего тонким слоем по наклонному лотку с малым углом наклона к горизонтальной плоскости, под воздействием СВЧ-энергии, которая поглощается водяной фазой битума и нагревает ее от 200С до 250С и при этом мало нагревает битум, так как битум имеет низкую диэлектрическую проницаемость и малое значение тангенса угла потерь. В разогретых пузырьках создается избыточное давление и они активно выталкиваются из густой массы вязкого битума.

На втором этапе обезвоживания осуществляется уменьшение толщины слоя битума, протекающего по наклонному лотку с большим углом наклона к горизонтальной плоскости и обтекающего выступающие электронагревательные элементы, которые нагреваются без перегрева до температуры, не дающей налипание битума. Это достигается подбором длины нихромового провода электронагревательных элементов. На этапе протекания тонкого слоя битума на своем пути он сталкивается с электронагревательными элементами и, перетекая их трубчатую конструкцию, активирует процесс выхода пузырьков перегретого водяного пара, которые не успели выйти на предыдущем этапе обезвоживания. Первый и второй этап обезвоживания повторяются столько раз, сколько пар лотков содержит установка.

Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием СВЧ-энергии (далее “установка”) на чертеже содержит приемный бак 1, кран 2, входной патрубок битума 3, регулятор потока битума 4, первый лоток 5, испарительную камеру 6, первый четный дополнительный лоток 7, последний нечетный дополнительный лоток 8, последний дополнительный лоток 9, СВЧ-генераторы 10, электронагревательные элементы 11, дополнительные регуляторы потока битума 12, выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром 13, выходной патрубок битума, выполненный с СВЧ-затвором 14, входной патрубок горячего воздуха 15, калорифер 16.

Из приемного бака 1 разогретый от 100С до 110С обводненный битум через кран 2, входной патрубок битума 3, регулятор потока битума 4 и через нижнюю входную часть первого лотка 5 поступает в испарительную камеру 6.

Регулятор потока битума 4, выполненный в виде заслонки, закрепленной на оси с возможностью фиксации в различных положениях, равномерно распределяет слой битума по первому лотку 5 испарительной камеры 6 и его помощью осуществляется регулировка производительности установки путем изменения величины зазора, через который поступает битум. Испарительная камера 6 состоит из 4 лотков: первого лотка 5, первого четного дополнительного лотка 7, последнего нечетного дополнительного лотка 8, последнего дополнительного лотка 9. Число лотков в данном случае выбрано равным четырем, хотя может быть и больше, в зависимости от производительности и обводненности битума.

Все лотки испарительной камеры 5 в поперечном сечении имеют прямоугольное сечение, а их геометрические размеры выбраны с учетом рабочей частоты СВЧ-генераторов и режимов бегущей волны создаваемого в СВЧ-генераторе, чем обеспечивается хорошее согласование и полное взаимодействие СВЧ-поля с помещенным в него материалом. На первом лотке 5 испарительной камеры 6, имеющем радиопрозрачное дно, битум нагревается СВЧ-генератором 10.

Так как битум незначительно поглощает СВЧ-энергию из-за своих диэлектрических свойств, то большая часть энергии поглощается находящейся в нем водой, что обеспечивает быстрый нагрев воды и паровых пузырьков без значительного нагрева битума. В результате по всей толщине битума образуется множество паровых пузырьков с высоким давлением пара и температурой в них, равной от 200С до 250С.

Для максимального использования СВЧ-энергии в зоне СВЧ-генератора 10 с помощью регулятора потока битума 4 и малого угла наклона первого лотка 5 искусственно поддерживается толщина слоя битума от 30 до 50 мм. Битум из первого лотка 5 через дополнительный регулятор потока битума 12 поступает на первый четный дополнительный лоток 7, где благодаря большому наклону (от 25 до 30) скорость потока битума резко возрастает, а толщина слоя битума уменьшается.

Над днищем этого лотка установлены четыре электронагревательных элемента 11 равномерно распределенных по длине лотка, нагрев которых исключает налипание битума к ним. В местах обтекания потоком битума разогретых электронагревательных элементов 11 происходит поверхностное растекание верхнего слоя битума и интенсивное перемешивание слоев, что резко активизирует выход пара, который встречным потоком горячего воздуха через верхнюю выходную часть первого лотка 5 и выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром 13 удаляется из установки. Благодаря кратковременному нахождению битума в активной зоне электронагревательных элементов 11 на первом четном дополнительном лотке 7 не происходит ухудшения параметров битума из-за его окисления. На последнем нечетном дополнительном лотке 8 и последнем дополнительном лотке 9 процесс обезвоживания битума повторяется.

Обезвоженный битум через нижнюю выходную часть последнего дополнительного лотка 9 и выходной патрубок битума, выполненного с СВЧ-затвором 14, подается на выход установки. СВЧ-затвор выполнен в виде сотового запредельного волновода в соответствии с [5].

Через входной патрубок горячего воздуха 15 и верхнюю входную часть последнего дополнительного лотка 9 в испарительную камеру 6 подается горячий воздух от калорифера 16, который обеспечивает температуру от 120С до 150С, необходимую для выноса испаряемой влаги. В выходной патрубок горячего воздуха для исключения попадания частиц (выхлопов) битума в воздушный поток установлен воздушный фильтр лабиринтной конструкции.

Противоточное движение горячего воздуха в установке позволяет интенсифицировать удаление влаги, а также компенсировать внешние тепловые потери нагретого потока битума.

При промышленном применении установка располагается перед резервным или рабочим котлом на АБЗ. Битум в приемный бак 1 закачивается насосом из битумохранилища при температуре от 100С до 110С и в дальнейшем процесс обезвоживания осуществляется по ранее описанной схеме.

Практическая промышленная применимость установки не вызывает затруднений. Все элементы конструкции установки смонтированы на раме, выполненной из стальных уголков, трубок и закрытых защитным кожухом из листовой стали (не показаны), детали испарительной камеры (лотки, элементы соединения, опорные стойки) выбираются из условия обеспечения механической прочности с учетом массы битума. Биологическая защита установки достигается защитными кожухами и закрытой конструкцией.

В качестве СВЧ-генераторов используется 8 магнетронов M152-II [6] с блоками питания, широко используемых в бытовых СВЧ-печах, мощностью 700 ватт каждый. Конструктивно электронагревательный элемент 11 представляет собой трубчатый корпус, расположенный в потоке протекающего битума, с размещенным в корпусе между изоляторами, закрепленными на концах и вынесенными за пределы лотка, нагревательным элементом с коммутационной платой для их электропитания.

К калориферу, СВЧ-генераторам и электронагревательным элементам подводится промышленная трехфазная электросеть напряжением 380 В 50 Гц.

Эксплуатация установки позволит:

— сохранять качество битума при его обезвоживании за счет снижения температуры нагрева от 100С до 110С и сокращения времени подготовки;

— снизить энергетические затраты;

— улучшить экологию на АБЗ за счет меньшего выделения токсических газов из битума при его подготовке.

1. Е.Н.Дубровин и др. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975, 351 с., стр. 105.

2. Е.Н.Дубровин и др. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975, 351 с., стр. 106, рис.33.

3. О.В.Монастырский. Автоматизация разогрева битума и мастик в строительстве. М.: Стройиздат, 1966 г., стр. 55-57.

4. В.Д.Портягин. Особенности подготовки и приготовления асфальтобетонных смесей. Учебное пособие. Министерство автомобильных дорог. М., 1988, стр. 5.

5. А.А.Метрикин. Антенны и волноводы РРЛ. М.: Связь, 1977 г., стр. 72.

6. Технические условия на M-152-II АБУК.433160.019ТУ.

1. Установка обезвоживания битума, содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, отличающаяся тем, что она снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5-10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25-30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что количество прямоугольных лотков равно четырем.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что количество нагревательных элементов над днищем лотка равно четырем.

Источник: findpatent.ru

Энергосберегающая технология ремонта асфальтобетонных покрытий с применением СВЧ-устройства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АСФАЛЬТОБЕТОН / ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА / СВЧ-ЭНЕРГИЯ / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ЖЕСТКИЙ ЭКРАН / ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОЙ ШЛЕЙФ / МАГНЕТРОН / ASPHALT CONCRETE / ELECTROMAGNETIC WAVE / ANTENNA / FEEDER / MATHEMATICAL MODEL / HARD SHIELD / QUARTER-WAVE STUB / MAGNETRON

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Зеленцов Виктор Иванович, Базуев Виктор Павлович, Веник Владимир Николаевич, Базилевич Александр Леонидович, Савельков Илья Владимирович

В статье приведены достоинства применения энергии сверхвысоких частот для разогрева асфальтобетонных покрытий при их ремонте, предложена новая энергосберегающая технология ремонта с применением СВЧ-устройства с теоретическим обоснованием ее энергоэффективности и безопасности воздействия на окружающую среду.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Зеленцов Виктор Иванович, Базуев Виктор Павлович, Веник Владимир Николаевич, Базилевич Александр Леонидович, Савельков Илья Владимирович

ANTENNA-FEEDER DEVICE OF LOW-POWER MICROWAVE INSTALLATION FOR BITUMINOUS ASPHALT CONCRETE PAVEMENT REPAIRING

The paper presents the advantages of microwave frequency energy application to heat the asphalt pavements at their repairing. The shortcomings of the existing antenna-feeder devices used for transmission of microwave energy to an asphalt pavement were analyzed. A new device of antenna-feeder system with the theoretical basis of its energy efficiency and environmental safety has been designed.

Текст научной работы на тему «Энергосберегающая технология ремонта асфальтобетонных покрытий с применением СВЧ-устройства»

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЧ-УСТРОЙСТВА

В статье приведены достоинства применения энергии сверхвысоких частот для разогрева асфальтобетонных покрытий при их ремонте, предложена новая энергосберегающая технология ремонта с применением СВЧ-устройства с теоретическим обоснованием ее энергоэффективности и безопасности воздействия на окружающую среду.

Ключевые слова: асфальтобетон; электромагнитная волна; СВЧ-энергия; математическая модель; жесткий экран; четвертьволновой шлейф; магнетрон.

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

ANTENNA-FEEDER DEVICE OF LOW-POWER MICROWAVE INSTALLATION FOR BITUMINOUS ASPHALT CONCRETE PAVEMENT REPAIRING

The paper presents the advantages of microwave frequency energy application to heat the asphalt pavements at their repairing. The shortcomings of the existing antenna-feeder devices used for transmission of microwave energy to an asphalt pavement were analyzed. A new device of antenna-feeder system with the theoretical basis of its energy efficiency and environmental safety has been designed.

Keywords: asphalt concrete; electromagnetic wave; antenna; feeder; mathematical model; hard shield; quarter-wave stub; magnetron.

При ремонте асфальтобетонных покрытий разогрев асфальтобетона производят отжигателями (лучистая энергия) и разогревателями, принцип действия которых основан на воздействии инфракрасного теплового излучения на покрытие и медленном прогреве его за счет теплопроводности материала. Такой режим разогрева связан с резким повышением температуры на поверхности покрытия, что приводит к выгоранию битума, значительному ухудшению свойств асфальтобетона и выделению токсических веществ.

Эффективность разогрева на всю необходимую толщину асфальтобетона определяет качество ремонта асфальтобетонного покрытия и затраты при его производстве. Сверхвысокочастотные (СВЧ)-разогреватели равномерно нагревают асфальтобетонное покрытие во всем объеме материала, попадающем в зону нагрева. Так как битум имеет малые диэлектрические потери на рабочей частоте СВЧ-ус-тановки, основной нагрев происходит в минеральном каркасе асфальтобетона, который в свою очередь отдает тепло вяжущему. Благодаря безынерционности теплового действия СВЧ-разогревателей температуру асфальтобетонных покрытий можно доводить до оптимальной величины с большой точностью во всем объеме разогреваемого материала.

Основными достоинствами технологии нагрева асфальтобетона источниками СВЧ-энергии являются:

— безынерционность преобразования энергии электромагнитных волн в тепловую энергию;

— избирательный нагрев компонентов в зависимости от тангенса угла потерь составляющих;

— проникновение электромагнитных волн на большую глубину асфальтобитумного покрытия и объемное превращение их энергии в тепловую энергию по всей глубине;

— исключение перегрева и ускоренного старения битума;

— энергетическая эффективность за счет высокого темпа нагрева и уменьшения потерь на излучение от нагреваемого асфальтобетонного материала.

Использование СВЧ-разогревателя для разогрева асфальтобетонных покрытий позволит эффективно и качественно решать вопросы по ремонту дефектов покрытия (выбоин, просадок, отдельных трещин и сетки трещин) на ав-

томобильных дорогах, мостах, путепроводах, а также проводить разогрев кромок покрытия рабочих швов в процессе укладки слоев асфальтобетонных покрытий. Нагрев осуществляется с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона, поэтому при работе со СВЧ-установками одна из проблем состоит в экранизации зоны нагрева таким образом, чтобы уровень паразитного излучения, которому может подвергнуться обслуживающий персонал, соответствовал санитарным нормам. Решение этой задачи является предметом данной статьи.

В настоящее время предложены некоторые решения проблемы минимизации уровня паразитного электромагнитного излучения при нагреве дорожного полотна с использованием СВЧ-энергии. В общем случае СВЧ-разогре-ватель состоит из последовательно соединенных СВЧ-генератора, линии передачи и излучателя СВЧ-энергии. В техническом решении [1] предложено ввести в устройство дополнительно также последовательно соединенные приемную антенну, детектор и индикатор, служащие для определения амплитуды СВЧ-волны, отраженной от поверхности дорожного полотна. Измерительная цепь устройства позволяет, как утверждает автор, минимизировать отражение от поверхности дорожного полотна вплоть до нулевой амплитуды, если с ее помощью сделать угол наклона оси излучателя к поверхности дорожного покрытия равным углу Брюстера.

Действительно, при падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости происходит ее разделение на отраженную и преломленную волны. В нашем случае средой, из которой падает электромагнитная волна, является воздух, коэффициент преломления для него равен 1. Асфальтобетонное покрытие имеет коэффициент преломления п2 > 1. Закон Брюстера устанавливает соотношение между углом падения ф естественного (неполяризованного) света на границу разделения сред, при котором отраженный от поверхности свет становится полностью поляризованным, и коэффициентом преломления п2. При этом угле отражения, называемом углом Брюстера, от поверхности отражается компонента Es, у которой вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения световой (электромагнитной) волны. Компонента Eф, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения электромагнитной волны, не отражается и полностью преломляется в среду с показателем преломления п2 под углом г. Это происходит при условии

В соответствии с законами оптики коэффициент преломления п связан с углами отражения ф преломления г соотношением: 81п(ф)/81п(г) = п. Уравнение (1) можно записать в виде 8т(ф)/со8(ф) = п. Отсюда следует: со8(ф) = 8ш(г) или ф + г = 90°.

Таким образом, в соответствии с [1], если на асфальтобетонное покрытие направить линейно-поляризованную электромагнитную волну, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения волны на покрытие, под углом Брюстера к этой поверхности, то амплитуда отраженной волны будет равна нулю. Однако имеется несколько практических аспектов, мешающих реализации этой теоретической схемы.

Во-первых, закон Брюстера не соблюдается строго. При отражении от поверхности падающего на нее под углом Брюстера линейно-поляризованной электромагнитной волны отраженная волна не является линейно-поляризованной, но имеет эллиптическую поляризацию. Это означает, что амплитуда отраженной компоненты, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения, не равна нулю. Физически это объясняется тем, что переход между средами с показателями преломления п и п2 происходит быстрым непрерывным изменением, соизмеримым с длиной волны, а не скачком.

Во-вторых, реальные излучатели (если говорить более правильно — антенны, поскольку в соответствии с принципом взаимности они одинаково успешно могут и излучать, и принимать электромагнитные волны) имеют диаграмму направленности, отражающую то обстоятельство, что излучение из антенны происходит в некотором телесном угле. Диаграмма направленности имеет смысл как установившаяся радиофизическая характеристика только для так называемой дальней зоны излучения, т. е. для области пространства, удаленной от антенны на расстояние D > 10L, где L — наибольшее измерение апертуры антенны.

На расстояниях от антенны меньше D происходит интерференция парциальных волн, излучаемых антенной, и распределение поля имеет более объемный характер. Но даже если использовать для рассмотрения отражений от асфальтобетонного покрытия диаграмму направленности, излучение из антенны нельзя характеризовать как электромагнитную волну, распространяющуюся в одном направлении.

Скорее это набор парциальных волн различной интенсивности, распространяющихся под разными углами относительно главной оси диаграммы направленности. Поэтому при выполнении условия равенства угла падения углу Брюстера для парциальной волны, распространяющейся в направлении главной оси диаграммы направленности, это условие не будет выполняться для остальных парциальных волн. Таким образом, подстройкой угла наклона излучающей антенны к поверхности асфальтобетонного покрытия нельзя добиться отсутствия отражения от него СВЧ-мощности, можно только минимизировать отражение в направлении измерительной антенны, позиционированной под определенным углом. Это не решает проблемы обеспечения уровня паразитного излучения, соответствующего санитарным нормам РФ.

Понимание этого обстоятельства явилось причиной того, что в развитие технического решения [1] было предложено введение дополнительных экранирующих устройств. В устройство для разогрева оснований и покрытий [2] помимо СВЧ-генераторов, линий передачи и излучателей СВЧ-энергии, расположенных на подвижной тележке, введен дополнительно СВЧ-металлический экран в виде жестких бортов платформы, высота которых меньше высоты платформы, закрепленных на нижней поверхности платформы между колесами тележки. Кроме этого, введен гибкий экран, выполненный в виде металлических цепей или усов, одними концами прикрепленных к кромке бортов жесткого экрана, другими концами касающихся нагреваемой поверхности, причем расстояние между цепями и усами много меньше длины волны СВЧ-генераторов.

Предлагаемая конструкция экрана призвана создать замкнутое с точки зрения распространения СВЧ-волн пространство, за пределы которого не из-

лучалась бы СВЧ-мощность. Однако щели между цепями и усами, хотя расстояние между ними много меньше длины волны СВЧ-колебаний, являются источниками возбуждения паразитных волн в случае, если вектор электрического поля падающей на гибкий экран СВЧ-волны не будет совпадать с направлением цепей или усов. Для надежного экранирования гибкий экран должен иметь сеточную структуру, которая обеспечивает протекание экранирующих токов во всех направлениях, подобно тому, как это сделано в окнах СВЧ (микроволновых)-печей. Кроме того, паразитные потоки СВЧ-мощности будут проходить через асфальтобетонное покрытие в точках соприкосновения цепей и усов с этим покрытием за счет дифракции СВЧ-волн на их концах. Таким образом, гибкий экран, создаваемый цепями и усами, не обеспечивает необходимого ослабления паразитного СВЧ-излучения из зоны нагрева асфальтобетонного покрытия.

Для надежного запирания СВЧ-мощности предлагается новое техническое решение, где на краях жесткого экрана используются четвертьволновые шлейфовые системы. Конструкция такой системы показана на рис. 1. На краю жесткого экрана формируется изгиб проводящей поверхности таким образом, чтобы образовывалась полосковая линия, оканчивающаяся закорачивающей стенкой на расстоянии четверти длины волны от ее входа.

Жесткий экран г / Шлейф

Рис. 1. Жесткий экран с четвертьволновым шлейфом

Для пояснения работы такой структуры рассмотрим распространение волны через последовательный тройник, которым является, по сути, предложенная структура в области четвертьволнового шлейфа, используя формализм матрицы рассеяния [3]. В этом формализме любая пассивная волноводная структура описывается матрицей рассеяния |$|. Вектор амплитуд исходящих

(рассеянных) от структуры волн Щ определяется произведением матрицы

рассеяния |£| и вектора амплитуд падающих на структуру волн |а|:

Схема последовательного тройника и обозначение волн в этом тройнике показаны на рис. 2. Будем считать, что волна Ъ3, прошедшая в плечо 3, излучается в пространство без отражения. Тогда последовательный тройник нужно считать согласованным со стороны плеча 3, и амплитуда волны, падающей на тройник из этого плеча, всегда будет равна нулю: а3 = 0. Для последовательного тройника матрица рассеяния имеет вид [3]:

Рис. 2. Принципиальная схема волноводного тройника

Тогда в соответствии с выражением (2) амплитуды рассеянных волн будут складываться из амплитуд падающих волн следующим образом:

Ь3 =(72/2 )(а1 — а2 ). (4)

Проанализируем переходной процесс в таком тройнике с момента включения СВЧ-генераторов для прогрева дорожного покрытия. Будем считать, что в этот момент и далее амплитуда падающей на тройник волны из плеча 1, т. е. с области прогрева дорожного покрытия, равна 1. Амплитуда волны а2 в этот момент, естественно, равна 0, и напомним, что амплитуда

волны а3 всегда равна 0. Тогда в соответствии с выражениями (4) амплитуды рассеянных волн в момент времени ? = 0 будут равны:

Ьх(0) = 1/2, Ь2(0) =1/2, Ьз(0) = 42/2 .

Далее будем отслеживать изменение амплитуд рассеянных волн итерационным образом через период времени т, равный времени пробега волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно до места разветвления. При рабочей длине волны 12 см длина этого пробега составит половину длины волны, т. е. 6 см, и время пробега составит величину, равную 2-10-10 с. Тогда в момент времени I = т амплитуда волны, падающей на тройник из плеча 1, по-прежнему будет равна 1, а амплитуда волны, падающей из четвертьволнового шлейфа, будет равна 1/2. Значение амплитуды волны, падающей на тройник из шлейфа, определяется выражением а2(п) = Ь2(п — 1)е(ф + п) = Ь2(п — 1), где п — номер итерации; ф — фазовый набег при прохождении волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно; п — изменение фазы волны при отражении от закорачивающей стенки. Поскольку фазовый набег ф = п, суммарное изменение фазы волны в шлейфе будет равно 2п, и волны а(п) и а2(п) будут иметь одинаковый знак. Таким образом, после одного оборота волны по шлейфу амплитуды падающих волн будут иметь следующие значения:

Соответственно, согласно выражениям (3), амплитуды рассеянных волн будут равны:

Ьх(1) = 3/4, Ь2(1) = 3/4, Ьз(1) = >/2/4.

На следующей итерации в момент времени ? = 2т амплитуды падающих волн будут равны: ах(2) = 1, а2(2) = 3/4, и амплитуды рассеянных волн, соответственно, равны: Ь1(2) = 7/8, Ь2(2) = 7/8, Ь3(2) = 42 / 8.

Еще через интервал времени, равный т, на четвертой итерации амплитуды волн примут значения: а1(3) = 1, а2(3) = 7/8, Ь1(3) = 15/16, Ь2(3) = 15/16,

Сравнивая амплитуды волны Ь3, выходящей из тройниковой структуры в плечо 3 и далее в окружающее пространство, можно видеть, что с каждой

итерацией модуль амплитуды уменьшается по закону Ь3(п) = 42 / 2п+, где п -номер итерации. Отсюда следует, что уже на десятой итерации, т. е. через 2 наносекунды после включения СВЧ-генераторов, амплитуда волны, уходящей из тройника в плечо 3, будет меньше амплитуды волны в пространстве нагрева в 1000 раз, а еще через две наносекунды — в миллион раз.

Таким образом, в предложенной структуре СВЧ-волна а1, распространяющаяся по волноводу (полосковой линии), образованному жестким экраном, с одной стороны, и асфальтобетонным покрытием, с другой стороны, в месте пересечения с четвертьволновым шлейфом делится на две части (волны), одна из которых распространяется далее по волноводу «жесткий экран -асфальтобетонное покрытие», а другая — по четвертьволновому шлейфу. По-

сле оборота волны в четвертьволновом шлейфе волны в тройнике интерферируют, в результате чего волна на выходе плеча 3 уменьшается. Это уменьшение происходит в геометрической прогрессии с каждым последующим оборотом волны в четвертьволновом шлейфе, стремясь к нулю в наносекундном масштабе времени. Таким образом, структура с четвертьволновым шлейфом обеспечивает надежную изоляцию окружающей среды от СВЧ-поля в пространстве нагрева дорожного полотна.

Схема волноводного тройника, образованного жестким экраном, четвертьволновым шлейфом и дорожным покрытием, а также обозначения падающих на тройник и рассеянных от него СВЧ-волн приведены для объяснения работы предлагаемого устройства на рис. 2.

Функциональная схема предлагаемого устройства для нагрева дорожного полотна, состоящая из блока питания СВЧ-генераторов 1, СВЧ-генерато-ра 2, линий передачи СВЧ-мощности 3, излучателей СВЧ-энергии 4, жесткого экрана над пространством нагрева дорожного полотна 5, системы четвертьволновых шлейфов 6, асфальтобетонного покрытия 7, приведена рис. 3.

Общий вид на жесткий экран с четвертьволновыми шлейфами по его периметру и расположенными над ним СВЧ-генераторами, линиями передачи и излучателями СВЧ-мощности приведен на рис. 4.

Рис. 3. Функциональная схема предлагаемогоРис. 4. Блок магнетронов с антенно-фидерным устройства для нагрева дорожного по- устройством

Блок питания 1 должен обеспечивать автоматическую регулировку уровня выходной мощности СВЧ-генераторов за счет петли обратной связи и аварийное выключение генерации СВЧ-мощности при превышении уровня паразитного излучения выше значения, допустимого санитарными нормами Российской Федерации.

СВЧ-генераторы 2 могут быть выполнены на основе любого типа приборов, преобразующих постоянный ток в СВЧ-колебания.

Линии передачи 3 могут быть выполнены коаксиальными или волноводными и обеспечивать полную изоляцию передаваемой СВЧ-мощности.

Излучатели СВЧ-энергии 4 могут быть выполнены в виде рупорных антенн. Жесткий экран 5 выполнен из материала с проводящим слоем, включает выходные окна излучателей и соединен с ними электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ-волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал экрана.

Система четвертьволновых шлейфов 6 выполнена также из материала с проводящим слоем и соединена с жестким экраном также электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ-волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал четвертьволновых шлейфов.

Устройство разогрева дорожного полотна работает следующим образом. Устройство доставляют на место ремонта дорожного полотна и устанавливают над ремонтируемым участком с предварительно насыпанным слоем асфальто-битумной смеси.

С помощью пульта управления включают блок питания 1, который подает питание на СВЧ-генераторы 2. Генерируемая ими СВЧ-мощность по линиям передачи 3 поступает в излучатели 4 и направляется на ремонтируемое дорожное покрытие с имеющейся на нем свежей асфальтобитумной смесью. Частично отраженная от покрытия СВЧ-мощность направляется жестким экраном 5 вновь на дорожное покрытие. Расположенная по периметру жесткого экрана система четвертьволновых шлейфов 6 за счет интерференции волн эффективно запирает СВЧ-мощность в пространстве нагрева дорожного полотна и не позволяет СВЧ-волнам распространяться в окружающее пространство. При достижении дорожным покрытием температуры, предписанной регламентом ремонта дорожного покрытия, СВЧ-генера-торы 2 выключаются, и устройство перемещается к следующему участку ремонтируемого дорожного покрытия.

Разработана энергосберегающая технология ремонта асфальтобетонного покрытия с применением нового устройства для передачи СВЧ-энергии от магнетронов для разогрева покрытия при его ремонте, что позволяет обеспечить высокое качество его разогрева с минимальными энергетическими затратами и обеспечить безопасное воздействие на окружающую среду.

1. Валеев, Г.Г. Пат. 2093635. Российская Федерация. Заявка на изобретение 96103188/03 / Г.Г. Валеев ; опубл.

20.10.1997 ; публикация 27.01.1998.

2. Валеев, Г.Г. Заявка на изобретение 96103187/03 от 16.02.1996 / Г.Г. Валеев, Ю.В. Карпенко, В.Н. Нефедов ; публикация 27.01.1998.

3. Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ / И.В. Лебедев. — М. : Высшая школа, 1970.

Источник: cyberleninka.ru