Термообработка угольного слоя СВЧ-энергией: аналитическое исследование в условиях теплосброса II и III рода

Abstract

Актуальность работы связана с необходимостью научного обоснования параметров технологии СВЧ-воздействия на уголь, прежде всего, в процессах сушки, термической подготовки, интенсификации горения и др. Как показывают эксперименты, применение микроволнового излучения позволяет снизить выброс вредных веществ при сжигании угля, повысить энергоэффективность, уменьшить технологическое время и т. д. Для получения оптимальных режимов СВЧ-обработки весьма востребованным является поиск теоретических подходов. В частности, инженерная практика требует аналитических решений по термообработке угольных массивов, что и было выполнено в данной работе. Цель работы: построение строгих аналитических решений задач нагрева угольного слоя микроволновым излучением в условиях теплосброса II и III рода, позволяющих провести параметрический анализ СВЧ-воздействия, а также найти наивыгоднейшие режимы нагрева угольного слоя. Методы исследования. Задачи нагрева угольного слоя микроволновым излучением с граничными условиями II и III рода были поставлены с рядом упрощений, таких как постоянство теплофизических и электрофизических свойств материала, их изотропность, одномерность. При воздействии СВЧ происходит объемное поглощение тепла с появлением объемных источников тепла, которые в данной задаче моделировались по закону Бугера. В ходе решения была найдена новая зависимая переменная, трансформирующая граничные условия в однородные и упрощающая поиск самого решения. В результате основная система уравнений была разбита на две подсистемы, а итоговое решение было найдено методом суперпозиции решений этих двух подзадач. Результаты. Найдены аналитически строгие зависимости распределения температуры по сечению и времени для угольного слоя, нагреваемого микроволновым излучением, в условиях несимметричного теплоотвода II и III рода по граничным поверхностям. Приведенные решения являются основой для получения оптимальных параметров технологии СВЧ-нагрева, инструментом для уменьшения разброса температурного поля от требуемого распределения температуры внутри слоя. С их помощью оперативно определяются: значение и координата максимальной температуры внутри угольного массива, терморазрушающие напряжения, предельные значения сбрасываемых тепловых потоков и др.

Relevance of the research is related to the necessity of scientific study of microwave exposure technology parameters for coal, especially when drying, at thermal treatment, burning intensification and others. Experiments show that use of microwave radiation help reduce harmful emissions from coal burning, increase energy efficiency, reduce process time, etc. For optimal conditions of microwave treatment it is very popular to search for theoretical approaches, in particular, the engineering practice requires analytical solutions for heat treatment of coal array, which was done in the study. The aim of the research is to develop strict analytic solutions of the problems of coal layer heating by microwave radiation under the heat removal of the II and III order, which allow carrying out the parametric analysis of microwave exposure and searching for the most advantageous modes of heating coal layer. Methods. The tasks of coal bed heating by microwave radiation with boundary conditions of the II and III order were set with a number of simplifications, such as persistence of thermal and electrical properties of the material, they are isotropy, one-dimensionality. This physical process itself is plane electromagnetic wave energy absorption and formation of heat sources in coal array, modeled on the Bouguer law. The energy equation in the form of Fourier in this case is considered independently of the Maxwell equations of electrodynamics. A new dependent variable was determined. It modifies the boundary conditions into homogeneous, and simplifies the search of solutions. As a result, the basic system of equations is divided into two subsystems, and the final solution was found making a superposition of these two sub-tasks. Results. The authors have found analytically strong dependences of temperature distribution over the cross section and time for carbon bed heated by microwave radiation, under heat removal of II and III order of boundary surfaces. These solutions are the basis for optimum parameters of microwave heating technology, a tool to reduce the spread of temperature field on the desired temperature distribution within the layer. They help determine quickly: maximum temperature inside a coal array, coordinates of its location, thermos-destructive voltage, limits of discharged heat fluxes and other.