Тепловой расчет СВЧ-устройств для обработки углеводородсодержащих отходов

полем колебаний молекул технологической среды, что значительно интенсифицирует энергообмен, исключая теплопередачу через стенку и объем вещества, обеспечивая высокий КПД использования энергии. При этом наличие механических включений не является препятствием для проведения процесса переработки такого вида отходов [2].

Используя в качестве энергоносителя СВЧ-излучение, можно осуществлять ступенчатое превращение и утилизацию отходов. Такая технология переработки отходов позволяет разделять фракции, создавая возможность использования их в виде сырья и полупродуктов производств.

Остаток, который после испарения углеводородсодержащей составляющей будет содержать большее, чем в исходном отходе количество неорганических включений, наиболее эффективно направить на компаундирование в асфальтовую смесь для дорожного строительства [1, 3].

Как в случае захоронения отходов в необорудованные хранилища, так и в специально спроектированных полигонах при извлечении отходов на переработку будет наблюдаться изменение состава каждой выгрузки как в части углеводородной составляющей, так и неорганической.

Для создания технологических установок по переработке углеводородсодержащих отходов, использующих в качестве энергоносителя электромагнитное излучение СВЧ диапазона, необходима разработка методов расчета связывающих объём и химический состав отходов, мощность электромагнитного излучения и температуру переработки и теплообмен с окружающей средой. Данная работа посвящена решению этой проблемы.

Изменение температуры перерабатываемых отходов при поглощении энергии электромагнитного поля определяется уравнением теплопроводности:

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 16, №1(6), 2014

^CP"^ ⁼ div^AgradT') + l_q, (1)

T^! – его масса.

А время испарения определяется по формуле:

где с – усредненная удельная теплоемкость смеси;

Q – плотность;

Л – коэффициент теплопроводности обрабатываемой среды;

Iq – объемная плотность источников тепла, возникающих при поглощении электромагнитного излучения и потерь за счет теплообмена с окружающей средой;

div, grad – дифференциальные операторы.

Учитывая особенности нагрева СВЧ-излуче-

Cуммарное время отгонки 1-ого компонента

tl

aS

На втором этапе оставшаяся часть смеси мас-

нием, при котором достигается однородность распределения температуры во всем объеме

diu(2^radT) «Iq

уравнение (1) принимает вид:

dT cp— = Iq-aST, at

Iq=P/V,                   (2)

где P – мощность СВЧ- излучения (мощность магнетрона), Вт;

V – объем обрабатываемой среды, м3;

Ct- объемный коэффициент теплообмена со

сой ( m - m^l) , плотностьюPl , объемом V₁ , S₁ – площадь поверхности обрабатываемой среды, соприкасающейся со стенками реактора, нагревается до температуры кипения T₂ следующего компонента

Г_а-Г₁ = Д7₁= J. -Vl-e^ci7i/ (9) aS^

при этом мощность излучения и время обработки до полной отгонки 2-ого компонента определяется следующими соотношениями

P₂ =AT-aS₁V₁,           (10)

где m₂,     A, - масса и удельная теплота испа-

рения 2- ого компонента.

стенками реактора,

S – площадь поверхности контакта обрабатываемого вещества со стенками реактора.

Решение уравнения (2) можно представить в виде

Аналогично для i-ого компонента

Pi — ATlaSi^Vi^,          (12)

,

Tfr) - — - [1 - e ^CP aS \

T(t)=Tв – Tс,                (3)

где Tв(t) – температура обрабатываемого вещества;

Tс– температура окружающей среды.

Если обрабатываемая среда состоит из смеси жидких компонентов и “сухого” остатка, то кинетика нагрева определяется следующими соотношениями.

На первом этапе нагревается вся среда до температуры кипения компонента, имеющего самое низкое значение этой величины Т1. Мощность излучения, необходимая для достижения этого значения температуры, определяется по формуле

P₂ = 7^51/,             (4)

а время нагрева

Для испарения этого компонента при температуре T₁ потребуется дополнительно энергия СВЧ-излучения

Qi = ^ -mt,            (6)

где / – удельная теплота испарения данного вещества;

На последнем этапе (“сухой” остаток) темп возрастания температуры определится по формуле:

T_c = Ti + AT = AT₂= Д, Д1 - e ^C=P= J. (15) aS_cV_c

При заданной температуре Тс время обработки на последнем этапе равно:

где cc,m – теплоемкость и масса “сухого” ос- татка;

^ - мощность излучения на финишной стадии обработки.

Таким образом, полное время обработки

^2^ + ^-,         (17)

а удельные энергозатраты (Дж/кг) составляют

Полученные соотношения позволяют при заданном составе обрабатываемых отходов и их свойствах определять мощность излучения, время обработки на каждом этапе, а также суммарные энергозатраты, в зависимости от теплообмена с окружающей средой, определяемой кон- структивными параметрами реакционного устройства.