Технология восстановления сорбентов в СВЧ электромагнитном поле

По умолчанию для всех внешних границ геометрической модели задано граничное условие идеального отражения электромагнитной волны Perfect Electric Conductor (идеальный электрический проводник) вида:

(6.2)

Нагрев любого тела описывается уравнением теплопроводности, поэтому для исследования этого процесса в Comsol Multyphisics предусмотрен специальный прикладной режим Heat Transfer (теплоперенос), применение которого позволяет с достаточной точностью провести моделирование процесса нагрева. Когда речь идет о взаимосвязанных процессах, например, о сушке материалов, при сушке помимо переноса теплоты происходит перенос массы, поэтому при моделировании процесса сушки в Comsol Multyphisics необходимо использовать два специальных прикладных режима - Heat Transfer и Convection and Diffusion (конвекция и диффузия), что может вызвать затруднения при их совместном использовании из-за необходимости их согласования между собой. Для того чтобы избежать этих трудностей, в программном комплексе предусмотрен общий прикладной режим Coefficient Form (коэффициентная форма), который позволяет моделировать любой физический процесс, так как уравнение процесса представлено в общем виде с соответствующим набором коэффициентов

Рассмотрим общий принцип формирования уравнений в коэффициентной форме. Общий вид дифференциального уравнения в частных производных в коэффициентной форме относительно искомой переменной (скалярного или векторного поля) задается в виде:

(6.3)

где параметр, характеризующий процесс (искомое скалярное поле); - массовый коэффициент, характеризующий волновое расширение нестационарного процесса; - коэффициент демпфирования, характеризующий нестационарный процесс; - коэффициент, характеризующий конвективный поток; - коэффициент диффузии; - слагаемое, характеризующее поток источника (стока) поля; - коэффициент абсорбции; - коэффициент конвекции; - слагаемое, характеризующее источник (сток) процесса; - время.

Начальные условия в коэффициентной форме имеют вид:

(6.4)

где и - функции распределения и скорости изменения скалярного поля в начальный момент времени.

Граничные условия в коэффициентной форме имеют вид:

(6.5)

где - вектор нормали; - транспонированная матрица коэффициентов ; , , , - коэффициенты, характеризующие распределение скалярного поля на границе объема; - множитель Лагранжа.

Моделирование проводилось для частоты СВЧ генератора 2450 при соответствующих размерах рупорной антенны. Результаты моделирования представлены на рисунке 6.4-6.9.

Рисунок 6.4 - Напряженность эл. поля, В/м

Рисунок 6.5 - Температурное поле, ?С

Рисунок 6.6 - Содержание трансформаторного масла, кг/кг

На рисунке 6.4, 6.5, 6.6 приведены распределения напряженности электрического поля, температурного поля и поля маслосодержания для момента времени сушки ф=30 мин при СВЧ нагреве на частоте 2450 МГц. Из рисунка 6.4 и 6.6 видно качественное совпадение формы изолиний электрического поля (рисунок 6.4) и поля маслосодержания (рисунок 6.6). Температурный максимум находится на оси симметрии рупорной антенны на глубине около 1 см от наружного силикагеля, обработанного трансформаторным маслом (рисунок 6.5).

На рисунке 6.7, 6.8 приведены графики изменения маслосодержания и температуры во времени при СВЧ нагреве на частоте 2450 МГц, на основании которых можно сделать вывод о значительной неравномерности маслосодержания между поверхностью и центром диэлектрика в процессе сушки (от 17 до 21%). Неравномерность температуры при этом составляет около 32%.

Рисунок 6.7 - Изменение содержания масла во времени

Рисунок 6.8 - Изменение температуры во времени

Выводы

1. Была построена модель в программном комплексе COMSOL Multiphysics. По данной модели было определено время обработки, при котором происходит регенерация силикагеля.

ГЛАВА 7. БЕЗОПАСНОСТЬ УСТАНОВКИ

7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Работа данной установки осуществляется в цехе предприятия и заключается в нагреве силикагеля после очистки трансформаторного масла в электромагнитном СВЧ поле на частоте .

Персонал установки будет состоять из одного человека на должности оператора. При эксплуатации установки на человека могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы [16]:

- наличие микроклимата;

- наличие световой среды;

- наличие электромагнитных полей промышленных частот;

- наличие электромагнитных полей радиочастотного диапазона;

- факторы, связанные с электрическим током, вызываемым разницей электрических потенциалов;

- наличие веществ, косвенно действующие на организм, обусловленные свойствами этих веществ воспламенятся, гореть;

- статические и динамические перегрузки;

- нервно-психические перегрузки при работе.

7.2 Параметры микроклимата

Параметры микроклимата определяют температуру воздуха, относительную влажность, скорость движения воздуха, тепловое облучение и др. Санитарные правила устанавливают гигиенические требования к показателям микроклимата рабочих мест производственных помещений.

Показатели микроклимата должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой и поддержание оптимального или допустимого теплового состояния организма.

Допустимые микроклиматические условия установлены по критериям оптимального теплового и функционального состояния на период 8-ми часовой смены.

Категория работ для работающего - ?б, энергозатраты составляют 233-290 Вт. Это связано с тем, что работник должен перемещать грузы массой не более 10 кг.

Тёплый период - категория работ ?б; оптимальная температура 20- 22 , допустимая 15-29 ; оптимальная относительная влажность 40- 60 %, допустимая не более 70 %; оптимальная скорость движения воздуха 0,3 м/с, допустимая 0,2-0,5 м/с.

Холодный период - категория работ ?б; оптимальная температура 17-19 , допустимая 13-23 ; оптимальная относительная влажность 40- 60 %, допустимая не более 75 %; оптимальная скорость движения воздуха 0,2 м/с, допустимая не более 0,4 м/с [17].

В конце периода обработки силикагель нагревается до температуры 600 . Допустимая величина интенсивности теплового облучения поверхности тела работающих - не более 100 , облучаемая поверхность тела - не более 25 % [2]. Для уменьшения нагрева окружающего воздуха установка имеет тепловую изоляцию. Для защиты персонала предлагаемая защитная спецодежда уровня А или С1 [15].

Рекомендуется установить вентиляцию вблизи установки для соблюдения оптимальной и допустимой температуры, влажности, и скорости движения воздуха.

7.3 Шум и вибрация

Виброакустический фактор и шум нормируется в соответствии с нормативными документами, в которых определены основные характеристики производственных шумов. Тип шума - непостоянный, колеблющийся во времени, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени. Рекомендуемый уровень шума на рабочем месте в цехе - не более 80 дБ.

Вибрация - представляет собой механическое колебательное движение, простейшим видом которого является гармоническое колебание. По источнику возникновения вибраций - общая вибрация 3 категории тип «б»: технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. Источник технологической вибрации - насос. Предельно допустимые значения вибрации на рабочем месте в цехе: локальная, направление действия - 126 дБ; общая, направление действия - 100 дБ, - 97 дБ.

Химический фактор - в воздухе рабочей среды будут находиться алифатические углеводороды, вследствие наличия масла в помещении. По [16] величина среднесменной ПДК для углеводородов алифатических составляет 300. Класс опасности - 4.

7.4 Производственное освещение

По типу источника света производственное освещение бывает трех видов:

- естественное - источником света является солнце;

- искусственное - искусственный источник света;

- совмещенное - недостаточное в дневное время естественное освещение дополняется искусственным.

Естественное освещение подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное. Искусственное освещение может быть двух систем - общее освещение и комбинированное освещение. Требование к освещению помещения [17]:

- характеристика зрительной работы - малой точности, эквивалентный размер объекта - 15 мм, разряд зрительной работы - 5а;

- искусственное освещение при комбинированной системе - 400 лк, при общей системе - 300 лк, показатель дискомфорта UGR - не более 20 %, коэффициент пульсаций - не более 20 %;

- естественное освещение при комбинированной системе КЕО - 3 %, при боковом освещении КЕО - 1 %;

- совмещенное освещение при комбинированной системе КЕО - 1,8 %, при боковом освещении КЕО - 0,6 %.

Расчет фактической освещенности производится по:

где - световой поток одной лампы, лм; - количество светильников в помещении, шт; - количество ламп в одном светильнике, шт; - площадь помещения, м²; - коэффициент использования светового потока, %; - коэффициент минимальной освещенности для люминесцентных ламп 1,1; - коэффициент запаса.

Индекс помещения рассчитывается по:

где - длина и ширина помещения, м; - высота от светильника до рабочей поверхности, м.

Для достижения заданной освещенности, необходимо установить светильники марки ЛСПО СТС 01-436-101 в количестве - 8 шт. Необходимо побелить потолок и стены, окна закрыть белыми шторами. Проводить чистку светильников 2 раза в месяц.

7.5 Электромагнитные поля

Нормирование электромагнитного поля промышленной частоты осуществляется по уровню напряженности поля в зависимости от времени его воздействия на работника за смену. Оценка и нормирование МП осуществляется по напряженности и индукции магнитного поля в зависимости от времени его воздействия на работника за смену для условий общего (на все тело) и локального (кисти рук, предплечье) воздействий [21].

При 8 часовой смене допустимый уровень электрического поля: напряжённость - 5 кВ/м; магнитного поля: напряжённость при общем воздействии 80 А/м, магнитная индукция 100 мкТл, при локальном воздействии - 800 А/м и 1000 мкТл.

Нормирование электромагнитных полей радиочастотного диапазона осуществляется раздельно [21]:

- для лиц, работа которых связана с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ;

- для лиц, работа которых не связанна с необходимостью пребывания в зонах ЭМИ РЧ, а также для работающих лиц, не достигших 18 лет, беременных женщин и остального населения, подвергающихся воздействию внешнего ЭМИ РЧ в жилых, общественных и служебных зданиях и помещениях, на территории жилой застройки и в местах массового отдыха.

Максимально допустимый уровень плотности энергии при кратковременном воздействии - 1000 мкВт/см², при длительном - 200 мкВт/см².

Для уменьшения утечек электромагнитного излучения при проектировании установки были применены следующие конструктивные решения:

- закрытая рабочая камера не имеет щелей (места наибольших утечек);

- линии передачи СВЧ-энергии (соединения фланцев) тщательно проверяются на плотность прилегания соединяющихся поверхностей;

- при монтаже установки и первом пуске возможные места утечек СВЧ-энергии проверяются на предельно допустимые уровни излучения.

Персонал необходимо предупредить о наличии опасности, указать минимальное безопасное расстояние, объяснить расположение защитных приспособлений и при необходимости выдать специальную одежду для защиты от электромагнитных полей.

7.6 Электробезопасность

Второй класс по электробезопасности - помещение с повышенной опасностью. Относительная влажность - не более 75 %, токопроводящая пыль отсутствует, наличие железобетонных полов [22].

Для обеспечения электробезопасности установка должна располагаться на прорезиненных ковриках, на полы рекомендуется настелить линолеум. Так же должны применяться отдельно или в сочетании друг с другом следующие технические способы и средства: изоляция токоведущих частей (рабочая, дополнительная, усиленная двойная); предупредительная сигнализация, блокировка, знаки безопасности; защитное заземление, защитное отключение; выравнивание потенциалов; электрическое разделение сетей; средства защиты и предохранительные приспособления.

Заземлению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов и аппаратов, каркасы распределительных щитов и шкафов, металлические корпуса осветительных приборов и оболочки кабелей, стальные трубы электропроводки и другие металлические конструкции, связанные с установкой и ограждением оборудования, металлические корпуса передвижных и переносных токоприемников и др.

Заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью следует выполнять с соблюдением требований к их сопротивлению - не более 0,5 Ом. Продольные заземлители должны быть проложены вдоль осей электрооборудования со стороны обслуживания на глубине 0,5-0,7 м от поверхности земли и на расстоянии 0,8-1,0 м от фундаментов или оснований оборудования. Допускается увеличение расстояний от фундаментов или оснований оборудования до 1,5 м с прокладкой одного заземлителя для двух рядов оборудования, если стороны обслуживания обращены друг к другу, а расстояние между основаниями или фундаментами двух рядов не превышает 3,0 м.

Особенностью проектируемой установки является использование в качестве источника СВЧ-энергии магнетрона. Используемый тип магнетрона запитывается высоковольтным напряжением 4 кВ. Цепи питания магнетрона представляют большую опасность для жизни человека, поэтому при конструировании установки приняты специальные меры по защите обслуживающего персонала от поражений электрическим током. Высоковольтные цепи генератора изолированы материалами согласно прикладываемому к ним напряжению. Металлические части установки, которые при повреждении изоляции могут оказаться под напряжением, имеют заземляющие зажимы, возле заземляющих зажимов расположены знаки заземления, диаметр болтов выбран по значению электрического тока, подводимого к установке - М8. Все ручки и кнопки органов управления выполнены из диэлектрического материала.

7.7 Пожаровзрывобезопасность

Общие требования, регламентирующие условия пожарной и взрывобезопасности должны выполняться в соответствии [22]. В цехе будет находиться отработанное масло, температура вспышки которого - 250 . Требования к способам обеспечения пожарной безопасности:

1) Предотвращение пожара должно достигаться предотвращением образования горючей среды:

- максимально возможным по условиям технологии и строительства ограничением массы и (или) объема горючих веществ, материалов и наиболее безопасным способом их размещения;

- изоляция горючей среды;

- поддержание безопасной концентрации в соответствии с нормами;

- поддержание температуры и давлении среды, при которых распространение пламени исключается;

- применением устройств защиты производственного оборудования с горючими веществами от повреждений и аварий, установкой отключающих, отсекающих и других устройств.

2) Предотвращение образования в горючей среде источников зажигания:

- применением машин, механизмов, оборудования, устройств, при эксплуатации которых не образуются источники зажигания;

- применением в конструкции быстродействующих средств защитного отключения возможных источников зажигания;

- устройством молниезащиты зданий, сооружений и оборудования.

3) Ограничение массы и (или) объема горючих веществ и материалов, а также наиболее безопасный способ их размещения:

- уменьшением массы и (или) объема горючих веществ и материалов, находящихся одновременно в помещении или на открытых площадках;

- периодической очисткой территории, на которой располагается объект, помещений, коммуникаций, аппаратуры от горючих отходов, отложений пыли, пуха и т.п..

4) Противопожарная защита должна достигаться применением одного из следующих способов или их комбинацией:

- применением средств пожаротушения и соответствующих видов пожарной техники;

- применением автоматических установок пожарной сигнализации;

- применением основных строительных конструкций и материалов, в том числе используемых для облицовок конструкций, с нормированными показателями пожарной опасности;

- применением пропитки конструкций объектов антипиренами и нанесением на их поверхности огнезащитных красок (составов);

- устройствами, обеспечивающими ограничение распространения пожара;

- организацией с помощью технических средств, включая автоматические, своевременного оповещения (по назначению - аварийные; по способу передачи информации - звуковые) и эвакуации людей;

- применением средств коллективной и индивидуальной защиты людей от опасных факторов пожара.

Типы и количество огнетушителей выбирается по нормам оснащения помещений ручными огнетушителями. При этом учитывается класс пожара, категория помещения по пожарной и взрывопожарной. Рекомендуется установить на расстоянии не более 30 м от установки порошковый огнетушитель вместимостью 5 кг - ОП - 5(б) - АВСЕ - 03 (Ш) [23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы рассмотрены проблемы восстановления силикагеля после очистки трансформаторного масла в СВЧ электромагнитном поле, физические основы диэлектрического нагрева.

Широкое применение крупнозернистых адсорбентов, особенно синтетических (силикагель, активная окись алюминия), для регенерации нефтяных масел экономически выгодно лишь при условии их многократного восстановления и повторного использования. Регенерация адсорбентов позволяет использовать их повторно на ровне со свежими. Это значительно сокращает расход адсорбентов и снижает производственные расходы при регенерации и очистке масел на действующем оборудовании.

Регенерация сорбентов (удаление влаги и восстановления их сорбционной способности) может осуществляться разными методами. Одним из возможных способов регенерации силикагеля является сушка в сверхвысокочастотном (0,4 -10 ГГц) электромагнитном поле (СВЧ -сушка).

Для исследования диэлектрических параметров отработанного трансформаторным маслом силикагеля использовался метод полного заполнения сечения волновода. Установлены, диэлектрические параметры силикагеля и .

Была построена модель в программном комплексе COMSOL Multiphysics. По данной модели было определено время обработки, при котором происходит регенерация силикагеля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архангельский, Ю. С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки / Ю. С. Архангельский. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 2003. - 344 с.

2. Архангельский, Ю. С. Компьютерное моделирование СВЧ электротермических процессов и установок / Ю. С. Архангельский, С. В. Тригорлый. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - 416 с.

3. Тригорлый, С.В. Моделирование и испытания СВЧ электротехнологической установки для высокотемпературной термообработки керамики / С. В. Тригорлый, В. Ю. Кожевников, В. В. Захаров, // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2017. - №4 (56). - С. 98-105.

4. Архангельский, Ю. С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов / Ю. С. Архангельский. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1983.

5. Никольский, В. В. Электродинамика и распространение радиоволн / В. В. Никольский. - М.: Наука, 1978.

6. Лыков, А. В. Теория тепло- и массопереноса / А. В. Лыков. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963.

7. Лыков, А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. - М.: Энергия, 1968. 472с.

8. Брандт, А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А. А. Брандт. - М.: Фитматгиз, 1963. - 404 с.

9. ГОСТ 12.0.003-2015. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. - Введ. 2017-03-01. - М.: ИПК Стандартинформ, 2016. - 9 с.

10. ГОСТ 12.1.005-1988. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - Введ. 1989-01-01. - М.: Стандартинформ, 2008. - 48 с.

11. ГОСТ 12.4.297-2013. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Одежда специальная для защиты от повышенных температур теплового излучения, конвективной теплоты, выплесков расплавленного металла, контакта с нагретыми поверхностями, кратковременного воздействия пламени. Технические требования и методы испытаний. - Введ. 2014-12-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 12 с.

12. ГН 2.2.5.3532-2018. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы. - Введ. 2018-04-05. - М.: Изд-во стандартов, 2018. - 170 с.

13. СП 52.13330-2016. Естественное и искусственное освещение. Свод правил. - Введ. 2017-05-08. - М.: Стандартинформ, 2017. - 102 с.

14. СанПиН 2.2.4.3359-2016. Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. - Введ. 2017-01-01. - М.: Норматика, 2016. - 72 с.

15. Правила устройства электроустановок. - 7-е изд. - М.: Госэнергонадзор, 2018. - 512 с.

16. ГОСТ 12.1.004-1991. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность. Общие требования. - Введ. 1992-06-01. - М.: Стандартинформ, 2006. - 25 с.

17. СП 9.13130-2009. Техника пожарная. Огнетушители. Требования к эксплуатации. Свод правил. - Введ. 2009-05-01. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. - 22 с.

18. ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования. - Введ. 2005-09-015. - М.: Стандартинформ, 2005. - 18 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Программа расчета диэлектрических параметров

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2020. Рисунки выполнены в графическом редакторе Paint.NET. Чертежи выполнены в графическом редакторе КОМПАС-3D V18.

Целью работы является исследование технологий восстановления сорбентов, после очистки трансформаторного масла, в СВЧ электромагнитном поле.

Задачами работы являются

1. Провести информационный анализ диэлектрического нагрева;

2. Провести исследование процесса регенерации сорбента;

3. Измерение диэлектрических параметров силикагеля необходимо для проведения моделирования процесса сушки в программе COMSOL Multiphysics.

4. Провести моделирование сушки силикагеля в среде COMSOL Multiphysics.

5. Проанализировать результаты экспериментов и математического моделирования.

В 1 главе был проведен информационно-патентный поиск и выявлена цель дальнейшего исследования, экономически целесообразность, восстанавливать силикагель используемые в качестве сорбента. Среды методов восстановления, наиболее эффективным является метод диэлектрического нагрева.

Во 2 главе был рассмотрен магнетрон, используемый для получения электромагнитных колебаний при сушке силикагеля в СВЧ установке, а так же линии передач используемые для ограничения области распространения электромагнитных колебаний и направления потока электромагнитной энергии в заданном направлении.

В 3 главе рассмотрена классификация рабочих камер, которые являются основным элементом установки СВЧ диэлектрического нагрева, поскольку в них происходит технологический процесс.

В 4 главе в результате проведенного анализа процесса регенерации сорбента, установлено, что факторами, влияющими на этот процесс, являются - время СВЧ воздействия и уровень влажности сорбентов.

В 5 главе проводилось мзмерение диэлектрических параметров силикагеля необходимо для проведения моделирования процесса сушки в программе COMSOL Multiphysics.

В 6 главе была построена модель в программном комплексе COMSOL Multiphysics. По данной модели было определено время обработки, при котором происходит регенерация силикагеля.

В 7 главе описаны основные требования техники безопасности при проведении экспериментов.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе исследования регенерации сорбентов после очистки трансформаторного масла.

Размещено на Allbest.ru

...