1. Нагрев материалов в электромагнитных полях сверхвысокой частоты.
Электромагнитные волны используются человеком для радиопередачи, связи, радиолокации,
телевидения. Широко известны микроволновые печи для приготовления и разогрева пищи. С созданием
мощных генераторов оказалось возможным использовать вырабатываемые ими электромагнитные
колебания или электромагнитные волны для применения разогрева различных материалов. Этот способ
разогрева материалов принципиально отличается от нагрева при сжигании топлива или передачи тепла
от более разогретого тела к более холодному.
В низкочастотном диапазоне электромагнитные поля при попадании на проводящие металлические
предметы наводят в них токи, которые разогревают металлы до температуры плавления (индукционные
печи). При повышении частоты колебаний до сотен и тысяч колебаний в секунду уменьшается глубина
проникновения внешнего поля в металл, и это свойство используется для поверхностной обработки
металлов (например-закалки).
Диэлектрики в таких полях, как правило, не разогреваются и их называют радиопрозрачными
веществами.
При повышении частоты электромагнитных колебаний до миллиона колебаний в секунду проявляются
новые свойства. Они используются для плавки различных природных материалов типа гранитов и т.д.
Глубина проникновения электромагнитного поля для различных диэлектриков заметно различаются из-
за различия диэлектрических свойств (диэлектрической проницаемости и тангенса угла
диэлектрических потерь), а удельные поглощения мощности электромагнитного поля единицей объема
диэлектрика возрастает. В металлы такие поля проникают на не большую глубину (порядка единиц
миллиметров).
При частотах 300 миллионов колебаний или 300 мегагерц начинается СВЧ диапазон электромагнитных
колебаний. Длина волны электромагнитных колебаний с частотой 300 мегагерц равна 1 м. Начинает
ярко проявляется экспоненциальный характер распределения поглощаемой мощности
электромагнитного излучения в веществе (в диэлектрике). Такие поля могут интенсивно разогревать
диэлектрики в объемах порядка долей и даже единиц кубометров, что используется для сушки
различных влажных материалов (солей, дерева и др.). Время обработки таких продуктов может
сокращаться до часа и менее (в зависимости от уровня падающей мощности электромагнитного поля).
В диапазоне 300-400МГц размеры сечения технологических волноводов имеют порядок от 600*300 до
100*600 мм2
, размеры диаметров технологических патрубков для ввода-вывода продуктов имеют
порядок ~ 300мм, а их длинна - ~0,5м. Размеры технологических волноводов для нагрева сыпучих или
влажных материалов составляет несколько метров (4-6м), а производительность при мощностях
излучений 50-100кВт могут достигать 0,5-10т/час.
При использовании генераторов с частотой ~1000 мегагерц(1гигагерц) оборудование становится все
более миниатюрным. Длина его может сократиться до 2-3м, а размеры сечения технологического
волновода до 0,3-0-*0,5м. Глубина проникновения излучения в вещество имеет порядок 0,1-0,3м,
размеры диаметра технологических патрубков для ввода-вывода продукта не должна превышать 150мм.
Этот диапазон колебаний наиболее пригоден для переработки продуктов до 600-800кг/час при
мощности до 50 кВт.
Все цифры приведены для ориентировки и соответствуют размерам волноводных систем установок
непрерывного действия с бегущей волной излучения (смотри далее).
При дальнейшем увеличении частоты до 2,45 ГГц длинна волны сокращается до 122мм, диаметр
патрубка ввода-вывода продукта до 60мм, глубина проникновения в диэлектрик имеет порядок 15-30мм.
Для продуктов с размерами ~100*100*100мм сильно сказывается неравномерность тепловой обработки.
Для обработки больших масс продуктов диапазон менее пригоден, чем диапазон 1гигаГерц. Малые
размеры подводящих энергию волноводов ограничивают подачу СВЧ энергии с большими уровнями
напряженности электрического поля. Используются в бытовых печах, в многомодовых камерах,
плазменных установках и др.
2. Отличительные свойства электромагнитных полей сверхвысоких частот.
Для краткости рассмотрим поля с частотами от 300 до 1000 МГц.
2.1Большая глубина проникновения в вещество.
Это означает, что электромагнитные поля воздействуют на заряды молекул и атомов вещества в
большом объеме, передавая им свою энергию, которая тратится на сообщение скорости их движения,
что проявляется в быстром росте температуры во всем объеме проникновения. Равномерность
прогрева однородных веществ, способствуют получению обработанных продуктов высокого
качества. Большие размеры сечения волноводов позволяют применять самые мощные генераторные
лампы с высокими уровнями напряженности электрического и магнитного полей с малым риском

2. электрического пробоя. Большие площади сечения волноводных систем позволяют применять
транспортеры (например, трубные) с большой площадью сечения продукта, транспортируемого в
волноводе, без риска отражения электромагнитного поля.
2.2. Самый чистый метод нагрева
При СВЧ нагреве отсутствует теплоноситель, тепло локализуется в самом веществе.
2.3. Самый высокий из всех известных способов нагрева КПД
Современные генераторные лампы имеют КПД преобразования энергии света в энергию
излучения (например, магнетроны) от 80до 90%. Практически вся энергия излучения
преобразовывается в тепло. Самые лучшие электрические печи имеют КПД в два раза меньше чем
у СВЧ печей.
2.4. Возможность мгновенного автоматического управления режимом печи в зависимости от
изменения составов обрабатываемого продукта.
В наших установках в конце технологического волновода установлена водяная нагрузка,
предназначенная для поглощения всей мощности излучения при отсутствии продукта. В водяной
нагрузке циркулирует обратная охлаждающая вода с определенным расходом. На входе и выходе
водяной нагрузки установлены датчики температуры воды, сигналы с которых подаются на
контроллер, который их обрабатывает и преобразует в поглощенную водой мощность излучения.
При отсутствии продукта всю энергию поглощает вода и показания прибора максимальны при
установленном анодном токе. При загрузке продукта показания прибора уменьшаются на величину
мощности поглощаемой продуктом. Изменением режима загрузочных механизмов и скорости
вращения трубчатого транспортера всегда можно добиться минимально возможного показания
прибора, что означает практически полное поглощения энергии излучения генератора. При
изменении свойств продукта изменяется и поглощенная им энергия, что мгновенно регистрируется
контроллером и он соответственно изменяет производительность загрузки исходного продукта или
частоту вращения транспортера в соответствии с возможностями генератора и изменившихся
свойств продукта автоматически без участия обслуживающего персонала. Аналогично
контролируется мощность рассеивания на анодах генераторных ламп, что способствует их
длительной и надежной работе.
Запуск в работу установки после запуска коммуникаций производится от одной кнопки. Дальнейший
вывод установки на режим, ведения режима, подстройке под изменившиеся обстоятельства,
реагирования на нештатные ситуации, окончание работы, запись и архивирование режимов и
графиков, ограничение доступа неквалифицированного персонала производится автоматически.
2.5. Избирательность нагрева
СВЧ нагрев обладает уникальным свойством – избирательностью нагрева. Если продукт состоит из
смеси разнообразных по свойствам материалов, то и поглощение этими материалами излучаемой
мощности будет в соответствии со свойствами этих материалов.
Если в обрабатываемой смеси имеются металлические включения, то они в несколько секунд
расплавятся и будут стараться приобрести сферическую форму. Сфероидизация минимизирует
площадь капельки, а значит область вещества в которой находится капелька, будет нагрета и в ней
будут скапливаться пары и газы, которые могут создать давление, разрушающие стенки раковины в
которой образовалась капля расплавленного металла и в ней могут образоваться трещины
позволяющие проникнуть цианидным растворам и растворить каплю металла, что приведет к
увеличению извлечения полезного металла из «упорных» зон даже без полного удаления мышьяка и
других компонентов смеси.
Если в смеси имеются угольно-графитовые включения, то они должны разогреваться в течении
нескольких минут до высокой температуры и прореагировать с кислородом воздуха (сгореть).
Если в смеси имеются сера, мышьяк то они будут разогреваться быстрее, чем подавляющая масса
песков, так как у них коэффициент потерь больше. При температурах около 4000
С мышьяк
сублимирует, при температуре около 8000
С мышьяк улетает и может быть уловлен в конденсаторах.
Изменением длительности времени облучения предполагается существенно уменьшить количество
мышьяка в «песках» и накопит его в конденсаторах для дальнейшей в перспективе обработки
(измельчения) и очистки (повторной сублимации) с целью получения товарного мышьяка, как
важного вещества, для производства полупроводниковых элементов электронной техники и других
применений, что принципиально достижимо.