История электротехники - Коллектив авторов

Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х годов XIX в. В 1926–1927 гг. Дж.Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928 г.) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.

В 1940–1941 гг. Г.И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил разряд при атмосферном давлении.

В 50-е годы в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т.Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 50-х годов в Ленинградском политехническом институте (А.В. Донской, С.В. Дресвин), МЭИ (М.Я. Смелянский, С.В. Кононов), ВНИТВЧ (И.П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (создана в 1963 г.) камерами.

В 80-х годах высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц — 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.

7.1.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ

Начальный период. Впервые эффект нагрева диэлектрика в переменном электромагнитном поле зафиксировали в 1864 г. Э.В. Сименс (Германия) и в 1886 г. И.И. Боргман (Россия) — исследовался нагрев стеклянной стенки конденсатора (лейденской банки) при заряде и разряде.

Диэлектрический нагрев первоначально нашел применение в медицине. В 1891 г. Ж.А. д'Арсонваль (Франция) обнаружил термическое воздействие переменного электромагнитного поля на человека. Р. фон Зейнек (Германия) в 1899 г. открыл возможность использования электромагнитных полей частотой свыше 200 кГц для нагрева тканей тела и лечения. С 1906 г. использование диатермии стало быстро распространяться, и до настоящего времени диэлектрический нагрев широко используется для физиотерапии.

В 1925 г. А. Эсау (Франция) заметил, что передатчик большой мощности метрового диапазона, т.е. сверхвысокочастотные (СВЧ) волны, вызывал ощущение нагрева у персонала и предложил использовать СВЧ-волны для терапии. Совместно с Е. Шлипхаке он провел испытания на животных и людях.

В 1930 г. И. Петцольд (Германия) исследовал влияние частоты на глубину прогрева.

Диэлектрический нагрев нашел широкое применение, несмотря на сложность и высокую стоимость оборудования, так как позволяет нагревать непроводящие однородные материалы с высокой скоростью и равномерностью, а неоднородные материалы — избирательно, например, при сушке или склеивании.

Диэлектрический нагрев токами высокой частоты. В 1930–1934 гг. началась разработка технологии сушки древесины токами высокой частоты (Н.С. Селюгин, Ленинградский филиал ЦНИИ механической обработки древесины). В это же время А.И. Иоффе получил авторское свидетельство на высокочастотную сушку (ВЧ-сушку) древесины. Одно из первых применений — сушка березовых и буковых заготовок на обувной фабрике «Скороход» (г. Ленинград). Позднее диэлектрический нагрев стал применяться и в других странах (Франция, США, Германия).

В 1933 г. Центральная научно-исследовательская лаборатория электромагнитных волн, которая исследовала сушку и стерилизацию фруктов (внедрение в гг. Тирасполе и Краснодаре, 1938–1940 гг.). В 1937 г. П.П. Тарутин (ВНИИзерна) изучал ВЧ-сушку и уничтожение вредителей зерна с применением токов высокой частоты.

В США в 40-е годы развиваются высокочастотный нагрев пластмасс, склеивание древесины и фанеры. Во Франции А. Эсау разрабатывает ВЧ-сушку текстиля и продуктов питания, склеивание древесины и нагрев пластмасс перед прессованием, М. Дескарсин (1946 г.) — нагрев керамики, Ледюк и Дюфур — вулканизацию каучука.

В СССР в 40-е годы продолжались работы по диэлектрическому нагреву. С 1941 г. началось промышленное применение ВЧ-сушки древесины. В ВЭИ исследуют получение с применением диэлектрического нагрева пресс-порошков (Н.В. Александров и В.М. Дегтев) и электроизоляционных материалов (Л.С. Левин). А в НИИ шинной промышленности (Х.Э. Малкина и А.П. Пухов) — вулканизацию массивных шин.

На развитие техники диэлектрического нагрева большое влияние оказали работы А.В. Нетушила, особенно выпущенная под его редакцией монография «Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников» (1959 г.).

Большой вклад в промышленное применение диэлектрического нагрева внес ВНИИТВЧ (А.А. Фрумкин, А.В. Дмитриев, Т.А. Шелина):

серийное производство установок для нагрева таблеток пресспорошков (1949 г.);

внедрение высокочастотной сушки пряжи на фабрике им. А.И. Желябова (г. Ленинград); 1953 г.;

начало серийного производства на Ленинградском заводе высокочастотных установок (ЛЗВУ) установок для сварки термопластов (1956 г.);

серийное производство установок для склеивания древесины (1962 г.);

начало опытной эксплуатации конвейерной установки для высокочастотной сушки литейных стержней на Минском тракторном заводе (1969 г.);

серийное производство конвейерных высокочастотных установок (1971 г.);

введение линии для получения пенополистирольной теплоизоляции для холодильников в г. Ереване (1972 г.).

На начало 1966 г. в СССР было изготовлено свыше 12 тыс. высокочастотных установок для диэлектрического нагрева общей колебательной мощностью около 30 МВт. Единичные мощности установок диэлектрического нагрева непрерывно возрастали от единиц до сотен киловатт.

В 80-е годы ВНИИТВЧ разработал высокочастотные установки диэлектрического нагрева периодического действия для сушки различных материалов с питанием от лампового генератора мощностью 60 кВт и частотой 13,56 МГц с использованием для перемещения материала вращающегося кольцевого дна из фторопласта или ленточного транспортера из металлической сетки. Были разработаны также технологические процессы и оборудование для диэлектрического нагрева пористых материалов (пенополистирола, пенополиэтилена, пористых резин) и высокочастотной сварки термопластичных материалов (полихлорвинилов, полистирола, полиакрилатов, искусственных кож).

Нагрев на сверхвысоких частотах (микроволновый нагрев). Нагрев на сверхвысоких частотах (СВЧ) стал применяться после изобретения магнетрона в 40-х годах. В США в 1947 г. появилась первая СВЧ-плита «Радарэндж» с рабочей частотой 2400 МГц (длина волны 12,5 см), установленная в вагоне-ресторане и предназначенная для размораживания и подогрева предварительно приготовленных и замороженных блюд. В начале 70-х годов в США использовалось около 2 млн. бытовых микроволновых печей, в Японии — около 500 тыс.

С 1961 г. в Москве на ВДНХ демонстрировалась печь, созданная ВНИИТВЧ. Ленинградский завод торгового машиностроения изготовил опытно-промышленную серию подобных печей с использованием магнетронов непрерывного действия мощностями 600 и 1600 Вт.

В начале 60-х годов проводились опытные работы по промышленному применению нагрева на сверхвысоких частотах, в частности для разрушения горных пород (США, Япония) и получения плазменного факела (США, ФРГ). У нас в стране работы по измельчению твердых горных пород проводил в 60-х годах Институт горного дела имени А.А. Скачинского, но из-за экономических показателей этот способ оказался неконкурентоспособным.

В конце 80-х годов фирма «Линн» (Австрия) разработала высокотемпературную СВЧ-установку для спекания оксидов (температура до 2000 °С), в которой использованы футеровка и водоохлаждение резонатора.

В последние годы в нашей стране выпускается ряд промышленных СВЧ-установок для диэлектрического нагрева мощностью 0,5–60 кВт. 

7.7.5. ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Начало работ по плазменному нагреву относится к 20-м годам XX в. Сам термин «плазма» ввел И. Ленгмюр (США), а понятие «квазинейтральная» — В. Шоттки (Германия). В 1922 г. X. Гердиен и А. Лотц (Германия) провели опыты с плазмой, полученной при интенсивном охлаждении электрической дуги путем применения металлической диафрагмы и тангенциальной подачи воды. Затем в течение ряда лет проводились исследования физических свойств электрической дуги и плазмы, и только в 50-х годах начались разработки промышленных плазмотронов и плазменных технологических процессов.

Дуговые плазмотроны. В 1954 г. Т. Петерс (США) создал плазмотрон, представляющий собой камеру, в которой дуга горит в парах воды при давлении до 500 МПа (рис. 7.9). На выходе из сопла получены высокие сверхзвуковые скорости плазмы.