CC BY
38
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.089.2+691.168:621.396.679.4
ЗЕЛЕНЦОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник, slab@mail. tomsknet. ru
БАЗУЕВ ВИКТОР ПАВЛОВИЧ, ст. науч. сотрудник, slab@mail. tomsknet. ru
ВЕНИК ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, зав. лабораторией, slab@mail. tomsknet. ru
БАЗИЛЕВИЧ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ аспирант, slab@mail. tomsknet. ru
САВЕЛЬКОВ ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧ магистрант, slab@mail. tomsknet. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЧ-УСТРОЙСТВА
В статье приведены достоинства применения энергии сверхвысоких частот для разогрева асфальтобетонных покрытий при их ремонте, предложена новая энергосберегающая технология ремонта с применением СВЧ-устройства с теоретическим обоснованием ее энергоэффективности и безопасности воздействия на окружающую среду.
Ключевые слова: асфальтобетон; электромагнитная волна; СВЧ-энергия; математическая модель; жесткий экран; четвертьволновой шлейф; магнетрон.
ZELENTSOV, VICTOR IVANOVICH, Cand. of phys. math. sc., senior researcher, slab@mail. tomsknet. ru
BAZUEV, VICTOR PAVLOVICH, senior researcher, slab@mail. tomsknet. ru
VENIK, VLADIMIR NIKOLAEVICH, Head of the Laboratory, slab@mail. tomsknet. ru
BAZILEVICH, ALEXANDER LEONIDOVICH, P.G., slab@mail. tomsknet. ru
SAVELKOV, ILYA VLADIMIROVICH, graduate student, slab@mail. tomsknet. ru
© В.И. Зеленцов, В.П. Базуев, В.Н. Веник, А.Л. Базилевич, И.В. Савельков, 2012
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
ANTENNA-FEEDER DEVICE OF LOW-POWER MICROWAVE INSTALLATION FOR BITUMINOUS ASPHALT CONCRETE PAVEMENT REPAIRING
The paper presents the advantages of microwave frequency energy application to heat the asphalt pavements at their repairing. The shortcomings of the existing antenna-feeder devices used for transmission of microwave energy to an asphalt pavement were analyzed. A new device of antenna-feeder system with the theoretical basis of its energy efficiency and environmental safety has been designed.
Keywords: asphalt concrete; electromagnetic wave; antenna; feeder; mathematical model; hard shield; quarter-wave stub; magnetron.
При ремонте асфальтобетонных покрытий разогрев асфальтобетона производят отжигателями (лучистая энергия) и разогревателями, принцип действия которых основан на воздействии инфракрасного теплового излучения на покрытие и медленном прогреве его за счет теплопроводности материала. Такой режим разогрева связан с резким повышением температуры на поверхности покрытия, что приводит к выгоранию битума, значительному ухудшению свойств асфальтобетона и выделению токсических веществ. Эффективность разогрева на всю необходимую толщину асфальтобетона определяет качество ремонта асфальтобетонного покрытия и затраты при его производстве. Сверхвысокочастотные (СВЧ)-разогреватели равномерно нагревают асфальтобетонное покрытие во всем объеме материала, попадающем в зону нагрева. Так как битум имеет малые диэлектрические потери на рабочей частоте СВЧ-ус-тановки, основной нагрев происходит в минеральном каркасе асфальтобетона, который в свою очередь отдает тепло вяжущему. Благодаря безынерционности теплового действия СВЧ-разогревателей температуру асфальтобетонных покрытий можно доводить до оптимальной величины с большой точностью во всем объеме разогреваемого материала.
Основными достоинствами технологии нагрева асфальтобетона источниками СВЧ-энергии являются:
- безынерционность преобразования энергии электромагнитных волн в тепловую энергию;
- избирательный нагрев компонентов в зависимости от тангенса угла потерь составляющих;
- проникновение электромагнитных волн на большую глубину асфальтобитумного покрытия и объемное превращение их энергии в тепловую энергию по всей глубине;
- исключение перегрева и ускоренного старения битума;
- энергетическая эффективность за счет высокого темпа нагрева и уменьшения потерь на излучение от нагреваемого асфальтобетонного материала.
Использование СВЧ-разогревателя для разогрева асфальтобетонных покрытий позволит эффективно и качественно решать вопросы по ремонту дефектов покрытия (выбоин, просадок, отдельных трещин и сетки трещин) на ав-
томобильных дорогах, мостах, путепроводах, а также проводить разогрев кромок покрытия рабочих швов в процессе укладки слоев асфальтобетонных покрытий. Нагрев осуществляется с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона, поэтому при работе со СВЧ-установками одна из проблем состоит в экранизации зоны нагрева таким образом, чтобы уровень паразитного излучения, которому может подвергнуться обслуживающий персонал, соответствовал санитарным нормам. Решение этой задачи является предметом данной статьи.
В настоящее время предложены некоторые решения проблемы минимизации уровня паразитного электромагнитного излучения при нагреве дорожного полотна с использованием СВЧ-энергии. В общем случае СВЧ-разогре-ватель состоит из последовательно соединенных СВЧ-генератора, линии передачи и излучателя СВЧ-энергии. В техническом решении [1] предложено ввести в устройство дополнительно также последовательно соединенные приемную антенну, детектор и индикатор, служащие для определения амплитуды СВЧ-волны, отраженной от поверхности дорожного полотна. Измерительная цепь устройства позволяет, как утверждает автор, минимизировать отражение от поверхности дорожного полотна вплоть до нулевой амплитуды, если с ее помощью сделать угол наклона оси излучателя к поверхности дорожного покрытия равным углу Брюстера.
Действительно, при падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости происходит ее разделение на отраженную и преломленную волны. В нашем случае средой, из которой падает электромагнитная волна, является воздух, коэффициент преломления для него равен 1. Асфальтобетонное покрытие имеет коэффициент преломления п2 > 1. Закон Брюстера устанавливает соотношение между углом падения ф естественного (неполяризованного) света на границу разделения сред, при котором отраженный от поверхности свет становится полностью поляризованным, и коэффициентом преломления п2. При этом угле отражения, называемом углом Брюстера, от поверхности отражается компонента Es, у которой вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения световой (электромагнитной) волны. Компонента Eф, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения электромагнитной волны, не отражается и полностью преломляется в среду с показателем преломления п2 под углом г. Это происходит при условии
1Б(ф) = п. (1)
В соответствии с законами оптики коэффициент преломления п связан с углами отражения ф преломления г соотношением: 81п(ф)/81п(г) = п. Уравнение (1) можно записать в виде 8т(ф)/со8(ф) = п. Отсюда следует: со8(ф) = 8ш(г) или ф + г = 90°.
Таким образом, в соответствии с [1], если на асфальтобетонное покрытие направить линейно-поляризованную электромагнитную волну, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения волны на покрытие, под углом Брюстера к этой поверхности, то амплитуда отраженной волны будет равна нулю. Однако имеется несколько практических аспектов, мешающих реализации этой теоретической схемы.
Во-первых, закон Брюстера не соблюдается строго. При отражении от поверхности падающего на нее под углом Брюстера линейно-поляризованной электромагнитной волны отраженная волна не является линейно-поляризованной, но имеет эллиптическую поляризацию. Это означает, что амплитуда отраженной компоненты, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения, не равна нулю. Физически это объясняется тем, что переход между средами с показателями преломления п и п2 происходит быстрым непрерывным изменением, соизмеримым с длиной волны, а не скачком.
Во-вторых, реальные излучатели (если говорить более правильно - антенны, поскольку в соответствии с принципом взаимности они одинаково успешно могут и излучать, и принимать электромагнитные волны) имеют диаграмму направленности, отражающую то обстоятельство, что излучение из антенны происходит в некотором телесном угле. Диаграмма направленности имеет смысл как установившаяся радиофизическая характеристика только для так называемой дальней зоны излучения, т. е. для области пространства, удаленной от антенны на расстояние D > 10L, где L - наибольшее измерение апертуры антенны. На расстояниях от антенны меньше D происходит интерференция парциальных волн, излучаемых антенной, и распределение поля имеет более объемный характер. Но даже если использовать для рассмотрения отражений от асфальтобетонного покрытия диаграмму направленности, излучение из антенны нельзя характеризовать как электромагнитную волну, распространяющуюся в одном направлении. Скорее это набор парциальных волн различной интенсивности, распространяющихся под разными углами относительно главной оси диаграммы направленности. Поэтому при выполнении условия равенства угла падения углу Брюстера для парциальной волны, распространяющейся в направлении главной оси диаграммы направленности, это условие не будет выполняться для остальных парциальных волн. Таким образом, подстройкой угла наклона излучающей антенны к поверхности асфальтобетонного покрытия нельзя добиться отсутствия отражения от него СВЧ-мощности, можно только минимизировать отражение в направлении измерительной антенны, позиционированной под определенным углом. Это не решает проблемы обеспечения уровня паразитного излучения, соответствующего санитарным нормам РФ.
Понимание этого обстоятельства явилось причиной того, что в развитие технического решения [1] было предложено введение дополнительных экранирующих устройств. В устройство для разогрева оснований и покрытий [2] помимо СВЧ-генераторов, линий передачи и излучателей СВЧ-энергии, расположенных на подвижной тележке, введен дополнительно СВЧ-металлический экран в виде жестких бортов платформы, высота которых меньше высоты платформы, закрепленных на нижней поверхности платформы между колесами тележки. Кроме этого, введен гибкий экран, выполненный в виде металлических цепей или усов, одними концами прикрепленных к кромке бортов жесткого экрана, другими концами касающихся нагреваемой поверхности, причем расстояние между цепями и усами много меньше длины волны СВЧ-генераторов.
Предлагаемая конструкция экрана призвана создать замкнутое с точки зрения распространения СВЧ-волн пространство, за пределы которого не из-
лучалась бы СВЧ-мощность. Однако щели между цепями и усами, хотя расстояние между ними много меньше длины волны СВЧ-колебаний, являются источниками возбуждения паразитных волн в случае, если вектор электрического поля падающей на гибкий экран СВЧ-волны не будет совпадать с направлением цепей или усов. Для надежного экранирования гибкий экран должен иметь сеточную структуру, которая обеспечивает протекание экранирующих токов во всех направлениях, подобно тому, как это сделано в окнах СВЧ (микроволновых)-печей. Кроме того, паразитные потоки СВЧ-мощности будут проходить через асфальтобетонное покрытие в точках соприкосновения цепей и усов с этим покрытием за счет дифракции СВЧ-волн на их концах. Таким образом, гибкий экран, создаваемый цепями и усами, не обеспечивает необходимого ослабления паразитного СВЧ-излучения из зоны нагрева асфальтобетонного покрытия.
Для надежного запирания СВЧ-мощности предлагается новое техническое решение, где на краях жесткого экрана используются четвертьволновые шлейфовые системы. Конструкция такой системы показана на рис. 1. На краю жесткого экрана формируется изгиб проводящей поверхности таким образом, чтобы образовывалась полосковая линия, оканчивающаяся закорачивающей стенкой на расстоянии четверти длины волны от ее входа.
А
Жесткий экран г / Шлейф
Рис. 1. Жесткий экран с четвертьволновым шлейфом
Для пояснения работы такой структуры рассмотрим распространение волны через последовательный тройник, которым является, по сути, предложенная структура в области четвертьволнового шлейфа, используя формализм матрицы рассеяния [3]. В этом формализме любая пассивная волноводная структура описывается матрицей рассеяния |$|. Вектор амплитуд исходящих
(рассеянных) от структуры волн Щ определяется произведением матрицы
рассеяния |£| и вектора амплитуд падающих на структуру волн |а|:
\Ъ\ = 1*1 • \а\. (2)
Схема последовательного тройника и обозначение волн в этом тройнике показаны на рис. 2. Будем считать, что волна Ъ3, прошедшая в плечо 3, излучается в пространство без отражения. Тогда последовательный тройник нужно считать согласованным со стороны плеча 3, и амплитуда волны, падающей на тройник из этого плеча, всегда будет равна нулю: а3 = 0. Для последовательного тройника матрица рассеяния имеет вид [3]:
(3)
1 1 42
= 1/2 1 1 -42
42 -42 0
А
у///////////-//,/.
Рис. 2. Принципиальная схема волноводного тройника
Тогда в соответствии с выражением (2) амплитуды рассеянных волн будут складываться из амплитуд падающих волн следующим образом:
Ь1 = ( а1 + а2) /2,
Ь2 =( а1 + а2)/2,
Ь3 =(72/2 )(а1 - а2 ). (4)
Проанализируем переходной процесс в таком тройнике с момента включения СВЧ-генераторов для прогрева дорожного покрытия. Будем считать, что в этот момент и далее амплитуда падающей на тройник волны из плеча 1, т. е. с области прогрева дорожного покрытия, равна 1. Амплитуда волны а2 в этот момент, естественно, равна 0, и напомним, что амплитуда
волны а3 всегда равна 0. Тогда в соответствии с выражениями (4) амплитуды рассеянных волн в момент времени ? = 0 будут равны:
Ьх(0) = 1/2, Ь2(0) =1/2, Ьз(0) = 42/2 .
Далее будем отслеживать изменение амплитуд рассеянных волн итерационным образом через период времени т, равный времени пробега волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно до места разветвления. При рабочей длине волны 12 см длина этого пробега составит половину длины волны, т. е. 6 см, и время пробега составит величину, равную 2-10-10 с. Тогда в момент времени I = т амплитуда волны, падающей на тройник из плеча 1, по-прежнему будет равна 1, а амплитуда волны, падающей из четвертьволнового шлейфа, будет равна 1/2. Значение амплитуды волны, падающей на тройник из шлейфа, определяется выражением а2(п) = Ь2(п - 1)е(ф + п) = Ь2(п - 1), где п - номер итерации; ф - фазовый набег при прохождении волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно; п - изменение фазы волны при отражении от закорачивающей стенки. Поскольку фазовый набег ф = п, суммарное изменение фазы волны в шлейфе будет равно 2п, и волны а\(п) и а2(п) будут иметь одинаковый знак. Таким образом, после одного оборота волны по шлейфу амплитуды падающих волн будут иметь следующие значения:
ах(1) = 1, а2(1) = 1/2.
Соответственно, согласно выражениям (3), амплитуды рассеянных волн будут равны:
Ьх(1) = 3/4, Ь2(1) = 3/4, Ьз(1) = >/2/4.
На следующей итерации в момент времени ? = 2т амплитуды падающих волн будут равны: ах(2) = 1, а2(2) = 3/4, и амплитуды рассеянных волн, соответственно, равны: Ь1(2) = 7/8, Ь2(2) = 7/8, Ь3(2) = 42 / 8.
Еще через интервал времени, равный т, на четвертой итерации амплитуды волн примут значения: а1(3) = 1, а2(3) = 7/8, Ь1(3) = 15/16, Ь2(3) = 15/16,
Ь3(3) = 42/16.
Сравнивая амплитуды волны Ь3, выходящей из тройниковой структуры в плечо 3 и далее в окружающее пространство, можно видеть, что с каждой
итерацией модуль амплитуды уменьшается по закону Ь3(п) = 42 / 2п+, где п -номер итерации. Отсюда следует, что уже на десятой итерации, т. е. через 2 наносекунды после включения СВЧ-генераторов, амплитуда волны, уходящей из тройника в плечо 3, будет меньше амплитуды волны в пространстве нагрева в 1000 раз, а еще через две наносекунды - в миллион раз.
Таким образом, в предложенной структуре СВЧ-волна а1, распространяющаяся по волноводу (полосковой линии), образованному жестким экраном, с одной стороны, и асфальтобетонным покрытием, с другой стороны, в месте пересечения с четвертьволновым шлейфом делится на две части (волны), одна из которых распространяется далее по волноводу «жесткий экран -асфальтобетонное покрытие», а другая - по четвертьволновому шлейфу. По-
сле оборота волны в четвертьволновом шлейфе волны в тройнике интерферируют, в результате чего волна на выходе плеча 3 уменьшается. Это уменьшение происходит в геометрической прогрессии с каждым последующим оборотом волны в четвертьволновом шлейфе, стремясь к нулю в наносекундном масштабе времени. Таким образом, структура с четвертьволновым шлейфом обеспечивает надежную изоляцию окружающей среды от СВЧ-поля в пространстве нагрева дорожного полотна.
Схема волноводного тройника, образованного жестким экраном, четвертьволновым шлейфом и дорожным покрытием, а также обозначения падающих на тройник и рассеянных от него СВЧ-волн приведены для объяснения работы предлагаемого устройства на рис. 2.
Функциональная схема предлагаемого устройства для нагрева дорожного полотна, состоящая из блока питания СВЧ-генераторов 1, СВЧ-генерато-ра 2, линий передачи СВЧ-мощности 3, излучателей СВЧ-энергии 4, жесткого экрана над пространством нагрева дорожного полотна 5, системы четвертьволновых шлейфов 6, асфальтобетонного покрытия 7, приведена рис. 3.
Общий вид на жесткий экран с четвертьволновыми шлейфами по его периметру и расположенными над ним СВЧ-генераторами, линиями передачи и излучателями СВЧ-мощности приведен на рис. 4.
ф ф ф Ф
ф - =01
- . •ад
ж! [а чу ч?
-
ф ' - тг Ф
Ы 1®1
- л.
-- - лг
ф ф ф Ф ^2_
550
Рис. 3. Функциональная схема предлагаемогоРис. 4. Блок магнетронов с антенно-фидерным устройства для нагрева дорожного по- устройством
лотна
Блок питания 1 должен обеспечивать автоматическую регулировку уровня выходной мощности СВЧ-генераторов за счет петли обратной связи и аварийное выключение генерации СВЧ-мощности при превышении уровня паразитного излучения выше значения, допустимого санитарными нормами Российской Федерации.
СВЧ-генераторы 2 могут быть выполнены на основе любого типа приборов, преобразующих постоянный ток в СВЧ-колебания.
Линии передачи 3 могут быть выполнены коаксиальными или волноводными и обеспечивать полную изоляцию передаваемой СВЧ-мощности.
Излучатели СВЧ-энергии 4 могут быть выполнены в виде рупорных антенн. Жесткий экран 5 выполнен из материала с проводящим слоем, включает выходные окна излучателей и соединен с ними электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ-волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал экрана.
Система четвертьволновых шлейфов 6 выполнена также из материала с проводящим слоем и соединена с жестким экраном также электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ-волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал четвертьволновых шлейфов.
Устройство разогрева дорожного полотна работает следующим образом. Устройство доставляют на место ремонта дорожного полотна и устанавливают над ремонтируемым участком с предварительно насыпанным слоем асфальто-битумной смеси. С помощью пульта управления включают блок питания 1, который подает питание на СВЧ-генераторы 2. Генерируемая ими СВЧ-мощность по линиям передачи 3 поступает в излучатели 4 и направляется на ремонтируемое дорожное покрытие с имеющейся на нем свежей асфальтобитумной смесью. Частично отраженная от покрытия СВЧ-мощность направляется жестким экраном 5 вновь на дорожное покрытие. Расположенная по периметру жесткого экрана система четвертьволновых шлейфов 6 за счет интерференции волн эффективно запирает СВЧ-мощность в пространстве нагрева дорожного полотна и не позволяет СВЧ-волнам распространяться в окружающее пространство. При достижении дорожным покрытием температуры, предписанной регламентом ремонта дорожного покрытия, СВЧ-генера-торы 2 выключаются, и устройство перемещается к следующему участку ремонтируемого дорожного покрытия.
Разработана энергосберегающая технология ремонта асфальтобетонного покрытия с применением нового устройства для передачи СВЧ-энергии от магнетронов для разогрева покрытия при его ремонте, что позволяет обеспечить высокое качество его разогрева с минимальными энергетическими затратами и обеспечить безопасное воздействие на окружающую среду.
Библиографический список
1. Валеев, Г.Г. Пат. 2093635. Российская Федерация. Заявка на изобретение 96103188/03 / Г.Г. Валеев ; опубл. 20.10.1997 ; публикация 27.01.1998.
2. Валеев, Г.Г. Заявка на изобретение 96103187/03 от 16.02.1996 / Г.Г. Валеев, Ю.В. Карпенко, В.Н. Нефедов ; публикация 27.01.1998.
3. Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ / И.В. Лебедев. - М. : Высшая школа, 1970.
