Wykorzystanie energii mikrofalowej w reaktorze chemicznym

– Zastosowanie ogrzewania za pomocą mikrofal pozwala na uzyskanie wyższej wydajności i poprawy odtwarzalności warunków reakcji w porównaniu do ogrzewania konwekcyjnego – mówi dr inż. Przemysław Korpas z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych PW. – W ten sposób możemy utrzymać wąski reżim zadanej temperatury bez lokalnych przegrzań. Jest to ważna cecha, ponieważ w przypadku syntezy nanonawozów nawet niewielkie zmiany temperatury mogą prowadzić do modyfikacji struktury i morfologii otrzymywanych nanostruktur, a tym samym ich potencjalnych właściwości odżywczych oraz poziomu przyswajalność przez rośliny – tłumaczy.

Prace badawcze wymagały wykonania projektu reaktora i źródła mikrofalowego, które pobudzą ten reaktor. Na tym etapie zespół dra Korpasa był wspierany pomysłami przez prof. Wojciecha Gwarka, emerytowanego pracownika Politechniki Warszawskiej. Na podstawie zaproponowanej struktury naukowcy mogli przeprowadzić symulacje, a następnie skonstruować właściwy reaktor.

– Jedną z podstawowych funkcji reaktora jest zamiana energii fal elektromagnetycznych w energię cieplną wydzielaną w reagujących substancjach w kontrolowany sposób – mówi dr Korpas. – W pewnym sensie, taki reaktor można porównać do domowej kuchenki mikrofalowej, choć oczywiście występuje wiele różnic. Naszym celem było zapewnienie możliwie równomiernego grzania tak, aby substancja, którą ogrzewamy, w całej objętości miała zadaną temperaturę. Nie jest to proste do osiągnięcia, ponieważ reaktor jest strukturą rezonansową, która ze swej natury charakteryzuje się mocno nierównomiernym rozkładem pola elektromagnetycznego. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność prowadzenia dynamicznej kontroli częstotliwości i mocy pobudzenia– wyjaśnia.

W odróżnieniu od znanych z literatury rozwiązań wykorzystujących wielomodową wnękę rezonansową jako obszar interakcji mikrofal z ogrzewaną substancją, nowością w politechnicznym projekcie jest wnęka jednomodowa o specjalnej konstrukcji, w której rozkład wzbudzonego pola elektromagnetycznego bardziej odpowiadać będzie wymaganiom reakcji syntezy nanonawozu. Nowością jest także skonstruowanie źródła mocy wraz aplikatorem na pasmo ISM 5.8 GHz, podczas gdy typowy zakres pracy mikrofalowych urządzeń grzewczych to ISM 2.45 GHz. Mniejsza długość fali, bardziej zbliżona do planowanych rozmiarów (średnicy) naczynia reakcyjnego, pozwoli na pracę z niższymi poziomami mocy, a także skuteczną kontrolę przebiegu reakcji.

– Na początku naszych prac rozważaliśmy między innymi jakiej długości i głębokości ma być wnęka w reaktorze – opowiada dr Korpas. – Dużo czasu poświęciliśmy również na dobór parametrów w symulatorze elektromagnetycznym. Sprawdzaliśmy także właściwości elektromagnetyczne szeregu substancji chemicznych – mówi.

Pomiary właściwości elektromagnetycznych substancji. Na zdjęciu z lewej strony widoczny jest rezonator, pod którym znajduje się zlewka z badaną substancją. Substancja jest zasysana i doprowadzana do rezonatora, który zmienia swoje parametry pod wpływem badanej substancji. Podczas pomiaru sprawdzana była przenikalność elektryczna tej substancji oraz jej stratność.

Kolejną kwestią, nad którą pracowali naukowcy, było mierzenie temperatury substancji, umieszczanej w reaktorze.

– Zdecydowaliśmy się na czujniki termowizyjne, które przez otwory we wnęce badają temperaturę ścianki probówki – wyjaśnia dr Korpas. – Jest to kompromis, gdyż tradycyjny pomiar we wnętrzu naczynia reakcyjnego za pomocą zanurzanej sondy jest problematyczny. Chodzi tu o kwestie takie jak trudności z uszczelnieniem naczynia, ryzyko zanieczyszczenia reagujących substancji, a także niekorzystne interakcje silnego pola elektromagnetycznego z czujnikiem. Należy jednak pamiętać, że bezkontaktowy pomiar temperatury, wykorzystujący czujniki termowizyjne, wiąże się z licznymi trudnościami technicznymi, takimi jak choćby zapewnienie, aby wspomniane otwory pozwalały czujnikowi na niezaburzony pomiar temperatury, a jednocześnie aby mikrofale nie wydostawały się przez nie na zewnątrz reaktora – mówi.

Obecnie naukowcy starają się o opatentowanie swojego urządzenia.

_

Projekt „Reaktor chemiczny z wykorzystaniem inteligentnego źródła mocy mikrofalowej” jest finansowany w ramach konkursu na granty badawcze BEYOND POB w ramach realizowanego na PW programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza. 

Skład zespołu badawczego:

dr inż. Przemysław Korpas; prof. dr hab. inż. Krzysztof Jankowskim; dr hab. inż. Wojciech Wojtasiak, prof. PW; dr inż. Magdalena Borowska, dr inż. Daniel Gryglewski; dr inż. Sebastian Kozłowski; mgr inż. Dariusz Kołodziej; inż. Adrian Kruczak.