2007:112 CIV
E X A M E N S A R B E T E
Modern tillmakning
Att värma berg medelst mikrovågor Laborationsförsök
Per Vedin
Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Väg- och vattenbyggnadsteknik Institutionen för Samhällsbyggnad
Modern tillmakning
– Att värma berg medelst mikrovågor
Laborationsförsök
Per Vedin
Förord
Projektet modern tillmakning är initierat av Ingemar Marklund som också är den person som med brinnande intresse verkat för att utreda om utvecklingen av en brytningsmetod med mikrovågor och högtrycksvatten är möjlig. Ingemar Marklund ska därför ha ett stort tack för att ha gjort dessa försök möjliga. Även ett stort tack till GHRR, Gellivare Hard Rock Research som har finansierat utrustningen som använts i försöken. Med detta bidrag har GHRR spelat en avgörande roll för examensarbetets framgång. Daniel Johansson på Luleå tekniska universitet har med god handledning hjälp till med praktiska detaljer kring försöken och fungerat som bollplank under arbetets gång.
Provuppställningen som använts vid försöken har tillverkats i samråd med Mikael Svensson på Gisip AB som ställt upp genom att löpande svara på frågor kring denna utrustning. Även Gisip:s underleverantörer Dipolar AB har med sin kunskap hjälp till då problem uppstått. För den kunskap som erhållits kring mikrovågor under den tidigare litteraturstudien ska alla inblandade vid utförandet av denna ha ett stort tack eftersom det utan denna grundläggande kunskap på området inte varit möjligt att genomföra försöken. Slutligen även ett stort tack till Ulf, Tomas och Karl‐Olof på Ltu‐Testlab som med stort kunnande hjälp till med praktiska detaljer och gett svar på frågor då detta har behövts.
Per Vedin
Luleå, Maj 2006
Sammanfattning
Denna rapport är en fortsättning på litteraturstudien utförd våren 2005 av Per Vedin och Jonas Bjurholt. Idén för att utveckla en metod för brytning av berg med mikrovågor som källa för värme och högtrycksvatten för att lossgöra den försvagade bergmassan kommer från Ingemar Marklund som 2003 blev vald till årets bergtekniker av Atlas Copco.
I denna rapport har försök genomförts i syfte att fastställa hur snabbt berg kan värmas med mikrovågor och om denna uppvärmning förändrar hållfastheten hos berget.
Bestrålningen av proverna har skett utan kavitet, dvs. proverna har inte inneslutits i någon form av låda eller ugn. Två bergarter, diabas och amfibolskiffer samt en malm, magnetit har använts som provmaterial. Högst temperaturer uppnåddes i diabasen som efter 30 minuters bestrålning hade en temperatur av ca 250 oC. Hos amfibolskiffern och magnetiten var temperaturen efter 25 – 30 minuter ca 180 oC.
Provkropparna har efter behandling testats med avseende på tryckhållfasthet, draghållfasthet och elasticitetsmodul. Ingen förändring av tryckhållfastheten eller elasticitetsmodulen har gått att fastställa. Draghållfastheten reducerades dock hos amfibolskiffern med 10 – 29 %.
Försöken visar att det knappast är realistiskt att använda mikrovågor för normal tunneldrivning. Energiförbrukningen blir sannolikt >200 kWh/kubikmeter fast berg. För mycket speciella ändamål där vibrationer måste elimineras och kvarstående berg skonas kan någon typ av ”modern tillmakning” bli intressant. Mycket utvecklingsarbete krävs dock innan det är praktiskt tillämpligt.
Innehållsförteckning
Förord... i
Sammanfattning ...ii
Symboler och beteckningar... v
1 Inledning... 6
1.1 Bakgrund ... 6
1.2 Syfte & Forskningsfrågor... 7
1.3 Avgränsningar ... 7
1.4 Intressenter ... 8
1.5 Studenternas referensram ... 8
1.6 Rapportens disposition ... 8
2 Teori ... 9
2.1 Allmänt mikrovågor... 9
2.2 Verkningssätt vid uppvärmning ... 9
2.3 Frekvens & våglängd ... 11
2.4 Permittivitet & förlustfaktor ... 11
2.5 Uppvärmning... 13
2.6 Penetrationsdjup... 14
2.7 Reflektion av strålning... 15
3 Provuppställning ... 16
3.1 Mikrovågsgenerator ... 16
3.2 Temperaturmätning ... 18
3.2.1 Beröringsfri temperaturmätning ... 18
3.3 Läckagemätare ... 20
3.4 Övrig utrustning ... 20
4 Laborationsförsök... 21
4.1 Bestämning av uteffekt ... 21
4.2 Utförande ... 21
4.3 Avgränsningar och felkällor ... 22
4.4 Provserie A ... 23
4.4.1 Prov # 2 Serie A ... 24
4.4.2 Prov # 5 Serie A ... 26
4.4.3 Prov # 7 Serie A ... 27
4.4.4 Prov # 4 Serie A ... 28
4.4.5 Sammanställning Serie A... 29
4.5 Provserie B ... 30
4.5.1 Prov # 1 Serie B... 31
4.5.2 Prov # 2 Serie B... 32
4.5.3 Prov # 3 Serie B... 33
4.5.4 Prov # 4 Serie B... 34
4.5.5 Prov # 5 Serie B... 35
4.5.6 Prov # 6 Serie B... 36
4.5.7 Brasilientest Serie B ... 37
4.5.8 Sammanställning Serie B ... 38
4.6 Provserie C... 39
4.6.1 Prov # 1 Serie C ... 40
4.6.2 Prov # 2 Serie C ... 41
4.6.3 Prov # 3 Serie C ... 42
4.6.4 Sammanställning Serie C... 43
4.7 Tryckhållfasthet hos bergprov... 44
4.7.1 Serie A ... 44
4.7.2 Serie B ... 45
4.7.3 Serie C... 46
4.8 Draghållfasthet hos bergprov ... 47
4.8.1 Serie B ... 48
4.9 Elasticitetsmodul ... 49
Diskussion ... 50
Slutsats... 52
Referenser ... 53
Bilaga 1 Tryckhållfasthet & Elasticitetsmodul ... 54
Bilaga 2 Draghållfasthet ... 55
Symboler och beteckningar
Beteckning Grundenhet / Värde Förklaring
A m2 Area
Dp m Penetrationsdjup för EMV
E0 V⋅ m−1 Elektrisk fältstyrka
F N Kraft
L m Längd
P W Effekt
Δ T K el. C0 Temperaturförändring
W J Energi
c J⋅(kg⋅K)−1 el. J⋅(kg⋅0C)−1 Specifik värme
cljus 299 792 458 m⋅ s−1 Ljusets hastighet i vacuum
f Hz Frekvens
m kg massa
t s tid
ε (A⋅s)⋅(V⋅m)−1 Komplex permittivitet ε' (A⋅s)⋅(V⋅m)−1 Permittivitet
ε '' (A⋅s)⋅(V⋅m)−1 Dielektrisk förlustfaktor ε0 8,854⋅10−12 (A⋅s)⋅(V⋅m)−1 Permittiviteten i vakuum
κ ‐ Komplex relativ permittivitet
κ' ‐ Relativ permittivitet
κ '' ‐ Relativ dielektrisk förlustfaktor
λ0 m Våglängd
φ m Diameter
ρ kg⋅ m−3 Skrymdensitet
σc Pa Enaxiell tryckhållfasthet
σt Pa Enaxiell draghållfasthet
Kapitel 1 Inledning
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Våren 2005 har en litteraturstudie utförts av två studenter vid Luleå tekniska universitet avseende möjligheterna att värma berg med mikrovågor för att på detta sätt skapa mikrosprickor i berget så att det kan lossgöras med högtrycksvattenapplikationer eller med någon mekanisk metod. Litteraturstudien visade att det går att värma berg med mikrovågor men att hastigheten med vilken temperaturen ökar varierar kraftigt beroende på vilken bergart som värmebehandlas. Litteraturstudien utfördes på uppdrag av Ingemar Marklund som året 2003 blev vald till årets bergtekniker av Atlas Copco.
Marklund tilldelades ett stipendium att använda till valfri forskning och valde då att utreda möjligheterna kring en modern tillmakningsmetod.
Förr i tiden så drevs tunnlar och orter genom upphettning av berggaveln som sedan fick kylas av genom att vatten tillfördes eller så fick berggaveln luftkylas efter det att elden slocknat. Berget bröts sedan loss mekaniskt med bl.a. spett. Denna metod för bergbrytning kallades för tillmakning. Bilder från gamla gruvor visar att ett mycket bra resultat erhölls med denna metod. Framförallt så är konturerna mycket jämna.
Den vanligaste metoden idag för drivning av tunnlar och orter i hårt berg är borrning‐
sprängning samt användandet av tunnelborrningsmaskiner, TBM. TBM har mycket höga framdrifter men också höga investeringskostnader och klarar inte av att utföra komplexa geometrier såsom skarpa kurvor och bergrum. Metoden borrning‐sprängning klar av att utforma alla slags geometrier men nackdelen med denna metod är att arbetet sker i en cykel om 8 – 10 moment beroende på hur indelning av dessa sker. Användandet av sprängmedel gör att höga vibrationsnivåer kan uppnås och att en skadezon skapas i konturen på tunneln/orten. Gemensamt för både borrning‐sprängning och de mekaniska utgrävningsmetoderna är höga underhållskostnader på grund av den direkta kontakten med berget.
Utvecklingen av en modern tillmakningsmetod som använder mikrovågor som källa för uppvärmningen och högtrycksvattenapplikationer för att lossgöra berget, skulle innebära en brytningsmetod utan kontakt mellan verktyg och berg. Ingen direkt kontakt medför fördelar som kraftigt reducerade underhållskostnader vilka i dagsläget utgör en
Kapitel 1 Inledning
1.2 Syfte & Forskningsfrågor
Detta examensarbete har till uppgift att fastställa hur effektivt berg kan värmas med mikrovågor. De parametrar som i första hand studeras är bergets tryck‐ och draghållfasthet och hur dessa förändras vid termisk påverkan. Tiden som krävs för att uppnå en viss temperatur är viktig eftersom en möjlig brytningsmetod ska konkurrera med idag tillgängliga metoder. Tre primära frågeställningar har satts upp:
• Hur snabbt ökar temperaturen hos olika bergarter när de utsätts för mikrovågsstrålning av en viss intensitet?
• Vilken påverkan har uppvärmningen på bergets tryck och draghållfasthet?
• Hur påverkas uppvärmningshastigheten om bergprovet är fuktigt?
Skillnaden mellan dessa försök och andra som utförts med mikrovågor och berg är att ingen kavitet används i dessa försök. Med kavitet menas att provet inte är inneslutet i någon låda utan ligger placerat fritt i rummet.
1.3 Avgränsningar
För att kunna besvara forskningsfrågorna så korrekt som möjligt har vissa avgränsningar satts upp. Dessa är:
• I denna första etapp kommer endast mindre icke inspända provkroppar att studeras. Cylindriska provkroppar med en diameter på40 ‐ 50 mm och en längd av 100 ‐ 125 mm kommer att användas vid laborationsförsöken.
• Tre stycken olika bergarter och eventuellt en malm provas. Daniel Johansson, projektledare ansvarar för att lämpliga provkroppar finns tillgängliga när försöken inleds.
• Vid provuppställningen kommer endast en magnetron med effekten 1000 W att användas. Detta för att hålla kostnaderna nere. Frekvensen som kommer att användas är 2,45 GHz och är standard i dagens hushållsugnar.
• Projektet kommer att utföras under en tidsrymd av 10 veckor (10 högskolepoäng) och genomföras i form av ett examensarbete vid avdelningen för geoteknologi vid LTU.
Kapitel 1 Inledning
1.4 Intressenter
Borrning‐sprängning har länge varit den dominerande metoden för drivning i hårt berg.
En ny modern tillmakningsmetod skulle medföra många fördelar vid brytningen som mindre vibrationer och troligtvis minskat underhåll. Intressenter för en ny metodik för drivning i hårt berg är bl.a. entreprenad‐ och gruvföretag. Även maskintillverkare inom segmentet bergbyggnadsteknik bör vara mycket intresserade av möjligheterna av en ny brytningsmetodik.
1.5 Studenternas referensram
Jag som genomför examensarbetet heter Per Vedin och studerar 5:e året vid Luleå tekniska universitet på väg och vatten programmet. Våren 2006 planerar jag att ha avslutat mina studier. Under utbildningstiden har jag praktiserat på två underjordsentreprenader. Vid Skanska på Varvsbergstunneln i centrala Örnsköldsvik under sommaren 2004 och hos NCC Construction där jag under 2005 genomgått en sju månader lång praktikperiod vid ortdrivningen i LKAB:s gruva i Malmberget.
1.6 Rapportens disposition
Kapitel 1.
Detta kapitel beskriver bakgrunden till examensarbetet och vilka frågor som besvaras samt vilka avgränsningar som ställts upp för att så korrekt som möjligt utreda uppsatta frågeställningar.
Kapitel 2.
Kortfattad teori om mikrovågors verkningssätt vid uppvärmning. Uppvärmning av bergmaterial studeras något mer ingående för att göra att läsaren bättre kan tillgodogöra sig resultaten.
Kapitel 3
Här beskrivs använd laborationsutrustning, dess funktion samt förklaring till varför valda metoder används.
Kapitel 4
Försöksuppställning och tillvägagångssätt vid uppvärmning av provkropparna. Varje försök beskrivs med observationer. Tillvägagångssätt och jämförelse vid provning av
Kapitel 2 Teori
2 Teori
2.1 Allmänt mikrovågor
Sambandet mellan elektrisk fältstyrka, ström och magnetfält fastställdes år 1864 av J.C.
Maxwell. Strålningen beskrevs som en transversell elektromagnetisk våg med samma utbredningshastighet som ljusets. År 1867 påvisades existensen av elektromagnetsik strålning av Heinrich Hertz i radiovågsområdet. År 1900 lades teorin fram om att energiutbytet mellan materia och strålningsfält sker i from av kvanta, små energipaket och att deras energi är proportionell mot frekvensen.
Allt sedan dess har utvecklingen gått fort. Idag är det i västvärlden en självklarhet att i hushållen ha en mikrovågsugn. Industrier byter ut konventionell torknings‐ och uppvärmningsutrustning mot mikrovågsapplikationer. Fördelen med dessa är den höga verkningsgraden vid omvandling från elektrisk energi till elektromagnetisk energi.
Tidsaspekten vid uppvärmningen är en viktig faktor då mikrovågsapplikationerna värmer och torkar betydligt snabbare än konventionell utrustning.
2.2 Verkningssätt vid uppvärmning
De flesta material består av molekyler som har elektriska egenskaper. De molekyler som bygger upp ett material är antingen osymmetriska med avseende på den elektriska laddningen eller helt symmetriska och påverkas då ej av elektriska fält. Om joner finns närvarande har materialet en ledningsförmåga. Vissa molekyler är dipoler, detta innebär att de har en plus och en minusladdning i vardera änden. Ett exempel på en dipolär molekyl är vattenmolekylen, figur 2.1. I material kan det även förekomma fria laddningar i form av joner och elektroner.
Figur2.1. Vattenmolekylen och dess laddning.
Kapitel 2 Teori
När ingen spänning finns pålagd är dipolerna i ett material slumpvis orienterade och jonerna stilla. Om ett elektriskt fält påläggs börjar molekylerna att rotera och joner förflyttar sig i fältets riktning. Om fältet ändrar riktning ändras rotationsriktningen och jonerna förflyttar sig i det nya fältets riktning. Principbild över en elektromagnetisk våg ses i figur 2.2. Den elektromagnetiska våg, mirkovåg, som används i hushållsugnar idag har en frekvens av 2,45 GHz vilket innebär att det elektromagnetiska fältet växlar 2,45 miljarder gånger per sekund.
Figur 2.2. Principbild över elektriska och magnetiska fältet i en elektromagnetisk våg.
När detta sker skapas friktion mellan molekylerna i materialet och denna avsätts i form av friktionsvärme. Friktion skapas även mellan joner och de fria laddningarna i materialet. Om laddningarna är mycket fria blir den skapade friktionsvärmen låg. Detta sätt för uppvärmning är oberoende av värmeledningsförmåga hos materialet.
Värmeledningen har dock en utjämnade effekt i materialet.
Fasta och flytande material går bra att värma eftersom molekylerna här har kontakt med varandra och friktion således kan skapas mellan dessa. I en gas har molekylerna inte kontakt med varandra och friktionen som skapas mellan dessa är mycket liten och gaser är därför inte lämpliga att värma med elektromagnetisk strålning. I stort sett kan alla material värmas med mikrovågor dock olika lätt. En perfekt ledare kan inte värmas eftersom ingen inre friktion skapas mellan molekyler och/eller laddningar och joner.
Detsamma gäller för perfekta isolatorer.
Vatten är en stark dipol och går därför mycket bra att värma med mikrovågor.
Molekylerna har lätt att rotera i flytande fas och en friktion mellan dessa skapas snabbt.
Kapitel 2 Teori
2.3 Frekvens & våglängd
Våglängden för mikrovågor varierar mellan 1 mm och 1 meter. Detta motsvaras av en frekvens på 300 GHz och 300 MHz [1]. Fyra stycken frekvenser har utsetts för industriella, vetenskapliga och medicinska ändamål. Dessa är 945 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz och 22125 MHz. Våglängden för en viss frekvens bestäms enligt ekvation 2.1 då ljusets hastighet är känd.
f cljus
0 =
λ (2.1)
Frekvensen som används i dagens hushållsugnar är 2450 MHz. Vid denna frekvens har mikrovågorna en våglängd av 12,2 centimeter.
2.4 Permittivitet & förlustfaktor
Ett materials förmåga att polariseras under inverkan av ett elektriskt fält beskrivs av den komplexa permittiviteten, ekvation 2.2.
'' ' ε ε
ε = −i (2.2)
Material som värms upp av ett växlande elektromagnetisk fält kallas för dielektriska material. När permittiviteten ε normaliseras m.a.p. den konstanta permittiviteten för vakuumε0, benämns den komplexa relativa permittiviteten, ekvation 2.3.
'' ' κ κ
κ = −i (2.3)
Storleken för den relativa permittiviteten 'κ ligger för de flesta bergbildande mineral mellan 2 och 14 [2]. Utförda Laboratorieförsök hos 80 stycken bergprover resulterade i en variation hos relativa permittiviteten 'κ mellan 2,5 och 8,3 [3]. Vatteninnehåll i berget har ingen mätbar inverkan på relativa permittivitetens 'κ storlek och kan därför försummas.
Variationen av κ' beror till största del av densiteten och även av bergets kemiska sammansättning. Relativa permittiviteten 'κ är dock oberoende av frekvensen.
Kapitel 2 Teori
Den relativa förlustfaktorn κ '' kombinerar alla former av förluster som polarisation och konduktion. Med förluster avses omvandling från elektromagnetisk energi till värmeenergi. Relativa förlustfaktorn κ '' ligger mellan 0,001 och 50 [2] och beror av temperaturen och frekvensen. För torkade bergprover fastslogs i [3] att relativa förlustfaktorn κ '' varierade mellan <0,002 och 0,245 för testade bergprover. Före torkning erhölls värden som var mer än dubbelt så höga. Relativa förlustfaktorn κ '' minskar med ökande frekvens och variationer hos den relativa förlustfaktorn κ '' beror ej av densiteten dock anses bergets kemiska sammansättning ha en stor betydelse. De dielektriska egenskaperna hos några vanliga bergarter går att studera i Tabell 2.1.
Tabell 2.1. Dielektriska egenskaper för några vanliga bergarter [2]
Material* 450 MHz 3000 MHz
κ' κ '' κ' κ ''
Andesit, Hornblände 5,1 0,02 5,1 0,03
Basalt (9 typer) 5,6 – 9,6 0,06 – 0,86 5,4 – 9,4 0,08 – 0,88
Gabbro 7 0,14 7 0,14
Granit (7 typer) 5 – 6 0,02 – 0,15 5 – 5,8 0,03 – 0,2
Muskovit (26oC) 5,4 0,002 5,4 0,0016
Marmor (Torr) 8,8 0,20 8,7 0,14
Obsidian (2 typer) 5,5 – 6,8 0,1 – 0,13 5,5 – 6,6 0,1 – 0,2
Pimpsten 2,5 0,02 2,5 0,03
Ryolit 3,38 0,05 3,4 0,04
Serpentin (2 typer) 6,4 ‐ 7 0,07 – 0,13 6,4 – 6,8 0,1 – 0,2
Syenit 8 0,4 7 0,6
Traktyt 5 0,13 5,2 0,13
Pyroklastisk bergart ( 3 Typer)
2,6 ‐ 6,1 0,02 – 0,36 2,6 – 5,8 0,04 – 0,36
Vulkanisk aska 2,7 – 3,4 0,08 – 0,23 2,7 – 3,2 0,06 – 0,15
Vatten 77,7 0,1 76,7 12,04
Vatten (95 oC) 52 0,384 52 0,244
Vatten(0,1 molal NaCl) 76 65 75,5 18,12
Vatten(0.5 molal NaCl) 69 290 67,0 41,87
Ren Is (‐12oC) 3,5 0,008 3,2 0,003
*Dessa egenskaper gäller vid T=25 oC såvida inte annat anges i tabellen
Kapitel 2 Teori
2.5 Uppvärmning
Den dielektriska värmeekvationen beskriver den energi per volymenhet p som omvandlas till värmeenergi, ekvation 2.4.
2 0 0 ''
2 f E
p= ⋅π⋅ ⋅ε ⋅κ ⋅ (2.4)
p [W⋅ m−3] Specifik effekt
f [ Hz ] Frekvens
κ '' [ ‐ ] Relativ förlustfaktor E0 [V⋅ m−1] Elektrisk fältstyrka
ε0 [A⋅s⋅(V⋅m)−1] Permittiviteten för vakuum
Denna energi per volymenhet är svår beräkna. Eftersom mineralkornen har en slumpmässig orientering kommer det elektriska fältet E0 att variera och bli svårt att bestämma [4]. Ekvationen ger ändå viss information som:
• Effekten som omvandlas till värme per volymenhet är direkt proportionell mot frekvensen f med de andra parametrarna konstanta.
• Effekten som omvandlas till värme per volymenhet är även direkt proportionell mot relativa förlustfaktorn κ ''.
Relativa förlustfaktorn varierar dock med frekvensen, vatteninnehållet och temperaturen.
Därför kan denna inte betraktas som en konstant utan måste beaktas som en variabel vid beräkningar.
Kapitel 2 Teori
2.6 Penetrationsdjup
Penetrationsdjupet Dp för en elektromagnetisk våg definieras som det djup då energin har minskat till e−1 detta innebär en minskning med 68,2 % jämfört med energin vid ytan. Om man antar en exponentiell minskning kan Dp beräknas enligt ekvation 2.5.
2 1 2 1 2 0
' 1 1 ''
1 '
2 2
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
⎟ −
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝ +⎛
⋅ ⋅
⋅
= ⋅
κ κ κ
π λ
Dp (2.5)
Ur tabell 2.2 kan utläsas frekvensens betydelse för penetrationsdjupet. Vid den vanliga frekvensen som idag används 2450 MHz kan väntas något större djup än för 3000 Mhz.
Tabellen visar tydligt varför värmestrålning, infraröd strålning har så pass dåligt penetrationsdjup och varför radiovågor penetrerar tjockare material. Då penetrationsdjupet ökar krävs att mer energi tillförs för att erhålla höga temperaturökningar i en begränsad volym av berget.
Tabell 2.2. Penetrationsdjup för bergarterna i tabell 1.
Penetrationsdjup [m]
Bergart 450 Mhz 3000 Mhz
Andesit, Hornblände 11,98 1,20
Basalt (9 typer) 0,64 0,09
Gabbro 2,00 0,30
Granit (7 typer) 2,93 0,32
Muskovit (26oC) 123,28 23,12
Marmor (Torr) 1,57 0,34
Obsidian (2 typer) 2,29 0,26
Pimpsten 8,39 0,884
Ryolit 3,90 0,73
Serpentin (2 typer) 2,68 0,27
Syenit 0,75 0,07
Traktyt 1,83 0,28
Pyroklastisk bergart ( 3 Typer) 1,16 0,16
Vulkanisk aska 1,20 0,26
Kapitel 2 Teori
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0 20 40 60 80 100 120
Avstånd [mm]
Refelektionskofficient r p
2.7 Reflektion av strålning
Av den totala utsända strålningen är den endast en del som propagerar in i berget. Den del som inte gör det reflekteras tillbaka. Den energi Peff som propgerar in i berget förhåller sig till den totala energin Ptot enligt ekvation 2.6:
Peff =Ptot⋅
(
1−rp)
(2.6)
Där rp är en dimensionslös reflektionskofficient. Reflektionskofficienten är en periodisk funktion av avståndet från sändaren, Figur 2.2 [5] . I denna periodiska funktion förekommer flera minimum och placeringen för dessa beror på vilken bergart som behandlas. Att hitta dessa minimum för reflektionskofficienten rp är viktigt för att den elektromagnetiska strålningens verkningsgrad ska bli maximal.
Figur 2.2. Exempelbild på reflektionskofficientens variation.
Minimum för reflektionskofficienten för fyra olika bergarter visade sig ligga på ungefär samma avstånd från vågledarens mynning. Första minimum erhölls på 12 ‐20 mm från sändaren och det andra på avståndet 80 – 100 mm [5]. Att använda sig av det senare avståndet innebär en lägre strålningsintensitet fås vid bergtyan. Det optimala avståndet mellan sändare och berg kan förändras under uppvärmningen. En orsak till detta är att reflektionskofficienten även är temperaturberoende. Att helt eliminera förluster är inte möjligt dock kan dessa minimeras om hänsyn tas till det specifika berg som ska värmas.
Kapitel 3 Provuppställning
3 Provuppställning
I detta kapitel beskrivs den utrustning som använts vid försöken och de hjälpmedel som införskaffats för att utföra mätningar nödvändiga för att erhålla svar på uppsatta frågeställningar.
3.1 Mikrovågsgenerator
Mikrovågsgeneratorn som använts i försöken är av enkel konstruktion. En energigenerator specifikt till för användning i mikrovågsapplikationer används för att alstra högspänning till magnetronen. Magnetron, vågledare och kylfläkt till magnetronen är placerad i den silverfärgade delen, Figur 3.1a – 3.1b. Denna del kan monteras ihop med den nedre blå lådan för att skapa en mikrovågstät enhet, Figur 3.1. Försök gjorda i denna studie har i huvudsak ej gjorts med utrustningen ihopkopplad till en mikrovågstät enhet.
Figur 3.1. a. Utrustning ihopkopplad till mikrovågstät enhet. b. Mikrovågsutrustning frånkopplad låda för bestrålning utan kavitet.
Kapitel 3 Provuppställning
Magnetronen är av typ Panasonic 2M244‐M23 (1000 W) och den enhet i konstruktionen som genererar elektromagnetisk strålning och sänder ut denna genom en antenn som är placerad i vågledaren. Vågledarens mynning kan ses i figur 3.1b. Vågledaren är rektangulär och har följande dimensioner:
Bredd : 8,7 cm Höjd : 4,5 cm Längd : 14,5 cm
Antennens centrum är placerad 12 cm från vågledarens mynning. Detta avstånd motsvarar mikrovågornas våglängd vid frekvensen 2450 Mhz.
Energigeneratorn är av modell Magdrive 1000, Figur 3.2. Denna tillför magnetronen en effekt av 1300 W. Energigeneratorn kopplas direkt i ett 220 Volts vägguttag. Från denna går tre stycken högspänningskablargenom lådans vägg till magnetronen varv en är jord.
Från energigeneratorn går även en kommunikationskabel som ansluts i datorns COM‐
port. Med den medföljande programvaran kan sedan magnetronens på‐ och avstängning styras från datorn och uteffekten kan regleras steglöst mellan 15 och 100 %.
Figur 3.2. Energigenerator Magdrive 1000.
Magnetronens driftförhållande kan mätas genom att en voltmeter kontrollera anodströmmen över de två stiften som finns bredvid jordanslutningen på energigeneratorn, Figur 3.2. Om voltmetern visar över 390 mV vilket motsvarar 390 mA kommer anodspänningen att bli för låg och magnetronen kommer att ta skada, gå sönder.
Anodspänningen beräknas genom att effekten divideras med strömmen och ska ligga mellan 3,8‐4,3 kV. Effekten ut ur magdriven vid 100% är 1300 W. Orsaken till för låg anodspänning kan vara att återstrålningen till magnetronen är stor, vilket kan bero på
Kapitel 3 Provuppställning
Uteffekten har bestämts av Gisip AB till 910 ± 35 W. Med en tillförd effekt av 1300 W ger detta en verkningsgrad av 70 ± 3 %. Med verkningsgrad avses omvandlingen från elektrisk energi till elektromagnetisk energi. Med vågledarens dimensioner kända medför detta en effekttäthet av 22,3 ‐ 24,1 W/cm2 vid vågledarens mynning.
3.2 Temperaturmätning
Det första alternativet var att mäta temperaturen med hjälp av termoelementtråd.
Fördelen med denna metod är att den ger mycket noggranna värden på temperaturen.
Nackdelen med denna metod är att den är tidsödande och provkropparna kan behöva att prepareras genom borrning eller att givare limmas fast på provkropparna. Den andra metoden som fanns tillgänglig var beröringsfri temperaturmätning med pyrometer.
Denna mäter inte lika korrekt som termoelementtråden men är mycket snabb och enkel att använda. Temperaturmätning med pyrometer är den metod som valts för försöken.
3.2.1 Beröringsfri temperaturmätning
ETI Raytemp 38 är produktnamnet på den pyrometer som använts i försöken. Denna finns i två olika modeller, det som skiljer dessa två åt är optiken i enheten. Den som använts i dessa försök är modell DT‐8838, Figur 3.3.
Kapitel 3 Provuppställning
Denna beröringsfria infraröda termometer, pyrometer, mäter yttemperaturen på en kropp. Enhetens optik känner av utsänd energi från kroppen vilken samlas och fokuseras mot en detektor. Enhetens elektronik översätter informationen till en temperatur som visas på enhetens LCD‐skärm. Enheten är även försedd med en diodlaser. Denna har endast till syfte att underlätta inriktningen av enheten mot den yta som ska mätas. Vid mätning hålls en knapp inne för att mäta temperaturen. Genom ett flertal funktioner kan sedan medeltemperaturen under mätnigen erhållas, liksom största och minsta uppmätta värde. Även temperaturdifferansen under mätperioden beräknas och visas direkt på LCD‐skärmen. I enheten kan även materialets emissivitet ställas in, Tabell 3.1.
Tabell 3.1. Värden för emissivitet hos några olika material [6]
Värden på emissiviteten Material Värde Keramik 0,90 – 0,94
Marmor 0,94
Cement 0,96
Asfalt 0,90 – 0,98 Jord 0,92 – 0,96 Tegel 0,93 – 0,96
Emissivitet är en term som beskriver ett materials förmåga att utsända elektromagnetisk strålning. Emissiviteten anges som en bråkdel av utstrålningstätheten hos en totalstrålare, svart kropp, vid samma temperatur. De flesta organiska material och målade/eller oxiderade ytor har en emissivitet på 0,95. Blanka och polerade ytor går ej att mäta korrekt.
För att mäta sådana ytor måste de täckas med matt svart färg. En viss felmarginal finns när mätning sker med denna metod. Noggrannheten finns bifogad enhetens manual och är enligt Tabell 3.2.
Tabell 3.2. Noggrannhet hos pyrometer [6].
Noggrannhet ETI Raytemp 38 Temperatur Max avvikelse
‐500C – ‐200C ±5,0 0C
‐200C – 2000C ±1,5% ±2,0 0C 2000C – 5380C ±2,0% ±2,0 0C 5380C – 10000C ±3,5% ±3,5 0C
Kapitel 3 Provuppställning
3.3 Läckagemätare
För att säkerställa att operatören under försöken inte utsätts för onormalt höga doser av mikrovågsstrålning används en läckagemätare för att kontrollera läckage från mikrovågsgeneratorn. Strålmätaren har liksom mikrovågsgeneratorn levererats av Gisip AB. Strålmätaren är tillverkad av Holaday industries och är av typ HI‐1801. Denna mäter läckande elektromagnetisk strålning i intervallet 0 – 10 milliwatt per kvadratcentimeter.
Enligt SSI får inte tidsmedelvärdet under 6 minuter överstiga 10 W/m2( 1 mW/cm2).
Figur 3.4. Läckagemätare HI‐1801.
3.4 Övrig utrustning
Annan utrustning som använts vid försöken är:
• Måttband & tumstock
• Aluminiumformar & aluminiumfolie
• Griptång
• Voltmeter
Kapitel 4 Laborationsförsök
4 Laborationsförsök
4.1 Bestämning av uteffekt
Leverantören av Mikrovågsutrustningen, Gisip AB, har kontrollerat uteffekten från denna och fastställt den till 910 ± 35 W. Bestämning av uteffekten har gjorts genom att 1 liter vatten bestrålats och temperaturökningen hos denna massa har sedan mätts. Med vattnets specifika värmekapacitet känd kan uteffekten bestämmas med hjälp av ekvation 4.1 – 4.2 enligt ekvation 4.3.
T m c
W = ⋅ ⋅Δ (4.1)
t P
W = ⋅ (4.2)
t T m
P= c⋅ ⋅Δ (4.3)
4.2 Utförande
Provkropparna placeras framför vågledaren på ett avstånd av 15 mm (Se kapitel 2.7).
Ingen kavitet används vid försöken, detta för att minimera antalet felkällor och eftersom en brytningsmetod med mikrovågor kommer att ske utan sådan. Provkropparna placeras på ett stöd så att hela ytan är belägen inom vågledarens ram, Figur 4.1a och b.
Figur 4.1 a & b. Provkroppens placering framför vågledaren.
Kapitel 4 Laborationsförsök
Temperaturmätning sker med pyrometer genom en svepande rörelse över mantelytan på provkroppens främre del, Figur 4.2. En kontroll sker även bakåt i provkroppens axiella led för att fastställa om någon lokal temperaturmaximum finns.
Figur 4.2. Temperaturmätning sker i det markerade området.
För alla försök har uppmätt temperatur plottats i diagram och en trendlinje införts. För alla diagram visas R‐kvadratvärdet vilken är en indikator på hur väl uppmätta data överensstämmer med trendlinjen. R‐kvadratvärdet varierar mellan noll och ett. Desto närmare ett desto bättre anpassning till trendlinjen.
4.3 Avgränsningar och felkällor
Det bakomliggande målet med dessa försök är att utvärdera om mikrovågor genom uppvärmning kan försvaga en bergmassa så pass att den lätt kan lossgöras med högtrycksvatten eller någon mekanisk metod. Dessa försök avser i första hand att fastställa hur snabbt berg kan värmas och hur hållfastheten förändras. I försöken är bergproven ej inspända och ingen yttre barriär finns för att förhindra avkylning från omkringliggande luft. Vid uppvärmning i full skala kommer ett yttre tryck att finnas dock kommer berget även i detta fall att kylas av luft och förluster i form av ledning till omkringliggande berg kommer att ske. Avsikten är dock att erhålla en snabb
Kapitel 4 Laborationsförsök
4.4 Provserie A
I provserie A är bergarten diabas och består av sju provkroppar där tre stycken testas för att fastställa den enaxiella tryckhållfastheten för opåverkade provkroppar. Övriga fyra provkroppar bestrålas med mikrovågor under en viss tidsperiod. Temperaturmätning sker i intervall där temperaturen mäts genom att pyrometerns mätpunkt förs över mantelytan på provkroppens del närmast vågledaren. Vid varje temperaturmätning registreras maximal temperatur i tabell och plottas i diagram för att fastställa total temperaturökning. Data för provkroppar i serie A går att studera i tabell 4.1
Tabell 4.1. Data för provkroppar i Serie A.
Provserie A Prov nummer Längd, L
[mm]
Diameter, Φ [mm]
Massa, m [g]
Densitet, ρ [g/cm3]
1 95,7 47,6 465,16 2,73
2 95,7 47,6 461,07 2,71
3 95,8 47,4 460,86 2,73
4 95,8 47,5 461,91 2,72
5 95,8 47,4 466,21 2,76
6 95,8 47,5 470,24 2,77
7 95,8 47,3 460,17 2,73
Kapitel 4 Laborationsförsök
4.4.1 Prov # 2 Serie A
Den första provkroppen i Serie A som testades var prov # 2. Detta försök var ett inledande test då provuppställningen inte var testkörd med bergprover innan. Bergprovet placerades liggande på ett stöd av betong inklätt i aluminiumfolie för att undvika att stödet skulle värma provet genom ledning. Avståndet mellan vågledarens mynning och bergprovet var ca 1 mm. Bergprovet bestrålades med full effekt i intervaller om en minut.
Mellan dessa intervaller genomfördes temperaturmätning med pyrometern genom att denna fördes över mantelytan på provets främre del. Efter sex minuters bestrålning genomfördes en sista bestrålning av fyra minuter. Uppvärmningen under dessa 10 minuter resulterade i en linjär trend med en maximal uppnådd temperatur av 229 oC, se Diagram 4.1. Under försökets gång kontrollerades läckande strålning som uppgick till 40 – 50 W/m2 bakom provuppställningen. Dessa nivåer på läckande strålning är långt över gränsvärden om bestrålning ska ske under längre perioder.
T = 0,35t + 23,5
0 50 100 150 200 250
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Tid [ s ] Temperatur [ o C ]
Diagram 4.1. Prov # 2 Serie A. Uppvärmning utan kavitet under 10 minuter.
Kapitel 4 Laborationsförsök
För att minska exponeringen för läckande strålning bestrålades prov # 2 i serie A ytterligare en gång. Denna gång placerades bergprovet stående på samma stöd men i kaviteten. Avståndet mellan vågledare och bergprov uppgick till ca 20 mm. Bergprovet bestrålades i intervaller om 3 minuter. Temperaturmätning genomfördes enligt tidigare beskrivning. Maximal uppnådd temperatur efter denna bestrålningsperiod uppgick till 286,3 oC, se Diagram 4.2. Vid avslutat försök konstaterades att det aluminiumbeklädda betongstödet uppnått en temperatur högre än bergprovet och att detta troligen påverkat temperaturen hos bergprovet. Temperaturökningen under de första 10 minuterna är linjär för att under senare delen av försökstiden snabbt avta. Genom att innesluta provet i kaviteten reducerades läckande strålning till obefintliga nivåer.
R2 = 0,9881
0 50 100 150 200 250 300 350
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800 1980 2160
Tid [ s ] Temperatur [ o C ]
Diagram 4.2. Prov # 2 Serie A. Uppvärmning i kavitet under 36 minuter.