МИКРОВОЛНОВЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗООБРАЗНОЙ, ЖИДКОЙ ИЛИ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ)

Микроволновый нагреватель газообразной, жидкой или сыпучей среды (варианты).
Техническое решение относится к области технологии микроволновой обработки газообразных, жидких и сыпучих сред и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и техники: в сельском хозяйстве, медицине, в пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки газообразных, жидких или сыпучих сред.
Известны устройства микроволновых нагревателей для СВЧ обработки жидких и сыпучих сред см. например, патент РФ 2074530 от 27.02.1997 г. МПК Н 05 В 6/64 Микроволновый нагреватель жидких сред. Формирование распределения в устройстве такого типа обеспечивается спиральным проводником, намотанным на диэлектрической трубе, по которой протекает обрабатываемая жидкость. В таких устройствах решается задача согласования генератора СВЧ, что обеспечивает эффективный нагрев жидкости, но при этом не решается задача формирования распределения энергии, отдаваемой жидкости вдоль нагревательного элемента.
Прототипом изобретения является Патент США 4221948 от 09.09.1980 МПК Н 05 В 9/06 Apparatus for subjecting a material to electromagnetic waves (Аппарат для обработки материалов электромагнитными волнами).
Микроволновая обработка в устройствах представленных в данном патенте производится микроволновым нагревателем, состоящим либо из отдельного излучателя - линейной антенны (штырь, спираль), либо из системы дискретных излучателей электромагнитной энергии - (волноводно-щелевые решетки), погруженных в среду с потерями. Недостатком этих устройств является то, что, они не обеспечивают требуемую равномерность
распределения электромагнитной энергии в обрабатываемой среде с потерями в результате того, что система дискретных излучателей в среде с потерями формирует локальное воздействие электромагнитного поля на обрабатываемую среду в непосредственной близости от излучателя. А линейные антенны типа штырь, спираль формируют в среде с потерями спадающее распределение тока в антенне, что приводит к неравномерности обработки. Входное сопротивление таких нагревателей в сильной степени зависит от электромагнитных параметров обрабатываемой среды, (см. например Р. Кинг, Г. Смит Антенны в материальных средах. М. «Мир» 1984 г. т.2 ст.447-449) поэтому при изменении в широких пределах параметров этой среды трудно обеспечить режим согласования источника электромагнитной энергии с микроволновым нагревателем. Производительность установок, работающих с такими нагревателями, ограничена в частности, максимально допустимой плотностью электромагнитной энергии, формируемой в обрабатываемой среде вблизи поверхности отдельных излучателей. Это ограничивает мощность СВЧ сигнала, подводимого к микроволновому нагревателю.
Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения, заключается в формировании заданного распределения электромагнитной энергии СВЧ в трубопроводе с обрабатываемой средой, характеризующейся наличием электромагнитных потерь, вдоль микроволнового нагревателя, обеспечение режима согласования источника электромагнитной энергии с микроволновым нагревателем при изменении в широких пределах электромагнитных параметров обрабатываемой среды.
пр
Решаемая техническая задача в микроволновом нагревателе газообразной, жидкой или сыпучей среды в первом его варианте, состоящем из трубопровода диаметром dip для обрабатываемой среды, на торцевой стенке которого расположен патрубок для ввода обрабатываемой среды и коаксиальный ввод энергии СВЧ, центральный проводник которого соединен с металлическим проводником длиной Lnp и диаметром d,
пр
пp
пр
тр
тр
пр
пр
пр
тр
пр
расположенным внутри трубопровода вдоль него, достигается тем, что металлический проводник выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого d(z) изменяется на длине L в пределах от 0<d<d и размещен в изолирующей радио прозрачной трубе длинной L>L переменного поперечного сечения, диаметр которой d(z) по длине трубы изменяется в пределах от d<d<d, где Z - продольная ось трубопровода 1.
пp
пр
пp
пр
Решаемая техническая задача в микроволновом нагревателе газообразной, жидкой или сыпучей среды во втором его варианте, состоящем из трубопровода диаметром d для обрабатываемой среды на торцевой стенке которого расположен патрубок для ввода обрабатываемой среды и коаксиальный ввод энергии СВЧ, центральный проводник которого соединен с металлическим проводником длиной L и диаметром d, расположенным внутри трубопровода вдоль него, достигается тем, что металлический проводник выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого d(z) изменяется на длине Lnp в пределах от 0<dnp<do6, размещен в изолирующей радио прозрачной трубе длиной Lo6, диаметром do6 вокруг которой установлены 1<;n<7tdp/der механически связанных между собой продольных металлических стержней диаметром dpr, образующих решетку, одним концом которые соединены с торцевой стенкой трубопровода и образуют относительно оси трубы криволинейную цилиндрическую фигуру длиной Lcr<Lo6 с диаметром dp, изменяющимся ^ВДОЯь оси трубы в пределах do6<dp(z)<drp, где Z - продольная ось трубопровода 1, n - целое число.
Решаемая техническая задача в микроволновом нагревателе газообразной, жидкой или сыпучей среды в третьем его варианте, состоящем из трубопровода диаметром d^p для обрабатываемой среды на торцевой стенке которого установлены патрубок для ввода обрабатываемой среды и коаксиальный ввод энергии СВЧ, центральный проводник которого
соединен с металлическим проводником длиной Lnp и диаметром d"p, расположенным внутри трубопровода вдоль него, достигается тем, что металлический проводник выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого d"p(z) изменяется на длине Lnp в пределах от 0<dnp<dM, размещен в изолирующей радио прозрачной трубе диаметром do6 в которую вставлена металлическая труба длиной L" и диаметром d^doc, соединенная одним концом с торцевой стенкой трубопровода, а стенки металлической трубы перфорированы отверстиями с размерами d^(z) изменяющимися вдоль оси трубы в пределах (^от(г)<Л/2 и
расположенными на стенках металлической трубы с переменным шагом, изменяющимся в пределах 0<8(г)<Ьм, где Z - продольная ось трубопровода 1.
На фигуре 1 показано продольное сечение микроволнового
нагревателя газообразной, жидкой или сыпучей среды с изолирующей
радиопрозрачной трубой переменного поперечного сечения его первый
вариант.
На фигуре 2 показано продольное сечение микроволнового
нагревателя газообразной, жидкой или сыпучей среды с продольными
металлическими стержнями вокруг изолирующей радиопрозрачной трубы
его второй вариант.
На фигуре 3 показано поперечное сечение микроволнового
нагревателя газообразной, жидкой или сыпучей среды с продольными
металлическими стержнями вокруг изолирующей радиопрозрачной трубы
его второй вариант.
На фигуре 4 показано продольное сечение микроволнового
нагревателя газообразной, жидкой или сыпучей среды с металлической
перфорированной трубой его третий вариант.
Микроволновый нагреватель газообразной жидкой или сыпучей
среды по фигуре 1, его первый вариант, состоит из трубопровода 1
диаметром d,p для обрабатываемой среды 2, на торцевой стенке 3 которого
5 расположен патрубок 4 для ввода обрабатываемой среды 2 и коаксиальный ввод энергии СВЧ 5, центральный проводник которого 6 соединен с металлическим проводником 7 длиной L"p и диаметром dnp, расположенным внутри трубопровода 1 вдоль него, а металлический проводник 7 выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого dnp(z) изменяется на длине Lnp в пределах от 0<dnp<do6 и размещен в изолирующей радио прозрачной трубе 8 длинной L^Lnp переменного поперечного сечения, диаметр которой do6(z) по длине трубы 8 изменяется в пределах от dnp<do6<drp. Коаксиальный ввод энергии СВЧ 5 соединен с источником энергии СВЧ 12.
Микроволновый нагреватель газообразной жидкой или сыпучей среды по фигурам 2 и 3, его второй вариант, состоит из трубопровода 1 диаметром drp для обрабатываемой среды 2, на торцевой стенке которого 3 расположен патрубок 4 для ввода обрабатываемой среды 2 и коаксиальный ввод энергии СВЧ 5, центральный проводник которого 6 соединен с металлическим проводником 7 длиной Lnp и диаметром dnp, расположенным внутри трубопровода 1 вдоль него, а металлический проводник 7 выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого dnp(z) изменяется на длине Lnp в пределах от 0<dnp<do6 и размещен в изолирующей радио прозрачной трубе 8 длиной Lo6, диаметром do6 вокруг которой с установлены 1^n<7cdp/dcr механически связанных между собой продольных металлических стержней 9 диаметром dcr, составляющих решетку, одним концом которые соединены с торцевой стенкой 3 трубопровода 1 и образуют относительно оси трубопровода 1 криволинейную •цклиндрическую фигуру длиной Lcr<Lo6 с диаметром dp, изменяющимся вдоль оси трубы 8 в пределах do6<dp(z)<d-rp. Коаксиальный ввод энергии СВЧ 5 соединен с источником энергии СВЧ 12, n - целое число.
Микроволновый нагреватель газообразной, жидкой или сыпучей среды по фигуре 4, его третий вариант, состоит из трубопровода 1
6 диаметром drp для обрабатываемой среды 2, на торцевой стенке которого 3 расположен патрубок для ввода обрабатываемой среды 4 и коаксиальный ввод энергии СВЧ 5, центральный проводник которого б соединен с металлическим проводником 7 длиной L"p и диаметром dnp, расположенным внутри трубопровода 1 вдоль него, а металлический проводник 7 выполнен по длине переменного поперечного сечения, диаметр которого dnp(z) изменяется на длине Lnp в пределах от 0<dnp<do6 и размещен в изолирующей радио прозрачной трубе 8 длиной Lo6, диаметром do6 в которую вставлена металлическая труба 10 длиной L" и диаметром dM<do6, соединенная одним концом с торцевой стенкой 3 трубопровода 1, а стенки металлической трубы 10 перфорированы отверстиями 11 с размерами do^z) изменяющимися вдоль оси трубы 8 в пределах 0<dOT(z)<V2 и расположенными на стенках металлической трубы 10 с переменным шагом, изменяющимся в пределах 0<8(г)<±м. Коаксиальный ввод энергии СВЧ 5 соединен с источником энергии СВЧ 12.
Работа микроволнового нагревателя газообразной жидкой или сыпучей среды, в первом и втором вариантах, осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия СВЧ, подведенная от источника энергии СВЧ 12 на коаксиальный ввод энергии СВЧ 5, распространяется в трубопроводе 1 с металлическим проводником 7, которые вместе образуют коаксиальную линию со слоистым заполнением. Это заполнение формируется из слоя обрабатываемой среды 2, стенки изолирующей радио ' прозрачной трубы 8 и слоя воздушной среды, заполняющей изолирующую радио прозрачную трубу 8. Толщина слоев слоистого заполнения коаксиальной линии изменяется вдоль трубопровода 1 в соответствии с изменением диаметра изолирующей радио прозрачной трубы 8 и диаметра металлического проводника 7. Благодаря этому, интенсивность взаимодействия электромагнитного поля в коаксиальной линии с обрабатываемой средой 2 вдоль трубопровода 1 изменяется в соответствии с изменением толщины слоя обрабатываемой среды 2. Таким образом,
7 путем изменения диаметра изолирующей радио прозрачной трубы 8 вдоль трубопровода 1 обеспечивается формирование распределения э\м поля в обрабатываемой среде 2 вдоль трубопровода 1, которое для первого и второго вариантов определяется распределением потерь электромагнитной энергии в слое с обрабатываемой средой 2 в коаксиальной линии, см. например, Семенов Н.А. Техническая электродинамика, изд. «Связь» 1973г. ст.240,241. Путем изменения поперечного сечения металлического проводника 7 вдоль трубопровода 1 формируется требуемая широкополосность частотной характеристики входного сопротивления коаксиальной линии на входе коаксиального ввода энергии СВЧ 5, см. например Семенов Н.А. Техническая электродинамика, изд. «Связь» 1973г. ст. 369-380. Это позволяет обеспечить согласование микроволнового нагревателя с источником СВЧ энергии 12 при изменении в широком диапазоне электромагнитных параметров обрабатываемой среды 2.
В случае микроволнового нагревателя по фигурам 2 и 3, его второй вариант, содержащим вокруг изолирующей радио прозрачной трубы 8 установлены 1<n<7idp/dcr, соединенных с торцевой стенкой 3 трубопровода 1, механически связанных между собой продольных металлических стержней 9 диаметром d^. Функцию наружного проводника коаксиальной линии со слоистым заполнением выполняют п продольных металлических стержней 9, а изолирующая радио прозрачная труба 8 вдоль своей оси при этом может быть выполнена постоянного сечения. В такой конструкции толщина слоя обрабатываемой среды 2, взаимодействующей с полем в линии, определяется положением п продольных металлических стержней 9, установленных на диаметре dcr(z) относительно изолирующей радио прозрачной трубы 8. При этом поперечное сечение слоя обрабатываемой среды 2 переносимой в трубопроводе 1 между стенками трубопровода 1 и изолирующей радиопрозрачной трубой 8 остается вдоль трубопровода постоянным, а сама среда 2, свободно проникая через решетку из п продольных стержней 9, хорошо перемешивается в результате
8 турбулентности потока и теплового конвекционного теплообмена. Число стержней п выбирается из условия реализации эквивалентного диаметра наружного проводника коаксиальной линии при его замене системой металлических стержней 9 (см. например С. И. Надененко Антенны, «Связьиздат», 1959г, ст. 157). Это обеспечивает равномерность потока обрабатываемой среды 2 в трубопроводе 1 и соответственно улучшает равномерность микроволновой обработки среды 2.
В случае микроволнового нагревателя по фигуре 4, его третий вариант, электромагнитная энергия СВЧ, подведенная от источника энергии СВЧ 12 на коаксиальный ввод энергии СВЧ 5, распространяется в перфорированной металлической трубе 10 с расположенным в ней вдоль ее оси металлическим проводником 7, как в коаксиальной линии с воздушным заполнением. Металлическая труба 10, соединенная одним концом с торцевой стенкой 3 трубопровода 1, образуют с этим трубопроводом коаксиальную линию, заполненную обрабатываемой средой 2. Электромагнитная энергия из коаксиальной линии с воздушным заполнением через отверстия 11 в перфорации стенок металлической трубы 10 проникает в коаксиальную линию с обрабатываемой средой 2 и взаимодействует с ней. Распределение электромагнитной энергии СВЧ в обрабатываемой среде 2 вдоль линии определяется размерами и распределением отверстий в перфорации вдоль линии, параметры которых могут быть определены, см. например Семенов Н.А. Техническая электродинамика, изд. «Связь» 1973г. ст.347-349. Путем изменения поперечного сечения металлического проводника 7 вдоль трубопровода 1 формируется требуемая широкополосность частотной характеристики входного сопротивления коаксиальной линии на входе коаксиального ввода энергии СВЧ 5, см. например Семенов Н.А. Техническая электродинамика, изд. «Связь» 1973г. ст. 369-380. Это позволяет обеспечить согласование микроволнового нагревателя с источником СВЧ энергии 12 при изменении в
9 широком диапазоне электромагнитных параметров обрабатываемой среды 2.
Длина металлического проводника 7 L"p выбирается исходя из размеров требуемой области взаимодействия электромагнитного поля в трубопроводе 1. Оценка входного сопротивления микроволнового нагревателя может быть произведена по методике расчета неоднородных линий с потерями.