УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ СВЧ-ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к технике обработки зерна и других сыпучих сельскохозяйственных материалов мощным электромагнитным полем сверхвысокой частоты (СВЧ) в непрерывном потоке и может использоваться на предприятиях по производству и переработке зерна, в элеваторной и хлебопекарной промышленности с целью обеззараживания и сушки зерна и семян сельскохозяйственных растений.
11
Известно устройство для непрерывной СВЧ-сушки сыпучих материалов, содержащее трубопровод для подачи материала, необходимое число СВЧ-генераторов, соединенных с трубопроводом подводящими прямоугольными волноводами, а также поглощающие нагрузки в волноводах, необходимые для уменьшения рассогласования трактов при изменении скорости подачи материала или его диэлектрических свойств, например, вследствие увлажнения [1]. Основной недостаток этого устройства состоит в значительной неравномерности создаваемого волной Н поля в радиальном направлении волновода, когда напряженность поля максимальна в центре его круглого сечения и быстро спадает к краям. Как следствие, чтобы получить равномерный прогрев обрабатываемого материала, необходимо выбирать диаметр камеры нагрева значительно меньше диаметра круглого волновода, а это неизбежно снижает производительность устройства. И, наоборот, для обеспечения высокой производительности следует увеличивать диаметр камеры нагрева, но тогда ухудшается равномерность обработки материала в поперечном сечении.
Известно устройство [2], содержащее трубопровод для подачи материала, проходящий через центр широкой стенки подводящего волновода. Недостатком данного устройства является ограниченная зона прогрева материала вследствие того, в частности, что диаметр трубопровода не может превышать четверти размера широкой стенки волновода, равной примерно половине длины волны, а длина участка СВЧ-воздействия на материал равна размеру узкой стенки волновода, меньшему половины длины волны (55 мм на стандартной частоте 2,45 ГГц). По этой причине устройство имеет низкую производительность, повысить которую без ухудшения равномерности обработки не представляется возможным.
Неравномерность СВЧ-нагрева имеет особое значение при обработке сельскохозяйственных материалов, относящихся к биообъектам. Так, если температура по центру камеры превысит некоторое допустимое значение, будут утрачены или значительно ухудшены посевные качества семян, а недостаточный нагрев вблизи стенок камеры не позволяет добиться требуемой степени обеззараживания.
Известна установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов, содержащая СВЧ-генератор, камеру с размещенными в ней блоком загрузки, выгрузки и транспортером, вентиляторы, волноводы, выходы которых введены в камеру, а входы соединены с СВЧ-генераторами, балластные поглотители, расположенные на внутренней поверхности стенок камеры напротив выходных раскрывов излучателей [3]. К недостаткам этого устройства относится сложность конструктивного решения и низкая надежность вследствие необходимости применения в рабочей камере механизма перемещения материала. Выполняющий эти функции вибрационно-лотковый или ленточный транспортер, находясь в зоне интенсивного СВЧ-облучения, должен быть полностью выполнен из радиопрозрачных материалов, свойства которых вступают в противоречие с требованиями механической прочности и долговечности узлов, работающих при динамических нагрузках. В результате снижается надежность установки, усложняется ее конструктивное исполнение.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является устройство для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем сверхвысоких частот, содержащее камеру нагрева, в качестве которой использован вертикальный трубопровод, выполненный в виде волновода для поля рабочей частоты, СВЧ-генераторы, соединительные волноводы, расположенные на двух противоположных стенках камеры нагрева и подключенные к ней под острым углом [4]. Устройство имеет простую конструкцию, при этом подключение подводящих волноводов к трубопроводу, служащему одновременно многомодовым волноводом, под острым углом к его оси уменьшает рассогласование СВЧ-трактов при изменении скорости подачи или диэлектрических свойств материала.
К недостаткам этого устройства, принятого за прототип, относятся снижение КПД за счет взаимного влияния СВЧ-излучателей, работающих на общую камеру нагрева. Между одновременно включенными излучателями неизбежно устанавливается паразитная связь, когда каждый из них в той или иной мере воздействует на другие через общую камеру и радиопрозрачные отверстия волноводов, вызывая дополнительный нагрев электровакуумных приборов, а значит, снижение КПД и надежности устройства в целом. Наклон волноводов по отношению к оси рабочей камеры, улучшая согласование отдельного излучателя, не исключает их взаимного влияния.
Недостатком прототипа, кроме того, является невысокая равномерность обработки материала в поперечном сечении, что обусловлено двухсторонней подачей СВЧ-энергии. При этом наибольшая напряженность поля будет создаваться в направлении излучения подводящих волноводов, т.е. с двух сторон потока материала. С двух других сторон воздействие возможно только отраженной энергией, а значит, с меньшей интенсивностью.
Задачей полезной модели является повышение энергетического КПД и надежности устройства, улучшение равномерности обработки с его помощью сельскохозяйственных материалов.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем сверхвысоких частот, содержащем камеру нагрева, в качестве которой использован вертикальный трубопровод, выполненный в виде волновода для поля рабочей частоты, СВЧ-генераторы, соединительные волноводы, расположенные на двух противоположных стенках камеры нагрева и подключенные к ней под острым углом, в качестве камеры нагрева использован вертикальный волновод квадратного сечения с размером стороны, равным длинной стенке соединительного волновода, при этом соединительные волноводы расположены на четырех стенках камеры попарно-оппозитно так, что каждая пара образована двумя волноводами, находящимися друг против друга на противоположных стенках камеры, причем их излучатели включены электрически противофазно, а каждая следующая пара смещена по высоте камеры на расстояние Н=1,5…2λ, где λ - длина волны СВЧ-излучения, и расположена на двух других стенках камеры, смежных по отношению к первой.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 представлен общий вид устройства для непрерывной СВЧ-обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов;
- на фиг.2 показаны зоны обработки материала в сечении А-А рабочей камеры;
- на фиг.3 показаны все зоны обработки материала.
а
а
α
Устройство содержит загрузочный бункер 1, рабочую камеру 2, соединительные волноводы 3, 4 и 5, 6 с установленными излучателями. Выполнение рабочей камеры в виде вертикального волновода квадратного сечения с размером стороны  (см. фиг.1), равным длинной стенке соединительного волновода, позволяет получать необходимую производительность установки выбором размера  из условия распространения того или иного типа волны в волноводе. Например, для основного типа волны Ню справедливо условие 0,5 λ<<λ, тогда при λ=12 см - длине волны стандартного СВЧ-диапазона, получаемое поперечное сечение камеры обеспечивает высокую производительность установки. Равномерность обработки достигается благодаря четырехстороннему пространственному расположению волноводов 3-6 на рабочей камере 2, как показано на фиг.1.
Устройство для непрерывной СВЧ-обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов работает следующим образом. Материал подается в бункер 1 и далее просыпается через вертикальную рабочую камеру, последовательно проходя зоны обработки излучателями 3, 4 и 5, 6. При этом первоначально излучатели 3, 4 создают два лепестка напряженности СВЧ-поля, форма которых условно показана в сечении А-А (фиг.2), не охватывая все сечение материала, а затем излучатели 5, 6 дополняют воздействие в сечении Б-Б (фиг.3), обрабатывая те зоны, которые были недоступны излучателям 3, 4.
В рабочей камере с разнесенными по высоте излучателями частицы зернового материала, находясь в свободном падении, многократно сталкиваются и поворачиваются относительно своего первоначального положения, попадая разной поверхностью в зоны наиболее интенсивного СВЧ-облучения. Это способствует дополнительному улучшению равномерности обработки материала.
Проблема взаимного влияния излучателей решена тем, что каждая пара магнетронов работает в противофазе, т.е. в разные полупериоды питающей сети. Например, в положительные полупериоды включены магнетроны 3, 4, в отрицательные - 5, 6. При этом магнетроны 3, 5 или 4, 6 включены одновременно, но это не приводит к взаимному «затеканию» электромагнитной энергии, поскольку между выходами их волноводов имеется значительный вертикальный слой материала, полностью заполняющий камеру, который при толщине Н=1,5…2λ обеспечивает затухание СВЧ-волн и, следовательно, отсутствие паразитной связи между указанными излучателями.
Благодаря отмеченным признакам заявленного решения увеличивается доля полезной СВЧ-энергии и уменьшаются непроизводительные потери на нагрев излучателей. Тем самым решается задача повышения КПД и увеличения надежности устройства вследствие понижения рабочей температуры магнетронов.
Общий положительный эффект от использования полезной модели состоит в повышении энергетического КПД, увеличении надежности устройства, улучшении качества обработки сельскохозяйственных материалов с его помощью. Суммарная СВЧ-мощность устройства может быть кратно повышена путем последовательного присоединения дополнительных секций, конструкция которых аналогична представленной на фиг.1, но не имеет бункера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ №2141180, кл. Н05В 6/64, 1999.
2. Авт. св. СССР №1582364, кл. Н05В 6/78, 1988.
3. Пат. РФ №2126606, кл. С1 (51) Н05В 6/64, F24C 7/02, F26B 3/32, 1986.
4. Пат. РФ №48243, кл. Н05В 6/64, 2004.