ВОЛНОВОДНАЯ НАГРУЗКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАСТВОРОВ, ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемая волноводная нагрузка для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов относится к области техники СВЧ, может быть использована для СВЧ-нагрева растворов на основе цемента, жидкостей и водных растворов, сыпучих материалов и СВЧ-обработки растворов на основе цемента, жидкостей и водных растворов, сыпучих материалов с целью каталитического воздействия на физические процессы или химические реакции, протекающие в обрабатываемом материале.
Известна волноводная нагрузка, поглощающая СВЧ колебания большой мощности [1]. Данная нагрузка состоит из отрезка волновода прямого или уголкового, в котором находится согласующий слой и поглощающая жидкость. К недостаткам этого типа нагрузок можно отнести высокую неравномерность поглощения СВЧ-мощности в объеме поглощающей жидкости, приводящую к низкому качеству конечного продукта, невозможность обработки сыпучих материалов, а также растворов и жидкостей с высокой вязкостью, значительные габариты.
Известна волноводная нагрузка с водяным охлаждением [2]. В нагрузке поглощающая секция выполнена на короткозамкнутом отрезке металлического цилиндра, диаметр которого равен наружному диаметру внешнего проводника, подводящей коаксиальной линии. В короткозамкнутый торец вставлены два штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды. Внутри цилиндра коаксиально с ним расположен полый диэлектрический стержень, по оси которого смонтирован спиральный проводник, причем диаметр спирали плавно увеличивается от входа поглощающей секции к выходу. В стенках стержня ближе к выходному концу нагрузки сделаны отверстия для прохода воды внутрь цилиндра. На входе нагрузки размещена шайба крепления внутреннего проводника, осуществляющая трансформацию сопротивления, подводящей линии к сопротивлению нагрузки. К недостаткам данной нагрузки можно отнести неравномерность поглощения СВЧ-мощности в объеме поглощающей жидкости, приводящую к низкому качеству конечного продукта, невозможность обработки сыпучих материалов, а также растворов и жидкостей с высокой вязкостью.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым в качестве прототипа является волновод, предназначенный для поглощения СВЧ энергии [3]. Волновод, предназначенный для поглощения СВЧ энергии, представляет собой отрезок прямоугольного волновода, внутри которого расположена наклонно к его продольной оси и к его широким стенкам трубка, выполненная из диэлектрика с низкими потерями и обеспечивающая циркуляцию жидкости, эффективно поглощающей СВЧ энергию. Трубка входит в прямоугольный волновод и выходит из него через отверстия в узких стенках волновода, причем входное и выходное отверстия благодаря наклону трубки относительно продольной оси волновода оказываются смещенными одно относительно другого вдоль волновода на W. Для увеличения эффективности поглощения СВЧ энергии трубке придается синусоидальная форма, так что внутри волновода располагается несколько параллельных отрезков трубки, смещенных одна относительно другой вдоль оси волновода на λ/4.
Недостатком данной конструкции нагрузки является неравномерность поглощения СВЧ-мощности в объеме поглощающей жидкости, приводящую к низкому качеству конечного продукта, затрудненное перемещение растворов и жидкостей с высокой вязкостью.
Техническим результатом, на решение которого направлена полезная модель, является повышение равномерности распределения электромагнитных СВЧ-полей и поглощения СВЧ-мощности в обрабатываемом материале, что обеспечивает высокое качество конечного продукта при обработке материалов, имеющих диэлектрическую проницаемость ε до 80, а также возможность обработки растворов и жидкостей с высокой вязкостью.
Технический результат достигается тем, что в известной волноводной нагрузке, содержащей короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода, внутри которого установлена диэлектрическая трубка, предназначенная для транспортировки материалов, отрезок прямоугольного волновода имеет ширину (0,98±0,02)λ, высоту (0,58±0,015)λ, длину (2,1±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, на входе отрезка прямоугольного волновода расположена согласующая диафрагма, при этом расстояние от нее до оси диэлектрической трубки составляет (1,20±0,01)λ, кроме того, диэлектрическая трубка имеет диаметр в пределах от 0,4λ до 0,56λ, проходит через отверстия прямоугольного волновода и расположена в отрезке прямоугольного волновода перпендикулярно к его узким стенкам и симметрично относительно широких стенок, при этом оба конца диэлектрической трубки, выходящие за пределы прямоугольного волновода, помещены в металлические трубки, внутренний диаметр которых больше внешнего диаметра диэлектрической трубки в пределах от 0,5 до 2 мм.
Взаимное положение и размеры всех предложенных элементов заявленной полезной модели определены экспериментально и позволяют построить волцоводную нагрузку для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов с высокой равномерностью распределения электромагнитных СВЧ-полей и поглощения СВЧ-мощности в обрабатываемом материале, что позволяет получать конечной продукт высокого качества, причем материалы могут иметь диэлектрическую проницаемость ε до 80.
При этом диэлектрическая трубка диаметром в пределах от 0,4λ до 0,56λ обеспечивает возможность транспортировки растворов и жидкостей с высокой вязкостью, а также сыпучих материалов за счет достаточного поперечного сечения внутреннего проходного отверстия.
А согласующая диафрагма обеспечивает согласование волноводной нагрузки для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов с волноводным трактом, по которому подводится СВЧ-мощность.
Металлические трубки, расположенные снаружи отрезка прямоугольного волновода, в которые помещена диэлектрическая трубка на выходе из отрезка прямоугольного волновода, в случае отсутствия в диэлектрической трубке обрабатываемого материала представляют собой запредельные волноводы, которые обеспечивают локализацию электромагнитного поля внутри отрезка прямоугольного волновода при случайном или преднамеренном прекращении транспортировки обрабатываемого материала.
В частном случае предлагаемая волноводная нагрузка для облегчения транспортировки обрабатываемого материала дополнительно может содержать шнек, расположенный внутри диэлектрической трубки.
В другом частном случае для получения лучшего согласования в процессе обработке материалов с различными значениями диэлектрической проницаемости согласующая диафрагма может быть выполнена в виде сменной симметричной или односторонней диафрагмы.
Кроме того, в частном случае для обеспечения удобства согласования в процессе обработке материалов с различными или изменяющимися во времени значениями диэлектрической проницаемости может быть установлена согласующая диафрагма в виде симметричной или односторонней диафрагмы, выполненной с возможностью регулировки размеров.
На фиг. 1 приведен пример реализации предлагаемой полезной модели волноводной нагрузки для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов.
Волноводная нагрузка для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов содержит стандартный подводящий волновод 1, согласующую диафрагму 2, отрезок прямоугольного волновода 3, диэлектрическую трубку 4, металлические трубки 5, короткозамыкающую пластину 6.
Волноводная нагрузка для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов работает следующим образом.
10
Бегущая по подводящему волноводу 1 электромагнитная волна Н проходит через согласующую диафрагму 2, размеры которого определяются диэлектрической проницаемостью обрабатываемого материала, и попадает в отрезок прямоугольного волновода 3. Распространяющаяся в отрезке прямоугольного волновода 3 волна частично поглощается в обрабатываемом материале, размещенном в диэлектрической трубке 4. При Отсутствии в диэлектрической трубке обрабатываемого материала волна, проходящая через металлические трубки 5, экспоненциально затухает. Прошедшая через обрабатываемый материал часть электромагнитной волны отражается от короткозамыкающей пластины 6, образующей совместно с согласующей диафрагмой 2 и отрезком прямоугольного волновода 3 резонатор, нагруженный на обрабатываемый материал.
Высокая равномерность распределения электромагнитных СВЧ-полей и поглощения СВЧ-мощности в обрабатываемом материале, а также качество конечного продукта обработки подтверждено экспериментально на макетах заявленного устройства, которые экспериментально исследованы с генераторами СВЧ мощностью от 0,5 до 5 кВт и частотой 2450 МГц. На макетах проводилась каталитическая проточная обработка вязких растворов на основе цемента, нагрев воды, а также сыпучих материалов в виде цементно-песчаной смеси.
В случае обработки в волноводной нагрузке материалов с различными значениями диэлектрической проницаемости согласующая диафрагма может представлять собой сменную диафрагму. Традиционно сменная диафрагма выполняется в виде симметричной диафрагмы. Сменная диафрагма также может быть выполнена в виде односторонней диафрагмы, что может быть более удобно при изготовлении, и не приводит к ухудшению согласования волноводной нагрузки. В случае необходимости проведения согласования в процессе обработке материалов с различными или изменяющимися во времени значениями диэлектрической проницаемости для обеспечения удобства согласования может быть установлена согласующая диафрагма в виде симметричной диафрагмы, выполненной с возможностью регулировки размеров. Согласующая диафрагма с возможностью регулировки размеров может быть выполнена в виде односторонней диафрагмы, что является более удобным при практической реализации волноводной нагрузки.
Таким образом, предложенная волноводная нагрузка для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов за счет высокой равномерности распределения электромагнитных СВЧ-полей и поглощения СВЧ-мощности в обрабатываемом материале обеспечивает высокое качество конечного продукта при обработке материалов, имеющих диэлектрическую проницаемость ε до 80, а также возможность обработки растворов и жидкостей с высокой вязкостью. Кроме того, она позволяет транспортировать большой объем обрабатываемого материала, что обеспечивает высокую производительность установок на основе предлагаемой полезной модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. В.П. Шестопалов, А.А. Кириленко, Л.А. Рудь. Резонансное рассеяние волн. Волноводные неоднородности. Т. 2. - Киев: Наукова Думка, 1986 г., с. 157-160.
2. US 3633131, 24.04.1970.
3. GB 1372697 А, 21.11.1970 г.