УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ НАГРЕВА ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД В ЕМКОСТЯХ
DEVICE FOR MICROWAVE HEATING OF LIQUID DIELECTRIC MEDIUMS IN RESERVOIRS

Изобретение относится к устройствам СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях различных размеров.
Известны и широко применяются устройства для нагрева жидких или газообразных сред на основе теплоэлектронагревателей (ТЭНов) [1], в которых нагревательный элемент размещен внутри произвольного объема, и тепло с поверхности ТЭНа конвективно нагревает весь объем. Эффективность нагрева в этих устройствах определяется величиной подводимой мощности, объемом нагреваемой среды и предельно допустимой температурой поверхности нагрева.
Недостатками таких устройств является то, что нагрев носит локальный характер, что может приводить к перегреву среды у поверхности ТЭНа и изменению ее свойств, а это в свою очередь ограничивает применение таких устройств, в частности, для нагрева пожароопасных жидкостей и газов.
Известны различные устройства для объемного нагрева диэлектрических сред, использующие СВЧ излучение (резонаторного и волноводного типа) [2].
В устройстве резонаторного типа емкость с нагреваемой средой размещается в резонаторной камере, в которую вводится СВЧ энергия через щель связи от СВЧ генератора. Размеры камеры выбираются в зависимости от частоты и обеспечивают максимальный отбор энергии от СВЧ генератора, при этом нагреваемый объект размещается в резонаторной камере, как правило, в местах, где напряженность магнитного поля максимальная. Типичным примером такого устройства является бытовая СВЧ печь.
В устройствах волноводного типа реализуется способ СВЧ обработки материалов в свободном пространстве, при этом рабочая камера имеет произвольные размеры, позволяющие обрабатывать изделия больших размеров (например, установки для СВЧ сушки древесины). Достоинством СВЧ нагрева по сравнению с ТЭНом является объемное тепловыделение и равномерный прогрев материала.
Известно устройство для СВЧ нагрева жидкостей, включающее СВЧ генератор, соединенный с волноводом [3] - прототип.
Недостатками устройств резонаторного и волноводного типа, в том числе и прототипа, является то, что при использовании емкостей, имеющих различные размеры и заполненных различными средами, подвергающимися нагреву, весьма сложно добиться эффективного согласования и отбора мощности от СВЧ генератора. Кроме того, в самой емкости часто устанавливаются различного рода конструктивные металлические элементы, которые практически исключают возможность предсказания распределения электромагнитного поля в объеме. Из-за трудностей согласования, особенно в случае слабо поглощающих сред, резко увеличивается напряженность поля в объеме, что увеличивает опасность электрического пробоя и ужесточает требования к предельной величине КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения) магнетрона. Электрический пробой в случае нагрева пожароопасных жидкостей, например, масел, может привести к возгоранию жидкости, а увеличение отраженной волны - к выходу СВЧ генератора из строя или необходимости установления на выходе асимметричных специальных развязок, что приведет к резкому увеличению стоимости СВЧ генератора.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности нагрева жидких диэлектрических сред, а также повышение надежности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях, включающем СВЧ генератор, соединенный с волноводом, во внутренней полости волновода расположен тонкостенный поглотитель СВЧ энергии, имеющий развитую поверхность теплообмена и выполненный с возможностью пропускания нагреваемой среды, при этом волновод выполнен с отверстиями для сообщения его внутренней полости с нагреваемой средой.
-8
При этом волновод может быть выполнен из электропроводного материала, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 3·10 Ом·м.
Поглотитель СВЧ энергии может быть расположен в нижней части волновода.
Торец волновода может быть закрыт металлической стенкой.
Устройство дополнительно может быть снабжено кожухом и фланцем для установки волновода в емкости, при этом СВЧ генератор может быть расположен в кожухе, установленном на фланце, а во фланце могут быть выполнены отверстия, соединяющие полость кожуха и полость емкости для нагреваемой среды.
Расположение во внутренней полости волновода тонкостенного поглотителя СВЧ энергии, имеющего развитую поверхность теплообмена [4] и выполненного с возможностью пропускания нагреваемой среды, а также выполнение волновода с отверстиями для сообщения его внутренней полости с нагреваемой средой обеспечивает интенсивное перемешивание среды за счет создания конвенционных потоков и обеспечивает поглощение энергии при нагреве сред в емкости, что снижает до минимального уровня напряженность электрического поля в объеме и повышает надежность функционирования СВЧ генератора, а соответственно и всего устройства в целом.
Данное устройство может быть использовано также для нагрева газовых диэлектрических сред.
В данном случае под поглотителем СВЧ энергии понимается такое устройство, конструкция которого позволяет полностью или в большей степени обеспечить поглощение излучаемых СВЧ генератором электромагнитных волн.
Поглотитель СВЧ энергии может иметь различные размеры и конструкцию, например, он может представлять собой трехмерную конструкцию: замкнутую или незамкнутую, полую или заполненную, перфорированную и др. Поглотитель СВЧ энергии может быть выполнен, например, в виде пространственной решетки или может представлять собой конструкцию, составными частями которой являются соты и т.д.
При этом выбор размеров и конструктивного выполнения поглотителя в большей степени зависят от максимальной температуры нагрева поглотителя и степени поглощения поглотителем излучения от СВЧ генератора и в меньшей степени от размеров используемого в устройстве волновода. Температура нагрева поглотителя является весьма существенной для разогрева пожароопасных жидкостей, поэтому она должна быть такой, чтобы не допустить возможности возгорания либо изменения физических свойств нагреваемой жидкости (например, для масел - не более 120°С на поверхности).
Для обеспечения получения конвекционных потоков и повышения интенсивности перемешивания среды оптимальным является расположение поглотителя СВЧ энергии в нижней части волновода, что приводит к более интенсивному нагреву этой части волновода. Данное расположение поглотителя позволяет, несмотря на снижение плотности потока, получить тепловыделение и температуру выше, чем в верхней части емкости, что обеспечивает формирование конвекционных потоков нагреваемой среды и ее перемешивание.
-8
С целью увеличения поглощения мощности и уменьшения величины отраженной волны в качестве материала волновода используют электропроводный материал с высоким удельным электрическим сопротивлением (не менее 3·10 Ом·м). Для увеличения эффективности воздействия на конвекционные потоки из такого материала может выполняться только часть, в частности нижняя часть волновода.
Размеры волновода выбираются стандартными в соответствии с рабочей частотой генератора. Так, для частоты f=2459 МГц предпочтителен волновод 90×45 мм.
Размер и расположение отверстий в волноводе может быть различным. Выполнение в волноводе отверстий обеспечивает перетекание среды из внутренней полости волновода в полость емкости с нагреваемой средой и одновременно обеспечивает излучение части СВЧ энергии в окружающий объем (в полость емкости).
Предложенное изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображен общий вид устройства для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкости.
Устройство для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред включает СВЧ генератор 1, волновод 2, соединенный с СВЧ генератором 1, тонкостенный поглотитель 3 СВЧ энергии, расположенный во внутренней полости 4 волновода 2 и выполненный из диэлектрического материала. При этом поглотитель 3 СВЧ энергии имеет развитую поверхность теплообмена и выполнен с возможностью пропускания нагреваемой среды. Размеры и конструкция поглотителя 3 зависят от максимальной температуры нагрева последнего и размеров волновода 2. Волновод 2 выполнен с отверстиями 5 для сообщения его внутренней полости 4 с нагреваемой средой.
СВЧ генератор 1 включает магнетрон с вентилятором (на чертеже не показаны), предназначенным для охлаждения магнетрона.
Для более компактного размещения устройства оно может содержать фланец 6 для установки волновода 2 в емкость 7 и кожух 8, установленный на фланце 6 и в котором расположен СВЧ генератор 1. При этом во фланце 6 могут быть выполнены отверстия 9 для сообщения полости 10 кожуха 8 с полостью 11 емкости 7 для нагреваемой диэлектрической среды. В этом случае фланец 6 состыкован с патрубком, соединенным с кожухом системы охлаждения теплоотводящих ребер магнетрона (на чертеже не показаны).
Торец волновода 2, предназначенный для установки в емкость 7, может быть выполнен как открытым, так и закрытым, например металлической стенкой 12.
Устройство для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред функционирует следующим образом. Излучение от магнетрона СВЧ генератора 1 поступает в волновод 2, где происходит его преобразование в тепловую энергию за счет следующих процессов. Часть СВЧ энергии поглощается находящейся в емкости 7 диэлектрической средой, например жидкостью, в том числе и через отверстия 5 волновода 2, выделяя тепло. При этом нагрев диэлектрической среды осуществляется также за счет выделения тепла от стенок волновода 2 и от поглотителя 3. Нагрев и выделение тепла от поглотителя 3 формирует конвекционные потоки нагреваемой среды, что способствует повышению интенсивности перемешивания. Через отверстия 5 в волноводе 2 диэлектрическая среда из внутренней полости 4 волновода 2 свободно перемещается в полость 11 емкости 7 и обратно.
Кроме того, тепловая энергия, выделяющаяся на аноде магнетрона, через теплоотводящие ребра магнетрона, с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, через отверстия 9 во фланце 6 подается в емкость 7 с нагреваемой средой.
Таким образом, конструктивное выполнение заявленного устройства обеспечивает практически полное поглощение энергии при нагреве сред в емкости различных размеров, а также обеспечивает условия для надежного функционирования СВЧ генераторов и снижает до минимального уровня напряженность электрического поля в объеме, что позволяет использовать заявленное устройство при нагреве органических жидкостей (в частности, масел, мазута и пр.), для которых упомянутые факторы снижения пожароопасности особенно существенны.
Источники информации
1. Электротехнический справочник, т.3, кн.2, М.: «Энергоатомиздат», 1988 г., стр.553.
2. Диденко А.Н. «СВЧ энергетика: теория и практика», М.: Наука, 2003 г., стр.97-118.
3. Патент РФ №2101884 С1, Н05В 6/64, опубл. 10.01.1998 г.
4. Керн А.Н. Развитые поверхности теплообмена, М.: Энергия, 1977 г.