УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC PROCESSING OF LOOSE DIELECTRIC MATERIALS

Изобретение относится к устройствам для обработки сыпучих диэлектрических материалов с помощью энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ), например для нагрева и/или сушки зерна и семян сельскохозяйственных культур, и может быть использовано в сельском хозяйстве, пищевой, химической и других отраслях промышленности.
Задачей изобретения является создание конструктивно простого, надежного в эксплуатации и простого в обслуживании устройства для СВЧ-нагрева и/или сушки сыпучих диэлектрических материалов, обеспечивающего равномерный нагрев по объему обрабатываемого материала и высокую производительность процесса нагрева/сушки при относительно невысоком уровне потребляемой мощности и малых СВЧ-потерях, то есть получение высокого качества нагрева/сушки обрабатываемого материала и высокого коэффициента полезного действия устройства.
01
Известно устройство для СВЧ-нагрева диэлектрических сыпучих материалов, содержащее соединенный через подводящий волновод с СВЧ-генератором вертикально установленный круглый (цилиндрический) основной волновод, в котором распространяется электромагнитная волна типа E, имеющая максимальную плотность энергии по оси и осевую симметрию, и соосно установленную в волноводе диэлектрическую трубку для пропускания потока обрабатываемого материала вдоль волновода [1]. Недостатком такой конструкции является неравномерность нагрева по поперечному сечению потока обрабатываемого материала, проходящего по диэлектрической трубке, вследствие неравномерности распределения напряженности электрического поля в круглом волноводе: электрическое поле имеет максимальную величину на оси и резко спадает по радиусу круглого волновода.
Известно, что величина поглощаемой диэлектрическими материалами СВЧ-мощности P прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического СВЧ-поля E:
где P - величина поглощаемой диэлектрическими материалами СВЧ-мощности;
f - частота СВЧ-излучения;
0
ε - диэлектрическая постоянная вакуума;
r
ε - относительная диэлектрическая постоянная;
tgδ - коэффициент потерь;
Е - напряженность электрического СВЧ-поля [2].
Из этого следует, что для равномерного нагрева материала внутри волновода необходимо иметь равномерное распределение электрического СВЧ-поля по поперечному сечению этого волновода, что невозможно получить в круглом волноводе известного устройства. Для получения в таком устройстве более равномерного нагрева диэлектрического сыпучего материала его необходимо пропускать через диэлектрическую трубку, диаметр которой был бы значительно меньше диаметра круглого волновода. Однако в этом случае за одно и то же время через такую диэлектрическую трубку можно пропустить гораздо меньшее количество сыпучего материала, чем через диэлектрическую трубку, внешний диаметр которой приближается к диаметру круглого волновода, что снижает производительность устройства.
Известно устройство для СВЧ-сушки сыпучих материалов, содержащее вертикально расположенный рабочий канал для перемещения высушиваемого материала от загрузочного бункера к разгрузочному бункеру и симметрично примыкающие с внешней стороны к рабочему каналу две полые боковые камеры, отделенные от рабочего канала двумя диэлектрическими пластинами, при этом боковые камеры вместе с рабочим каналом образуют основной волновод H-образного профиля, который подключен через коаксиальный фидер к СВЧ-генератору [3]. Выполнение основного волновода с Н-образным профилем в сечении приводит к тому, что при распространении по волноводу электромагнитной волны практически все электрическое поле, обеспечивающее диэлектрический нагрев сыпучего материала, сосредоточено в центральной (ограниченной диэлектрическими пластинами) части волновода, а магнитное поле сосредоточено в основном в боковых камерах.
Недостатком устройства является низкая производительность из-за малой величины используемой для СВЧ-нагрева части площади поперечного сечения волновода, так как для поддержания основного типа волны в H-образном волноводе его поперечное сечение должно быть значительно меньше поперечного сечения стандартного прямоугольного волновода при одной и той же рабочей частоте. При этом в рабочем канале устройства сохраняется неравномерность распределения напряженности электрического поля: она максимальна в центре рабочего канала и значительно уменьшается по направлению к ограничивающим диэлектрическим пластинам. Использование в устройстве протяженных диэлектрических пластин конструктивно неудобно. Кроме того, в такой конструкции мала площадь испарения нагреваемого материала, которая также определяется ограниченной диэлектрическими пластинами частью площади поперечного сечения волновода, которая значительно меньше площади его продольного сечения, что приводит к ухудшению качества сушки сыпучего материала и снижает производительность устройства.
Известно устройство для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов (прототип изобретения), содержащее соединенную с узлами загрузки и выгрузки камеру нагрева, выполненную в виде тонкостенной трубы из прозрачного для СВЧ-энергии материала, которая установлена в полости основного волновода, выполненного в виде круглого волновода, соединенного с расположенным перпендикулярно ему прямоугольным подводящим волноводом, соединенным на противоположных концах соответственно с СВЧ-генератором в виде магнетрона и с согласованной нагрузкой, необходимой в этом устройстве для защиты магнетрона при отсутствии обрабатываемого материала в камере нагрева [4]. Круглый волновод состоит из двух соосно расположенных волноводных отрезков, которые расположены вне полости прямоугольного подводящего волновода перпендикулярно ему и подсоединены к его противоположным широким стенкам, при этом диаметры волноводных отрезков круглого волновода не превышают размера широкой стенки прямоугольного волновода, а длина каждого из волноводных отрезков составляет не менее одной длины волны в круглом волноводе.
10
11
При работе такого устройства в прямоугольном подводящем волноводе возбуждается и распространяется преимущественно основная волна H. В круглом основном волноводе возникает и распространяется основная для него волна H. Зона обработки сыпучего материала определяется общей длиной круглого волновода, что позволяет прогреть обрабатываемый материал на значительной длине камеры нагрева.
11
Структура поля H в круглом волноводе устройства не имеет стационарной поляризации. Поляризация такого поля самопроизвольно поворачивается в пространстве круглого волновода, что позволяет несколько улучшить равномерность прогрева (в азимутальном направлении круглого волновода) обрабатываемого материала, заполняющего камеру нагрева.
11
Однако, как известно из уровня техники и подтверждено методами компьютерного моделирования, волна H в круглом волноводе имеет существенную неравномерность распределения напряженности электрического поля по радиусу этого волновода, при этом напряженность электрического поля имеет максимальное значение в центре круглого волновода (вблизи оси волновода) и быстро спадает по мере удаления от его оси. Поэтому для получения достаточно равномерного прогрева обрабатываемого материала в таком устройстве необходимо выбирать диаметр камеры нагрева значительно меньше диаметра круглого волновода, что неизбежно приведет к уменьшению производительности устройства. И наоборот, для обеспечения высокой производительности устройства необходимо максимально приблизить стенки камеры нагрева к стенкам круглого волновода, то есть надо использовать камеру нагрева, диаметр которой был бы почти равен диаметру круглого волновода, однако при этом нагрев материала по сечению камеры нагрева вдоль ее радиуса будет крайне неравномерен: материал хорошо прогреется вблизи оси камеры нагрева и будет почти не нагрет вблизи стенок камеры. Найти компромиссное решение между этими противоречивыми требованиям в известном устройстве невозможно.
В устройстве-прототипе торцы волноводных отрезков круглого основного волновода подсоединены к противоположным широким стенкам прямоугольного подводящего волновода и поэтому диаметры этих волноводных отрезков не должны превышать размера широкой стенки прямоугольного подводящего волновода, что не позволяет использовать в устройстве камеру нагрева, размеры поперечного сечения которой были бы больше этой величины, что, в свою очередь, ограничивает возможности увеличения производительности устройства.
Кроме того, имеющаяся в устройстве нагрузка, подключенная к круглому основному волноводу через прямоугольный подводящий волновод, не может обеспечить одинаково хорошее согласование в волноводном тракте при наличии в камере нагрева обрабатываемого материала и при его отсутствии, что неизбежно приведет к потерям СВЧ-мощности и снижению коэффициента полезного действия (КПД) устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение высокой равномерности нагрева/сушки обрабатываемого материала и высокой производительности устройства, а также повышение его КПД.
Предлагается устройство для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов, содержащее основной волновод, соединенный с СВЧ-генератором через подводящий волновод, расположенный перпендикулярно основному волноводу и подсоединенный к нему на одинаковом расстоянии от концов основного волновода, равном не менее одной длины волны в основном волноводе, и выполненную в виде тонкостенной трубы из прозрачного для СВЧ-энергии материала камеру нагрева, соосно установленную в полости основного волновода и соединенную на противоположных концах с узлами загрузки и выгрузки, при этом основной волновод выполнен в виде объединенных друг с другом круглого волновода с внутренним диаметром d, в котором выполнены две диаметрально расположенные продольные щели шириной t и длиной, равной длине круглого волновода, и двух равных половин продольно рассеченного в E-плоскости прямоугольного волновода с внутренними поперечными размерами а и b, где а>b, при этом обе половины рассеченного прямоугольного волновода, выполненные с внутренними поперечными размерами с и b, где c=a/2, расположены параллельно и симметрично относительно продольной оси размещенного между ними круглого волновода, открытыми сторонами обе половины рассеченного прямоугольного волновода обращены друг к другу и подсоединены к круглому волноводу по всей его длине, причем каждая половина рассеченного прямоугольного волновода расположена напротив соответствующей продольной щели в круглом волноводе, при этом внутренние поперечные размеры с и b каждой половины рассеченного прямоугольного волновода, внутренний диаметр d круглого волновода и ширина t каждой продольной щели в круглом волноводе выбраны из условий
c=(0,30÷0,35)λ,
b=(1,48÷1,50)c,
d=(2,15÷2,17)c,
t=b,
где λ - длина волны СВЧ-генератора.
В предлагаемом устройстве внешний диаметр D камеры нагрева выбран из условия
D=(0,55÷0,58)d.
В предлагаемом устройстве основной волновод снабжен двумя металлическими торцевыми крышками с закрепленными в них конусообразными патрубками, которые установлены соосно основному волноводу, причем конусообразный патрубок верхней торцевой крышки обращен в сторону основного волновода суживающимся концом, конусообразный патрубок нижней торцевой крышки обращен в сторону основного волновода расширяющимся концом.
В предлагаемом устройстве в стенке камеры нагрева выполнена перфорация, размеры отверстий которой меньше размеров частиц обрабатываемых сыпучих диэлектрических материалов.
В предлагаемом устройстве в стенках основного волновода или в его торцевых крышках выполнены отверстия с закрепленными в них трубками для удаления влаги.
Выполнение основного волновода со сложным поперечным сечением с выбранными геометрическими размерами обеспечивает получение максимально возможной площади поперечного сечения основного волновода с более равномерным, чем в устройстве-прототипе, распределением электрического СВЧ-поля по этому сечению (как в радиальном, так и в азимутальном направлениях относительно продольной оси основного волновода) при сохранении высоких значений напряженности СВЧ-поля, что обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемого материала по сечению камеры нагрева, установленной в этом волноводе. При этом стенки тонкостенной трубы камеры нагрева могут быть максимально приближены к внутренним стенкам основного волновода, что обеспечивает высокую производительность устройства.
Величина размера с определяется заданной длиной волны λ СВЧ-генератора и выбирается из условия с=(0,30÷0,35)λ. Выполнение размера с более величины 0,35 λ приводит к возможности возникновения нестабильности вида колебаний в основном волноводе, а выполнение размера с меньше величины 0,30 λ приводит к возможности возникновения апериодического затухания волны в основном волноводе.
Размеры b и d выбираются из условий
b=(1,48÷1,50)с,
d=(2,15÷2,17)с.
Соблюдение этих условий позволяет создать оптимальную конфигурацию основного волновода, обеспечивающую высокую равномерность распределения электрического поля по сечению волновода. Невыполнение этих условий приводит к следующему:
2
при выборе размера b больше, чем 1,50 с, или при выборе размера d меньше, чем 2,15 с, основной волновод по своей конфигурации будет приближаться к прямоугольному волноводу, имеющему синусоидальное распределение напряженности электрического поля (напряженность электрического поля максимальна в средней части прямоугольного волновода и уменьшается до нуля по мере приближения к узким стенкам волновода), что приводит к значительной неравномерности нагрева обрабатываемого материала в камере нагрева, помещенной в такой волновод, так как величина поглощаемой материалом СВЧ-мощности прямо пропорциональна E;
при выборе размера b меньше, чем 1,48 с, или при выборе размера d больше, чем 2,17 с, основной волновод по своей конфигурации будет приближаться к круглому волноводу, также имеющему, как показано выше, очень незначительную по сечению волновода область равномерного нагрева материала.
Выполнение продольных щелей в круглом волноводе позволяет объединить объемы средней области основного волновода (ограниченной стенками круглого волновода) и боковых областей основного волновода (ограниченных стенками половин рассеченного прямоугольного волновода), при этом каждая продольная щель должна иметь ширину t, равную поперечному размеру b подсоединенной к круглому волноводу половины рассеченного прямоугольного волновода, и длину, равную длине L круглого волновода.
В отличие от устройства-прототипа в предлагаемом устройстве размеры поперечного сечения камеры нагрева не ограничены размерами подводящего волновода. Камеру нагрева выполняют в виде тонкостенной трубы из прозрачного для СВЧ-энергии материала с толщиной стенок 1,5-3 мм, при этом внешний диаметр D камеры нагрева не может превышать диаметра d круглого волновода, формирующего среднюю область основного волновода устройства. Для обеспечения равномерности нагрева/сушки обрабатываемого материала в камере нагрева не менее 80% диаметр D выбирается из условия D=(0,55÷0,58)d в зависимости от выбранной толщины стенки камеры нагрева, что обеспечивает более высокую производительность устройства по сравнению с прототипом. Указанный выбор диаметра D произведен на основе компьютерного моделирования распределения электрического СВЧ-поля в основном волноводе.
В отличие от устройства-прототипа в предлагаемом устройстве отсутствует согласованная нагрузка (подсоединяемая в устройстве-прототипе к основному волноводу через подводящий волновод), что сокращает потери СВЧ-мощности в предлагаемом устройстве и повышает его КПД. В предлагаемом устройстве для защиты СВЧ-генератора, выполненного в виде магнетрона, используют иные защитные устройства, не оказывающие влияния на параметры СВЧ-тракта устройства, например конструктивно простые и дешевые защитные устройства, выполненные на основе инфракрасных датчиков, с помощью которых регистрируют наличие или отсутствие материала в камере, и соответствующий сигнал с помощью реле подают на вход источника питания магнетрона для поддержания его в рабочем состоянии или для отключения магнетрона.
Введение в предлагаемое устройство двух закрывающих торцы основного волновода металлических торцевых крышек приводит к существенному ослаблению остаточного СВЧ-излучения из основного волновода. Наличие в этих крышках конусообразных патрубков обеспечивает надежную центровку внутри основного волновода камеры нагрева, которая проходит через эти патрубки.
Выполнение в стенке камеры нагрева (в тонкостенной трубе из прозрачного для СВЧ-энергии материала) предлагаемого устройства перфорации с размером отверстий, меньшим размеров частиц обрабатываемых сыпучих диэлектрических материалов, например зерна пшеницы, обеспечивает эффективное удаление влаги из камеры нагрева. При этом выполнение в стенках основного волновода или в его торцевых крышках отверстий с закрепленными в них трубками обеспечивает удаление влаги из основного волновода.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показано схематическое изображение предлагаемого устройства для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов.
На фиг.2 показана конструкция основного волновода со сложным поперечным сечением предлагаемого устройства, изображенного на фиг.1.
На фиг.3 показаны основной волновод предлагаемого устройства с двумя торцевыми крышками и конусообразными патрубками.
На фиг.4 показаны перфорированная камера нагрева предлагаемого устройства и верхняя торцевая крышка с трубкой для удаления влаги.
На фиг.5 и фиг.6 представлены результаты компьютерного моделирования распределения напряженности электрического СВЧ-поля по поперечному сечению основного волновода предлагаемого устройства.
На фиг.7 и фиг.8 представлены результаты компьютерного моделирования распределения напряженности электрического СВЧ-поля по поперечному сечению круглого основного волновода устройства-прототипа.
Предлагаемое устройство для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов, показанное на фиг.1, содержит вертикально установленную камеру нагрева 1 в виде тонкостенной трубы из прозрачного для СВЧ-энергии материала, например из фторопласта, соединенную на противоположных концах с узлами загрузки 2 и выгрузки 3. Камера нагрева 1 соосно установлена в полости основного волновода 4, который соединен с СВЧ-генератором 5 с помощью прямоугольного подводящего волновода 6, расположенного перпендикулярно основному волноводу 4 и электромагнитно связанного с ним через выполненное в виде щели отверстие связи 7 в одной из узких стенок основного волновода 4.
Основной волновод 4 предлагаемого устройства, изображенного на фиг.1, выполнен со сложным поперечным сечением. Форма основного волновода получена в результате объединения круглого волновода, в котором выполнены две диаметрально расположенные продольные щели, и двух равных половин (волноводных половин) продольно рассеченного в E-плоскости прямоугольного волновода, при этом круглый волновод с продольными щелями сопряжен с половинами рассеченного прямоугольного волновода по границам их внутренних поверхностей. Как показано на фиг.2, основной волновод 4 содержит круглый волновод 8 с внутренним диаметром d, размещенный между двумя разнесенными друг от друга волноводными половинами 9 и 10 рассеченного в Е-плоскости прямоугольного волновода с внутренними поперечными размерами а и b, где а>b. Волноводные половины 9, 10 расположены параллельно и симметрично относительно продольной оси круглого волновода 8, обращены друг к другу открытыми сторонами и подсоединены к круглому волноводу 8 по всей его длине L. В узкой стенке одной из половин рассеченного волновода, например в стенке волноводной половины 9, выполнено отверстие связи 7. Обе волноводные половины 9 и 10 имеют внутренние поперечные размеры b и с, где с=a/2, и продольный размер, равный длине L круглого волновода 8, в результате чего основной волновод 4 также имеет длину L. Волноводные половины 9 и 10 размещены напротив диаметрально расположенных в круглом волноводе 8 продольных щелей 11 и 12 соответственно. Длина каждой из продольных щелей 11, 12 равна длине L круглого волновода 8, ширина t каждой из этих продольных щелей равна поперечному размеру в соответствующей волноводной половины 9, 10 прямоугольного волновода. Стенки круглого волновода 8 с продольными щелями 11 и 12 ограничивают среднюю область 13 основного волновода 4, а стенки волноводных половин 9 и 10 прямоугольного волновода ограничивают две боковые области 14 и 15 соответственно основного волновода 4 предлагаемого устройства.
п
Как показано на фиг.3, основной волновод 4 может быть снабжен двумя металлическими торцевыми крышками 16, 17 с закрепленными в них конусообразными патрубками 18, 19, установленными соосно основному волноводу 4. Закрепленный в верхней торцевой крышке 16 конусообразный патрубок 18 обращен к основному волноводу 4 суживающимся концом, а закрепленный в нижней торцевой крышке 17 конусообразный патрубок 19 обращен к основному волноводу 4 расширяющимся концом. Внутренний диаметр D патрубков 18, 19 выполнен немного больше внешнего диаметра D камеры нагрева 1, за счет чего камера нагрева 1 центруется внутри основного волновода 4.
Как показано на фиг.4, для удаления влаги из камеры нагрева 1 в ее стенке может быть выполнена перфорация, размеры отверстий 20 которой меньше размеров частиц обрабатываемых сыпучих диэлектрических материалов. Для удаления влаги из основного волновода 4 в его стенках или в его торцевых крышках 16, 17 могут быть выполнены отверстия с закрепленными в них трубками. На фиг.4 показана верхняя торцевая крышка 16 с отверстием 21 и закрепленной в нем трубкой 22 для удаления влаги.
Предлагаемое устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Сыпучий диэлектрический материал из узла загрузки 2 по камере нагрева 1, выполненной в виде тонкостенной трубы из прозрачного для СВЧ-энергии материала, например из фторопласта, проходит через основной волновод 4 в узел выгрузки 3. При этом электромагнитные волны, генерируемые СВЧ-генератором 5, проходят через подводящий волновод 6 в основной волновод 4 и возбуждают в нем электромагнитные волны со стационарной поляризацией, которые распространяются вдоль основного волновода 4 по направлению к его концам, постепенно затухая. Степень затухания электромагнитных волн зависит от свойств обрабатываемого материала. Эксперимент показал, что полное затухание, например, для пшеницы наступает на длине, равной длине волны в основном волноводе, а для семян подсолнечника - на длине, в два раза большей. Так обеспечивается протяженная область нагрева обрабатываемого материала. Влажный обрабатываемый материал, проходя по камере нагрева 1, соосно окруженной основным волноводом 4, поглощает СВЧ-энергию по всей длине L основного волновода и нагревается до стационарной температуры, определяемой мощностью СВЧ-генератора 5. При этом влага в камере нагрева 1 переходит в парообразное состояние и выходит через щели между камерой нагрева 1 и загрузочным устройством 2. Если в стенках камеры нагрева 1 выполнена перфорация (как показано на фиг.4) с размером отверстий 20, меньшим, чем размеры частиц обрабатываемого материала, то пар из камеры нагрева 1 может выходить и через эти отверстия. Если основной волновод 4 снабжен металлическими торцевыми крышками 16, 17 (как показано на фиг.4), то пар, поступивший из камеры нагрева 1 в полость основного волновода 4 (через отверстия 20 перфорации в стенках камеры нагрева 1), может выходить из полости основного волновода 4 через трубки 22 в торцевых крышках 16, 17. Сухой материал поступает из камеры нагрева 1 в узел выгрузки 3.
Предлагаемые в изобретении форма основного волновода со сложным поперечным сечением и условия для выбора его размеров с, b и d, а также размера внешнего диаметра D тонкостенной трубы, образующей камеру нагрева, подтверждены методом компьютерного моделирования распределения электрического СВЧ-поля по поперечному сечению основного волновода. Целью моделирования было определение формы и размеров основного волновода, обеспечивающих наименьшую неравномерность распределения напряженности электрического СВЧ-поля в средней области 13 основного волновода (в пределах площади поперечного сечения основного волновода 4, ограниченной диаметром d) на заданной длине волны СВЧ-генератора.
На фиг.5 и фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования основного волновода 4 со сложным поперечным сечением предлагаемого устройства при заданной длине волны СВЧ-генератора λ=12,2 см и внутреннем диаметре d=80 мм.
На фиг.5 показан ход линий с равной напряженностью электрического СВЧ-поля в поперечном сечении основного волновода 4, при этом градация значений напряженности электрического СВЧ-поля Е (В/м) отображена на чертеже изменением плотности его тонирования согласно шкале, представленной в правой части чертежа.
max
max
mах
mах
1
вн
вн
1
вн
2
2
На фиг.6 приведены графики распределения напряженности электрического СВЧ-поля Е (В/м) вдоль оси Х (кривая II) и вдоль оси Y (кривая I), при этом расстояние от центра основного волновода 4 вдоль оси Х и Y заданы в миллиметрах. На графиках указаны величины E и 0,9E, определяющие участок в средней области 13 основного волновода 4, в пределах которого равномерность нагрева составляет не менее 80%, так как (0,9Е)=0,81 Еmах. Величине 0,9Е соответствуют точки m и n на кривых I и II; из них точка m (на кривой I, имеющей большую крутизну) задает расстояние X от центра основного волновода 4, определяющее половину величины внутреннего диаметра D камеры нагрева 1 устройства (D=2 X) с указанной равномерностью нагрева 80%. В рассматриваемом случае D=40 мм.
На фиг.7 и фиг.8 представлены результаты компьютерного моделирования распределения напряженности электрического СВЧ-поля по поперечному сечению круглого основного волновода для устройства-прототипа при заданной длине волны СВЧ-генератора λ=12,2 см и внутреннем диаметре этого волновода d=80 мм.
На фиг.7 показан ход линий с равной напряженностью электрического СВЧ-поля, при этом градация значений напряженности электрического поля Е (В/м) отображена на чертеже изменением его плотности тонирования согласно шкале, представленной в правой части чертежа.
max
max
mах
1
вн
вн
1
вн
На фиг.8 приведены графики распределения напряженности электрического СВЧ-поля Е (В/м) вдоль оси Х (кривая I′) и вдоль оси Y (кривая II′), при этом расстояние от центра основного волновода 4 вдоль оси X и Y заданы в миллиметрах. На графиках указаны величины E и 0,9E, определяющие участок круглого основного волновода, в пределах которого равномерность нагрева составляет не менее 80%. Величине 0,9Е соответствуют точки m′ и n′ на кривых I′ и II′, из них точка m′ (на кривой I′, имеющей большую крутизну) задает расстояние Х′ от центра круглого основного волновода 4, определяющее половину величины внутреннего диаметра D′ камеры нагрева 1 устройства (D′=2X′) с указанной равномерностью нагрева 80%. В этом случае D′=23 мм.
вн
вн
2
2
2
2
2
2
Из этого следует, что при прочих равных условиях (λ=12,2 см, d=80 мм) предлагаемое устройство имеет полезную площадь поперечного сечения основного волновода S=π(D/2)=π(40/2)=1256 мм, а полезная площадь поперечного сечения круглого основного волновода устройства-прототипа составляет величину S′=π(D′/2)=π(23/2)=415,3 мм. В результате производительность предлагаемого устройства в 3,02 раз больше, чем производительность устройства-прототипа при одинаковой равномерности нагрева, равной 80%.
вн
вн
2
mах
max
2
С другой стороны, если в устройстве-прототипе величину D′увеличить до величины, равной D предлагаемого устройства (точка X′ на фиг.8), то напряженность электрического СВЧ-поля (точка m″ на кривой I′) в устройстве-прототипе уменьшится до величины 0,7 E, то есть равномерность нагрева, которая пропорциональна величине (0,7 E), в устройстве-прототипе уменьшится до 49%, то есть уменьшится в 80/49=1,63 раза.
Экспериментальный образец предлагаемого устройства опробован для нагрева зерна пшеницы. Массовая скорость движения зерна составила 100 г/сек, что соответствует производительности 360 кг/час. Начальная температура зерна была равна 22°С, а после прохождения через устройство температура находилась в интервале 40,5°С-45°С. Измерения проводились лазерным бесконтактным термометром. Рассчитанная по этим данным равномерность нагрева составила (40,5°С-22°С) 100%/(45°С-22°С)=81%.
Источники информации
1. И.А.Рогов «Современные методы и оборудование для СВЧ-обработки пищевых продуктов в промышленности», М., Пищевая промышленность, 1971.
2. Г.Пюшнер «Нагрев энергией сверхвысоких частот», пер. с англ. Э.Я.Пастрона, М., «Энергия», М., 1968.
3. Авторское свидетельство СССР №491809, МПК F26B 17/12, 3/34, 5/02, опубл. 15.11.1975.
4. Патент РФ №2141180, МПК Н05В 6/34, опубл. 10.11.1999.