СВЧ НАГРЕВАТЕЛЬ ВОДОСОДЕРЖАЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Предлагаемый СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости относится к области техники СВЧ, может быть использован для нагрева водосодержащих жидкостей с высоким темпом нагрева и воздействием на жидкость высоким уровнем плотности потока мощности СВЧ - до 1000 Вт/см или как поглощающая нагрузка для СВЧ генераторов с непрерывной мощностью до 75 кВт.
Известна нагрузка, поглощающая СВЧ колебания большой мощности [1. В.П.Шестопалов, А.А.Кириленко, Л.А.Рудь. Резонансное рассеяние волн. Волноводные неоднородности. Том 2, стр.157-160. Изд-во Наукова Думка, Киев, 1986 г.]. Данная нагрузка состоит из отрезка волновода прямого или уголкового в котором находится согласующий слой и поглощающая жидкость. К недостаткам этого типа нагрузок можно отнести изменения значения КСВН от температуры нагреваемой жидкости, значительные габариты и невозможность получить большого темпа нагрева жидкости.
2
Известны короткие водяные нагрузки для волноводов [2. Короткие водяные нагрузки волноводов. Gerlask Richard Z. Short Waterloads for large Waveguides, Microwave I. 1975. 18. N 3, 45-46, 57 (англ.)]. Нагрузка представляет собой короткозамкнутый отрезок волновода, в котором, перпендикулярно широким стенкам волновода, установлены 17 фторопластовых трубок. Вода, поступающая на вход первой трубки, проходит поочередно через все трубки. Для обеспечения равномерного поглощения СВЧ мощности трубки расположены относительно продольной оси волновода в соответствии с законом распределения (l-cosθ), расстояние между соседними трубками равно λ/4. Внутри каждой трубки помещен стандартный мощный резистор концентрической формы с сопротивлением 400-500 Ом для компенсации низкого тангенса угла потерь воды и увеличения мощности рассеивания.
К недостаткам данных нагрузок можно отнести значительные габариты (длина до 1,8 м), применение дополнительных резисторов, невозможность получения больших темпов нагрева жидкости и изменения согласования нагрузки с генератором СВЧ в зависимости от температуры жидкости.
Известна нагрузка с водяным охлаждением [3. Нагрузка с водяным охлаждением. Nelson Rishard В. Water load. [Varian Associates]. Пат. США. кл. 333/22F (H01P 1/26), H03h 7/38, N 3633131, заявл. 24.04.70, опубл. 04.01.72 г.]. 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 невозможность получения большого темпа нагрева жидкости и конструктивные сложности.
Известен волновод, предназначенный для поглощения СВЧ энергии [4. Волновод. Sute Raip HAshley, Steones Dunean Horper. A.Wadeguile [Rotax Ltd]. Англ. пат. кл. H1W (H01P 1/26) N 1372697, заявл. 21.11.70 г., опубл. 08.11.71 г.]. 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 невозможность получения больших темпов нагрева жидкости.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (прототипом) является СВЧ нагреватель жидкости [5. «СВЧ нагреватель жидкости», патент МКИ5 H01P 1/26, №2101884, выдан по заявке №0095101095, дата подачи 26.01.1995 г.]. СВЧ нагреватель жидкости представляет собой отрезок прямоугольного волновода сечением A×B, где А - широкая и В - узкая стенки волновода внутри которого расположены две трубки, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, диэлектрические трубки диаметром D=(0,14±0,03)A установлены вдоль оси волновода на расстоянии друг от друга, равном 0,367λ, трубки установлены в отрезке прямоугольного волновода под углом 45±2° к его широким стенкам и их оси лежат в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам, для согласования и увеличения плотности потока СВЧ воздействующей на нагреваемую жидкость в месте размещения диэлектрических трубок выполнен П-образный согласующий выступ.
Недостатком данной конструкции является ухудшение согласования при подключении к ней двух источников СВЧ энергии и, как следствие, невозможность повысить темп нагрева водосодержащей жидкости.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение темпа нагрева жидкости и улучшение согласования с питающими СВЧ генераторами.
Технический результат достигается тем, что в СВЧ нагревателе водосодержащей жидкости, содержащем отрезок волновода сечением A×B, где А - широкая, В - узкая стенки волновода, внутри которого расположены две трубки выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, установленные в отрезке волновода под углом 45±2° к его широким стенкам, а их оси лежат в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам, расстояние между диэлектрическими трубками вдоль оси волновода, равно 0,367λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, при этом волновод с А=(0,7±0,035)λ и В=0,5 А, состоит из первого и второго отрезков, у которых одна широкая стенка общая, с одной стороны первый и второй отрезки волновода соединены уголковым переходом, а с другой стороны имеют два входа, вдоль оси первого и второго отрезков волновода на их широких стенках, противоположных их общей широкой стенке, установлены одинаковые П-образные выступы, шириной 0,36 А, состоящие из первого, второго и третьего участков каждый, при этом на первом участке длиной, равной 1,25λ высота выступа линейно увеличивается от О до 0,78 В, на втором участке длиной, равной 0,74λ высота выступа равна 0,78 В и на третьем участке длиной, равной 1,25λ высота выступа линейно уменьшается от 0,78 В до 0, две диэлектрические трубки с внутренним диаметром, равным (0,19±0,4) А, проходят через первый и второй отрезки волновода на участках выступов высотой, равной 0,78 В выступы в первом и втором отрезках волновода установлены симметрично относительно двух диэлектрических трубок, на выходе из первого и второго отрезков волновода диэлектрические трубки установлены в металлических трубках, внутренний диаметр которых больше внешнего диаметра диэлектрических трубок от 2 до 3 мм, общая широкая стенка первого и второго отрезков волноводов толщиной S=3,5 мм ±1 мм входит в уголковый переход на расстояние равное 0,33λ, в уголковом переходе общая широкая стенка, на расстоянии от ее конца равная 0,27λ, симметрично относительно узких стенок волновода, линейно увеличивается от 0 до 0,78 А, уголковый переход имеет прямой участок длиной равный 0,2λ, высотой равный 2B+S и шириной равный А и участок длиной равной 0,35λ, шириной равный А, в котором высота линейно уменьшается от 2B+S до 0.
Существенные признаки, отличающие заявленный СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости от прототипа не поддаются самостоятельной квалификации, так как не отделимы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости, окончательно определены экспериментально и позволяют построить СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости небольших размеров (4,8λ) с высоким темпом нагрева, затуханием не менее 40 дВ при нагреве воды, молока и соков и воздействием на обрабатываемую жидкость высоким уровнем плотности потока мощности СВЧ - до 1000 Вт/см.
На Фиг. приведен чертеж предлагаемого СВЧ нагревателя водосодержащей жидкости. Указанные на Фиг. составляющие детали и их взаимное расположение окончательно определены на макетах заявляемого СВЧ нагревателя водосодержащей жидкости.
СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости состоит из прямоугольного волновода сечением A×B, где А=(0,7±0,035)λ и В=А/2, состоящего из первого 3 и второго 4 отрезков, у которых одна широкая стенка 14 общая, с одной стороны. Первый 3 и второй 4 отрезки волновода соединены уголковым переходом 15, а с другой стороны имеют первый 1 и второй 2 выходы, к которым могут быть подсоединены СВЧ генераторы.
Вдоль первого 3 и второго 4 отрезков волновода на их широких стенках, противоположных общей широкой стенке 14, установлены соответственно первый и второй П-образные выступы шириной 0,36 А, состоящие из трех участков каждый. Первый выступ состоит из первого участка 6, длиной равной 1,25λ, высота выступа на котором линейно увеличивается от 0 до 0,78 В; второго участка 10, длиной равной 0,75λ, высота выступа на котором равна 0,78 В и третьего участка 13, длиной равной 1,25λ, высота выступа на котором линейно уменьшается от 0,78 В до 0. Второй выступ состоит из первого участка 5, длиной равной 1,25λ, высота выступа на котором линейно увеличивается от 0 до 0,78 В, второго участка 11, длиной равной 0,75λ, высота выступа на котором равна 0,78 В и третьего участка 12 длиной равной 1,25λ, высота выступа на котором линейно уменьшается от 0,78 В до 0.
Две диэлектрические трубки 7, 8, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, установлены в отрезках волновода 3, 4 под углом 45±2° к его широким стенкам и их оси лежат в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам. Первая 7 и вторая 8 диэлектрические трубки проходят через отрезки волноводов на участках где высота выступов равна 0,78 В, выступы в первом и во втором отрезках волновода установлены симметрично относительно двух диэлектрических трубок. Расстояние между диэлектрическими трубками 7 и 8 вдоль оси отрезков волновода равно 0,367λ. На выходе из отрезков волновода 3 и 4 диэлектрические трубки 7 и 8 установлены в металлических трубках 9, внутренний диаметр которых больше внешнего диаметра диэлектрических трубок от 2 до 3 мм.
Первый 3 и второй 4 отрезки волноводов соединены между собой уголковым переходом 15. Уголковый переход 15 состоит из двух участков: первого участка длиной равной 0,2λ, высотой, равной 2 В+S и шириной, равной А. На втором участке длиной, равной 0,35λ, высота уголкового перехода линейно уменьшается от 2 В+S до 0. Общая стенка 14 первого 3 и второго 4 отрезков волновода входит в уголковый переход на расстояние, равное 0,33λ. Широкая стенка 14 от конца расположенного в уголковом переходе 15 на расстоянии, равном 0,27λ, линейно, симметрично относительно узких стенок волновода, увеличивается от 0 до 0,78А.
СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости работает следующим образом.
На вход 1 и вход 2 нагревателя жидкости подаются от генераторов СВЧ колебания мощностью до 75 кВт, а через диэлектрические трубки 7 и 8, включенные последовательно, пропускается нагреваемая жидкость, в волноводе в диэлектрических трубках водосодержащая жидкость поглощает СВЧ энергию и нагревается до заданной температуры. Температура нагрева жидкости определяется скоростью ее прохождения по диэлектрическим трубкам 7 и 8 и мощностью СВЧ генератора. П-образный выступ концентрирует СВЧ энергию в месте прохождения жидкости через волновод и увеличивает плотность потока мощности и темп нагрева.
Макеты заявленного устройства экспериментально исследованы с генераторами СВЧ мощностью от 0,6 до 50 кВт и частотой 2450 и 915 МГц. Макеты заявляемого устройства имеют значения КСВН менее 1,25, и темп нагрева от 100 до 400 град/с и затухания при нагреве в качестве жидкости молока - не менее 40 дБ.
По сравнению с прототипом предлагаемый СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости обладает улучшенными техническими и экономическими показателями:
а) большим темпом нагрева жидкости, который определяет новый уровень технологической обработки жидких материалов;
б) улучшением согласования нагревателя СВЧ с генераторами СВЧ;
в) возможность подключения двух генераторов СВЧ.
Конструкция, заявляемого СВЧ нагревателя водосодержащей жидкости, позволяет получить согласование (КСВН<1,25) с магнетронами, а за счет подключения на ее два входа двух магнетронов повысить температуру нагрева и плотность потока мощности СВЧ в обрабатываемой водосодержащей жидкости.
СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости может быть выполнен из сплавов алюминия литьем с последующей сваркой на любом среднетехнологичном предприятии в любом регионе России.
Кварцевые трубки, входящие в СВЧ нагреватель водосодержащей жидкости не являются дефицитом и в России выпускаются в большом ассортименте.