УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Изобретение относится к технике непрерывной обработки потока твердых, жидких или газообразных материалов мощным электромагнитным полем сверхвысоких частот (СВЧ) с целью их нагрева, сушки, обжига, разупрочнения, химического синтеза, полимеризации, вулканизации, стерилизации, пастеризации, размораживания и т.д. и может быть использовано в горно-рудной, химической и пищевой промышленности.
Для тепловой обработки различных материалов (пищевых продуктов, образцов горных пород и др.) электромагнитным полем СВЧ обычно используют микроволновые печи, представляющие собой многомодовый резонатор поля рабочей частоты с окном загрузки и подключенный к нему СВЧ-генератор (магнетрон). Такие устройства могут обрабатывать только отдельные порции материала, но не предназначены для непрерывной обработки его потока.
Известно устройство для непрерывной обработки сыпучих материалов СВЧ-полем, содержащее многомодовый резонатор в виде отрезка трубы, подводящий волновод с подключенным СВЧ-генератором, размещенный внутри резонатора транспортер в виде системы полок из диэлектрика, соединенных с вибрационным механизмом, а также узлы загрузки и разгрузки обрабатываемого материала [1]. Недостатками устройства являются сложность конструкции и ограниченная точкой плавления или взаимодействия с нагретым материалом диэлектрика транспортера.
Известны устройства для обработки материалов СВЧ-полем, содержащие трубопровод для подачи материала, проходящий через центр широкой стенки волновода, подводящего поле от СВЧ-генератора, узлы загрузки и разгрузки [2, 3]. Недостатком подобных устройств является резкое рассогласование СВЧ-тракта при изменении скорости подачи материала или его электромагнитных параметров (комплексной диэлектрической проницаемости на рабочей частоте). Рассогласование, при котором коэффициент стоячей волны (КСВ) превышает 3, приводит к выходу из строя СВЧ-генератора. К недостаткам устройства также относится малая производительность: диаметр трубопровода не может превышать четверти размера широкой стенки волновода, равной примерно половине длины волны, а длина участка воздействия СВЧ-поля на материал равна размеру узкой стенки волновода, меньшему половине длины волны (55 мм на стандартной частоте 2,45 ГГп).
Для увеличения производительности всячески увеличивают длину участка воздействия СВЧ-поля на материал в трубопроводе. Например, трубопровод пропускают через волновод по диагонали и дополнительно через эквивалент нагрузки [4] или многократно через змееобразно изогнутый волновод [5]. Однако основные недостатки предыдущих устройств остаются, а рабочая мощность ограничена мощностью одного СВЧ-генератора (100 кВт в непрерывном режиме), которая в добавок частично теряется в эквиваленте нагрузки.
11
Наиболее близким техническим решением является устройство для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем СВЧ, содержащее трубопровод для подачи материала, необходимое число СВЧ-генераторов, соединенных с трубопроводом подводящими прямоугольными волноводами, а также узлы загрузки и разгрузки [6]. Зона взаимодействия материала с полем дополнительно увеличена установкой вокруг трубопровода круглого волновода с Н-типом волны, улавливающего излучение СВЧ-поля через отверстия в прямоугольных волноводах и использующего его для нагрева материала.
К недостаткам устройства относится низкая производительность, определяемая небольшим диаметром трубопровода (не более 1/8 рабочей длины волны, так как трубопровод поочередно проходит через прямоугольные волноводы), резкое рассогласование трактов СВЧ и возможность выхода из строя СВЧ-генераторов при изменении скорости подачи материала или его электромагнитных параметров (например, при увлажнении), неполное использование мощности СВЧ-генераторов и необходимость использования согласованных поглощающих нагрузок в волноводах. Кроме того, разогретый обрабатываемый материал находится в контакте со стенками трубопровода и может взаимодействовать с их материалом, являющимся диэлектриком.
Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков.
Для этого в устройстве для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем СВЧ, содержащем трубопровод для подачи материала, систему СВЧ-генераторов, подводящие волноводы, узлы загрузки и разгрузки, трубопровод выполнен в виде металлического многомодового волновода для поля рабочей частоты, а подводящие волноводы от СВЧ-генераторов подключены к трубопроводу под острым углом к его оси.
Объединение в одной трубе функций трубопровода для подачи материала и волновода для передачи СВЧ-поля позволяет неограниченно увеличивать диаметр трубопровода и его пропускную способность, получить неограниченную длину зоны взаимодействия материала с полем, неограниченную мощность поля за счет подключения любого числа СВЧ-генераторов, полностью использовать энергию СВЧ-генераторов для обработки материала и исключить применение согласованных нагрузок. Подключение подводящих волноводов от СВЧ-генераторов к трубопроводу, служащему одновременно многомодовым волноводом, под острым углом к его оси исключает рассогласование СВЧ-трактов при изменении скорости подачи и состава материала. Ввиду значительного увеличения поперечных размеров трубопровода в зоне обработки появляется возможность исключить контакт разогретого материла со стенками при обработке твердых и сыпучих материалов. Выполнение трубопровода из металла облегчает защиту персонала от воздействия СВЧ-излучения.
Общая схема устройства представлена на фиг.1, а один из вариантов, предназначенный для разупрочнения горных пород или вскрытия упорного золота, - на фиг.2.
Устройство содержит металлическую трубу 1 круглого или прямоугольного сечения, служащую одновременно трубопроводом для потока обрабатываемого материала 2 и многомодовым волноводом для электромагнитного поля рабочей частоты. По последней причине поперечные размеры трубы 1 как минимум в несколько раз превышают рабочую длину волны. Устройство также содержит необходимой количество СВЧ-генераторов 3, соединенных с трубой 1 подводящими волноводами 4. Волноводы 4 подсоединены к стенкам трубы 1 под острым углом к ее оси, в результате чего их излучение многократно отражается от стенок трубы (на фиг.1 показано пунктиром), распространяясь по ее длине и взаимодействуя с потоком материала 2 до полного затухания.
В устройстве также имеются не показанные на фиг.1 узлы загрузки и разгрузки обрабатываемого материала. Для подачи и перемещения газообразных материалов могут использоваться компрессоры, жидких - насосы, а кусковых, сыпучих и тестообразных - шнеки. Для перемещения твердых материалов используют силу тяжести, устанавливая трубу 1 вертикально.
В случае нежелательности попадания обрабатываемого материала в СВЧ-тракты выходы волноводов 4 в трубу 1 закрывают радиопрозрачными диэлектрическими пластинами, не показанными на фигурах. Эти пластины могут дополнительно исполнять роль четвертьволновых согласующих трансформаторов.
При использовании устройства для разупрочнения горных пород и раскрытия упорного золота, когда кусочки породы 2 нагреваются до 1000°С и выше и недопустим их контакт со стенками трубы 1, последнюю ставят вертикально и в ее верхней части со стороны загрузочного узла 5 (фиг.2) делают сужение, по которому с помощью конвейера или
другого приспособления засыпают материал, поток которого проходит по оси, не касаясь стенок. Если поперечные размеры сужения меньше половины длины волны, то оно является запредельным волноводом на рабочей частоте поля и может одновременно служить для защиты персонала от СВЧ-излучения через узел загрузки 5.
Нижняя часть 6 трубы 1 опущена в воду, которая служит с одной стороны для защиты персонала от СВЧ-излучения через узел разгрузки, а с другой - создает дополнительный тепловой удар и термомеханические напряжения в падающих раскаленных кусочках породы. Из воды обработанный материал подается на следующую технологическую операцию конвейером или другим приспособлением, В случае невозможности контакта обработанного материала с водой (например, при сушке), нижняя часть трубы 1 делается аналогично верхней в виде запредельного волновода. При сушке в нее подается воздух.
Работа устройства заключается в следующем. По трубопроводу 1 с помощью загрузочного узла обрабатываемый материал 2 подается в рабочую зону, где подвергается облучению электромагнитным полем от генераторов 3 через волноводы 4. В результате облучения материал нагревается, в нем происходят интенсивные химические реакции, синтез полимеров из газов, разрушение по границам раздела фаз, увеличивается скорость извлечения металлов из пульпы их руд, убиваются живые организмы в пищевых продуктах и т.д. Обработанный материал с помощью узла разгрузки подается на следующую технологическую операцию.
Производительность устройств СВЧ-обработки прямо пропорциональна подводимой СВЧ-мощности, а эффективность воздействия (например, при разрушении горных пород) - квадрату мощности [7]. Достоинством предлагаемого устройства является возможность неограниченного увеличения СВЧ-мощности за счет установки необходимого числа генераторов, в том числе получение мегаваттных непрерывных мощностей путем установки 10 и более магнетронов по 100 кВт каждый. При этом каждый магнетрон излучает в трубу независимо и не влияет на другие генераторы. Вся мощность СВЧ-генераторов используется полностью для воздействия на материал. Длина зоны воздействия, а следовательно и его время, не ограничены какими-либо принципиальными причинами и могут быть созданы любыми путем рассредоточения СВЧ-генераторов по длине трубопровода. Достоинствами устройства также являются высокая производительность, независимость согласования от скорости подачи материала и его параметров (например, влажности), а также легкость решения проблемы защиты персонала от СВЧ-излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авт. св. СССР №1592958, кл. Н 05 В 6/64, 1988
2. Авт. св. СССР №1582364, кл. Н 05 В 6/78, 1988
3. Пат. США №5824133, кл. С 22 В 4/00, 1998
4. Авт. св. СССР №693005, кл. Е 21 С 37/18, 1977
5. Пат. РФ №2080747, кл. Н 05 В 6/64, 1994
6. Пат. РФ №2141180, кл. Н 05 В 6/64, 1998
7. Петров В.М. Разупрочнение горных пород мощным электромагнитным полем СВЧ. //Информост «Радиоэлектроника и телекоммуникации», 2002, №2, с.35-40; №3, с.49-55; №4, с.63-73.