Микроволновый нагреватель жидких сред

 

Изобретение относится к ВЧ и СВЧ технике, в частности к устройствам для микроволновой обpаботки, и может быть использовано для электромагнитного нагрева водных растворов и суспензий. Цель изобретения - создание микроволнового нагревателя, обеспечивающего эффективный нагрев жидкости благодаря относительно низкой рабочей частоте (20-40 МГц) и конструкции экрана, позволяющей добиться необходимого согласования устройства с нагрузкой генератором. Цель достигается тем, что внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z₁, Z₂, Z_н, удовлетворяющими необходимым соотношениям. 1 ил.

Изобретение относится к области ВЧ и СВЧ техники, в частности к устройствам для микроволновой термообработки, и может быть использовано для электромагнитного нагрева водных растворов и суспензий.

Известна камера для обработки проточных сред на основе диафрагмированного волновода, заполненного двумя концентрическими слоями диэлектрика с проницаемостями ε₁ и ε₂ [1] Недостатком указанного устройства является неравномерный нагрев среды ввиду слабого проникновения электромагнитного СВЧ поля в нагреваемую жидкость, что объясняется высокой относительной диэлектрической проницаемостью жидкости, а также относительно высокой частотой обработки.

Наиболее близким к предлагаемому является нагреватель на основе замедляющей системы типа цилиндрической спирали с металлическим экраном [2] Недостатком этого устройства является малоэффективный нагрев жидкости в связи с невозможностью достичь согласования нагревателя при геометрических размерах, обеспечивающих достаточно эффективное поле внутри обрабатываемого объекта.

Цель изобретения создания микроволнового нагревателя, обеспечивающего эффективный нагрев жидкости благодаря относительно низкой рабочей частоты (20-40 МГц) и конструкции экрана, позволяющей добиться необходимого согласования устройства с нагрузкой и генератором.

Микроволновый нагреватель состоит из диэлектрической трубы, заполненной нагреваемой жидкостью и коаксиальной линии с центральным проводником в виде цилиндрической спирали, установленной снаружи. Коаксиальная линия соединена на одном конце с генератором электромагнитных колебаний, а на другом конце с согласованной нагрузкой. Внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z₁, Z₂, Z_н, удовлетворяющими следующему соотношению: Z_oZ_н=Z₁Z₂, (1) где Z_o волновое сопротивление коаксиального ввода энергии; Z₁ волновое сопротивление первого участка длиной l₁, примыкающего к вводу энергии; Z₂ волновое сопротивление второго участка длиной l₂, примыкающего к первому участку; Z_н волновое сопротивление рабочего участка. Длины l₁ и l₂ первого и второго участков выбраны из условий: где n₁ и n₂ замедление фазовой скорости волны на первом и втором участках соответственно, k волновое число вакуума. Длина рабочего участка выбирается произвольно в соответствии с технологическим процессом термообработки.

При такой конструкции экрана, в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается полная передача энергии от генератора нагреваемой среде на фиксированной частоте, на которой электрическая длина первого n₁kl₁ и второго n₂kl₂ отрезков экрана удовлетворяет предложенному режиму работы.

Как показано в [3] эквивалентные погонные параметры коаксиальной линии со спиральным внутренним проводником определяются соотношениями:


где b cредний радиус спирального проводника;
d радиус внешнего проводника (экрана);
I_o, K_o, I₁, K₁ модифицированные функции Бесселя 1 и 2 рода.

При этом волновое сопротивление структуры:

где β_o фазовая постоянная, τ_o поперечная постоянная.

Справедливость соотношений, приведенных в формуле изобретения, подтверждается расчетом входного сопротивления двух последовательно соединенных отрезков двухпроводной линии с волновыми сопротивлениями Z₁ и Z₂, нагруженных на активное сопротивление Z_н со стороны участка с волновым сопротивлением Z₂. В общем случае входное сопротивление ВЧ тракта с волновым сопротивлением Z_o при электрической длине тракта? равной nkl, и нагрузке Z_н определяется соотношением [4]

Выражая последовательно входное сопротивление Z₂ отрезка длиной l₂ через сопротивление Z_н нагрузки, а затем входное сопротивление Z₁ отрезка длиной l₁ через входное сопротивление Z₂ отрезка длиной l₂ и полагая ReZ₁=Z; JmZ₁= 0, находим условия (1) и (2).

На чертеже показана конструкция микроволнового нагревателя.

Предлагаемое устройство включает коаксиальный ввод энергии 1, установленный в цилиндрическом экране 2, и проводник 3 в виде цилиндрической спирали, намотанной на диэлектрическую трубу 4. Проводник 3 соединен с внутренним проводником 5 коаксиального ввода 1, а с другой стороны с согласующей нагрузкой 6. Цилиндрический экран 2 имеет участок длиной l₂, на котором радиус экрана d₂ меньше радиуса экрана d₁ на остальной его части. Длины участков l₁ и l₂ равны друг другу. Нагреваемая жидкость пропускается внутри трубы 4. Необходимость обеспечения эффективного взаимодействия электромагнитной волны спирали 3 с обрабатываемой средой 7 заставляет увеличить радиус экрана d₁ по сравнению с радиусом спирали b, что приводит и к увеличению волнового сопротивления спирали 3 по сравнению с волновым сопротивлением ВЧ тракта, соединяющим спираль 3 с газогенератором ВЧ-энергии (на чертеже не показано). Выполняя экран 2 с уступом, на котором его радиус уменьшен до величины d₂, обеспечивающей уменьшение волнового сопротивления спирали, в частности до волнового сопротивления соединительного тракта (обычно это 50 или 75 Ом), достигают требуемого согласования.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый микроволновый нагреватель обеспечивает более эффективную термообработку жидкости благодаря практически полной передаче ВЧ-энергии генератора нагреваемой среде.

Формула изобретения

Микроволновый нагреватель жидких сред, содержащий диэлектрическую трубу, предназначенную для заполнения обрабатываемой жидкостью, и установленную снаружи диэлектрической трубы коаксиальную линию, внутренний проводник которой выполнен в виде цилиндрической спирали и соединенную на входе с вводом энергии, а на выходе с согласованной нагрузкой, отличающийся тем, что внешний проводник коаксиальной линии имеет ступенчатую форму, образуя три участка линии с волновыми сопротивлениями Z₁, Z₂, Z_н, удовлетворяющими соотношению
Z₀Z_н Z₁Z₂,
где Z₀ волновое сопротивление входа энергии;
Z₁ волновое сопротивление первого участка длиной l₁, примыкающего к вводу энергии;
Z₂ волновое сопротивление второго участка длиной l₂, примыкающего к первому участку;
Z_н волновое сопротивление рабочего участка,
причем длины l₁ и l₂ первого и второго участков выбраны из условия

где n₁ и n₂ замедление фазовой скорости волны на первом и втором участках соответственно;
К волновое число вакуума.

РИСУНКИ

Рисунок 1