Устройство для свч-обработки жидких диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к области технологических применений СВЧ излучения для термообработки жидких диэлектрических материалов. Изобретение предназначено для решения технических задач исключения пригорания обрабатываемого жидкого продукта на стенках рабочей камеры, улучшения равномерности и увеличения КПД нагрева. Это достигается использованием рабочей камеры с верхней неподвижной частью и нижней вращающейся частью в виде цилиндра с днищем, которая отделена сверху от неподвижной части и сбоку от корпуса воздушными зазорами, так что нагрев происходит в соприкасающемся с воздухом приповерхностном слое жидкости, на который СВЧ мощность излучается из нескольких расположенных сверху неподвижных рупоров, запитываемых источниками. С целью повышения однородности нагрева предлагается также использовать спиральную ребристую структуру, расположенную на днище камеры и служащую для перемешивания жидкости и выравнивания ее поверхности при вращении. Для увеличения КПД нагрева предлагается использовать согласующую диэлектрическую пластину в раскрыве рупоров для их согласования с поверхностью жидкости. Приводятся соотношение геометрических размеров, при которых достигается положительный эффект. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к области технологических применений СВЧ излучения, и может быть использовано для создания высокопроизводительных промышленных установок для СВЧ нагрева и стерилизации (пастеризации) жидкостей, в том числе молока и молокопродуктов.

Известны установки для СВЧ обработки жидких диэлектрических продуктов, содержащие отрезок волновода, запитываемый от СВЧ генератора и работающий на согласованную нагрузку, в который введены (одна или несколько) диэлектрические трубки, через которые подается нагреваемая жидкость (СССР N 1238273, кл. H 05 B 6/64, 1983, публикация 15.06.86, Челябинский и-т механизации и электр. сельского х-ва.).

В конструкции таких СВЧ нагревательных устройств возможно, например, использование различных конфигураций ввода диэлектрических трубок в волновод, а также и конфигураций самих этих трубок [1] Основными проблемами при осуществлении СВЧ обработки жидких продуктов из диэлектрических материалов, особенно молока и его продуктов, в данных конструкциях являются их пригорание в местах контакта с диэлектрическими материалами (диэлектрическими трубами) и неравномерность нагрева. Эти конструкции также имеют эффективность нагрева, (невысокий КПД) так как часть мощности уходит в нагрузку.

Известны также конструкции, в которых для увеличения эффективности нагрева СВЧ мощность подается от генератора через волновод и рупор в полую диэлектрическую трубу, образующую многомодовый отрезок волновода, вставленный в нагревательную камеру, заполненную жидкостью, нагрев которой происходит на внешней поверхности этой трубы [2] Наиболее близким к предлагаемому является устройство [3] Во всех названных конструкциях нагрев жидкости происходит на поверхностях раздела диэлектрик-жидкость, где возможно пригорание и разложение жидкости.

Изобретение предназначено для предотвращения этого эффекта путем исключения контакта жидкого продукта со стенками в месте нагрева и тем самым возможности его пригорания, решения задачи обеспечения равномерности, повышения эффективности и обеспечения непрерывности его нагрева.

Сущность изобретения состоит в нагреве жидкости через ее поверхность, контактирующую с воздухом и образованную под действием центробежной силы и силы тяжести, путем создания согласованного потока мощности квазиплоской волны и получения равномерности нагрева жидкости из-за ее вращения и перемешивания.

Для этого установка для СВЧ обработки жидких диэлектрических продуктов содержит рабочую камеру, имеющую неподвижную 5 и подвижную 7 части, подвижная часть представляет собой открытый сверху цилиндр с днищем, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси, неподвижная часть расположена над подвижной и представляет собой металлическую поверхность вращения чашевидной формы, к верхней части которой присоединены открывающиеся в нее сверху излучающие элементы, а снизу к неподвижной части прикреплена плоская горизонтальная диэлектрическая перегородка, отделенная от неподвижной части воздушным зазором. Кроме того, неподвижная часть может быть выполнена в виде составной конической поверхности, составленной из частей нескольких конусов, углы раскрыва которых выбираются из условий сильного подавления приходящих к стенкам камеры поверхностных волн и формирования квазиплоской волны при нескольких излучателях с максимумом мощности на оси камеры. Кроме того, на днище рабочей камеры может быть расположена спиральная ребриста структура, обеспечивающая перемешивание жидкости и выравнивание ее поверхности за счет компенсации центробежной силы. Конкретная реализация устройства поясняется чертежами фиг. 1 (устройство, вид сбоку), фиг. 2 (вид сверху), и фиг. 3 (спиральная ребристая структура на днище подвижной части камеры), где: 1 - магнетроны; 2 источника питания магнетронов; 3 отрезки волноводов; 4 - рупоры; 5 неподвижная часть рабочей камеры в виде составной конической или усеченной сферической поверхностей; 6 диэлектрическая перегородка; 7 - подвижная часть рабочей камеры с жидким продуктом; 8 основание; 9 - подшипник вращения; 10 ролики; 11 электродвигатель с валиком; 12 сливная воронка с устройством слива; 13 кожух; 14 заливная воронка; Подвижная часть рабочей камеры выполнена в виде цилиндра с днищем, диаметр которого много больше высоты цилиндра и составляет от нескольких до нескольких десятков рабочих длин волн λ. Сверху камеры расположено несколько неподвижных источников 1, соединенных через отрезки волноводов 3 с рупорами 4, которые открываются с верху в неподвижную часть камеры, выполненную в виде металлической крышки, накрывающей подвижную часть камеры и имеющей чашевидную форму, например, усеченной сферы или составной (из нескольких состыкованных частей конусов с разными углами раскрыва) конической поверхности и закрытую снизу диэлектрической перегородкой 6.

С целью повышения эффективности нагрева диэлектрическая проницаемость материала перегородки, ее толщина D и величина воздушного зазора t между ней и поверхностью жидкости в указанной конструкции могут быть выбраны из условий , 0,8 D_o≅D≅1,2 D_o, 0,8 t_o≅t≅1,2 t_o, при этом оптимальные толщины перегородки D_o и воздушного зазора t_o определяются выражениями: , , где ε₁ диэлектрическая проницаемость перегородки, ε диэлектрическая проницаемость обрабатываемой жидкости.

Выполнение приведенных условий обеспечивает улучшение согласования излученной из рупоров мощности за счет компенсации отраженной от поверхности жидкости волны. Высота камеры и глубина слоя обрабатываемой жидкости достаточны для многократного ослабления достигающей днища волны, что исключает пригорание продукта на нем. Форма поверхности крышки (в частности, углы раскрывов конусов и их размеры) и диаметр рабочей камеры выбирается из условий формирования падающей нормально к поверхности жидкости квазиплоской электромагнитной волны с максимумом поля на оси камеры и сильного затухания поверхностных волн, идущих к боковой цилиндрической поверхности, что также исключает возможности пригорания и на ней. С целью полного исключения пригорания продукта на днище и боковых стенках целесообразно рабочую камеру изготовлять из металла для исчезновения на ее поверхности касательного электрического поля. Днище рабочей камеры может иметь спиральные ребра или канавки, сходящиеся к центру, что обеспечивает перемешивание жидкости и выравнивание ее поверхности при вращении, компенсируя центробежную силу. Внешняя цилиндрическая боковая поверхность камеры отделена от кожуха воздушным зазором, обеспечивающим ее вращение и представляющим собой разомкнутый чертвертьволновый отрезок плоскопараллельного волновода, препятствующий утечке СВЧ энергии во внешнее пространство (четвертьволновый фильтр).

Вся конструкция может быть закрыта сверху защитным кожухом 13, имеющим вид полусферы, вверху на оси которого находится заливная горловина (воронка) 14 с патрубком для залива обрабатываемого продукта, и расположена на металлическом основании 8, по направляющим пазам которого движутся ролики 10 рабочей камеры. Вращение подвижной ее части в приведенной реализации устройства предполагается от электродвигателя 11 с помощью валика. Внизу на оси расположена сливная воронка 12 для слива обработанного продукта. Несколько (шесть) расположенных звездой источников (магнетронов) находятся сверху камеры под кожухом.

Устройство работает следующим образом: СВЧ мощность от источников 1 через отрезки волноводов 3 и рупоры 4 подается в неподвижную часть 5 (крышку) рабочей камеры, где формируется квазиплоская волна, проходящая через согласующую пластину 6 и далее поглощаемая в жидкости, находящейся во вращающейся части рабочей камеры.

Указанный способ подачи СВЧ мощности исключает возможность пригорания обрабатываемой жидкости, поскольку нагрев происходит в граничащей с воздухом приповерхностном слое жидкости, обеспечивает более равномерный нагрев благодаря нескольким источникам, вращению камеры нагрева и перемешиванию слоев жидкости по глубине из-за действия спиральной структуры на дне камеры, а также увеличивает КПД нагрева в силу хорошего согласования источников с камерой нагрева.

Источники информации 1. СССР N 1238273, кл. H 05 B 6/64, 1983, публикация 15.06.86, Челябинский и-т механизации и электр. сельского х-ва.

2. СССР N 1107350, кл. H 05 B 6/64, 1982, публикация 07.08.84, МЭИ.

3. E N 0335070, кл. H 05 B 6/78, 1989.

Формула изобретения

1. Устройство для СВЧ обработки жидких диэлектрических материалов, содержащее кювету для размещения обрабатываемой жидкости, один или несколько источников СВЧ мощности, связанных с облучателем посредством элементов связи, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде цилиндрической поверхности с днищем и установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, облучатель выполнен в виде поверхности вращения чашевидной формы, в куполе которой расположены элементы связи, а в раскрыве облучателя установлена согласующая диэлектрическая пластина, при этом облучатель установлен с зазором относительно кюветы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что облучатель выполнен в виде сопряженных между собой конических поверхностей с разными углами раскрыва.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на днище рабочей камеры выполнена спиральная структура в виде ребер или канавок в днище, расположенных вдоль спиралей, сходящихся к центру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3