Установка для свч-обработки диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к установкам для нагрева с использованием СВЧ-энергии и может быть использовано в пищевой, перерабатывающей и других отраслях промышленности, где осуществляется тепловая обработка диэлектрических материалов. Установка состоит из камер нагрева 1, выполненных в виде отрезков желобковых волноводов с окнами для подачи материала, источников СВЧ-энергии 2 и 3, расположенных напротив друг друга, конвейера 4 для транспортировки материала, системы продольной продувки горячим воздухом 5 и системы поперечной продувки горячим воздухом 6. Камеры нагрева 1 соединены между собой в плоскости, параллельной продольным осям желобковых волноводов и перпендикулярной плоскости движения конвейера 4, который выполнен с возможностью перемещения через окна желобковых волноводов, причем длина и ширина камеры поперечной продувки 6 зависят от количества камер нагрева 1 и мощности источников СВЧ-энергии 2 и 3. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к установкам для нагрева с использованием СВЧ-энергии и может быть использовано в пищевой, перерабатывающей и других отраслях промышленности, где осуществляется тепловая обработка диэлектрических материалов.

Известно устройство для СВЧ-обработки пищевых материалов (см. а.с СССР 1044260 по кл. МКИ A 23 L 3/32, H 05 B 6/64, опуб. 30.09.83), содержащее генератор, узел согласования, питающий прямоугольник волновод с рупором пирамидальной формы, шлюзы и конвейер для транспортировки продуктов. При этом для повышения эффективности использования СВЧ-энергии конец волновода расположен в рупоре на 1/3-1/2 его высоты и выполнен со скосом по его широкой стенке относительно плоскости движения конвейера в направлении его перемещения. В данной конструкции элемент связи генератора с прилегающими к нему отрезками регулярно волновода с окном по широкой стенке является многоволновой резонаторной камерой. Данное устройство позволило сохранить режим бегущей волны в динамике транспортировки продукта на конвейере, повысить тем самым эффективность использования СВЧ-энергии.

Однако производительность установки ограничена предельной толщиной слоя сушимого продукта. Кроме того, использование только источника СВЧ-излучения требует значительных затрат электроэнергии.

Известна также установка для СВЧ-обработки продуктов (см. а.с. СССР 981785 по кл. F 26 B 3/34, опуб. 15.12.82), содержащая сушильную камеру в виде горизонтального участка и прямоугольной шахты, генератор СВЧ-энергии и волноводы. Шахта выполнена с двумя противолежащими сетчатыми стенками, волноводы укреплены в верхней части стенок с возможностью вертикального перемещения, а перед шахтой установлен подсушиватель виброкипящего слоя.

Использование в данной конструкции подсушивателя позволило снизить расход теплоносителя, что в свою очередь позволило решить задачу снижения энергозатрат.

Однако конструкция подобного типа не предусматривает обработку высоковлажных материалов (до 700% влагосодержания), а выполнение прямоугольной шахты в виде обычной резонаторной камеры приводит к неэффективному использованию СВЧ-энергии, поскольку нагрузка при входе в камеру и выходе из нее неидентичны в связи с изменением диэлектрических характеристик обрабатываемого продукта.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов (см. заявку Франции N 2390025 по кл. Н 01 P 7/00, опуб. 05.01.79), содержащая камеру нагрева в виде отрезка желобкового волновода, в боковых стенках которого выполнены окна для подачи обрабатываемого материала, источник СВЧ-энергии, подключенный к камере нагрева.

Данная установка не позволяет решить задачу однородности обработки крупноразмерных диэлектрических материалов. Кроме того, установка обладает малой производительностью из-за наличия только одной камеры нагрева.

Изобретение предназначено для решения задачи повышения производительности установки и улучшения качества диэлектрических материалов за счет обеспечения однородности обработки по длине, высоте и ширине. Кроме того, изобретение позволяет решить задачу снижения затрат электроэнергии.

Для этого установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов, содержащая камеру нагрева в виде отрезка желобкового волновода, в боковых стенках которого выполнены окна для подачи обрабатываемого материала, источник СВЧ энергии, подключенный к камере нагрева, дополнительно содержит по крайней мере еще одну камеру нагрева, идентичную первой, соединенную с ней и снабженную источником СВЧ-энергии, систему продольной продувки горячим воздухом, каждая из камер нагрева снабжена дополнительным вторым источником СВЧ-энергии, расположенным напротив первого, а соединение камер нагрева выполнено с возможностью перемещения через них обрабатываемого материала, при этом плоскость соединения камер нагрева перпендикулярна направлению перемещения обрабатываемого материала, а система продольной продувки горячим воздухом ориентирована параллельно направлению перемещения материала, причем число камер нагрева выбирают из условия: где средняя энергоемкость процесса СВЧ сушки (кВт·ч/кг); M_c заданная производительность установки по сухому продукту (кг/ч); χ_o начальное влагосодержание материала (%); χ_кон заданное конечное влагосодержание материала (кВт); P_o мощность источника СВЧ энергии (кВт).

Для снижения затрат электроэнергии установка дополнительно содержит камеру поперечной продувки горячим воздухом, подключенную со стороны первой по направлению движения материала камере нагрева в плоскости, параллельной плоскости соединения камер нагрева, причем длина и ширина камеры поперечной продувки связаны с количеством камер нагрева и мощностью источника СВЧ - энергии соотношением: где , R_k средние энергоемкости, соответственно, процессов СВЧ сушки и сушки поперечной продувки горячим воздухом (кВт·ч/кг); N число камер нагрева;
P_o мощность источника СВЧ энергии (кВт);
l длина камеры нагрева (м);
C_в, ρ_в теплоемкость и плотность воздуха (кВт·ч/кг·град, кг/м³);
ΔT заданное повышение температуры воздуха в камере поперечной продувки над температурой окружающей среды (^oC);
V_возд заданная скорость воздушного потока через продукт (м/ч).

L_k длина камеры поперечной продувки (м);
b ширина камеры поперечной продувки (м);
В известных источниках патентной и научно-технической информации не описано установок СВЧ обработки диэлектрических материалов, преимущественно пищевых продуктов высокой влажности (до 700% влагосодержания), позволяющих осуществить однородную по объему обработку с высокой производительностью. При этом однородность обработки обеспечивается равномерностью распределения высокочастотного поля в системе камер нагрева. Кроме того, неизвестно решение поставленной задачи путем комбинированной обработки материалов: на начальном этапе поперечной продувки горячим воздухом, а на конечном этапе СВЧ
излучение в сочетании с продольной продувкой горячим воздухом. Известно, что на начальном этапе обработки горячим воздухом требуются небольшие затраты электроэнергии, которые резко возрастают при влагосодержании продукта около 200% и ниже. При обработке продуктов СВЧ излучением энергозатраты при влагосодержании продукта более 200% выше, чем при сушке горячим воздухом, а при влагосодержании, меньшим 200% ниже.

Таким образом, сочетание обработки на начальном этапе горячим воздухом, позволяющим снизить содержание свободной влаги, и на заключительном - СВЧ-излучением, позволяющим исключить связанную влагу, является энергетически наиболее эффективным.

Кроме того, использование СВЧ излучения на конечном этапе обработки позволяет с высокой степенью эффективности произвести обеззараживание продукта при 95% -ной сохранности сахаров, витамина С, каротина. Обработанный таким способом продукт соответствует высшему сорту качества.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом устройстве изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой установки, на фиг.2 - общий вид камер нагрева, на фиг.3 вид сбоку установки с системами продольной и поперечной продувки горячим воздухом.

Установка состоит из камер нагрева 1, источников СВЧ энергии 2,3, расположенных напротив друг друга и подключенных к камерам нагрева 1, контейнера 4, для транспортировки обрабатываемого материала, системы продольной продувки горячим воздухом 5 и системы поперечной продувки горячим воздухом 6 (см. фиг.1).

Камеры нагрева 1 выполнены в виде отрезков желобковых волноводов 7 с окнами 8 для подачи материала (см. фиг.2). Камеры нагрева 1 соединены между собой в плоскости, параллельной продольным осям желобковых волноводов 7 и перпендикулярной плоскости движения конвейера 4, который выполнен в возможностью перемещения через окна 8 желобковых волноводов 7. Система продольной продувки горячим воздухом 5, выполненная, например, в виде калорифера, ориентирована параллельно плоскости движения конвейера 4 (см. фиг.3). К первой по направлению движения конвейера 4 камеры нагрева 1 может быть подключена система поперечной продувки горячим воздухом 6 (см. фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

Продукт загружают на поддоны и устанавливают на конвейер 4. По мере продвижения поддонов с продуктами последовательно включают источники 2 и 3 соответствующих камер нагрева, в результате чего энергия высокочастотного излучения поступает в камеру нагрева 1, где происходит воздействие СВЧ - излучения на продукт. Согласованные с камерой нагрева 1 источники 2 и 3 в промежутки времени между генерацией выполняют роль согласованной нагрузки и обеспечивают в камере нагрева 1 режим бегущей волны, при котором плотность СВЧ энергии равномерна по длине камеры 1. Кроме того, использование двух СВЧ
источников 2 и 3, расположенных напротив друг друга и подключенных к камере 1 противофазно, обеспечивает равномерный нагрев образцов по их ширине. Система продольной продувки 5, включенная одновременно с первой по направлению движения конвейера камерой нагрева 1, увеличивается скорость сушки продукта, нагреваемого с помощью СВЧ излучения.

Для снижения затрат электроэнергии установка может содержать систему поперечной продувки 6, которая осуществляет предварительную обработку высоковлажного продукта. В этом случае поддон с продуктами устанавливают на конвейер 4 и воздействую на продукт поперечным потоком горячего воздуха. По достижении в системе поперечной продувки 6 рабочей температуры 90-95^oC включают конвейер 4 и осуществляют продвижение продукта к камере нагрева 1. При этом обработку горячим воздухом в системе 6 осуществляют до удаления 70-80% влаги.

Количество N камер нагрева выбирают из следующих соображений.

Известно, что для испарения массы воды необходима энергия E при средней энергоемкости процесса , т.е.

которые в свою очередь определяются как

где
M_c масса абсолютно сухого материала,
χ_o влагосодержание продукта до сушки,
χ_кон влагосодержание продукта после сушки. Тогда

Так как в предлагаемой установке процесс сушки является непрерывным, то вместо величины массы удобнее пользоваться отношением массы ко времени, т.е. величиной производительности.

где
производительность установки по испаренной влаге;
производительность установки по сухому продукту.

Известно, что энергия E -есть мощность установки P, умноженная на время процесса t, т.е.

E=P·t,
Мощность установки P определяется формулой:
P=2NP₀,
где
N количество камер нагрева,
P₀ мощность одного источника СВЧ.

Тогда
E=2NP₀t,
Из соотношения (11) с учетом (3),(6),(8) получим:

Если величины χ_o, χ_кон измеряются в процентах, то выражение (12) примет вид:

Геометрические размеры камеры поперечной продувки выбирают из следующих соображений. В зависимости от отрабатываемого материала и конфигурации установки отношение массы воды, испаренной в камере продувки горячим воздухом M_k, к массе воды, испаренной в камере СВЧ нагрева M_свч, лежит в пределах от 3 до 8:

Масса испаренной воды есть энергия, затраченная на испарение, отнесенная к энергоемкости процесса:

Энергия есть произведение мощности источника на длительность процесса:

где
P_н.э. мощность нагревательных элементов;
L_k длина конвективного участка;
V_o скорость конвейера

где
N скорость камер СВЧ нагрева;
l длина камеры СВЧ нагрева;
P_o мощность источника СВЧ энергии
Мощность нагревательных элементов P_н.э. можно определить как отношение теплоты Q, переданной нагреваемому воздуху ко времени процесса t:

где
c_b теплоемкость воздуха;
m_b масса воздуха;
ΔT превышение температуры воздуха в камере поперечной продувки над температурой окружающей среды.

где
ρ_b плотность воздуха;
V объем воздуха;
b ширина камеры поперечной продувки;
V_b скорость нагретого воздуха через продукт;
L_k длина камеры поперечной продувки.

Учитывая вышесказанное, можно записать

Значит, выражение (13) можно записать в виде:

и, выделив геометрические размеры камеры поперечной продувки, переписать как

где
R_k средние энергоемкости, соответственно, процессов СВЧ - сушки и сушки поперечной продувкой горячим воздухом (кВт·ч/кг);
N число камер нагрева;
P₀ мощность источника СВЧ энергии (кВт);
l длина камеры нагрева (м);
C_b, ρ_в теплоемкость и плотность воздуха (кВт·ч/кг·град,кг/м³);
ΔT заданное превышение температуры воздуха в камере поперечной продувки над температурой окружающей среды (^oC);
V_возд заданная скорость воздушного потока через продукт (м/ч).

L_k длина камеры поперечной продувки (м);
b ширина камеры поперечной продувки (м);
Пример 1 работы установки с 12-ю камерами нагрева. Предварительно очищенный и нарезанный продукт (морковь) с начальным влагосодержанием 750% выкладывают на поддоны с сетчатым дном размером 0,3·0,6 м по 1,5 кг на каждый. Включают привод конвейера 4 и устанавливают его скорость 6,4-6,6 см/мин. Устанавливают поддоны с продуктом на конвейер 4. По мере поступления поддонов с продуктом в камеры 1 СВЧ нагрева включают соответствующие источники СВЧ излучения 2 и 3. Мощность каждого источника 1,2 кВт. Частота излучения 2,45 Ггц. Одновременно продукт с помощью системы продольной продувки 5 обдувается теплым воздухом с температурой 55-60^oC. На выходе из установки получают поддоны с готовым продуктом с влагосодержанием 14-16%
Пример 2 работы установки с 3-мя камерами нагрева и системой поперечной продувки горячим воздухом (длина системы 1,5 м). Предварительно нарезанный и очищенный продукт (морковь) с начальным влагосодержанием 750% выкладывают на поддоны с сетчатым дном размером 0,3·0,6 м по 2,5 кг на каждый. Включают привод конвейера 4, и устанавливают его скорость равной 3,5-3,6 см/мин. Включают систему поперечной продувки горячим воздухом и устанавливают поддоны с продуктом на конвейер 4. В системе продувки 6 продукт обрабатывается горячим воздухом c температурой 90-92^oC со скоростью воздуха 1 м/с. По мере выхода поддонов с продуктом из системы поперечной продувки 6 и прохождения их через камеры СВЧ нагрева 1 включают источники СВЧ излучения 2 и 3. На выходе из установки получают поддоны с готовым продуктом с влагосодержанием 14-16%
Установка позволяет осуществить обработку древесины (пиломатериалов, паркета, фанеры и пр.), овощей, фруктов, зелени и лекарственных трав. Потребляемая мощность одной секции установки составляет 3,2 кВт. Производительность 12-секционной установки при сушке овощей составляет 20 кг/ч, зелени 60 кг/ч при конечной влажности 1-2% Обработанные сушеные продукты по показателям качества соответствуют высшему сорту. Так, сохранность сахара, крахмала, каротина в моркови, свекле, картофеле обеспечивается на уровне 96-98% Сохранность витамина C составляет 89-90%
Установка позволяет осуществить равномерную просушку лекарственных трав и зелени. При этом сохраняется их структура, цвет и запах. Сохранность каротина в укропе и петрушке 96-98% тогда как в известных на сегодняшний день установках она составляет 50-70%
Установка проста и легка в обслуживании, предусматривает возможность наращивания мощности, а тем самым увеличения производительности за счет увеличения до необходимого количества камер нагрева. При этом энергозатраты установки за счет применения маломощных серийно выпускаемых источников СВЧ - энергии магнетронов не столь значительны по сравнению с известными.

Формула изобретения

1. Установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов, содержащая камеру нагрева в виде отрезка желобкового волновода, в боковых стенках которого выполнены окна для подачи обрабатываемого материала, источник СВЧ-энергии, подключенный к камере нагрева, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по крайней мере еще одну камеру нагрева, идентичную первой, соединенную с ней и снабженную источником СВЧ-энергии, систему продольной продувки горячим воздухом, каждая из камер нагрева снабжена дополнительным вторым источником СВЧ-энергии, расположенным напротив первого, а соединение камер нагрева выполнено с возможностью перемещения через них обрабатываемого материала, при этом плоскость соединения камер нагрева перпендикулярна заданному направлению перемещения через них обрабатываемого материала, а система продольной продувки горячим воздухом ориентирована параллельно направлению перемещения материала, причем число камер нагрева выбирают из условия

где средняя энергоемкость процесса СВЧ-сушки, кВт·ч/кг;
M_с заданная производительность установки по сухому продукту, кг/ч;
χ_o - начальное влагосодержание материала,
χ_кон - заданное конечное влагосодержание материала,
P_о потребляемая мощность источника СВЧ-энергии, кВт.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит камеру поперечной продувки горячим воздухом, подключенную со стороны первой по направлению движения материала камере нагрева в плоскости, параллельной плоскости соединения камер нагрева, причем длина и ширина камеры поперечной продувки связаны с количеством камер нагрева и мощностью источника СВЧ-энергии соотношением

где средние энергоемкости соответственно процессов СВЧ-сушки и сушки поперечной продувкой горячим воздухом, кВт·ч/кг;
N число камер нагрева;
P_о мощность источника СВЧ-энергии, кВт;
L длина камеры нагрева, м;
C_в, ρ_в - теплоемкость и плотность воздуха, кВт·ч/кг·град, кг/м³;
ΔT - заданное превышение температуры воздуха в камере поперечной продувки над температурой окружающей среды, ^oС;
V_возд заданная скорость воздушного потока через продукт, м/ч;
L_к длина камеры поперечной продувки, м;
b ширина камеры поперечной продувки, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3