Свч-нагреватель жидкости

 

Изобретение относится к СВЧ-технике и предназначено для нагрева (пастеризации, стерилизации) жидкостей (воды, молока, соков, пива, вина, паст и т. д. ), а так же может быть использовано как оконечная нагрузка или постоянный аттенюатор генераторов СВЧ с непрерывной мощностью до 75 кВт. Целью изобретения является создание устройства, позволяющего осуществить высокий темп нагрева жидкости - до 350 град/C, и воздействие на жидкость высоким уровнем плотности СВЧ-мощности - до 1000 Вт/см и более, что обеспечивает высокое качество обрабатываемой продукции (сохранность термолабильных компонентов и нативных свойств). СВЧ-нагреватель жидкости содержит металлический отрезок прямоугольного волновода сечением AxB и длиной 1,3 λ , где l - длина волны в свободном пространстве. В волновод под углом 45^o к его широким стенкам введена диэлектрическая трубка с низкими потерями (кварцевое стекло), диаметр трубки D=0,14A, на нижней широкой стенке волновода установлен П-образный выступ, который обеспечивает согласование СВЧ-генератора с нагревателем жидкости, значение КСВН СВЧ-нагревателя не более 1,25, затухание в СВЧ-нагревателе при пастеризации молока не менее 20 дБ. Конструкция нагревателя позволяет для увеличения затухания соединять последовательно несколько СВЧ нагревателей. 1 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ, может быть использован для нагрева жидкости с ε > 30 и tg d > 0,03 с темпом нагрева до 350 град/с или как поглощающая нагрузка или постоянный аттенюатор для генераторов с непрерывной мощностью до 75 кВт.

Известна нагрузка, поглощающая СВЧ-колебания большой мощности. Данная нагрузка состоит из отрезка волновода прямого или уголкового, в котором находится согласующий слой и поглощающая жидкость. К недостатком этого типа нагрузок можно отнести изменение значения КСВН от температуры нагреваемой жидкости, значительные габариты и невозможность получить большого нагрева жидкости[1] Известны короткие водяные нагрузки для волноводов[2] 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 (1-cos)², расстояние между соседними трубками равно l/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] 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 входному 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 тепла нагрева жидкости и конструктивные сложности. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волновод, предназначенный для поглощения СВЧ-энергии[4] 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 отверстие в узких стенках волновода, причем входное и выходное отверстия благодаря наклону трубки относительно продольной оси волновода оказываются смешанными одно относительно другого вдоль волновода на λ/4 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 и значительные размеры.

Целью настоящего изобретения являются увеличение темпа нагрева жидкости до 350 град./с и уменьшение размеров.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-нагревателе жидкости с ε > 30 и tg>0,03 представляющий собой отрезок прямоугольного волновода сечением AxB, где A широкая и B узкая стенки 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, диэлектрическая трубка имеет диаметр D, равный (0,14±0,03)A и входит в волновод под углом 45 ±2^o к его широким стенкам в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам, а в отрезке прямоугольного волновода симметрично на одной из широких стенок установлен П-образный выступ шириной, равной 0,3A, который состоит из пяти участков: первый участок имеет длину, равную 0,58 l где l длина волны в свободном пространстве, и высота выступа в нем линейно увеличивается от 0 до 0,67B; второй участок имеет длину 0,8D и высоту выступа, равную 0,67B; третий участок 45^o переход от высоты выступа, равного 0,67B на высоту выступа, равную 0,57B, при этом ось диэлектрической трубки лежит в плоскости 45^o перехода; четвертый участок длиной 0,15 l имеет высоту выступа, равную 0,57B и пятый участок длиной 0,49 l и высота выступа в нем линейно уменьшается от 0,57B до 0, в отрезке волновода A=0,671 l и B=0,317 l Существенные признаки, отличающие предлагаемый СВЧ- нагреватель от прототипа не поддаются самостоятельной квалификации, т.к. не отделимы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в СВЧ- нагреватель окончательно определены экспериментально и позволяет построить СВЧ-нагреватель небольших размеров (длина 1,3 l ), с темпом нагрева до 350 град. /с.

На чертеже приведен эскиз предлагаемого СВЧ- нагревателя. Указанные экспериментально на макетах заявленного СВЧ-нагревателя.

СВЧ-нагреватель состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, в котором расположены прямоугольный выступ 2 и диэлектрическая трубка 3. Отрезок волновода 1 имеет сечение AxB и длину 1,3 l где l длина рабочей волны в свободном пространстве. С обоих концов волновод имеет стандартные фланцы. Отношение сторон волновода к рабочей длине волны следующие: A/λ0,671 и B/λ 0,317. Выступ 2 имеет ширину 0,3A и образует в волноводе входной переход с волновода прямоугольного сечения AxB на волновод П-образного сечения, отрезок волновода П-образного сечения и выходной переход с волновода П-образного сечения на волновод прямоугольного сечения AxB. Во входном переходе длиной 0,58 l высота выступа линейно увеличивается от d=0 до d=0,67B; отрезок П-образного волновода состоит из трех участков, первый участок длиной 0,8D, где D внутренний диаметр диэлектрической трубки 3 имеет высоту 0,67B. Второй участок 45^o переход с волновода П-образного сечения с высотой выступа 0,67B на волновод П-образного сечения с высотой выступа 0,57B и третий участок волновод П-образного сечения длиной 0,15 l и высотой выступа 0,57B. Выходной переход имеет длину 0,49 l и высота выступа в нем линейно уменьшается от d= 0,57B до d=0.

Диэлектрическая трубка 3 с внутренним диаметром D=0,14A входит в отрезок волновода 1 под углом 45^o к его широким стенкам в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам, так что ось трубки находится в плоскости 45^o перехода второго участка П-образного волновода. На внешней стороне широких стенок отрезка волновода 1 установлены штуцера 4, через которые проходит диэлектрическая трубка. Диэлектрическая трубка выполняется из кварцевого стекла или второго пласта. В зависимости от использования СВЧ-нагревателя к его выходу подключаются необходимые СВЧ-элементы или устанавливается заглушка.

СВЧ-негреватель работает следующим образом. На вход нагревателя подаются СВЧ-колебания мощностью до 75 кВт, а через диэлектрическую трубку пропускается нагреваемая жидкость. В волноводе жидкость в диэлектрической трубке поглощает СВЧ-энергию и нагревается до заданной температуры. Температура нагрева жидкости определяется скоростью ее прохождения по трубке и мощностью СВЧ- генератора.

Макеты заявленного устройства экспериментально исследованы с генератором СВЧ-мощностью 50 кВт и частотой 915 МГц. Макеты заявляемого устройства имеют значения КСВН менее 1,25, и темп нагрева 350 град/с и затухание при нагреве в качестве жидкости молока не менее 20 дБ.

По сравнению с прототипом предлагаемый СВЧ- нагреватель обладает улучшенными техническими и экономическими показателями: а) значительно большим темпом нагрева жидкости, который определяет новый уровень технологической обработки жидких материалов; б) устранением изменения согласования нагревателя СВЧ с генератором при запуске, т.е. начале нагрева; в) меньшими массо-габаритными характеристиками;
г) более простой технологией изготовления.

Источники информации:
1. В.П.Шестопалов, А.А.Кириленко, Л.А.Рудь. Резонансное рассеяние волн. Волнородные неоднородности. Том второй. стр. 157-160. Изд-во Наукова Думка, Киев, 1986 г.

2. Короткие водяные нагрузки волноводов. Gerlask Risnaro Z. Snjrt Waterloadc for large Wavegnides. Misrowafe I. 1975, т8. N 3, 45 46, 57 (англ).

3. Нагрузка с водяным охлаждением. Nelson Rishard B. Water load. [Varian Associates] Пат. США, кл. 333/22F (H 01 P1/26), H 03 h 7/38), N 3633131. Завл. 24.014.70. Опубл. 4.01.72.

4. Вoлновод. Sute Raiph Hashley, Stedens Dunean Horper. A.Wadeguile [Rotak Ltd] Англ. пат. кл. H1W(H 01 P 1/26), N 1372697, заявл. 21.11.70. опубл. 8.11.71.

Формула изобретения

СВЧ-нагреватель жидкости с ε > 30 и tgδ > 0,03 представляет собой отрезок прямоугольного волновода сечением А х В, где А широкая и В узкая стенки волновода, внутри которого расположена наклонного к его продольной оси к его широким стенкам трубка, выполненная из диэлектрика с низкими потерями и обеспечивающая циркуляцию жидкости, отличающийся тем, что в нагреватель диэлектрическая трубка имеет внутренний диаметр D (0,14 ± 0,03) А и входит в волновод под углом 45±2^o к его широким стенками в плоскости, проходящей через ось волновода, параллельно его узким стенкам, а в отрезке прямоугольного волновода симметрично на одной из широких стенок установлен П-образный выступ шириной, равной 0,3А, который состоит из пяти участков: первый участок имеет длину, равную 0,58λ, где l - длина волны в свободном пространстве, и высота выступа в нем линейно увеличивается от 0 до 0,67 В, второй участок имеет длину 0,8 D и высоту выступа, равную 0,67 В, третий участок 45^o- переход от высоты выступа, равного 0,67 В на высоту выступа, роавную 0,57 В, при этом ось диэлектрической трубки лежит в плоскости 45^o- перехода, четвертый участок длиной 0,15λ имеет высоту выступа, равную 0,57В, и пятый участок длиной 0,49λ и высота выступа в нем линейно уменьшается от 0,57 В до 0.