Микроволновый нагреватель жидкой или сыпучей среды

Изобретение относится к области технологии микроволновой обработки жидких и сыпучих сред и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и техники: в сельском хозяйстве, медицине, в пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки жидких или сыпучих сред. Техническим результатом является повышение равномерности распределения электромагнитной энергии СВЧ в обрабатываемой среде с потерями вдоль микроволнового нагревателя, а также увеличение допустимой мощности СВЧ-сигнала, подводимого к микроволновому нагревателю. Микроволновый нагреватель жидких и сыпучих сред состоит из излучателя электромагнитной энергии, расположенного в радиопрозрачной трубе, размещенной в резервуаре с обрабатываемой средой. Излучатель электромагнитной энергии представляет собой двухпроводную линию и состоит из двух проводников - первого и второго. Один из этих проводников за счет своей конфигурации имеет большую длину, чем другой, т.е. выполнен с удлинением. Это удлинение может быть либо монотонным вдоль всей оси линии, либо обеспеченным фазосдвигающими элементами, включенными в проводник с определенным шагом. На вход двухпроводной линии подводится СВЧ-энергия от симметричного выхода источника СВЧ-энергии. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области технологии микроволновой обработки жидких и сыпучих сред и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и техники: в сельском хозяйстве, медицине, в пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки жидких или сыпучих сред.

Известны устройства микроволновых нагревателей для СВЧ-обработки жидких и сыпучих сред, см. например, патент РФ 2074530 от 27.02.1997 г. МПК, Н 05 В 6/64 - Микроволновый нагреватель жидких сред. Формирование распределения в устройстве такого типа обеспечивается спиральным проводником, намотанным на диэлектрической трубе, по которой протекает обрабатываемая жидкость. В таких устройствах решается задача согласования генератора СВЧ, что обеспечивает эффективный нагрев жидкости, но при этом не решается задача формирования распределения энергии, отдаваемой жидкости вдоль нагревательного элемента.

Прототипом изобретения является Патент США 4221948 от 09.09.1980, МПК Н 05 В 9/06 - Apparatus for subjecting a material to electromagnetic waves.

Микроволновая обработка в устройствах, представленных в данном патенте, производится микроволновым нагревателем, состоящим либо из отдельного излучателя - линейной антенны (штырь, спираль), либо из системы дискретных излучателей электромагнитной энергии (волноводно-щелевые решетки), погруженных в среду с потерями. Недостатком этих устройств является то, что они не обеспечивают требуемую равномерность распределения электромагнитной энергии в обрабатываемой среде с потерями в результате того, что система дискретных излучателей в среде с потерями формирует локальное воздействие электромагнитного поля на обрабатываемую среду в непосредственной близости от излучателя. А линейные антенны типа штыря, спирали формируют в среде с потерями спадающее распределение тока в антенне, что приводит к неравномерности обработки. Входное сопротивление таких нагревателей в сильной степени зависит от электромагнитных параметров обрабатываемой среды (см., например Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984 г., т.2, стр.447-449), поэтому при изменении в широких пределах параметров этой среды трудно обеспечить режим согласования источника электромагнитной энергии с микроволновым нагревателем. Производительность установок, работающих с такими нагревателями, ограничена, в частности, максимально допустимой плотностью электромагнитной энергии, формируемой в обрабатываемой среде вблизи поверхности отдельных излучателей. Это ограничивает мощность СВЧ-сигнала, подводимого к микроволновому нагревателю.

Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении равномерности распределения электромагнитной энергии СВЧ в обрабатываемой среде с потерями вдоль микроволнового нагревателя, обеспечении режима согласования источника электромагнитной энергии с микроволновым нагревателем при изменении в широких пределах электромагнитных параметров обрабатываемой среды, а также обеспечении возможности увеличения допустимой мощности СВЧ-сигнала, подводимого к микроволновому нагревателю.

Решаемая техническая задача в микроволновом нагревателе жидкой или сыпучей среды в первом его варианте, состоящем из излучателя электромагнитной энергии, размещенного в радиопрозрачной трубе, расположенной в резервуаре для обрабатываемой среды, достигается тем, что излучатель электромагнитной энергии выполнен в виде открытой двухпроводной линии длиной L>λ/2, один проводник которой относительно другого проводника на длине двухпроводной линии L выполнен длиннее на величину ΔL>0 с удлинением вдоль всей длины линии, при этом удлинение проводника двухпроводной линии на протяжении ее длины L выполнено монотонным или дискретным, где λ - длина электромагнитной волны источника СВЧ-энергии; L - длина двухпроводной линии по оси радиопрозрачной трубы; ΔL - величина удлинения одного проводника двухпроводной линии относительно другого на длине линии L.

Решаемая техническая задача в микроволновом нагревателе жидкой или сыпучей среды в его втором варианте, состоящем из излучателя электромагнитной энергии, размещенного в радиопрозрачной трубе, расположенной в резервуаре для обрабатываемой среды, достигается тем, что излучатель электромагнитной энергии выполнен в виде полого металлического волновода длиной L, закороченного на конце, стенки которого выполнены в виде сетчатой структуры с ячейками, размеры которых вдоль волновода изменяются от 0<d_яч≪λ до d_яч≤λ/2 и с интервалами между ячейками, много меньшими длины волны d_ин≪λ, а сетчатая структура на стенках волновода может быть выполнена либо из перфорированного металлического листа с размерами отверстий d_от=d_яч, либо из металлической сетки с размерами ячеек d_яч, где λ - длина электромагнитной волны источника СВЧ-энергии; L - длина металлического волновода вдоль оси радиопрозрачной трубы; d_яч - максимальный размер ячейки сетчатой структуры в направлении касательного к металлическим стенкам магнитного поля в волноводе; d_ин - расстояние между ближайшими кромками соседних ячеек сетчатой структуры на стенках волновода.

На фигуре 1 показано продольное сечение микроволнового нагревателя с монотонным удлинением проводника, выполненного в виде равноугольной спирали, его первый вариант.

На фигуре 2 показана конфигурация двухпроводной линии для случая дискретного удлинения проводника для микроволнового нагревателя по его первому варианту.

На фигуре 3 показано продольное сечение микроволнового нагревателя, его второй вариант.

Микроволновый нагреватель жидкой или сыпучей среды по фигурам 1, 2 состоит из излучателя электромагнитной энергии, выполненного в виде двухпроводной линии 1, размещенной в радиопрозрачной трубе 2, расположенной в резервуаре 3 для обрабатываемой среды 4. Двухпроводная линия 1 длиной L>λ/2 состоит из двух проводников: из первого проводника 5 и второго проводника 6 в случае монотонного удлинения одного из этих проводников или из третьего проводника 7 и четвертого проводника 8 в случае дискретного удлинения. Проводники линии 1 установлены в трубе 2 вдоль ее продольной оси Z на диэлектрических шайбах 9. Первый проводник 5 или третий проводник 7 двухпроводной линии 1 за счет своей конфигурации имеет большую длину, чем второй проводник 6 или четвертый проводник 8, т.е. выполнены с удлинением ΔL>0. Это удлинение может быть выполнено либо монотонным вдоль всей оси линии, пропорционально коэффициенту удлинения K(z), характеризующимся непрерывной функцией от (z). При этом монотонное удлинение проводников относительно друг друга, например, может быть выполнено, например, в виде спиральной намотки первого проводника 5 относительно второго проводника 6 либо дискретным - обеспеченным фазосдвигающими элементами 10, которые включенны, например, в третий проводник 7 с шагом d_ш. Вход двухпроводной линии 1 соединен с симметричным выходом источника СВЧ-энергии 11.

Микроволновый нагреватель жидкой или сыпучей среды по фигуре 3, его второй вариант, состоит из излучателя электромагнитной энергии, выполненного в виде металлического волновода 12, расположенного в радиопрозрачной трубе 2, размещенной в резервуаре 3 для обрабатываемой среды 4. Металлический волновод 12 закорочен на конце 13. Металлические стенки волновода 12 выполнены в виде сетчатой структуры с ячейками 14, размер которых d_яч изменяется вдоль волновода от 0<d_яч≪λ до d_яч≤λ/2 и с интервалом d_ин, характеризующим расстояние между ближайшими кромками соседних ячеек сетчатой структуры, много меньшим длины волны d_ин≪λ. Сетчатая структура на стенках волновода 12 может быть выполнена либо из перфорированного металлического листа с размерами отверстий d_от=d_яч, либо из металлической сетки с размерами ячеек d_яч.

Работа микроволнового нагревателя, в его первом и втором вариантах, осуществляется следующим образом. Потери электромагнитной энергии СВЧ, подведенной на вход двухпроводной линии 1, в обрабатываемой среде 4 складываются из потерь части внешнего поля волны типа Т в линии 1, существующего снаружи радиопрозрачной трубы, и составляющих поля излучения этой линии. Внешнее поле волны типа Т и его потери определяются геометрией поперечного сечения линии 1 и размерами радиопрозрачной трубы 2. Потери, обеспеченные излучением линии 1 в обрабатываемой среде 4, зависят от величины разбаланса токов в ее проводниках по фазе и амплитуде, вызванного фазовой задержкой токов в первом проводнике 5 относительно второго проводника 6 и в третьем проводнике 7 относительно четвертого проводника 8. В данном изобретении разбаланс токов обеспечивается фазовой задержкой за счет удлинения одного проводника относительно другого. На участках линии 1, где фазовая задержка становится кратна нечетному числу π токи в первом проводнике 5 и втором проводнике 6, а также в третьем проводнике 7 и четвертом проводнике 8 становятся синфазными. Излучение линии 1 в этих участках становится эквивалентным излучению одиночному проводнику с суммарным током. На таких участках излучение линии 1 будет максимальным. Таким образом, изменяя фазовую задержку токов вдоль проводников 5, 6 или 7, 8 относительно друг друга вдоль линии 1, будет изменяться величина энергии потерь в обрабатываемой среде 4, обеспеченное излучением различных участков линии 1. Удлинение проводников относительно друг друга может быть непрерывным, например, выполненное в виде спиральной намотки первого проводника 5 относительно второго проводника 6. При этом путем плавного избиения шага намотки проводника 5 вдоль линии обеспечивается плавное изменение его удлинения и соответственно изменение интенсивности излучения различных участков линии 1. Этим обеспечивается изменение связи линии 1 с обрабатываемой средой 4 за счет изменения составляющей поля излучения вдоль нее. На фигуре 2 приведен пример дискретного удлинения третьего проводника 7 относительно четвертого проводника 8 в линии 1. В этом случае изменение параметров связи линии 1 с обрабатываемой средой 4 будет изменяться дискретно вдоль линии 1.

В случае металлического волновода 12 со стенками из сетчатой структуры, выполненной либо из перфорированного листа с размерами отверстий d_от=d_яч, либо из металлической сетки с размерами ячеек d_яч, величина энергии СВЧ-проникающей через ячейки 14 сетчатой структуры, зависит от размеров ячеек d_яч вдоль силовых линий магнитного поля касательного к стенкам волновода 12. Эта зависимость может быть оценена, например, методом усредненных граничных условий, см., например, Конторович М.И., Астраханин М.И., Акимов В.П., Ферсман Г.А. Электродинамика сетчатых структур. М.: Радио и связь, 1987 г., стр.9-23.

Ограничение размеров ячеек 14 сетчатой структуры 12 от 0<d_яч≪λ до d_яч≤λ/2 следует из необходимости обеспечения запредельных размеров отверстий в этих ячейках, когда излучение через них может рассматриваться как излучение из запредельного волновода. При этом интенсивность излучения из ячеек зависит от ее размера d_яч и будет увеличиваться с увеличением этого размера. С превышением размера d_яч=λ/2 интенсивность излучения будет определяться свойствами открытого конца волновода. См. например, Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - М.: Энергия, 1975 г. стр.56-65.

Повышение равномерности распределения электромагнитной энергии СВЧ в обрабатываемой среде 4 с потерями вдоль микроволнового нагревателя в первом его варианте обеспечивается плавным распределением удлинения проводников 5, 6 и 7, 8 относительно друг друга вдоль двухпроводной линии 1 и величиной полного удлинения ΔL одного из проводников относительно другого проводника линии 1. Во втором его варианте повышение равномерности распределения электромагнитной энергии СВЧ в обрабатываемой среде 4 с потерями вдоль микроволнового нагревателя обеспечивается изменением вдоль волновода 12 размеров ячеек 14.

Режим согласования источника электромагнитной энергии 11 с микроволновым нагревателем 1 и 12 при изменении в широких пределах электромагнитных параметров обрабатываемой среды 4 обеспечивается за счет широкополосных трансформирующих свойств линии 1 и волновода 12, которые являются нерегулярными линиями с плавно изменяющимися параметрами. См., например, Сазонов Д.Н., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981 г., стр.184-187. В данном случае широкополосные свойства микроволнового нагревателя определяются допустимым диапазоном изменения электромагнитных параметров обрабатываемой среды 4.

Ограничение минимальной длины двухпроводной линии L>λ/2 вызвано условием обеспечения широкополосных свойств плавных нерегулярных отрезков линий передачи, см., например, Сазонов Д.Н., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981 г., стр.184-187.

Ограничение d_ин≪λ диктуется необходимостью обеспечить для плавных нерегулярных линий передачи равномерность изменения их распределенных параметров вдоль линии 1.

Возможность увеличения допустимой мощности сигнала СВЧ, подводимого к микроволновому нагревателю 1 и 12, по сравнению с прототипом обеспечивается тем, что поверхность взаимодействия по электромагнитному полю между микроволновым нагревателем и обрабатываемой средой в предложенном изобретении больше, чем у прототипа. Поэтому относительно прототипа плотность электромагнитной энергии, воздействующей на обрабатываемую среду 4, при прочих равных условиях в предложенном изобретении будет меньше. Это позволяет увеличить мощность, подводимую к излучателю.

Микроволновый нагреватель для нагрева жидкостей в трубопроводе был реализован в радиопрозрачной трубе 2 диаметром 40 мм, выполненной из стеклотекстолита. В линии было осуществлено равномерное удлинение проводника в виде равноугольной спиральной намотки одного проводника относительно другого с радиусом намотки 0,1λ и углом намотки спирали θ=24° по отношению к оси Z. Такое выполнение проводника характеризуется коэффициентом удлинения K(z)=1/Cosθ=1,1. Длина линии L=5λ, полное удлинение спирального проводника на всей длине линии по отношению к прямому проводнику на частоте 2450 МГц составляло ΔL=0,5λ. Данный микроволновый нагреватель при погружении в различные жидкости обеспечил следующие параметры (см. таблицу).

Тип среды	Согласование Кст	Неравномерность распределения поля в среде вдоль линии Uмах/Uмин
Пресная вода	1,3	0,52
Соленая вода (соли 10 г на 1 литр воды)	1,5	0,65
Моторное масло	1,8	0,78
Воздух	2,1	0,45

Микроволновый нагреватель жидкой или сыпучей среды, состоящий из излучателя электромагнитной энергии, размещенного в радиопрозрачной трубе, расположенной в резервуаре для обрабатываемой среды, отличающийся тем, что излучатель электромагнитной энергии выполнен в виде открытой двухпроводной линии длиной L>λ/2, один проводник которой относительно другого проводника на длине двухпроводной линии L выполнен длиннее на величину ΔL>0 с удлинением вдоль всей длины линии, при этом удлинение проводника двухпроводной линии на протяжении ее длины L выполнено монотонным или с помощью фазосдвигающих элементов, включенных в проводник с шагом dш ,

где λ - длина электромагнитной волны источника СВЧ энергии;

L - длина двухпроводной линии по оси радио прозрачной трубы;

ΔL - величина удлинения одного проводника двухпроводной линии относительно другого на длине линии L;

dш - величина шага размещения дискретных фазосдвигающих элементов, включенных в проводник двухпроводной линии на ее длине L.