способ микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды, заключающейся в формировании распределения потерь энергии СВЧ от источника энергии СВЧ в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде, находящейся в емкости и характеризующейся электромагнитными потерями, отличающийся тем, что формирование распределения потерь энергии СВЧ в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде осуществляют, используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны, которую возбуждают в отрезке открытой нерегулярной линии передачи, помещенной в обрабатываемую жидкую или сыпучую среду и характеризуемой в этой среде выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля, изменяющимся вдоль линии по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), принимающей значения от нуля до единицы, где z - направление вдоль оси линии.

2. Устройство микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды, содержащее узел ввода СВЧ-энергии, расположенный в емкости и связанный с источником энергии СВЧ посредством СВЧ-тракта и узла сопряжения, отличающееся тем, что узел ввода СВЧ-энергии выполнен в виде нагруженного на конце на нагрузку отрезка открытой нерегулярной линии передачи, характеризуемой выбранным нормированным распределением потерь энергии СВЧ, изменяющимся вдоль линии по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), принимающей значения от нуля до единицы, где z - направление вдоль оси линии.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве отрезка открытой нерегулярной линии передачи использована разветвленная нерегулярная открытая линия передачи.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве отрезка открытой нерегулярной линии передачи использована открытая линия передачи, содержащая излучатели электромагнитной энергии.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве нагрузки использовано сопротивление величиной от нуля до бесконечности.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве нагрузки использован отрезок дополнительной открытой нерегулярной линии с входным сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки.

Описание изобретения к патенту

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 и сыпучих сред.

Известны способы и устройства СВЧ-обработки жидких и сыпучих сред (см. например, а.с. СССР 1287702, МПК F 26 В 17/12 от 20.12.84, Башкирское республиканское производственное управление хлебопродуктов).

Микроволновая обработка в этих устройствах производится дискретными излучателями электромагнитной энергии. Недостатком способа, реализуемого этими устройствами, является то, что в них формируют воздействие энергии СВЧ с поверхности обрабатываемой среды, и в результате, из-за наличия значительных потерь в этой среде, электромагнитному воздействию подвергаются только наружные слои, т.е. имеет место большая неравномерность микроволновой обработки.

Прототипом изобретения является патент РФ №2196227, МПК 7 Е 21 В 43/34, опубликованный 10.01.2003, Бюл. №1, "Устройство разделения водогазонефтяной смеси". Устройство состоит из трубопровода с водонефтяной смесью, выполненного диаметром _тp>2/2,61, на боковой поверхности которого через отверстия присоединены устройства ввода энергии СВЧ, выполненные в виде патрубков с волноводными фланцами, к которым подсоединены источники энергии СВЧ. Патрубки содержат диэлектрический согласующий и герметизирующий вкладыш, а выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций для газа, нефти и воды. Волноводные фланцы, размещенные на диаметрально противоположных сторонах трубопровода, развернуты относительно друг друга на угол 90.

Способ, реализуемый этим устройством, выбранным в качестве прототипа, заключается в воздействии энергией СВЧ от источника электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду - водонефтяную смесь, находящуюся в трубе. К недостатку этого способа следует отнести то, что он не позволяет сформировать необходимое распределение электромагнитного поля в объеме обрабатываемой среды. Это происходит потому, что энергия СВЧ подводится на поверхность обрабатываемой среды. При этом электромагнитное поле, которое формируется в наружном слое этой среды, характеризуемой электромагнитными потерями, с проникновением вглубь быстро убывает, а от ее поверхности возникают значительные отражения энергии СВЧ. В результате интенсивному воздействию энергии СВЧ подвергаются только наружные слои. В установках с большим уровнем энергии СВЧ, подводимой к устройству ввода энергии СВЧ, на его поверхности возникают локальные перегревы этой среды и высокочастотные разряды на границе с ней. Это приводит к нарушению работы энергетической установки и ограничивает допустимую мощность сигнала источника энергии СВЧ, подводимую к узлу ввода энергии СВЧ.

Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения заключается в обеспечении формирования требуемого распределения интенсивности воздействия электромагнитной энергии СВЧ на обрабатываемую жидкую или сыпучую среду с потерями и повышении уровня допустимой мощности СВЧ сигнала, подводимого к входу узла ввода энергии СВЧ.

Техническая задача в способе микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды, заключающемся в формировании распределения потерь энергии СВЧ от источника энергии СВЧ в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде, находящейся в емкости и характеризующейся электромагнитными потерями, достигается тем, что формирование распределения потерь энергии СВЧ в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде осуществляют, используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны, которую возбуждают в отрезке открытой нерегулярной линии передачи, помещенной в обрабатываемую жидкую или сыпучую среду и характеризуемой в этой среде выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля, изменяющимся вдоль линии по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), принимающей значения от нуля до единицы.

Техническая задача в устройстве для осуществления способа микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды, содержащем узел ввода энергии СВЧ, расположенный в емкости и связанный с источником энергии СВЧ посредством СВЧ-тракта и узла сопряжения, достигается тем, что узел ввода энергии СВЧ выполнен в виде нагруженного на конце на нагрузку отрезка открытой нерегулярной линии передачи, характеризуемой выбранным нормированным распределением потерь энергии СВЧ, изменяющимся вдоль линии по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), принимающей значения от нуля до единицы, где z - направление вдоль оси линии.

В качестве нерегулярной открытой линии передачи может быть использована разветвленная открытая нерегулярная линия передачи, открытая нерегулярная линия передачи, содержащая излучатели, а в качестве нагрузки может быть использовано либо сопротивление, величина которого выбрана в пределах от нуля до бесконечности, либо отрезок дополнительной открытой нерегулярной линии передачи с входным сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки.

На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления способа микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды.

На фигуре 2 показаны некоторые возможные варианты исполнения открытых нерегулярных линий передач для устройства ввода электромагнитной энергии СВЧ.

На фигуре 3 приведена конструкция печатной открытой нерегулярной двухпроводной линии, помещенной в воду с содержанием соли 10 г на литр, реализующей равномерное распределение потерь электромагнитной энергии вдоль линии.

На фигуре 4 в таблице 1 приведена экспериментально измеренная зависимость коэффициента затухания двухпроводной линии по фигуре 3 от расстояния между ее проводниками.

Схема устройства, иллюстрирующего осуществление способа микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды, по фигуре 1 содержит: узел ввода энергии СВЧ, выполненный в виде нерегулярной открытой линии передачи 1 выбранного типа, например из числа приведенных на фиг.2, характеризующейся в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде 2, находящейся в емкости 3, выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля вдоль линии, изменяющегося по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции, например вида принимающей значения от нуля до единицы. Где _(z) - коэффициент затухания нерегулярной открытой линии передачи, определяемый, главным образом, потерями внешнего поля электромагнитной волны линии передачи, находящейся в обрабатываемой среде, характеризуемой электромагнитными потерями, существенно большими, чем потери в проводниках и диэлектриках, входящих в конструкцию нерегулярной открытой линии передачи 1. Поэтому при определении коэффициента _(z) внутренними потерями линии пренебрегаем. Емкость 3 выполнена в виде трубы, в которую помещена обрабатываемая жидкая или сыпучая среда 2. Нерегулярная открытая линия передачи 1 одним концом соединена с источником энергии СВЧ 4 посредством СВЧ-тракта 5 и узла сопряжения 6, а другим концом нагружена на нагрузку 7, например, согласованную с выходным сопротивлением линии 1, которая может быть выполнена как в виде сопротивления, так и в виде отрезка дополнительной открытой линии передачи с требуемым входным сопротивлением, или в виде излучателя, выполненного, например, из такой же открытой линии передачи. Емкость 3 может быть выполнена в виде резервуара, трубопровода или желоба. В зависимости от физических условий микроволновой обработки среды 2, таких как диапазон частот, уровень энергии СВЧ, подводимой к нерегулярной открытой линии передачи 1, требуемого закона распределения энергии потерь вдоль открытой линии 1, а также от физических и электрических параметров среды 2, в качестве нерегулярной открытой линии передачи 1, могут быть использованы различные типы открытых линий передачи и волноводов переменного сечения. Отдельные варианты конструкций таких линий приведены на фигуре 2. Среди них волноводы типа диэлектрическая труба 8, диэлектрический стержень 9, изолированная двухпроводная линия 10, несимметричная полосковая линия 11, желобковый волновод 12, разветвленный диэлектрический волновод 13, разветвленная несимметричная полосковая линия 14, открытая нерегулярная линия передачи, содержащая излучатели, например, типа несимметричной полосковой линии, с решеткой излучателей 15. Распределение энергии потерь вдоль линии f_(z) и ее размещение в емкости с обрабатываемой средой 2 выбирают, например, из требований к микроволновой обработке жидкой или сыпучей среды 2 и вида емкости 3, где она находится, условий теплообмена и движения среды в емкости относительно открытой линии передачи 1.

Нерегулярная открытая двухпроводная линия передачи 16 по фигуре 3 выполнена из фольгированного фторопласта типа ФАФ4-Д. Она состоит из двух плоских проводников 17 постоянной ширины d=10 мм и двух диэлектрических пластин 18 толщиной h=5 мм. На конце линии включена сосредоточенная нагрузка 19 с сопротивлением 180 Ом.

Рассмотрим осуществление способа на примере устройства, собранного по схеме, представленной на фигуре 1. Электромагнитная энергия СВЧ, подведенная к узлу ввода выполненного в виде открытой нерегулярной линии 1 выбранного типа, например изолированная двухпроводная линия, размещенная определенным образом в емкости 3, например в центре трубы, распространяется вдоль нее в виде затухающей электромагнитной волны.

Одна часть энергии этой волны распространяется внутри открытой нерегулярной линии передачи 1. Она не взаимодействует с окружающей линию средой 2. Другая часть этой энергии распространяется вне нерегулярной открытой линии передачи 1 в виде внешнего поля этой волны, которая состоит из поля поверхностной волны и поля излучения. Эта часть энергии взаимодействует с окружающей открытую нерегулярную линию передачи 1 обрабатываемой средой 2. Ее потери происходят в этой среде и характеризуют полезные потери энергии СВЧ, затрачиваемые на микроволновую обработку.

Соотношение между энергиями внешнего и внутреннего полей открытой нерегулярной линии передачи 1 и соответственно коэффициент затухания и величина потерь в обрабатываемой среде 2 на единицу длины открытой нерегулярной линии передачи 1 зависят от ее конструктивных параметров: формы, размеров, соотношений размеров поперечного сечения, свойств диэлектрического материала и проводников, использованных в конструкции линии 1. Эти конструктивные параметры линии 1 определяют из условия формирования вдоль ее оси требуемого для микроволновой обработки распределения потерь энергии СВЧ либо расчетным путем (см., например: И.Е.Ефимов, Г.А.Шермина. Волноводные линии передачи М.: Связь, 1979 г., ст. 177-192. Сушкевич. Нерегулярные линии передачи. Б.А.Панченко, Е.И.Нефедов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986 г., с. 64-89), либо на основе измерения коэффициента затухания отрезков открытых линий передачи разного сечения, размещенных в обрабатываемой среде, например, путем измерения коэффициента передачи и коэффициента отражения исследуемого отрезка линии.

При определении коэффициента затухания и потерь в линии 1 внутренними потерями в проводниках и диэлектриках нерегулярной открытой линии 1 пренебрегаем, полагая, что все потери обеспечены взаимодействием внешнего поля линии 1 с обрабатываемой средой 2.

Распределение потерь энергии СВЧ вдоль линии 1 задано нормированной монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функцией распределения, например, вида которая изменяется вдоль линии 1 от нуля до единицы 0<f<1. От вида этой функции зависит распределение плотности электромагнитной энергии вдоль линии 1, ее длина и величина допустимой мощности сигнала СВЧ-энергии, подводимого к ее входу.

Для формирования распределения потерь энергии СВЧ в обрабатываемой среде могут быть использованы в качестве линии 1 разветвленные открытые нерегулярные линии передачи, например типа 13, 14. Использование таких линий позволяет упростить распределение энергии потерь в большем объеме.

По функции определяют зависимость коэффициента затухания от координаты вдоль линии _(z). Значение коэффициента затухания _(z) от координаты z является исходным параметром для проектирования нерегулярной открытой линии передачи, который реализуется выбором материалов и конструкции поперечного сечения линии либо расчетным путем, (см. например И.Е.Ефимов, Г.А.Шермина Волноводные линии передачи. М.: Связь, 1979 г., с. 177-192), либо на основе экспериментального измерения коэффициента затухания отрезков открытых линий передачи с разным поперечным сечением, размещенных в обрабатываемой среде.

На конце открытой нерегулярной линии передачи 1 при f_(z=1)=1 коэффициент затухания _(z) обращается в бесконечность _(Z=1)~. Оконечный отрезок этой линии 1 с таким коэффициентом затухания эквивалентен сосредоточенной согласованной нагрузке. Поэтому оконечный участок линии, где затухают оставшиеся несколько процентов электромагнитной энергии СВЧ, без ущерба для микроволновой обработки, можно заменить сосредоточенной согласованной нагрузкой либо отрезком дополнительной открытой линии передачи l₁, в которой распределение потерь энергии СВЧ не контролируется. Поэтому длину l открытой неоднородной линии передачи 1 выбирают из условия реализации требуемого значения функции распределения энергии потерь на конце открытой нерегулярной линии передачи 1 при z=1. Обычно, в зависимости от требования технологического процесса, значение этой функции на конце линии 1 принимают меньшим единицы f_(z=1)=(0,9-0,99), а оставшаяся часть энергии (от 1% до 10% мощности сигнала на входе линии 1) поглощается нагрузкой 7, например, согласованной, включенной на ее конце. Эта нагрузка 7 может быть выполнена в виде сосредоточенного сопротивления или в виде отрезка дополнительной открытой линии передачи длиной l₁, с неконтролируемым распределением энергии потерь вдоль нее или в виде излучателя, выполненного, например, из такой же открытой линии передачи, находящейся в той же среде 2 и с входным сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки 7. Параметры дополнительного отрезка линии l₁ выбирают, например, из условия реализации необходимого входного сопротивления, например, из условия согласования отрезка открытой неоднородной линии 1 с отрезком дополнительной открытой линии передачи l₁ (см., например: Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин, Б.А.Мишустин. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981 г., с. 22-24).

Устройство сопряжения 6, соединяющее СВЧ-тракт 5 с отрезком открытой нерегулярной линии передачи 1, обеспечивает их согласование по входному сопротивлению и по структуре электромагнитного поля, а также обеспечивает соединение тракта СВЧ 5 с емкостью 3 и отрезком открытой неоднородной линии передачи 1.

Рассмотрим пример реализации способа микроволновой обработки соленой воды с содержанием соли 10 г/на литр, протекающей в емкости 3 (фигура 1), выполненной в виде трубы диаметром 150 мм, для случая равномерного распределения энергии потерь электромагнитного поля вдоль открытой нерегулярной линии передачи 1 (фигура 1). Линия 1 выполнена в виде отрезка симметричной изолированной двухпроводной линии 16 по фигуре 3, расположенной, например, вдоль оси трубы из условия равномерного прогрева обрабатываемой воды. Для этого случая функция распределения потерь энергии СВЧ вдоль линии будет задана как f_(z)=az, где а - характеризует погонные потери энергии в этой линии. Соответственно, требуемое распределение потерь энергии СВЧ вдоль отрезка линии 16 с коэффициентом затухания _(z) имеет вид Отсюда зависимость коэффициента затухания от координаты вдоль линии 16 _(z), реализующая требуемое распределение энергии потерь, будет Реализация линии 16 с такой зависимостью коэффициента затухания при приведена на фигуре 3. Зависимость коэффициента затухания _(z) для линии 16, от расстояния между проводниками S_(z) при (d, h)=const, полученная экспериментальным путем, приведена в таблице 1 (фигура 4).

Нерегулярная открытая линия 16 по фигуре 3 выполнена из фольгированного фторопласта типа ФАФ4-Д. Она состоит из двух плоских проводников 17 постоянной ширины d=10 мм и двух диэлектрических пластин 18 толщиной h=5 мм. В качестве конструктивного параметра, определяющего зависимость коэффициента затухания _(z) в линии передачи, погруженной в солевой раствор, выбрано расстояние между проводниками 17 S_(z). Толщина диэлектрических пластин 18 и ширина проводников 17 вдоль линии 16 постоянные. Зависимость коэффициента затухания _(z) от расстояния между проводниками 17 для этой линии, полученная экспериментальным путем, приведена на фигуре 4 (таблица 1). Длина линии 16 l₂, в данном случае, определена из условия обеспечения в ней 95% потерь энергии от энергии, подведенной на вход этой линии 16, и, соответственно, равна Коэффициент затухания этой линии (фигура 4) на входном участке при z=0 равен а при z=l₂=95 см _(z)=0,016 Неп/см. Уменьшение выбранного значения коэффициента а приводит к увеличению длины нерегулярной открытой линии 16, уменьшает плотность электромагнитной энергии внешнего поля на ее поверхности и, соответственно, повышает уровень допустимой мощности СВЧ сигнала к входу линии 16. На конце линии 16 включена сосредоточенная нагрузка 19 с сопротивлением 180 Ом.

Вся энергия СВЧ, подведенная к входу линии 16, равномерно распределяется в обрабатываемой среде в виде энергии потерь вдоль нее. Плотность электромагнитной энергии в этом случае на поверхности открытой линии 16 будет примерно обратно пропорциональна площади распределения энергии по поверхности линии. От выбранного значения коэффициента а зависит длина неоднородной открытой линии передачи 16 и, соответственно, реализуемая плотность электромагнитной энергии в обрабатываемой среде, а от исходных размеров поперечного сечения линии 16 в ее начале при z=0 величина допустимой мощности сигнала СВЧ энергии, подводимого к неоднородной открытой линии передачи 16.

Приведенный пример показывает, что использование для микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды с потерями предлагаемого способа позволяет формировать в обрабатываемой среде желаемое распределение потерь электромагнитного поля, характеризуемое монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), отвечающей условию обеспечения необходимой интенсивности воздействия электромагнитного поля на обрабатываемую среду, и обеспечить работу узла ввода энергии СВЧ с необходимой мощностью электромагнитного сигнала.