Свч нагреватель жидкости

 

Изобретение относится к области техники СВЧ и предназначено для нагрева (пастеризации, стерилизации) жидкостей (воды, молока, соков, пива, вина, паст и т.д.), а так же может быть использованы как оконечная нагрузка или постоянный аттенюатор в системах с генераторами СВЧ непрерывной мощностью до 75 кВт. СВЧ нагреватель жидкости содержит отрезок прямоугольного волновода 1 сечением AxB, где A - широка и B - узкая стенки волновода, внутри которого расположены две трубки 3, 4 для циркуляции жидкости, выполненные из диэлектрика с низкими потерями с внутренним диаметром D = (0,14±0,03)A на расстоянии друг от друга, равном 0,367 λ, λ - длина волны в свободном пространстве, диэлектрические трубки установлены в отрезке прямоугольного волновода под углом 45±2^o к его широким стенкам и их оси лежат в плоскости, проходящей через ось отрезка прямоугольного волновода параллельно его узким стенкам и в отрезке прямоугольного волновода вдоль его оси симметрично на одной из широких стенок установлен П-образный выступ 2 шириной равной 0,3A, и составляет с отрезком прямоугольного волновода входной переход 2.1 с волновода прямоугольного сечения AxB на волновод П-образного сечения, отрезок П-образного волновода с переменной высотой П-образного выступа 2.2 и выходной переход 2.3 с волновода П-образного сечения на прямоугольный волновод сечением AxB; во входном переходе 2.1 на длине 0,68 λ высота выступа линейно увеличивается от 0 до 0,67 B; в выходном переходе 2.3 на длине 0,49 λ высота выступа линейно уменьшается от 0,57B до 0; отрезок П-образного волновода 2.2 содержит семь участков: первый участок 2.2.1 длиной 0,8D с высотой выступа 0,67 B, второй участок 2.2.2 - 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67B на выступ высотой 0,57B; третий участок 2.2.3 длиной 0,2 λ с высотой выступа 0,57 B, четвертый участок 2.2.4 - линейный переход на длине 0,1 λ с выступа высотой 0,57 B на выступ с высотой 0,67B; пятый участок 2.2.5 длиной 0,8D с высотой выступа 0,67B; шестой участок 2.2.6 - 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67B на выступ высотой 0,57B и седьмой участок 2.2.7 длиной 0,1 λ с высотой выступа 0,57B; оси первой и второй диэлектрических трубок находятся в плоскости второго и шестого участков 45^o линейного перехода соответственно. Значение КСВН нагревателя при отсутствии жидкости в трубках и с согласованной нагрузкой на выходе не более 1,2. Затухание СВЧ мощности в нагревателе при нагреве воды не менее 20 дБ, для получения большого значения затухания конструкция пастеризатора позволяет соединять последовательно несколько нагревателей. 1 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ, может быть использовано для нагрева жидкости с темпом нагрева до 350^o/с или как поглощающая нагрузка или постоянный аттенюатор для генераторов с непрерывной мощностью до 75 кВт.

Известна нагрузка, поглощающая СВЧ-колебания большой мощности [1] Данная нагрузка состоит из отрезка волновода прямого или уголкового, в котором находятся согласующий слой и поглощающая жидкость.

К недостаткам этого типа нагрузок можно отнести изменения значения КСВН от температуры нагреваемой жидкости, значительные габариты и невозможность получить большого темпа нагрева жидкости.

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-cosΘ)², расстояние между соседними трубками равно λ/4. Внутри каждой трубки помещен стандартный мощный резистор концентрической формы с сопротивление 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 изменение 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 нижнего 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 темпа нагрева жидкости и конструктивная сложность.

Наиболее близким к 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 отверстия в узких стенках волновода, причем входное и выходное отверстия благодаря наклону трубки относительно продольной оси волновода оказываются смещенными 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 изобретения является увеличение темпа нагрева жидкости до 350^o/с и уменьшение размеров.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-нагревателе жидкости, содержащим отрезок прямоугольного волновода сечением AxB, где A широкая и B узкая стенки волновода, внутри которого расположены трубки, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, в нагревателе установлены две диэлектрические трубки c внутренним диаметром D (0,14±0,03)A на расстоянии друг от друга, равном 0,367 λ, где l длина волны в свободном пространстве, трубки установлены в отрезке прямоугольного волновода под углом 45±2^o к его широким стенкам и их оси лежат в плоскости, проходящей через ось волновода параллельно его узким стенкам, и в отрезке прямоугольного волновода вдоль его оси симметрично на одной из широких стенок установлен П-образный выступ шириной, равной 0,3A, и составляет с отрезком прямоугольного волновода входной переход с волновода прямоугольного сечения AxB на волновод П-образного сечения, отрезок П-образного волновода с переменной высотой П-образного выступа и выходной переход с волновода П-образного сечения на прямоугольный волновод сечением AxB: во входном переходе на длине 0,68 λ высота выступа линейно увеличивается от 0 до 0,67 B; в выходном переходе на длине 0,49 λ высота выступа линейно уменьшается от 0,57 B до 0; отрезок П-образного волновода содержит семь участков: первый участок длиной 0,8 D с высотой выступа 0,67 B, второй участок 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67 B на выступ высотой 0,57 B; третий участок длиной 0,2 λ высотой выступа 0,57 B, четвертый участок линейный переход на длине 0,1 λ с выступа высотой 0,57 B на выступ с высотой 0,67 B; пятый участок длиной 0,8 D с высотой выступа 0,67 B; шестой участок 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67 B на выступ высотой 0,57 B и седьмой участок длиной 0,1 λ с высотой выступа 0,57 B; оси первой и второй диэлектрических трубок находятся в плоскости второго и шестого участков 45^o линейного перехода соответственно.

Существенные признаки, отличающие заявляемый СВЧ- нагреватель от прототипа, не поддаются самостоятельной квалификации, так как не отделимы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в СВЧ- нагреватель, окончательно определены экспериментально и позволяют построить СВЧ-нагреватель небольших размеров (длина 1,8 λ) с темпом нагрева до 350^o/с, затуханием не менее 30 дБ при нагреве воды и воздействием на обрабатываемую жидкость высоким уровнем плотности потока СВЧ до 1000 Вт/см.

На чертеже приведен эскиз предлагаемого СВЧ-нагревателя. Указанные на чертеже размеры и их взаимное расположение окончательно определены на макетах заявленного СВЧ- нагревателя.

СВЧ-нагреватель состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, в котором расположены выступ 2 и диэлектрические трубки 3, 4. Отрезок волновода имеет сечение AxB (A = 0,671 λ и Β = 0,317 λ) и длину 1,8 λ, с обоих концов волновод имеет стандартные фланцы. Выступ 2 имеет ширину 0,3 A и образует в волноводе выходной переход 2.1 с волновода прямоугольного сечения AxB на волновод П-образного сечения, П-образный волновод 2.2 с переменной высотой и выходной переход 2.3 с волновода П-образного сечения на прямоугольный волновод сечением AxB. Выходной переход 2.1 имеет длину 0,68 λ и высота выступа в нем увеличивается от 0 до 0,67 B; П-образный волновод 2.2 состоит из семи участков: первый участок 2.2.1 имеет длину 0,8 D и высоту выступа 0,67 B, второй участок 2.2.2 45^o линейный переход с выступа высотой 0,65 B на выступ высотой 0,57 B; третий участок 2.2.3 имеет длину 0,2 λ и высоту выступа 0,57 B; четвертый участок 2.2.4 линейный переход на длине 0,1 λ с выступа высотой 0,57 B на выступ высотой 0,67 B; пятый участок 2.2.5 имеет длину 0,8 D и высоту выступа 0,67 B; шестой участок 2.2.6 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67 B на выступ высотой 0,57 B; седьмой участок 2.2.7 имеет длину 0,1 λ и высоту выступа 0,57 B; выходной переход 2.3 имеет длину 0,49 λ и высота выступа в нем линейно меняется от 0,57 B до 0.

Первая и вторая диэлектрические трубки 3, 4 с внутренним диаметром D 0,14 A входят 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 первой трубки 3 находится в плоскости 45^o линейного перехода второго участка 2.2.2 П-образного волновода 2.2, а ось второй трубки 4 находится в плоскости 45^o линейного перехода шестого участка 2.2.6 П-образного волновода 2.2. На внешней стороне широких стенок волновода установлен соединитель 5. Диэлектрические трубки выполняются из кварцевого стекла или фторопласта. В зависимости от использования СВЧ-нагревателя к выходу подключаются или необходимые СВЧ-элементы, или заглушка.

СВЧ- нагреватель работает следующим образом.

На вход нагревателя подаются СВЧ-колебания мощностью до 75 кВт, а через диэлектрические трубки, включенные последовательно, пускается нагреваемая жидкость, в волноводе в диэлектрических трубках жидкость поглощает СВЧ- энергию и нагревается до заданной температуры, температура нагрева жидкости определяется скоростью ее прохождения по диэлектрическим трубкам и мощностью СВЧ-генератора.

Макеты заявляемого 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^o/с и затухания 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 массогабаритными характеристиками; г) более простой технологией изготовления.

Формула изобретения

СВЧ нагреватель жидкости, содержащий отрезок прямоугольного волновода сечением АхВ, где А широкая и В узкая стенки волновода, внутри которого расположены трубки, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, отличающийся тем, что в нагревателе установлены две диэлектрические трубки с внутренним диаметром D (0,14 ± 0,03)А на расстоянии друг от друга, равном 0,367λ, λ - длина волны в свободном пространстве, диэлектрические трубки установлены в отрезке прямоугольного волновода под уголом (45 ± 2)^o к его широким стенкам и их оси лежат в плоскости, проходящей через ось отрезка прямоугольного волновода параллельно его узким стенкам, и в отрезке прямоугольного волновода вдоль его оси симметрично на одной из широких стенок установлен П-образный выступ шириной 0,3А и составляет с отрезком прямоугольного волновода входной переход с волновода прямоугольного сечения АхВ на волновод П-образного сечения, отрезок П-образного волновода с переменной высотой П-образного выступа и выходной переход с волновода П-образного сечения на прямоугольный волновод сечением АхВ: во входном переходе на длине 0,68λ высота выступа линейно увеличивается от 0 до 0,67 В; в выходном переходе на длине 0,49λ высота выступа линейно уменьшается от 0,57 В до 0, отрезок П-образного волновода содержит семь участков: первый участок длиной 0,8 D с высотой выступа 0,67 В, второй участок 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67 В на выступ высотой 0,57 В, третий участок длиной 0,2λ с высотой выступа 0,57 В, четвертый участок - линейный переход на длине 0,1λ с выступа высотой 0,57 В на выступ с высотой 0,67 В, пятый участок длиной 0,8 D с высотой выступа 0,67 В; шестой участок - 45^o линейный переход с выступа высотой 0,67 В на выступ высотой 0,57 В и седьмой участок длиной 0,1λ с высотой выступа 0,57; оси первой и второй диэлектрических трубок находятся в плоскости второго и шестого участков 45^o линейного перехода соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1