Изобретение относится к области ВЧ и СВЧ техники, в частности к устройствам для микроволновой термообработки, и может быть использовано для электромагнитного нагрева водных растворов и суспензий.
Известна камера для обработки проточных сред на основе диафрагмированного волновода, заполненного двумя концентрическими слоями диэлектрика с проницаемостями ε1 и ε2 [1]
Недостатком указанного устройства является неравномерный нагрев среды ввиду слабого проникновения электромагнитного СВЧ поля в нагреваемую жидкость, что объясняется высокой относительной диэлектрической проницаемостью жидкости, а также относительно высокой частотой обработки.
Наиболее близким к предлагаемому является нагреватель на основе замедляющей системы типа цилиндрической спирали с металлическим экраном [2]
Недостатком этого устройства является малоэффективный нагрев жидкости в связи с невозможностью достичь согласования нагревателя при геометрических размерах, обеспечивающих достаточно эффективное поле внутри обрабатываемого объекта.
Цель изобретения создания микроволнового нагревателя, обеспечивающего эффективный нагрев жидкости благодаря относительно низкой рабочей частоты (20-40 МГц) и конструкции экрана, позволяющей добиться необходимого согласования устройства с нагрузкой и генератором.
Микроволновый нагреватель состоит из диэлектрической трубы, заполненной нагреваемой жидкостью и коаксиальной линии с центральным проводником в виде цилиндрической спирали, установленной снаружи. Коаксиальная линия соединена на одном конце с генератором электромагнитных колебаний, а на другом конце с согласованной нагрузкой. Внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z1, Z2, Zн, удовлетворяющими следующему соотношению:
ZoZн=Z1Z2, (1)
где Zo волновое сопротивление коаксиального ввода энергии;
Z1 волновое сопротивление первого участка длиной l1, примыкающего к вводу энергии;
Z2 волновое сопротивление второго участка длиной l2, примыкающего к первому участку;
Zн волновое сопротивление рабочего участка. Длины l1 и l2 первого и второго участков выбраны из условий:
где n1 и n2 замедление фазовой скорости волны на первом и втором участках соответственно, k волновое число вакуума. Длина рабочего участка выбирается произвольно в соответствии с технологическим процессом термообработки.
При такой конструкции экрана, в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается полная передача энергии от генератора нагреваемой среде на фиксированной частоте, на которой электрическая длина первого n1kl1 и второго n2kl2 отрезков экрана удовлетворяет предложенному режиму работы.
Как показано в [3] эквивалентные погонные параметры коаксиальной линии со спиральным внутренним проводником определяются соотношениями:
где b cредний радиус спирального проводника;
d радиус внешнего проводника (экрана);
Io, Ko, I1, K1 модифицированные функции Бесселя 1 и 2 рода.
При этом волновое сопротивление структуры:
где βo фазовая постоянная, τo поперечная постоянная.
Справедливость соотношений, приведенных в формуле изобретения, подтверждается расчетом входного сопротивления двух последовательно соединенных отрезков двухпроводной линии с волновыми сопротивлениями Z1 и Z2, нагруженных на активное сопротивление Zн со стороны участка с волновым сопротивлением Z2. В общем случае входное сопротивление ВЧ тракта с волновым сопротивлением Zo при электрической длине тракта? равной nkl, и нагрузке Zн определяется соотношением [4]
Выражая последовательно входное сопротивление Z2 отрезка длиной l2 через сопротивление Zн нагрузки, а затем входное сопротивление Z1 отрезка длиной l1 через входное сопротивление Z2 отрезка длиной l2 и полагая ReZ1=Z; JmZ1= 0, находим условия (1) и (2).
На чертеже показана конструкция микроволнового нагревателя.
Предлагаемое устройство включает коаксиальный ввод энергии 1, установленный в цилиндрическом экране 2, и проводник 3 в виде цилиндрической спирали, намотанной на диэлектрическую трубу 4. Проводник 3 соединен с внутренним проводником 5 коаксиального ввода 1, а с другой стороны с согласующей нагрузкой 6. Цилиндрический экран 2 имеет участок длиной l2, на котором радиус экрана d2 меньше радиуса экрана d1 на остальной его части. Длины участков l1 и l2 равны друг другу. Нагреваемая жидкость пропускается внутри трубы 4. Необходимость обеспечения эффективного взаимодействия электромагнитной волны спирали 3 с обрабатываемой средой 7 заставляет увеличить радиус экрана d1 по сравнению с радиусом спирали b, что приводит и к увеличению волнового сопротивления спирали 3 по сравнению с волновым сопротивлением ВЧ тракта, соединяющим спираль 3 с газогенератором ВЧ-энергии (на чертеже не показано). Выполняя экран 2 с уступом, на котором его радиус уменьшен до величины d2, обеспечивающей уменьшение волнового сопротивления спирали, в частности до волнового сопротивления соединительного тракта (обычно это 50 или 75 Ом), достигают требуемого согласования.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый микроволновый нагреватель обеспечивает более эффективную термообработку жидкости благодаря практически полной передаче ВЧ-энергии генератора нагреваемой среде.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПИРАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР | 1992 |
|
RU2054761C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ | 1992 |
|
RU2061203C1 |
КОЛЛИНЕАРНАЯ АНТЕННА | 1997 |
|
RU2107364C1 |
ТЕМ-КАМЕРА | 1996 |
|
RU2103771C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ НАГРЕВА | 1993 |
|
RU2060601C1 |
МОЩНАЯ КОАКСИАЛЬНАЯ НАГРУЗКА СВЧ | 1993 |
|
RU2089976C1 |
ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА | 1986 |
|
SU1840046A1 |
ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ТЕРАПИИ | 1990 |
|
RU2076753C1 |
ЛАМПОВЫЙ ГЕНЕРАТОР-ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ | 1992 |
|
RU2014661C1 |
СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННЫ АВТОМОБИЛЯ | 2002 |
|
RU2265924C2 |
Изобретение относится к ВЧ и СВЧ технике, в частности к устройствам для микроволновой обpаботки, и может быть использовано для электромагнитного нагрева водных растворов и суспензий. Цель изобретения - создание микроволнового нагревателя, обеспечивающего эффективный нагрев жидкости благодаря относительно низкой рабочей частоте (20-40 МГц) и конструкции экрана, позволяющей добиться необходимого согласования устройства с нагрузкой генератором. Цель достигается тем, что внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z1, Z2, Zн, удовлетворяющими необходимым соотношениям. 1 ил.
Микроволновый нагреватель жидких сред, содержащий диэлектрическую трубу, предназначенную для заполнения обрабатываемой жидкостью, и установленную снаружи диэлектрической трубы коаксиальную линию, внутренний проводник которой выполнен в виде цилиндрической спирали и соединенную на входе с вводом энергии, а на выходе с согласованной нагрузкой, отличающийся тем, что внешний проводник коаксиальной линии имеет ступенчатую форму, образуя три участка линии с волновыми сопротивлениями Z1, Z2, Zн, удовлетворяющими соотношению
Z0Zн Z1Z2,
где Z0 волновое сопротивление входа энергии;
Z1 волновое сопротивление первого участка длиной l1, примыкающего к вводу энергии;
Z2 волновое сопротивление второго участка длиной l2, примыкающего к первому участку;
Zн волновое сопротивление рабочего участка,
причем длины l1 и l2 первого и второго участков выбраны из условия
где n1 и n2 замедление фазовой скорости волны на первом и втором участках соответственно;
К волновое число вакуума.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Архангельский Ю.С., Девяткин И.И | |||
Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов | |||
- Изд | |||
СГУ, 1983, с | |||
Торфодобывающая машина с вращающимся измельчающим орудием | 1922 |
|
SU87A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Пчельников Ю.Н | |||
и др | |||
Анализ эффективности электромагнитного нагрева водяных растворов и суспензий | |||
Труды Всесоюзной IV научно-практической конференции: Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях | |||
- Саратов, 1991, с | |||
Прибор, автоматически записывающий пройденный путь | 1920 |
|
SU110A1 |
Авторы
Даты
1997-02-27—Публикация
1992-06-02—Подача