ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УСТАНОВКИ В ПОТОКЕ ГАЗА, НАГРЕВАЕМОГО ЗА СЧЕТ ЭНЕРГИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ-НАГРЕВА ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F22G1/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области нагревания газов в потоке, в частности для получения перегретого пара, с помощью СВЧ излучения, и может быть использовано, например, для технологий, использующих высокотемпературный газ, в особенности использующих перегретый пар, в частности при паровой газификации твердых бытовых отходов, медицинских отходов при их переработке, при крекинг процессе нефтепродуктов, при получении водорода, например, для топливных элементов, при производстве активированных углей, карбонизации органических материалов, паровой стерилизации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные устройства, предназначенные для нагревания газа в потоке, в которых используется энергия СВЧ излучения, поглощаемого теплообменным элементом, через который проходит нагреваемый газ.

Так, в заявке JP 200627535 A, публ. 12.10.2006, описано устройство для получения перегретого пара, включающее теплообменную часть в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого пара и выходное отверстие для отвода нагретого (перегретого) пара, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого пара и выходным отверстием для отвода нагретого пара расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде колоны, заполненной насыпным термостойким керамическим материалом, способным поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение создают магнетроны, установленные снаружи трубопровода. Поступающий через входное отверстие пар, проходя сквозь нагретый насыпной керамический материал, нагревается и отводится через выходное отверстие наружу.

В патенте CN 207831679 U, публ. 07.09.2018, описано устройство для нагрева газа, в частности азота, включающее теплообменную часть в виде трубопровода из кварцевого стекла, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде блока из керамического материала, имеющего пористую сотообразную структуру и способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение создают магнетроны, установленные снаружи трубопровода. Газ проходит сквозь керамический материал, нагревается, соприкасаясь с нагретой поверхностью пористой структуры теплообменного элемента, и отводится наружу.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для получения перегретого пара, описанное в заявке LV 15159 A, публ. 20.10.2016. Устройство включает теплообменную часть в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого газа (водяного пара) и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде тела, состоящего из набора расположенных перпендикулярно оси устройства пластин из карбида кремния, имеющего пористую структуру с развитой поверхностью, способную пропускать нагреваемый газ, и поглощающего СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение, генерируемое магнетроном, передается внутрь трубопровода через волновод, установленный снаружи в срединной части трубопровода перпендикулярно его продольной оси и отделенный от трубопровода прокладкой, препятствующей попаданию газа в волновод. Газ проходит сквозь керамический материал, нагревается, соприкасаясь с нагретой поверхностью пористой структуры теплообменного элемента, и отводится наружу.

Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются на практике при осуществлении известных устройств, является перегрев центральной части теплообменного элемента, вызванный как характером распределения СВЧ излучения, так и затрудненным теплоотводом от центральной части теплообменного элемента. В результате перегрева, особенно при использовании таких устройств для нагрева газов до температуры 1000°С и выше, материал, из которого изготовлен теплообменный элемент, может в центральной части оплавиться или разрушиться в результате температурного расширения, что ведет к выходу из строя устройства. Это требует для изготовления теплообменного элемента применения специальных жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, что дорого, а в ряде случаем не всегда возможно. Кроме того, это ограничивает возможную производительность устройств, поскольку ограничивает мощность СВЧ излучения, используемого для нагрева газа.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание теплообменного элемента, предназначенного для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, а также устройства на его основе, в котором исключается указанный перегрев центральной части теплообменного элемента и связанные с этим указанные недостатки подобных технических систем.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявляется группа изобретений, одно из которых относится к теплообменному элементу для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, а второе - к устройству для СВЧ нагрева газа, в котором используется данный теплообменный элемент.

Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, в соответствии с настоящим изобретением выполнен в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. При этом в центральной части тела в направлении прохождения через него нагреваемого потока газа при использовании теплообменного элемента выполнена продольная выемка.

При использовании такого теплообменного элемента нагреваемый газ проходит сквозь пористую структуру тела теплообменного элемента, нагревается за счет тепла, выделяющегося на внутренней поверхности пористой структуры тела при поглощении им СВЧ излучения, и отводится в виде нагретого газа. При этом продольная выемка, выполненная в центральной части тела теплообменного элемента, представляет собой область, не поглощающую СВЧ излучение. Соответственно, эта центральная часть тела теплообменного элемента, в которой выполнена выемка, не нагревается под воздействием СВЧ излучения. В результате исключается перегрев центральной части тела теплообменного элемента, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательный систем указанные недостатки.

В качестве материала тела теплообменного элемента может быть использована, например, пористая керамика на основе карбида кремния.

Тело теплообменного элемента может быть выполнено как в виде цельного куска материала, так и в виде набора пластин, расположенных последовательно в упомянутом направлении прохождения нагреваемого потока газа.

В частном случае выемка может быть выполнена вдоль всего тела теплообменного элемента. При таком выполнении часть нагреваемого газа проходит через выемку сквозь тело теплообменного элемента и дополнительно охлаждает его центральную часть. На выходе из сквозной выемки нагреваемый газ смешивается с газом, нагретым после прохождения тела теплообменного элемента. Это незначительно снижает производительность теплообменного элемента, которая, однако, может регулироваться за счет изменения площади сечения выемки. Тем не менее, указанный результат, связанный с отсутствием поглощения СВЧ излучения в центральной части тела теплообменного элемента, не только сохраняется, но и обеспечивается дополнительное охлаждение этой части тела, что позволяет увеличить мощность используемого для нагрева СВЧ излучения и скомпенсировать частичное уменьшение производительности теплообменного элемента, вызванное сквозной выемкой.

В другом частном случае выемка может быть выполнена вдоль части тела теплообменного элемента, что увеличивает полезную для нагревания газа теплоемкость тела по сравнению с предыдущим примером, когда выемка выполнена вдоль всего тела теплообменного элемента. При этом выемка может находиться со стороны нагреваемого потока газа, с противоположной стороны тела теплообменного элемента или в его срединной части. Выбор варианта расположения выемки и ее линейных размеров зависит от конкретных условий использования теплообменного элемента, в частности распределения СВЧ поля вдоль теплообменного элемента, а также начальной температуры нагреваемого газа и конечной температуры нагретого газа. Так, в случае наиболее высокой напряженности СВЧ поля со стороны подачи нагреваемого газа выемку целесообразно разместить ближе к тому торцу теплообменного элемента, который будет при использовании обращен к потоку нагреваемого газа. В случае низкой начальной температуры нагреваемого газа выемка может быть расположена ближе к противоположному торцу теплообменного элемента, а если распределение СВЧ поля таково, что его напряженность в этой торцовой части низкая, то выемка может быть размещена только в срединной части тела теплообменного элемента.

В другом частном случае теплообменный элемент может содержать по меньшей мере одну дополнительную выемку, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой выемке. Иными словами, теплообменный элемент может содержать две и более выемки, выполненные вдоль тела теплообменного элемента в направлении прохождения нагреваемого газа. Например, выемки могут быть расположены с противоположных торцов тела теплообменного элемента, что упрощает процесс его изготовления. Если всего выемок больше двух, то конструктивно такой вариант может быть реализован, например, с использованием набора пластин, составляющих тело теплообменного элемента. В этом случае выемки выполняются в соответствующих пластинах, которые затем соединяют в единый набор.

Другим заявляемым изобретением группы является устройство для СВЧ нагрева газа, включающее теплообменную часть, выполненную в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подвода нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода описанный выше теплообменный элемент. Также устройство включает СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью установки в ней по меньшей мере одного источника СВЧ излучения и подачи генерируемого им СВЧ излучения к теплообменному элементу.

Газ, подаваемый через входное отверстие для подвода нагреваемого газа, проходит внутри трубопровода теплообменной части через газопроницаемую пористую структуру тела теплообменного элемента, нагревается за счет тепла, выделяемого на внутренней поверхности пористой структуры тела теплообменного элемента при поглощении им СВЧ излучения, и отводится в виде нагретого газа через выходное отверстие для отвода нагретого газа. СВЧ излучение подается к теплообменному элементу со стороны СВЧ генерирующей части устройства, включающей по меньшей мере один источник СВЧ излучения. Поскольку в устройстве использован вышеописанный теплообменный элемент, конструкция которого исключает перегрев его центральной части, устройство для СВЧ нагрева газа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает достижение указанного результата.

В частном случае выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением СВЧ генерирующая часть включает короткозамкнутый отрезок волновода, присоединяемый открытым концом к теплообменной части со стороны подвода нагреваемого газа. При этом СВЧ генерирующая и теплообменная части могут быть разделены газонепроницаемой и СВЧ прозрачной перегородкой. Перегородка может понадобиться для защиты источника СВЧ излучения от чрезмерного температурного и коррозионного воздействия поступающего в устройство нагреваемого газа, однако если начальная температура нагреваемого газа недостаточна для указанного повреждения источника СВЧ излучения, либо коррозионное воздействие нагреваемого газа на источник СВЧ излучения отсутствует, в указанной перегородке нет необходимости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг. 1 в продольном сечении показан фрагмент примерного выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 2 показано поперечное сечение А-А теплообменной части устройства, представленной на Фиг. 1 и имеющей квадратную форму поперечного сечения.

На Фиг. 3 показано поперечное сечение А-А теплообменной части устройства, представленной на Фиг. 1 и имеющей круглую форму поперечного сечения.

На Фиг. 4 показан в продольном сечении пример выполнения теплообменного элемента в виде набора пластин в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 5-8 показаны в продольном сечении другие примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением:

- на Фиг. 5 - с выемкой вдоль всего тела теплообменного элемента;

- на Фиг. 6 - с двумя выемками, выполненными с противоположных сторон теплообменного элемента;

- на Фиг. 7 - составленного из трех пластин с выемкой, выполненной в срединной пластине;

- на Фиг. 8 - в виде набора пластин, образующих в сборе тело теплообменного элемента, где пластины с выемкой чередуются с пластинами без выемки;

На Фиг. 9 показан в продольном сечении пример выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 10 схематично показан пример выполнения устройства для СВЧ нагрева газа, иллюстрирующий взаимное расположение его теплообменной и СВЧ генерирующей частей.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 показан фрагмент примерного выполнения теплообменной части 10 устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменная часть 10 (более детально представлена на Фиг. 9) включает трубопровод 11 с внутренним теплоизолирующим слоем 12 и размещенный внутри трубопровода 11 перекрывающий его проход теплообменный элемент 13. Теплообменный элемент 13 выполнен в виде тела 14 из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, при этом в центральной части тела 14 выполнена продольная выемка 15.

Форма поперечного сечения, как трубопровода 11, тела 14 теплообменного элемента 13, так и выемки 15, может быть, например, квадратной, как показано на Фиг. 2, круглой, как показано Фиг. 3, что, прежде всего, зависит от характеристики СВЧ излучения, используемого для нагревания теплообменного элемента 13. При этом, например, не обязательно, чтобы форма поперечного сечения тела 14 совпадала с формой поперечного сечения трубопровода 11, однако в этом случае свободное пространство между трубопроводом 11 и телом 14 теплообменного элемента 13 должно быть заполнено теплоизоляционным слоем 12 так, чтобы между трубопроводом 11 и телом 14 не было зазора для прохождения нагреваемого газа.

Собственно тело 14 теплообменного элемента 13 может быть выполнено как одно целое, как показано на Фиг. 1, или составным, например, в виде набора пластин 16, расположенных последовательно одна за другой, как показано на Фиг. 4. При этом пластины могут быть выполнены как с одинаковой, так и с разной пористостью и характеристикой поглощения СВЧ излучения.

В качестве материала для изготовления тела 14 теплообменного элемента 13, обладающего указанными свойствами газопроницаемости и поглощения СВЧ излучения с выделением тепла, например, может быть использована пористая керамика на основе карбида кремния.

Во всех случаях для изготовления тела 14 теплообменного элемента 13, а также теплоизолирующего слоя 12 должны использоваться термостойкие материалы, выдерживающие температуру, до которой они нагреваются во время работы устройства для СВЧ нагрева газа, в котором используется описанная теплообменная часть 10 с теплообменным элементом 13.

Теплоизоляционный слой 12 может быть выполнен, например, в виде жаропрочного покрытия оксида алюминия AI2O3, полученного из суспензии путем нанесения методом распыления, либо из керамоволокнистых теплоизоляционных материалов или других высокотемпературных изоляционных материалов.

Также на Фиг. 1 стрелками показано: направление распространения нагреваемого газа в сторону теплообменного элемента 13 - стрелка 18; направление распространения нагретого газа после прохождения сквозь тело 14 теплообменного элемента 13 - стрелка 19; условно одно из возможных направлений распространения СВЧ излучения - стрелки 20. Как будет показано дальше, СВЧ излучение может распространяться со стороны распространения нагреваемого газа в сторону теплообменного элемента 13, по существу совпадать с направлением распространения нагреваемого газа, либо с противоположной стороны - навстречу распространению нагреваемого газа.

Подаваемый под давлением нагреваемый газ 18 проходит сквозь пористую структуру тела 14 теплообменного элемента 13, нагревается за счет тепла, выделяемого на пористой поверхности тела 14 при поглощения им СВЧ излучения 20, и в виде нагретого газа 19 отводится наружу теплообменной части 10. Благодаря выемке 15 центральная часть тела 14, в которой выполнена выемка 15, не нагревается под воздействие СВЧ излучения 20. В результате исключается перегрев центральной части тела 14 теплообменного элемента 13, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательный систем недостатки, такие как оплавление и разрушение теплообменного элемента, потребность в применении дорогих особо жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, ограниченная производительность системы.

Фиг. 5-8 иллюстрируют различные примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменные элементы 13 показаны в продольном сечении.

Так, на Фиг. 5 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с выемкой 15, выполненной вдоль всего тела 14 теплообменного элемента 13. При таком выполнении часть нагреваемого газа проходит через выемку 15 сквозь тело 14 теплообменного элемента 13 и дополнительно охлаждает его центральную часть. На выходе из сквозной выемки 15 нагреваемый газ смешивается с газом, нагретым после прохождения тела 14 теплообменного элемента 13. Это незначительно снижает производительность теплообменного элемента 13, однако обеспечивается дополнительное охлаждение этой части тела 14, что позволяет увеличить мощность используемого для нагрева СВЧ излучения и скомпенсировать частичное уменьшение производительности теплообменного элемента 13, вызванное сквозной выемкой 15.

Как показано на Фиг. 1, выемка 15 может быть выполнена только вдоль части тела 14 теплообменного элемента 13. Например, если источник СВЧ излучения расположен со стороны потока нагреваемого газа, имеющего при этом достаточно высокую начальную температуру, то необходимо предотвратить перегрев центральной части тела 14, ближайшей к источнику СВЧ излучения. В другом случае выемка 15 может оказаться полезной для предотвращения перегрева противоположной части тела 14 - там, где нагреваемый газ имеет самую высокую температуру и поэтому теплоотдача нагретого тела 14 минимальна.

На Фиг. 6 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с двумя выемками 15, выполненными с противоположных сторон теплообменного элемента 13.

Такое решение позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 13, выполнив соответствующие выемки 15 с торцов тела 14.

На Фиг. 7 показан пример выполнения теплообменного элемента 13, составленного из двух торцевых пластин 21 и срединной пластины 22, при этом торцевые пластины 21 не имеют отверстий, а в срединной пластине 22 в центральной ее части выполнена продольная выемка 15. В результате теплообменный элемент 13 разделяется на три зоны: Z1, Z2 и Z3. Такое выполнение может оказаться предпочтительным при размещении источника СВЧ излучения со стороны подачи нагреваемого газа, например, со стороны зоны Z1. В этом случае, несмотря на наибольшее значение напряженности СВЧ поля в области Z1, выемка может не потребоваться, поскольку через эту зону проходит еще холодный поток газа. Выемка 15 в срединной зоне Z2 служит для предотвращения ее перегрева. Учитывая, что в зоне Z3 напряженность СВЧ поля наименьшая, в этой зоне можно обойтись без выемки. Поскольку любая выемка, при прочих равных условиях, уменьшает теплоемкость тела, а, следовательно, и эффективную мощность теплообменного элемента, то подобный прием расположения выемок только в местах возможного перегрева позволяет оптимизировать конструкцию, решая задачу предотвращения перегрева материала тела, с одной стороны, и сохраняя максимально возможную теплоемкость тела теплообменного элемента - с другой.

На Фиг. 8 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 в виде набора чередующихся пластин 23, 24, образующих в сборе тело теплообменного элемента 13. При этом пластины 23 имеют сквозные выемки 15, а пластины 24 выполнены цельными (без выемки), в результате чего в теле теплообменного элемента 13 оказываются несколько выемок 15 (три в данном примере), разделенных пластинами 24. Такая конструкция теплообменного элемента, в котором чередуются пластины с выемками и пластины без выемок, упрощает процесс изготовления, особенно крупногабаритных теплообменных элементов.

В обоих случаях, проиллюстрированных на Фиг. 7 и Фиг. 8, нагреваемый газ частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента 13, а именно через выемки 15, отбирая тепло от внутренней поверхности тела, что дополнительно способствует охлаждению центральной части тела теплообменного элемента 13, предотвращая ее перегрев.

Для специалиста понятно, что возможны и другие варианты конструктивного решения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением, включающего тело из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, в центральной части которого продольно относительно потока газа выполнена одна или несколько выемок.

На Фиг. 9 показан в продольном сечении более детально пример выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением, включающей средства подачи нагреваемого газа и отвода нагретого газа. Теплообменная часть 30 выполнена в виде короткозамкнутого волновода 31, внутренняя поверхность которого покрыта теплоизолирующим слоем 32. Волновод 31 имеет открытую часть 33 с фланцем 34 для присоединения к СВЧ генерирующей части (на Фиг. 9 не показана) и противоположный закрытый торец 35. Со стороны боковой стенки волновод 31 вблизи его открытой части 33 снабжен патрубком 36, связывающим внутреннее пространство волновода 31 через выполненное в нем отверстие 37 с наружным пространством и служащим для подачи нагреваемого газа, обозначенного стрелкой 38. Для специалиста понятно, что подача нагреваемого газа в теплообменную часть 30 может быть осуществлена через два и более отверстий 37, выполненных в боковой стенке волновода 31. СВЧ излучение в волновод 31 подается со стороны его открытой части 33 и обозначено стрелкой 39.

В срединной части волновода 31 после отверстия 37 в сторону торца 35 расположен теплообменный элемент 40, перекрывающий проход внутреннего пространства волновода 31. По существу говоря, теплообменный элемент 40 может быть выполнен так, как он описан выше и проиллюстрирован Фиг. 1-8. В данном случае теплообменный элемент 40 выполнен в виде тела 41 из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, поступающий через отверстие 37, и поглощать подаваемое в волновод 31 СВЧ излучение 39 с выделением тепла. В центральной части тела 41 со стороны отверстия 37 для подачи нагреваемого газа выполнена продольная выемка 42. Теплообменный элемент 40 установлен так, чтобы между открытой частью 33 волновода 31 и одним торцом теплообменного элемента 40 образовалась буферная зона 43 для нагреваемого газа, а между другим торцом теплообменного элемента 40 и закрытым торцом 35 волновода 31 - буферная зона 44 для нагретого газа.

Для отвода газа, нагретого после его прохождения теплообменного элемента 40, служит газоотводной патрубок 45, установленный закрытым концом 46 со стороны теплообменного элемента 40, при этом открытый конец 47 патрубка 45 выведен через отверстие 48, выполненное в закрытом торце 35 волновода 31. В области буферной зоны 44 для нагретого газа в боковой стенке патрубка 45 выполнены множественные сквозные отверстия 49, через которые прошедший через тело 41 теплообменного элемента 40 нагретый газ поступает в патрубок 45 и отводится наружу (обозначено стрелкой 50). Поперечные размеры отверстий 49 выбираются из соотношения примерно 1/20 длины волны используемого СВЧ излучения, что делает невозможным распространение через них СВЧ волны. Число таких отверстий и, соответственно, общая площадь сечения выбирается исходя из требуемой производительности системы.

На Фиг. 10 схематично показан пример выполнения устройства 60 для СВЧ нагрева газа, иллюстрирующий взаимное расположение его теплообменной части 30 и СВЧ генерирующей части 70. Для упрощения восприятия обе части устройства 60 на Фиг. 10 показаны разъединенными, а также без теплообменного элемента 40 и газоотводного патрубка 45 в теплообменной части 30. СВЧ генерирующая часть 70 выполнена в виде короткозамкнутого волновода 71, имеющего открытую часть 73 с фланцем 74 для присоединения к фланцам 34 теплообменной части 30 и противоположный закрытый торец 75. С наружной стороны волновода 71 СВЧ генерирующей части 70 установлен магнетрон 76, антенна 77 которого заведена в волновод 71 через отверстие 78, выполненное в его боковой стенке. На Фиг. 10 показан один магнетрон 76, однако подобных магнетронов может быть установлено несколько, как это известно специалистам в данной области техники, - в частности, с противоположной стороны показано еще одно отверстие 78 для установки второго магнетрона. Соединение теплообменной части 30 с СВЧ генерирующей частью 70 выполняется с помощью соответствующих фланцев 34 и 74. Для защиты магнетронов 76 от нагреваемого газа, который в определенных случаях может иметь недопустимо высокую температуру, между теплообменной частью 30 и СВЧ генерирующей частью 70 устанавливается теплоизолирующая газонепроницаемая перегородка 80, выполненная из прозрачного для СВЧ излучения материала, например, тефлона (преимущественно до температуры нагреваемого газа до 200°С) или оксида алюминия в случае подачи нагреваемого газа с более высокой температурой.

Устройство 60 для СВЧ нагрева газа (см. Фиг. 9 и 10) в собранном виде работает следующим образом. К патрубку 36 теплообменной части 30 подсоединяют источник нагреваемого газа (не показан), и газ под давлением подают через отверстие 37 в буферную зону 43 для нагреваемого газа теплообменной части 30. Далее нагреваемый газ проходит сквозь тело 41 теплообменного элемента 40, нагретого за счет поглощения СВЧ излучения, поступающего со стороны СВЧ генерирующей части 70 от магнетрона 76. Нагретый таким образом газ поступает в буферную зону 44 теплообменной части 30, проходит через отверстия 49 газоотводного патрубка 45 и отводится наружу. Как было описано выше со ссылками на Фиг. 1, выемка 42 предотвращает перегрев центральной части теплообменного элемента 40, чем обеспечивается указанный результат при использовании настоящего изобретения.

Изобретение относится к области нагревания газов в потоке, в частности для получения перегретого пара, с помощью СВЧ-излучения, и может быть использовано, например, для технологий, использующих высокотемпературный газ, в особенности перегретый пар. Теплообменный элемент выполнен в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ-излучение с выделением тепла, при этом в центральной части тела продольно относительно потока газа выполнена выемка. Выемка образует область, не поглощающую СВЧ-излучение, в результате исключается перегрев центральной части тела теплообменного элемента, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательных систем недостатки, такие как оплавление и разрушение теплообменного элемента, потребность в применении дорогих особо жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, ограниченная производительность системы. Теплообменный элемент предназначен для использования в устройстве для СВЧ-нагрева газа, которое включает теплообменную часть, выполненную в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подвода нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, между которыми расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, и СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью подачи СВЧ-излучения к теплообменному элементу. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ-излучения, выполненный в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ-излучение с выделением тепла, при этом в центральной части тела в направлении прохождения через него нагреваемого потока газа при использовании теплообменного элемента выполнена продольная выемка.

2. Теплообменный элемент по п. 1, в котором в качестве материала тела использована пористая керамика на основе карбида кремния.

3. Теплообменный элемент по п. 1, в котором тело выполнено в виде цельного куска материала.

4. Теплообменный элемент по п. 1, в котором тело выполнено в виде набора пластин, расположенных последовательно в упомянутом направлении нагреваемого потока газа.

5. Теплообменный элемент по п. 1, в котором выемка выполнена вдоль всего тела теплообменного элемента.

6. Теплообменный элемент по п. 1, в котором выемка выполнена вдоль части тела теплообменного элемента.

7. Теплообменный элемент по п. 6, содержащий по меньшей мере одну дополнительную выемку, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой выемке.

8. Устройство для СВЧ-нагрева газа, включающее теплообменную часть, выполненную в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подвода нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный по любому из пп. 1-7, и СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью установки в ней по меньшей мере одного источника СВЧ-излучения и подачи генерируемого им СВЧ-излучения к теплообменному элементу.

9. Устройство по п. 8, в котором СВЧ генерирующая часть включает короткозамкнутый отрезок волновода, присоединяемый открытым концом к теплообменной части со стороны подвода нагреваемого газа.

10. Устройство по п. 9, в котором СВЧ генерирующая и теплообменная части разделены газонепроницаемой и СВЧ прозрачной перегородкой.