ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УСТАНОВКИ В ПОТОКЕ ГАЗА, НАГРЕВАЕМОГО ЗА СЧЕТ ЭНЕРГИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ-НАГРЕВА ГАЗА Российский патент 2021 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 207831679U, 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 LV15159A, 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 расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ-излучение.

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. Благодаря вставке, не поглощающей СВЧ-излучение, центральная часть тела, в которой расположена вставка, по существу 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 вставка может быть расположена так, что простирается вдоль всего тела теплообменного элемента. При таком выполнении концы вставки находятся по существу заподлицо с торцами тела теплообменного элемента или чуть выступают из него.

В другом частном случае вставка может быть расположена так, что простирается вдоль части тела теплообменного элемента, что увеличивает полезную для нагревания газа теплоемкость тела по сравнению с предыдущим примером, когда вставка простирается вдоль всего тела теплообменного элемента. При этом вставка может находиться со стороны нагреваемого потока газа, с противоположной стороны тела теплообменного элемента или в его срединной части. Выбор варианта расположения вставки и ее линейных, прежде всего продольных 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 вставку целесообразно разместить ближе к тому торцу теплообменного элемента, который будет при использовании обращен к потоку нагреваемого газа. В случае низкой начальной температуры нагреваемого газа вставка может быть расположена ближе к противоположному торцу теплообменного элемента, а если распределение СВЧ-поля таково, что его напряженность в этой торцовой части низкая, то вставка может быть размещена только в срединной части тела теплообменного элемента.

В другом частном случае теплообменный элемент может содержать по меньшей мере одну дополнительную вставку из материала, не поглощающего СВЧ-излучение, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой вставке. Иными словами, теплообменный элемент может содержать две и более вставки из материала, не поглощающего СВЧ-излучение, размещенные вдоль тела теплообменного элемента в направлении прохождения нагреваемого газа. Например, с противоположных торцов тела теплообменного элемента могут быть расположены вставки. При этом обе вставки могут быть разделены пустым промежутком, выполненным в теле из пористого материала. Это упрощает процесс изготовления теплообменного элемента, при этом область упомянутого пустого промежутка не поглощает СВЧ-излучение, следовательно, перегрев в этой части теплообменного элемента также исключается. Конструктивно, такой вариант может быть реализован за счет сквозного продольного канала в теле теплообменного элемента, в которое с противоположных сторон устанавливаются вставки. Если всего вставок больше двух, то конструктивно такой вариант может быть реализован с использованием набора пластин, составляющих тело теплообменного элемента. В этом случае вставки размещают в соответствующих пластинах, которые затем соединяют в единый набор.

Вставка теплообменного элемента, в том числе любая из дополнительных вставок может быть выполнена из отражающего СВЧ-излучение материала. В этом случае СВЧ-волна отражается от поверхности вставки и не проникает в центральную часть теплообменного элемента, благодаря чему исключается ее перегрев. В качестве материала вставки может быть использован тугоплавкий металл или сплавы металлов, например, нержавеющая сталь, титан.

В частном случае вставка теплообменного элемента может быть выполнена сплошной. В другом частном случае вставка теплообменного элемента может быть выполнена полой с образованием замкнутого пространства.

Кроме того, вставка теплообменного элемента может быть выполнена из прозрачного для СВЧ-излучения материала. В этом случае отсутствует поглощение СВЧ-излучения материалом вставки, что также исключает перегрев центральной части теплообменного элемента. В качестве такого материала может быть использован, например, корунд, кварц, циркониевая керамика.

В частном случае вставка может быть выполнена в виде не поглощающего СВЧ-излучение зернистого материала, удерживаемого в упомянутой центральной части тела с возможностью прохождения через него нагреваемого газа. В качестве зернистого материала могут быть использованы, например, металлические шарики или шарики из прозрачной для СВЧ-излучения керамики. В этом случае нагреваемый газ частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой, что дополнительно будет способствовать охлаждению центральной части тела и исключает ее перегрев.

В другом частном случае вставка может быть выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки больше гидравлического сопротивления пористого материала тела. В этом случае нагреваемый газ также частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой, что дополнительно будет способствовать охлаждению центральной части тела и исключает ее перегрев.

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. 5-12 показаны в продольном сечении другие примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением:

- на Фиг. 5 - со вставкой, простирающейся вдоль всего тела теплообменного элемента и выполненной полой;

- на Фиг. 6 - с одной вставкой, расположенной только вдоль части тела теплообменного элемента;

- на Фиг. 7 - с двумя вставкам, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента;

- на Фиг. 8 - то же, что и на Фиг. 7, но для случая, когда обе вставки расположены в сквозном канале, выполненном в теле теплообменного элемента;

- на Фиг. 9 - в виде набора пластин с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента, где пластины со вставкой в отверстии чередуются с пластинами без вставки;

- на Фиг. 10 - составленного из трех пластин со вставкой в срединной пластине;

- на Фиг. 11 - со вставкой в виде не поглощающего СВЧ-излучение зернистого материала, который удерживается в продольном канале срединной части тела с помощью торцевых пластин;

- на Фиг. 12 - со вставкой из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, однако в меньшей степени, чем тело теплообменного элемента, за счет более высокого гидравлического сопротивления.

На Фиг. 13 показан в продольном сечении пример выполнения теплообменной части устройства для СВЧ-нагрева газа в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 14 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. 13) 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 расположена продольная вставка 15 в виде стержня, выполненного из материала, не поглощающего СВЧ-излучение.

Форма поперечного сечения, как трубопровода 11, тела 14 теплообменного элемента 13, так и вставки 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.

Указанное свойство материала вставки 15 не поглощать СВЧ-излучение может быть обеспечено либо за счет отражающих СВЧ-излучение свойств материала вставки 15, либо за счет использования для изготовления вставки 15 прозрачного для СВЧ-излучения материала. В первом случае в качестве материала вставки 15 может быть использован, тугоплавкий металл или сплавы металлов, например, нержавеющая сталь, титан, во втором случае в качестве материала вставки 15 может быть использован, например, корунд, кварц, цирконий.

Во всех случаях для изготовления тела 14 теплообменного элемента 13 и вставки 15, 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 Al₂O₃, 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 поглощении им СВЧ-излучения 20, и в виде нагретого газа 19 отводится наружу теплообменной части 10. Благодаря вставке 15, не поглощающей СВЧ-излучение, центральная часть тела 14, занятая вставкой 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. 5-12 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 со вставкой 15, простирающейся вдоль всего тела 14 теплообменного элемента 13. Однако, в отличие от примера, представленного на Фиг. 1, в данном случае вставка 15 выполнена полой, образованной непрерывной стенкой 17. Такое решение позволяет уменьшить массу теплообменного элемента 13 и его стоимость.

На Фиг. 6 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с одной вставкой 15, расположенной только вдоль части тела 14 теплообменного элемента 13. Такое выполнение позволяет, сохраняя достигаемый изобретением результат, увеличить теплоемкость тела 14 и, соответственно, производительность теплообменного элемента 13. Например, если источник СВЧ-излучения расположен со стороны потока нагреваемого газа и газ имеет достаточно высокую начальную температуру, то необходимо предотвратить перегрев центральной части тела 14, ближайшей к источнику СВЧ-излучения. В другом случае вставка 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. 7 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с двумя вставкам 15, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента 13. Такое решение позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 13, выполнив соответствующие углубления для вставок 15 с торцов тела 14. Альтернативный вариант показан на Фиг. 8, когда обе вставки 15 расположены в сквозном канале 21, выполненном в теле 14 теплообменного элемента 13.

На Фиг. 9 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 в виде набора пластин 22, 23 с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента 13, пластины 22 со вставкой 15 в отверстии 24 чередуются с пластинами 23 без вставки, в результате чего в теле теплообменного элемента 13 оказываются несколько вставок 15 (три в данном примере), разделенных воздушным промежутком, образованным отверстием 25 в пластине 23. Такая конструкция теплообменного элемента, в котором чередуются пластины со вставками и пластины без вставок, упрощает процесс изготовления, особенно крупногабаритных теплообменных элементов.

На Фиг. 10 показан пример выполнения теплообменного элемента 13, составленного из двух торцевых пластин 26 и срединной пластины 27, при этом торцевые пластины 26 не имеют отверстий и вставок, а в срединной пластине 27 в центральной ее части размещена вставка 15 из материала, не поглощающего СВЧ-излучение. 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, вставка может не потребоваться, поскольку через эту зону проходит еще холодный поток газа. Вставка 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 вставки. Поскольку любая вставка, при прочих равных условиях, уменьшает теплоемкость тела, а, следовательно, и эффективную мощность теплообменного элемента, то подобный прием размещения вставок 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. 11 показан альтернативный пример выполнения теплообменного элемента 13 со вставкой, составленного из двух торцевых пластин 26 и срединной пластины 27, при этом торцевые пластины 26 не имеют отверстий и вставок, а в срединной пластине 27 в центральной ее части размещена вставка 28, выполненная в виде не поглощающего СВЧ-излучение зернистого материала, который удерживается внутри пластины 27 с помощью торцевых пластин 26.

На Фиг. 12 показан альтернативный пример выполнения теплообменного элемента 13 со вставкой 29, расположенной вдоль всего тела 14 теплообменного элемента 13. В данном примере вставка выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки 29 больше гидравлического сопротивления пористого материала тела 14.

В обоих случаях, проиллюстрированных Фиг. 11 и Фиг. 12, нагреваемый газ частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента 13, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой 28 (или 29), 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 расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ излучение.

На Фиг. 13 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. 13 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. 1-12. 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 расположена продольная вставка 42 в виде стержня, выполненного из материала, не поглощающего СВЧ излучение 39, подаваемого в волновод 31. 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. 14 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. 14 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. 14 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. 13 и 14) 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, вставка 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 расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ-излучение. 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. Технический результат - исключение перегрева центральной части тела теплообменного элемента, его оплавления и разрушения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 14 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 расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ-излучение.

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 вставка расположена так, что простирается вдоль всего тела теплообменного элемента.

6. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка расположена так, что простирается вдоль части тела теплообменного элемента.

7. Теплообменный элемент по п. 6, содержащий по меньшей мере одну дополнительную вставку из материала, не поглощающего СВЧ-излучение, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой вставке.

8. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из отражающего СВЧ-излучение материала.

9. Теплообменный элемент по п. 8, в котором в качестве отражающего СВЧ-излучение материала вставки использован металл, выбранный из группы, включающей нержавеющую сталь, титан.

10. Теплообменный элемент по п. 8, в котором вставка выполнена сплошной или полой с образованием замкнутого пространства.

11. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из прозрачного для СВЧ-излучения материала.

12. Теплообменный элемент по п. 11, в котором в качестве материала вставки использован прозрачный для СВЧ-излучения материал, выбранный из группы, включающей корунд, кварц, циркониевую керамику.

13. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена в виде не поглощающего СВЧ-излучение зернистого материала, удерживаемого в упомянутой центральной части тела с возможностью прохождения через него нагреваемого газа.

14. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки больше гидравлического сопротивления пористого материала тела.

15. 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. 1-14, 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.

16. Устройство по п. 15, в котором СВЧ генерирующая часть включает короткозамкнутый отрезок волновода, присоединяемый открытым концом к теплообменной части со стороны подвода нагреваемого газа.

17. Устройство по п. 16, в котором СВЧ генерирующая и теплообменная части разделены газонепроницаемой и СВЧ прозрачной перегородкой.