СВЧ-УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ В ПРОЦЕССАХ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H05B6/64 

Изобретение относится к области техники СВЧ, а именно к микроволновым устройствам, предназначенным для электротермической обработки растительного сырья в промышленных установках.

При длительном хранении растительного сырья, в том числе продуктов питания, особую опасность человеческому организму причиняет грибная инфекция, вызывающая у человека микозы, аллергические заболевания, микотоксикозы и др. Возбудителем этой инфекции является плесень - микроскопические грибы. Для борьбы с этими микроорганизмами используются электротермические методы, заключающиеся в одновременном воздействии на растительное сырье энергии СВЧ - поля и энергии теплового поля. Трансформация электромагнитной энергии в тепловую происходит за счет вращений или колебаний молекул среды, поглощающей СВЧ - энергию. Общее воздействие на объект осуществляется изнутри за счет тепловой энергии, выделяющейся как в объеме продукта, так и в объеме самого микроорганизма, вызывая повреждение живой клетки. Многие микроорганизмы, особенно споры бактерий, имеют до 5 защитных оболочек, с высоким тепловым сопротивлением, которые препятствуют эффективному нагреву при внешнем воздействии и оказываются совершенно беззащитными даже перед небольшим внутренним тепловыделением, например за счет воздействия СВЧ - поля. В этом случае защитные оболочки спор препятствуют отводу тепла из внутреннего объема и облегчают задачу их уничтожения.

Известна камерная микроволновая установка немецкой компании Linn High Therm GmbH, предназначенная для нагрева (стерилизации) растительного сырья, обрабатывающая продукты в собственной таре (фиг. 1). 1 - микроволновая камера, 2 - микроволновые излучатели, 3 - дверца, 4 - тара, 5 - ролики.

Недостатком этой конструкции является значительно меньшая мощность в сопоставимых с предлагаемой СВЧ установкой габаритах (до 12-15 кВт). Также недостатком является неравномерность нагрева продукта внутри камеры, требующая организации его дополнительного вращения или возвратно-поступательного движения, а также специального размещения продукта слоями.

Известна СВЧ-печь конвейерного типа (патент РФ №2106767, дата приоритета 02.02.1996, МПК Н05В /6164), предназначенная для термической обработки диэлектрических материалов, содержащая N СВЧ-генераторов 6, N линий передачи 7, N излучателей 8, 2 шлюза 9, камеру нагрева 10, выполненную металлической в форме цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной его оси, причем излучатели 8 установлены на цилиндрической поверхности камеры 10 раскрывами внутрь, в верхней и нижней частях камеры 10 выполнены окна 11 приточной и вытяжной вентиляции, закрытые СВЧ-фильтрами 12. Рабочая часть ленточного транспортера 13 находится в СВЧ-печи. Шлюз 9 выполняется из металла с замедляющей структурой внутри и водяным поглотителем. Ребра 15 замедляющей структуры шлюза могут быть выполнены из металла или диэлектрика. Трубки 14 с водой для поглощения СВЧ-энергии в шлюзах могут быть выполнены из стекла или другого диэлектрика. Недостатками этого изобретения являются ряд факторов:

- несогласованность между собой близлежащих излучателей, которая может привести к значительному (более -10 дБ) коэффициенту переходного между излучателями, что приводит к уменьшению коэффициента передачи СВЧ-энергии в рабочую камеру и сокращению срока службы используемых генераторов;

- конструктивная сложность размещения рупорных и других видов излучателей на цилиндрической поверхности и отсутствие модульности конструкции корпуса рабочей камеры;

- создание на оси цилиндрической рабочей камеры значительных градиентов плотности СВЧ-мощности, что может приводить к значительным неравномерностям нагрева материала.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в а) увеличении равномерности нагрева, что особенно важно при проведении обеззараживания и стерилизации, так как при протекании этих процессов особенно важна равномерность распределения СВЧ-энергии, б) повышении коэффициента передачи СВЧ-мощности от излучателей в рабочую камеру за счет минимизации за счет минимизации коэффициента переходного ослабления между соседними излучателями, в) уменьшении конденсации испаряемой влаги при нагреве с/х продукта СВЧ-энергией, г) улучшении условий электромагнитной безопасности, д) упрощение конструкции за счет внедрения модульного подхода к созданию рабочей камеры. Достижение высокой равномерности и высокого коэффициента передачи СВЧ энергии от излучателей увеличивает темп нагрева продукта, повышая его, а также усиливает энергетический эффект от термообработки.

Технический результат увеличения равномерности нагрева достигается за счет того, что сечение секции (фиг. 3, фиг. 4) установки представляет из себя правильный многогранник с числом граней n (n от 3 до 14), такая форма многогранника в сечении секции позволяет увеличить количество переотражений электромагнитных волн СВЧ диапазона, что, в свою очередь, повышает равномерность нагрева обрабатываемого с/х продукта. Также результат увеличения равномерности нагрева достигается за счет того, что источники СВЧ излучения 18 (фиг.3) могут размещаться на каждой грани многогранника либо через грань многогранника либо в произвольном порядке, от секции к секции установки размещение источников СВЧ излучения на гранях многогранника может не совпадать. При этом длина грани многогранника больше длины волны СВЧ излучения, что позволяет разместить на его грани источник СВЧ излучения, например, в виде рупорной антенны. Также результат увеличения равномерности нагрева достигается за счет того, что лента транспортера 16 (фиг. 3), на котором размещается обрабатываемый продукт смещена вниз от геометрического центра сечения секции на величину от 0 до 3⋅λ, что, в свою очередь, позволяет избежать фокусирующего воздействия СВЧ нагрева по центру секции и более равномерно распределить падающие волны на поверхность обрабатываемого материала Расположение ленты транспортера относительно центральной оси описывается через ширину ленты L и размер стороны многогранника а формулой (фиг. 4). Вывод формулы проводился при использовании отрезков х и у, указанных на фиг. 5 и проведенных вдоль линии 3-4 (для х) и 1 -2 (для у) от центра многогранника до ленты транспортера.

Технический результат, заключающийся в повышении коэффициента передачи СВЧ-мощности от излучателей 18 в рабочую камеру 19, достигается за счет минимизации воздействия одного источника СВЧ излучения на другой, что, свою очередь, достигается за счет расстояния между центрами близлежащих источников СВЧ излучения кратного р⋅λ/4, где р - нечетная величина Максимальное значение параметра р может достигать 13.

Технический результат, заключающийся в улучшении условий электромагнитной безопасности, достигается за счет уменьшения излучения электромагнитной волны через шлюзовую камеру 17 и 20 посредством установки на входе и выходе рабочей камеры секций без источников СВЧ излучения 21 или выбора расстояния от источника СВЧ-излучения до торцевой металлической поверхности обращенной в сторону шлюза равного k⋅λ/2+λ/4±0.1λ/4, где k=1,2,3… Максимальное значение параметра р может достигать 13. Также результат улучшения условий электромагнитной безопасности достигается посредством шлюзовых камер, устанавливаемых на входе и выходе установки для предотвращения выхода СВЧ излучения из рабочей камеры

Технический результат, заключающийся в уменьшении конденсации испаряемой влаги при нагреве с/х продукта СВЧ-энергией, достигается тем, что в каждой секции установки на месте отсутствующих источников СВЧ-энергии могут устанавливаться вентиляторы, работающие в режиме притока или вытяжки для предотвращения конденсации испаряемой влаги при нагреве сельскохозяйственного продукта СВЧ-энергией. Количество вентиляторов и производительность вентиляторов по перекачиваемому воздуху определяется интенсивностью процесса испарения в рабочей камере установки.

Технический результат упрощение конструкции рабочей камеры достигается путем использования идентичных модулей с сечением правильного многогранника с размещением на плоскостях которого СВЧ-излучателей и вентиляторов 22. Также увеличение СВЧ мощности установки может осуществляться присоединением идентичных модулей к рабочей камере установки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 изображена микроволновая установка, предназначенная для нагрева (стерилизации) растительного сырья, обрабатывающая продукты в собственной таре. Установка состоит из микроволновой камеры 1, микроволновых излучателей 2, дверцы 3, тары 4, роликов 5.

На фиг. 2 изображена СВЧ-печь конвейерного типа, предназначенная для термической обработки диэлектрических материалов, содержащая СВЧ-генераторы 6, линии передачи 7, излучатели 8, шлюзы 9, камеру нагрева 10, окна приточной и вытяжной вентиляции 11, закрытые СВЧ-фильтрами 12, рабочую часть ленточного транспортера 13, ребра замедляющей структуры шлюза 15, трубки с водой для поглощения СВЧ-энергии 14.

На фиг. 3 изображена СВЧ-печь конвейерного типа, содержащая ленту транспортера 16, входной шлюз 17, СВЧ-источники 18, рабочую камеру 19, выходной шлюз 20, секции без излучателей 21, вентилятор 22.

На фиг. 4 изображено расположение ленты транспортера.

На фиг. 5 изображены отрезки линий участвующие в выводе формулы к фиг. 4.

Сущность изобретения

Поперечное сечение шлюзовой камеры определяется размерами окна ввода продукта в установку и шириной конвейера. Шлюзовая камера состоит из четырех секций, которые последовательно уменьшают выходящее из камеры СВЧ излучение. Первая секция оснащена СВЧ фильтрами предотвращающими распространение СВЧ излучения. Вторая секция оснащена автоматическими дверцами, отделяющими ее от первой и третьей секции, и СВЧ фильтрами задерживающими СВЧ излучение. Третья секция оснащена автоматическими дверцами, отделяющими ее от второй и четвертой секции шлюзовой камеры, и поглощающими нагрузками, поглощающими выходящее СВЧ излучение. Последняя четвертая секция шлюзовой камеры оснащена поглощающими нагрузками, абсорбирующими паразитное излучение.

Изобретение относится к области техники СВЧ, а именно к микроволновым устройствам, предназначенным для электротермической обработки растительного сырья в промышленных установках. Устройство обеззараживания сырья состоит из секционной рабочей нагревательной камеры (q секций) с сечением в виде правильного многогранника, на n гранях которого установлены m СВЧ-излучателей, секций без излучателей, установленных на входе и выходе рабочей камеры, ленты транспортера продукта, расположенной ниже центральной оси сечения правильного многогранника на величину от 0 до 3λ, а ширина ленты транспортера лежит в пределах от λ до 5λ и определяется размером сечения секции, системы приточной или вытяжной вентиляции, шлюзовых камер, расположенных с торцов рабочей камеры. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в увеличении равномерности нагрева, что особенно важно при проведении обеззараживания и стерилизации, повышении коэффициента передачи СВЧ-мощности от излучателей в рабочую камеру за счет минимизации коэффициента переходного ослабления между соседними излучателями, уменьшении конденсации испаряемой влаги при нагреве с/х продукта СВЧ-энергией, улучшении условий электромагнитной безопасности, упрощении конструкции за счет внедрения модульного подхода к созданию рабочей камеры. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство обеззараживания сырья, состоящее из секционной рабочей нагревательной камеры (q секций) с сечением в виде правильного многогранника, на n гранях которого установлены m СВЧ-излучателей, секций без излучателей, установленных на входе и выходе рабочей камеры, ленты транспортера продукта, расположенной ниже центральной оси сечения правильного многогранника на величину от 0 до 3λ, а ширина ленты транспортера лежит в пределах от λ до 5λ и определяется размером сечения секции, системы приточной или вытяжной вентиляции, шлюзовых камер, расположенных с торцов рабочей камеры.

2. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что лента транспортера в шестиграннике расположена относительно основания шестигранника на расстоянии h и описывается формулой , где L - ширина ленты и а - размер стороны многогранника.

3. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что q количество секций рабочей камеры составляет от 1 до 15.

4. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что n количество граней в секции составляет от 3 до 14.

5. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что m количество излучателей в секции составляет от 1 до n.

6. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что расстояния между центрами близлежащих источников СВЧ-излучения по поверхности многополюсника в секции и между секциями должно удовлетворять формуле р(λ2)+λ/4, где р - целое число и лежит в пределах от 0 до 14 и λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве.

7. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что расстояние от центра СВЧ-излучателя до секции, в которой отсутствуют излучатели, должно удовлетворять формуле t(λ/2)+λ/4, где t - целое число и изменяется от 1 до 5.

8. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что высота окна ввода и вывода шлюза обеззараживаемого сырья лежит в пределах от 0,3λ до 3λ.

9. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что шлюзовая камера состоит из четырех секций, последовательно содержащих СВЧ-фильтры, предотвращающие распространение СВЧ-излучения, автоматические дверцы между второй и третьей секциями шлюзовой камеры, и заключительной секции, в которой происходит поглощение остаточного паразитного СВЧ-излучения.

10. Устройство обеззараживания сырья по п. 1, отличающееся тем, что вентиляторы для системы вентиляции могут устанавливаться на гранях секций, на которых отсутствуют СВЧ-излучатели.