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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung @ @@l zur
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Herstellung von festen Teilchen aus Tröpfchen aus fließfähigen Medien,
z.B. fließfähigem bioschädlichem Abfall oder Kunstharz und Kernbrennstoffmaterial
enthaltende Medien, mit einem Mikrowellengenerator, der über eine bIikrowellenleitung
mit einem Applikator aus Metall verbunden ist, welcher eine Zuführung für die Tröpfchen
aufweist und in dem die Tröpfchen mit Energie in Form von Mikrowellen beaufschlagt
und verfestigt werden, und -einem Austrageteil. -In bisher bekannte Vorrichtungen
zum Trocknen von Tröpfchen wurde die zum Trocknen erforderliche Energie den Tröfohen
nicht berahrungofrei, sondern mittels Medien, beispielsweise erhitztem Öl, zugeführt.
Bei der Herstellung fester Teilchen aus bioschädlichem Abfall bzw. radioaktiven
Substanzen sind diese Vorrichtungen schlecht geeignet, weil das Energie übertragende
Medium selbst verunreinigt bzw. kontaminiert wird. Es ist diXer in höchstem Maße
wünschenswert, den Tröpfchen die Trocknungsenergie berührungslos zuzuführen.
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Es ist nun eine große Anzalil von Einrichtungen bekannt, die dem zu
trocknenden Material die Trocknungsenergie in Fora elektromagnetischer Strahlung
im Mikrowellenbereich zuführen.
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Zur onzentration der Mikrowellenenergie verwendet man üblicherweise
Hohlleiter, in die das zu trocknende Material eingebracht
wird.
Da der Energieumsatz bekanntlich dem Quadrat der elektrischen Feldstärke im zu trocknenden
Medium proportional ist, trachtet man, dieses Medium an Stellen maximalen elektrisehen
Feldes im Hohlleiter anzuordnen. Außerdem wird in den bekannten Vorrichtungen getrachtet,
daß das elektrische Feld im wesentlichen parallel zur Oberfläche des zu trocknenden
Mediums orientiert ist. Nur in diesem Fall ist die elektrische Feldstärke im Medium
gleich der elektrischen Feldstärke außerhalb.
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Steht jedoch das elektrische Feld im wesentlichen senkrecht auf die
Oberfläche des Mediums, dann wird die Feldstärke im Medium um einen Faktor Eins
gebrochen durch relative Dielektrizitätskonstante abgeschwächt. Es ist klar, daß
eine derartige, ungünstige Orientierung des elektrischen Feldes nur bei der Nikrowellentrocknung
entweder stark verlustbehafteter Medien bder solcher mit einer von eins nur wenig
abweichenden relativen Dielektrizitätskonstante in Kauf genommen werdep kann. Da
insbesondere alle mit Wasser befeuchteten oder in Wasser gelösten bs aufgeschlämmten
Stoffe ane hohe 1>ielektrizitätskonstante aufweisen, sind erfolgreiche Trocknungsreinrichtungen
nur für Medien bekannt, deren besondere Form die Einhaltung der Parallelität des
Feldes mit dem Medium gewahrleistet. Charakteristische Beispiele dafür sind die
Trocknungsapparate für Papier- und Gewebebahnen.
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In der Brit. Patentschrift 1 407 978 wird ein Verfahren zur Trocknung
von kugelförmigen Teilchen beschrieben, wobei aus einem Gel kugelförmige Teilchen
gebildet und mit Mikrowellen getrocknet werden. Die Trocknung kann zum Beispiel
auf einem Fördcrband, in einer Wirbelschicht oder dergleichen erfolgen, wobei eine
lange
Trockenzeit, z.B. von 40 min., erforderlich ist. Durch diese
lange Trockenzeit kann nur ein relativ geringer Durchsatz erreicht werden, wobei
gleichzeitig ein Zusammenbacken der einzelnen Teilchen verursacht werden kann, sodaß
einerseits nicht genau sphärische Teilchen erhalten werden können und andererseits
der Trocknungsprozeß wesentlich verlängert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung - zur Herstellung von festen Teilchen
von Tröpfchen aus fließfähigen Medien, z.B. fließfähigem bioschädlichem Abfall oder
Kunstharz und Kernbrennsto:fmaterial enthaltende Medien, mit einem Mikrowellengenerator,
der tiber eine Mikrowellenleitung mit einem Applikator aus Metall verbunden ist,
welcher eine Zuführung für die Tröpfchen aufweist und in dem die Trsöpfohen mit
Energie in Form von Mikrowellen beaufschlagt und verfestigt werden und einem Austrageteil,
besteht im wesentlichen darin, daß der Applikator mit einem im wesentlichen senkrecht
angeordneten Hohlleitersystem aufgebaut-und die Zufuhrung w die 2röpfohen , mit
einem vorgegebenen Durchmesser d zentrisch in Bezug auf die Hohlleiterachse angeordnet
ist. Dadurch können Tröpfchen aus fließfähigen Medien im Fall verfestigt werden,
ohne mit Energieträgern in Kontakt zu treten, wobei auch eine leicllte Einhaltung
der sphärischen Form möglich ist. Erfindungsgemäß ist das Hohlleitersystem ; im
wesentlichen aus liohlleitern mit rechteckigem, insbesondere quadratischem Querschnitt
ausgefuhr2t, weil diese Wahl des Querschnitts bei gegebener Leistung des Mikrowellengenerators
größgliche Leistungsdichte in der Hohlleiterachse
und bei Dimensionierung
der Seitenlängen des Hohlleiterquerschnitts in einem festen Verhältnis zum Durchmesser
der Tröpfchen und der freien Wellenlänge der von dem Mikrowellengenerator abgegebenen
Strahlung bestmögliche Wechselwirkung dieser Strahlung mit den Tröpfchen gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung beträgt die Länge des Hohlleitersystens
zwischen dem Zehn- und dem Zehntausenfachen, insbesondere zwischen den Fünfzig-
und dem Tausend@achen seines kleinsten lichten Querschnitts.
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Dadurch werden für frei fallende Tröpfchen Verweilzeiten zwischen
-0,2 sec und 2 sec erreicht, was sich für eine Vorfestigung der Tröpfchen als ausreichend
enzies.
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Um zu verhindern, daß die Tröpfchen während des Falls die Innenwände
des Hohlleitersystems berühren, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ein Rohr @ aus einem Material sehr geringer Mikrowellenabsorption (z.B, Quarz, Teflon,
etc.) in den die eigentliche Trocknvngsstrecke bildenden Ilohlleiter eingepaßt.
Die Übertragung von Mikrowellenenergie auf di Tröpfchen wird daher kaum behindert.
Eventuell aus der senkrechten Fallrichtirng abkommende tröpfchen - . kontaminieren
daher den Hohlleiter - nicht, sondern legen sich höchstens an der Innenseite des
Rohres an, das leicht aus dem Hohlleitersystem zu entfernen, einfach zu reinigen
und leicht zu dekontarninieren ist. Das ist für Tröpfchen aus radioaktivem Material
bzw. bioschädlichem Abfall ein großer Vorteil.
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Erfindungsgemäß wird das Hohlleitersystem mit der Zuftzbrung und dem
Austrageteil : gasdicht verbunden. Dadurch wurde es
möglich, den
bei der Verfestigung der Tröpfchen freiwerdenden Wasserdampf abzupumpen, mit Hilfe
leichten Unterdrucks die Tröpfohenablösung zu unterstützen und zu regulieren, sowie
den Verfestigungsprozeß unterstützende reaktive Gase definiert 7,-und abzuführen.
Das Optimum der Wechselwirkung der vom Generator abgegebenen Strahlung mit den Tröpfchen
erreicht man erw ; findungsgemäß damit, daß man die Abmessung der längeren Seite
-des Querschnitts des Hohlleiters knapp größer als 0,5 freie Wellenlängen wählt.3este
Ergebnisse wurden für 0,51 bis 0,7 freie Wellenlängen erzielt, was überraschenderweise
nicht mit dem Ueblichen Prequenzbereich übereinstimmt, in den Hohlleiter betrieben
werden. Durch die auf die längere Seite des Hohlleiter-Querschnittes senkrecht stehende
Richtung des elektrischen Feldes ist die Ausbreitung der Grundwelle im Hohlleiter
währleistet. Die kürzere Seite des Ho}illeiters ergibt sich entweder zwanglos aus
den handelsüblichen, genormten Hohlleitergrößen, oder aus der erfindungsgemäßen
Forderung, daß die Abmessung der Seite nicht kleiner als das Doppelte und nicht
größer als das Zwanzigfache des vorgegebenen Tröpfchendurcliniessers d ist. Diese
Grenzen wurden in Versuchen ermittelt, wobei sich herausstellte, daß in einem gegebenen
Hohlleiterquerschnitt die Nikrowellenabs orption mit dem Tröpfchendurchmesser überproportional
steigt. Im Verhältnis zum Tröpfchendurchmesser d möglichst kleine Abmessungen der
kürzeren Seite r.ind aus Gründen der ieistungkonzentration vorzuziehen. Unterschreitet
das Verhältnis der kürzeren Seite zum Tröpfchendurchmesser d jedoch den Wert zwei,
steigt der Anteil der die Wände des IIohlleitersystems
berührenden
Tröpfchen stark an. Da die Richtungsabweichungen der Tröpfchen von der Ideallinie
(= Achse des Hohlleiters statistisch verteilt sind, gilt dieselbe untere Grenze
auch fiir die Abmessung der längeren Hohlleiter-Quersclmittsseite In diesem Fall
ist, auch aus Gründen der Leistungskonzentration, ein quadratischer Querschnitt
des Hohlleiters gunstig.
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Xhnliche Überlegungen gelten für den kreisförmigen Querschnitt des
Hohlleiters einer anderen erfindungsgemaßen Asführungsform. Dabei wird die Grundwelle
H11 im Hohlleiter angeregt, bei der das Maximum des elektrischen Feldes senkrecht
zur Hohlleiterachse orientiert ist. Der Durchmesser des Hohlleiters beträgt in diesem
Falle mindestens 0,59 freie Wellenlägen. Wird jedoch die Welle E01 im Hohlleiter
angeregt, um das Maximum de« elektrischen Feldes im wesentlichen parallel zur Ifolllleiterachse
zu erhalten, ist der Durchmesser des Hohlleiters mindestens 0,77 freie Wellenlängen
zu wählen. In beiden Fällen darf der Durchmesser des Hohlleiters das Zwanzigfache
des Tröpfchendurchmessers d erfindungsgemäß nicht überschreiten Nach einem weiteren
erfindungsgemäßen Merkmal besteht zumindest ein Teil des Hohlleiters aus einem Gitter
oder Drahtnetz dessen aschenweite ein Zwanzigstel der freien Wellenlänge der Mikrowelle
nicht übersteigt bzw. weist der Hohlleiter Schlitze auf, die in Richtung von Wandstromlinien
orientiert, nicht breiter als ein Zwanzigstel der freien Wellenlänge der Mikrowelle
und mit abgerundeten Kanten versehen sind Dadurch kann die Verfestigung, Trocknung
und Härtung schwach
verlustbehafteter Tröpfchen beschleunigt werden,
und dennoch die sehr störende Abstrahlung von Mikrowellen verhindert werden.
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Dem Hohlleitersystem wird dabei ein die Kunstharz komponente der Tröpfchen
härtendes Gas über die Schlitze bzw. über gitterförmige Teile des Hohlleiters za~
bzw.
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abgeführt. Die abgerundeten Kanten verhindern elektrische Uberschläge.
Außerdem bieten die Schlitze oder die gitterförmigen Hohlleiterabschnitte die Möglichkeit,
eventuell frei werdenden Wasserdampf und andere Reaktionsgase abzusaugen.
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Das gilt in besonderem Maß für Medien, die beim Trocknen bioschädliche
Gase freisetzen. Diese können dann durch Schlitze abgesaugt und einer weiteren Verarbeitung
zugeführt werden.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Xikrowellenenergie
vom Generator dem im wesentlichen senkrecht angeordneten Hohlleiter über einen Hohlleiterkri},mmer
zugeführt, der in Achsenrichtung des Hohlleiters durchbohrt ist, sodaß die Tröpfchen
, aus der Zufuhr1ang fallend, in das Hohlleitersystem eintreten können. Eine Berührung
urfl eine damit verbundene Kontamination des Hohlleitersystems (4) findet dabei
erfindungsgemäß nicht statt. Um eine Abstrahlung voll Mikrowellenenergie durch die
Bohrung des EintrittskrUers (56) zu verhindern, wurde als Verlängerung der Bohrung
ein kreiszylindrischer Kamin - auf den Krümmer aufgesetzt, wobei der lichte Durchmesser
des Kamins kleiner als die kleinste Qierschnittsdimension des Hohlleiters , insbesondere
kleiner
als die halbe. freie Wellenlänge der Mikrowelle ist. Die
Länge des Kamins beträgt zwischen einer halben und zehn freie Wellenlängen. Dann
ist Wellenausbreitung im Kamin - nicht möglich, es existieren höchstens Felder vom
Dampfungstyp. Bei kleiner lichter Weite des Kamins genügen kurze Längen, bei lichten
Weiten nahe 0>5 freien Wellenlängen empfiehlt sich die Verwendung längerer Kamine.
Ähnliche Überlegungen eflriesen auch für einen Austrittskrummer von Vorteil, durch
der.
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die bereits verfestigten Teilchen -. aus dem Hohlleitersystem austreten
können, jedoch muß der lichte Durchmesser des Kamins auf dem Austrittskrümmer größer
als der lichte Durchmesser des Kamins auf dem Eintrittskrümmer - und gleich der
kleinsten Querschnittsdimension des Hohlleiters sein. Dadurch wird sichergestellt,
daß auch verfestigte Tröpfchen, die aus der Achsenrichtung abweichen, zum Austrageteil
gelangen. Daß dennoch keine Abstrahlung von Mikrowellenenergie stattfindet sowie
die gelegentlich den Kamin verfehlenden verfestigten Tröpfchen nicht im Hohlleitersystem
verbleiben, wird gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung der
Kamin aes Austrittskrüiiimers mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt versehen,
der sich vom Hohlleiter weg verjüngt.
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Eine erfindungsgemäße Lösung des Problems der Trocknung schlJach verlustbehafteter
Tröpfchen wurde durch Unterteilung des Eohlleitersysteins in mehrere Teilhohlleiter
crzielt, die eine gemeinsame Achse aufweisen. Die Tröpfchen fallen nacheinander
durch die Teilhohlleiter und
durchlaufen dazwischen und nach dem
letzen Teilhohlleiter freie Strecken. In den freien Strecken besteht die Möglichkeit
eines Wärmeausgleichs innerhalb der Tröpfchen . Manche Tröpfchen, die Kunstharzkomponenten
enthalten, benötigen vor allem eine starke Initialerwärmung, bei Erreichen einer
Schwelltemperatur verläuft die Härtungsreaktion exotherm und es muß, wenn überhaupt,
nur mehr wenig Trocknungsenergie zugeführt werden Durch die Teilung des Hohlleitersystems
besteht die Möglichkeit, die Mikrowellenenergie entsprechend zu dosieren und den
Temperaturverlauf entlang der Fallstrecke den Erfordernissen der Beschaffenheit
der Tröpfchen , . anzupassen. Schließlich kann -der bei der Verdunstung von Wasser
entstehende Dampf auf den freien Fallstrecken problemlos entweichen.
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Eine weitere erfindungsgemäße Lösung des Problems der Verfestigung
schwach verlustbehafteter Tröpfchen besteht in der aus bildung des Hohlleitersystems
als Resonator. Resonatoren dienen der lokalen Erhöhung der elektrischen Feldstärke
bei gleicher vom Generator - zugeführten Leistung. Der Loistungsumsatz im dielektrischen
Medium, im vorliegenden Fall die Tröpfchen . , -, ist aber bekanntlich dem Quadrat
der Feldstärke im Medium proportional. Der Vorteil der Verwendung von Resonatoren
besteht also entweder in einer schnelleren Erwärmung der Tröpfchen durch die Mikrowellenenergie
oder in einer Einsparung an benötigter Generatorleistung. Die Feldstärkeüberhöhung;
folgt der Quadratwurzel aus der sogenannten belasteten Gute des Resonators.
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Man muß nun sogar darauf achten, daß die Feldstärke nicht die Durchschlagfestigkeit
in dem die Tröpfchen umgebenden Medium Uberschreitet. Erfindungsgemäß wird diese
Begrenzung der Feldstärke
durch Einfügen von Dämpflngsstrecken,
z.B. aus Stahlhohlleitern, aus Graphitbelägen, Dämpfungskeilen, erzielt.
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Eine weitere Möglichkeit, die belastete Güte einzustellen, besteht
in einer starken Ankopplung des Resonators an den Generator , sodaß die Verluste
der Mikrowellenleitung auch im Resonator stark wirksam sind. Ist der Resonator erfindungsgemäß
als Leitungsresonator vom Reflexionstyp ausgebildet und besteht im wesentlichen
aus der Koppelblende - dem bereits beschriebenen Eintrittskrümmer mit Kamin einem
im wesentlichen geraden, senkrechten Hohlleiter dem Austrittskrümmer mit Kamin und
einem beweglichen Kurzschluß , so wurde durch Verändern der Position des Kurzschlusses
die Resonanzfrequenz des Resonators auf die Betriebsfrequenz des Generators auf
einfache Art und Weise abgestimmt und hohe Erwärmungsraten erzielt. Zur Yermeidung
des unter Umständen aufwendigen Austrittskrümmers kann der Leitungsresonator vom
Reflexionstyp unmittelbar mit einem kreiszylindrischen Kamin abgeschlossen werden,
dessen Achse mit der Achse des Hohlleiters übereinstimmt Die lichte Weite des Kamins
ist kleiner als eine halbe freie Wellenlänge der Nikrowelle zu bemessen. Um das
Aufprallen der Tröpfchen bzw. getrockneten Teilchen an der Stoßstellc zwischen Hohlleiter
und Kamin zu vermeiden, kann gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ein
stetiger, im we.sentlichen konischer Übergangsteil zwischen Hohlleiter und Kamin
' eingefügt werden. Wird der Resonator von Reflexionstyp durch einen Kamin , gegebenenfalls
winter Zwi.chenschaltung
des konischen übergangsteils , abgeschlossen,
kann die Resonanzfrequenz des Resonators durch die Wahl der Länge des Zwischenstückes
s auf die Betribsfrequenz des Generators @ abgestimmt werden. Anstelle des Zwischenstückes
wurde auch ein herkömmlicher Phasenschieber mit Erfolg verwendet.
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Besondere Einfachheit und wirtschaftliche Vorteil bietet die erfindungsgemäße
Ausführung des Resonators als Leitungsresonator vom Saugkreistyp , der im wesentlichen
senkrecht und parallel zur Hauptleitung angeordnet und dem die Mikrowellenenergie
durch mindestens eine Koppelöffnung in der Seitenwand des Resonators zuführbar ist.
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ur besonder schwach Mikrowellen absorbierende Tröpfchen stellte sich
die erfindunsgemäße Ausführung des Resonators als Ringresonator als günstig heraus.
Die Ankopplung des P.ingresonators an die vom Generator angespeiste und mit dem
Absorber abgeschlossene Hauptleitung erfolgt im wesentlichen über ein als sogenannter
Richtkoppler ausgebildetes Koppelelement mit mindestens einer Koppelöffnung Ein
weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt in der räumlichen Trennung von WechselasirkungsstreclKe
und Abstimmvorrichtung des Resonators, was eine leichte Justierung erlaubt . -In
einer weiteren erfindunosgemäßen' AusführunGsform besteht das Hohlleitersystem aus
mehreren hintereinander angeordneten Teilen, die als Leitungsresonatoren von Durchgangstyp
ausgebildet
sind. Die Resonatoren wrerden durch Koppelblenden sowohl mit dem Mikrowellengenerator
und dem Absorber als auch untereinander verbunden. Diese Ausführungsform ist unter
anderem deshalb besonders günstig, weil die in einem Resonator von den Tröpfchen
. nicht absorbierte Mikrowellenenergie über eine Koppelblende @ an den nächsten
Resonator weitergeben wird und so insgesamt ein höherer Wirkungsgrad der Trocknungsvorrichtung
erzielt wird.
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Die erfinclingsgemässe Vorrichtung zur Herstellung von festen sphärischen
Teilchen bedient sich einer optimalen Betriebsfrequenz im Bereich von 5 bis 44 GHZ
entsprechend 60 mm bis 6,8 mm freier Wellenlänge, Ein entscheidender Vorteil gegenüber
Mikrowellenfrequenzen, die üblicherweise für industrielle Heiz- und Trockungszwecke
verwendet werden, liegt darin, daß der Leistungsumsatz in den Tröpfchen proportional
dem Quadrat der Frequenz steigt, zumindest bis zu Frequenzen um 22 GHz, wo ein Absorptionsmaximum
von Wasser liegt. Dieses Verhalten wurde interessanterweise durch ausgedehnte Versuche
auch für Tröpfchen aus fließfähigen Medien, die bioschädlichen Abfall bzw. Kunstharz
und Kernbrennstoffmateral enthalten, gefunden. Es erscheint also die Wahl einer
uneingeschränkt hohen Betriebsfrequenz zunächst günstig. hlle,-dings ist eine unbegrenzte
Erhöhung der Betriebsfrequenz wegen des Absinkens der Eindringtiefe nicht möglich,
die sich in dielektrischen, nicht zu stark verlustbehafteten Stoffen uilgefähr umgekehrt
proportional der Betriebsfrequenz verhaltO Bei zu hohen Frequenzen ist daher die
Mikrowellenenergie im Inneren
eines Tröpfchens wesentlich geringer
als auf der Tröpfchenoberfläche. Eine gleichmäßige Verfestigung fände in diesem
Fall nicht statt. Nach einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
die kleinste freie Wellenlänge W0 der vom Generator (18) abgegebenen Mikrowelle
in mm, und damit die maximale sinnvolle Betriebsfrequenz, überraschenderweise nach
der überaus einfachen Gleichung
gegeben. Dabei bedeutet d den mittleren Durchmesser der Tröpfchen in mm und m eine
Zahl zwischen 20 und 50 und n eine Zahl zwischen i und 1,5. Insbesondere haben sich
Werte von m = 40 und n = 1,3 für wässrige Lösgen, Suspensionen und Aufschlämmungen
bewährt. Das Ansteigen des Werlustwinkels von Wasser und das relative Absinken der
Dielektrizitätskonstante im Mikrowellenbereich ist in G1.(1) bereits berücksichtigt.
rür Tröpfchendurchmesser zwischen 0,3 und 5 mm ergeben sich die bereits erwähnten
optimalen freien Wellenlängen von 6,8 mm bis 60 mm bzw. optimalen Betricbsfrequenzen
von 44 bis 4 GHz.
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Ein weiterer, wesantlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung
wird dadurch begründet, daß die längs einer gemeinsamen Achse angeordneten und als
Resonatoren ausgebildeten iiohlleitersysteine im Zustand ohne Tröpfchen auf unterschiedliche
Rosonanzfrequenzen mit Hilfe von Abstimmvorrichtungen so abgestimmt werden, daß
sie beim Durchfallen der Tröpfchen eine mit der Betriebsfrequen; des flikrowellengenerators
identische
Resonanzfrequenz aufweisen. Dadurch wird eine Coptimierung der Wechselwirkung der
Mikrowellenstrahlung mit den Tröpfchen erreicht, weil sich beim Ablauf des Verfestigungsprozesses
Verlustwinkel und relative Dielektrizitätskonstante der Tröpfchen ändern; Tröpfchen
verschiedener Temperatur verstimmen daher Resonatoren in verschiedenem Ausmaß.
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Im folgenden wird die Erfindung und weitere Vorteile anhand von Zeichnungen
näher erläutert, Fig, 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Herstellung von Teilchen aus Tröpfchen aus fließfähigen Medien;
Fig; 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils der Vorrichtung, die mit
einem für Mikrowellen durchlässigem Rohr ausgekleidet ist.
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Fig. 3 und Fig. 4 sind Schrägrisse zweier Ausführungsforinen des Hohlleiters
mit schematisierte Feldverlauf für H# - und H# -Welle.
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Fig; 5 ist ein Schnitt durch einen kreisförmigen Hohlleiter mit E@@-
Feldverteilung. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Hohlleitersystems, Fig. 7
zeigt einen Hohlleiterkrümmer mit aufgesetztem Kamin. Fig. 8 ist eine schematische
Darstellung einer aus mehreren Teilhohlleitern bestehenden Vorrichtung zur Herstellung
von festen Teilchen aus Tröpfchen aus fließfähigen Medien. Fig. 9 zeigt die Ausfiihrungsform
der erfindungsgeäßen Vorrichtung als IcittE sresonator, wobei Fig. 9a, 9b, 9c drei
verschiedene erfingungsgemäße Ausführungen des Resonatorabschlusses darstellen,
Fig, 10 und Fig. 11 zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Savgkreis-
bzar, Ringresonatoren. Fig; 12 schließlich zeigt die vorliegende Erfindung in der
Ausführung mit hintereinandergeschalteten Durchgangsresonatoren.
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Sig; 1 zeigt eine schematische DarsteZlung einer Vorrichtung zur Herstellung
lton festen Teilchen aus Tröpfchen aus fließfähigen Medien. Die Tröpfchen (2) von
etwa konstantem Durchmesser d werden in bekannter Weise von der Tröpfchenzuführung
erzeugt und abgelöst. Es ist günstig, aber nicht notwendig, daß die Anfangsgeschwindigkeit
der Tröpfchen nur wenig von Null vorschieden
ist. Die Tröpfchen
(2) erreichen hierauf das Hohlleitersystem (4) und fallen im wesentlichen senkrecht
und im wesentlichen in der Achse des Hchlleitersystems (4), wobei ihnen vom Generator
(18) Mikrowellenenergie berührungsfrei zugeführt wird. Unter "Generator (18)" wird
im weiteren eine Summe von hinlänglich bekannten Bauteilen zur Erzegung> Messung
und Verteilung von Mikrowellenenergie, z.B.: Mikrowellenröhre, Stromversorgung,
Leistungsteiler, Zirktilator, Absorber, Frequenz-und Leistungsmesser zusammengefaßt;
Die Einspeisung der ikrowellenenergie in das Hohlleitersystem (4) kann zwar an beliebiger
Stelle vorgesehen werden, doch werden im folgenden einige besonders günstige Ausführungsformen
beschrieben werden. Im System (4) wird den Tröpfchen (2) zumindest ein Teil der
zum Verfestigen notwendiger Energie zugeführt, gegebenenfalls wird weitere Trocknungsenergie
durch seitlich von der Fallstrecke außerhalb des Hoblleitersystems(.
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angeordnete IR-Strahler (406) zugeführt, Die verfestigten Teilchen
3 werden in einem Austrageteil (10), das chargenweise oder kontinuierlichte Austragung
ermöglicht, aufgefangen.
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Die Länge des Hohlleitersystems (4) ist so bemessen, daß die Verweilzeit
frei fallender Tröpfchen (2) im Hohlleitersystem (4) zwischen 0,2 sec und 2 sec
beträgt. Bei gegebener Länge wurde die Verweilzeit noch um einiges gesteigert, indem
gasförmige Medien gegen die Fallrichtung der Tröpfchen (2) durch das Hohlleitersystem
(4) geblasen wurden. Insbesondere erwiesen sich Heißluft und die Kunstharakomponente
der Tröpfchen (2) härtende Gase als besonders wirksam, weil sie den Verfestigungsprozeß
beschleunigen.
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In Fig. 2 ist das Rohr (14) aus Quarz, Teflon oder ähnlich verlustarmen
Stoffen in den Hohlleiter (40) eingeführt und sitzt auf der Innenseite des Krümmers
(60) auf.
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Sig. 3 zeigt eine vorzugsweise Austührungsform des Hohlleiters (40)
mit rechteckigem Querschnittß dessen längere Seite (42) senkrecht auf das elektrische
Feld (46) der Grundwelle H10 steht, während die k\;irzere Seite (44) parallel zum
Feld gerichtet ist; Die Reaktion beschleunigende Gase (30) werden über Schlitze
(48) und (50) den Tröpfchen (2) zugeführt.
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In Fig. 4, die einen kreisförmigen Hohlleiter (40) mit Schlitzen (52)
zeigt, die dieselbe Funktion wie die Schlitze (48) und (50) besitzen, ist das elektrische
Feld (46) der Grundwelle H101 angeregt, das transversal zur Hohlleiterachse gerichtet
ist und sein Maximum auf der-Achse annimmt.
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In Fig. 5 ist das elektrische Feld (46) in wesentlichen achsenparallel
gerichtet, weil die Welle E@@ angeregt ist. Die Schlitze (54 dienen wieder der Zu-
und Abfuhr von Gasen.
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Die haLbschematische Darstellung der Fig. 6 zeigt den Generator (18),
von dem die iviikro\rellenenergie dem im wesentlichen senkrecht angeordneten Hchlleiter
(40) über eine Hchleiterkrümmer (56) zuge-SUhrt wird. Die von den Tröpfchen (2)
nicht aufgenommene Mikrowellen energie wird über den Austrittskrümmer (60) dem Absorber
(20) zugeleitet und dort in Wärme umgewandelt. Die Krümmer (56) und (60) sind zum
Bin- und Austritt der Tröpfchen (2) mit Bohrimgen versehen, auf
denen
die Kamine (58) und (62) aufgesetzt sind. Un Mikrowellenabstrahlung sicher zu vermeiden,
ist beim Einbringen der Tröpfchen (2 in den Kamin (58) darauf zu achten, -daß kein
zweifach zusammenhi:ngender Querschnitt (Koaxialleitung) aus Kamin und gegebenenfalls
in den Kamin ragenden Teilen der Tröpfchenzuführung (8) gebildet wird. Die Länge
des Kamins (58) ist gegebenenfalls von der Eintrittsstelle (64) des Kamins (58)
in den Kriimrner (56) bis zum Beginn der koaxialen Struktur zu messen. .
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Bei hoher, vom Generator (18) abgegebener Mikrowellenleistung eraries
sich die Brechung und Abrundung der Kanten (68) an-den Eintrittsstellen (64, 66)
der Amine (58, 62) in die Krümmer (56, 60) als vorteilhaft. Damit konnten lokale
Überhöhungen der elektrischen Feldstärke aufgrund der Spitzenwirkung gemildert und
ein Überschreiten der Durchschlagsfestigkeit im Hohlleitersystem (4) vermieden werden.
Aus ähnlichen Gründen sind sogenannte H-Krümmer vorzuziehen; in diesem Fall ist
an den Eintrittsstellen (64, 66) die elektrische Feldstärke von Haus aus gering.
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Ellanche Lösungen, insbesondere aus bioschädlichem Abfall; weisen
eine zu geringe natürliche Absorption von Mikrowellen auf, um ohne weitere Maßnahmen
eine wirkungsvolle Trocknung zu gewährleisten. In diesen Fällen ist eine Vorrichtung
in der Tröpfchenzuführung (8) vorzusehen, mit deren Hilfe mikrowellenabsorbierende
Beimongungen (16), vorzugsweise Graphitpulver, beigefugt werden.
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Große Tröpfchen und solche, die im Laufe ihres Falls durch den Hohlleiter
(40) eine seitliche Geschwindigkeitskomponente erhielten, verfehlten gelegentlich
den Kamin (62) und verblieben im Hohlleitersystem (4); Um dies zu verhindern, wird
nach Fig; 6 der lichte Durchmesser des Kamins (62) größer als der lichte Durch messer
des Kamins (58) und gleich der kleinsten Querschnittsdimension des Hoiilleiters
(40) gewählt. Ergab sich auf diese Weise ein Durchmesser des Kamins (62) größer
als etwa 0,58 freie Wellenlängen, so wurde erfindungsgemäß der Kamin (62) mit einem
kegels stumpfförmigen Abschnitt (622) gemäß Fig; 7 versehen.
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In Fig. 8 ist das Hohlleitersystem (4) in mehrere Teilhohlleiter (400,
402, 404) geteilt, die vom Generator (18) über bekannte Mikrowellenleistungsteiler
mit likrowellenenergie versorgt werden; Die Tröpfchen (2) können zwischen oder nach
dem Durchlaufen der Teilhohlleiter durch IR-Strahler (406) mit weiterer Energie
beabfschlagt werden.
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Fig. 9 erläutert eine vorzugsweise Ausführungsform der Vorrichtung
in Gestalt eines Leitungsresonators vom Reflexionstyp (700). Das resonanzfähige
System wird zwischen dem beweglichen Kurzschluß (72) und der die Kopplung von Resonator
und Generator (18) bewerkstelligenden Koppelblende (74) definiert; Wird zur Vermeidung
des unter Umständen zu aufwendigen Austrittskrümmers (60) der I,eltungsresonator
vom Reflexionstyp (700) ux ttelbar mit dem kreiszylindrischen Kamin (620) (siehe
Fig. 9b) oder gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines stetigen im wesentlichen
konischen Übergangsteils (622) abgeschlossen (siehe Fig. 9c), so m B die Abstimmung
der Resonanzfrequenz des Resonators auf die Betriebsfrequenz
des
Generators (18) mit Hilfe eines Zwischenstückes (710) oder eines herkömmlichen Phasenschiebers
erfolgen.
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Wenden wir uns nun Fig 10 zu, die eine weitere beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Der Generator (18) ist Uber eine Hauptleitung (22) mit
dem Absorber (20) verbunden; Die Tröpfchen (2) fallen durch den zylindrischen Eintrit,tskamin
(712) in den parallel zur Hauptleitung (22) angeordneten Leitungsresonator vom Saugkreistyp
(702), dem die Mikrowellenenergie durch mindestens eine Koppelöffnung (76) in der
Seitenwand des Resonators (702) zugeführt wird. Die verfestigten Teilchen (12) verlassen
den Resonator (702) durch den Austrittskamin (714), der i.a. eine größere lichte
Weite als der Eintrittskamin (712) aufweist. Eine Abstimmvorrichtung (708), etwa
in Form eines quer zur Resonatorachse verschiebbaren, verlustarmen dielektrischen
Plättchens, vorzugsweise an einer Seitenwand des Resona-sors (702) angebracht, dient
wieder zur Abstimmung des Resonators (702) auf die Betriebsfrequenz des Generators
(18).
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist der Resonator in Form eines Ringresonators (704) nach Sig. II ausgebildet.
Die Tröpfchen (2) nehmen die Nikrowellenenergie während des Falls durch einen im
wesentlich senkrecht angeordneten Teil des Ringresonators (704) auf; Die Ein- vnd
Ausbringung der Tröpfchen (2) bzar; verfestigten Teilchen (12) erfolgt im wesentlichen
durch die in der vorliegenden
Beschreibung geoffenbarten Vorrichtungen
und Bauteile, Xhnliches gilt fUr die Abstimmung des Ringresonators (704) mit Hilfe
von Vorrichtungen gemäß Fig. 9a (Zwischenstück (710) zur Phasenschieber) oder gemäß
Fig. 10 (Abstimmvorrichtung (708)) auf die Betriebsfrequenz des Generators (1 8).
Die Hauptleitung (22) enthält einen Richtkoppler (716), über dessen mindestens eine
Koppelöffnung (76) Mikrowellenenergie vom Generator (18) in den Ringresonator (704)
transportiert wird. Der nicht überkoppelte Teil der Mikrowellenenergie wird den
Absorber (20) zugeführt.
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Big; 12 stellt eine weitere, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar. Durch Koppelblenden (74) mit dem Generator (18) und dem Absorber
(22) verbundene, mit Zwischenstücken (710) und Abstimmvorrichtungen (708) auf die
Betriebsfrequenz des Generators (18) trotz unterschiedlicher Verstimmung durch verschieden
stark erwärmte und verfestigte Tröpfchen (2) abgestimmte Durchgangsresonatoren (706)
sind untereinander durch Koppelbienden (78) verbunden, die eine Weiterleitung in
den Tröpfchen (2) nicht absorbierter Mikrowellenenergie an den elektrisch in Kette
geschalteten, nächsten Durchgangsresonator (706) bewirken. Entlang der außerhalb
der Resonatoren (706) liegenden Abschnitte der Fallstrecke der Tröpfchen (2) können
IR-Strahler (4G6 zur Unterstützung des Verfestigungsganges angeordnet werden, um
die Dosierung der Energiezufuhr zu verfeinern.
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Eine Teilung des Hohlleitersystems (4) gemäß Fig. 8 und Fig. 12 erweist
sich besonders bei Verwendung von Resonatoren (700, 702, 704, 706) als vorteilhaft.
Stärkste-Feldüberöhung, d.h. maximale Übertragung von Mikrowellenenergie auf die
Tröpfchen, findet bei der Resonanzfrequenz eines Resonators statt. Die Ausbildung
der Mikrowellenvorrichtung als Resonator verschiedener Ausfuhrungsformen erwies
sich insbesondere bei Frequenzen ab extra 15 GHz insofern als günstig, daß mit überraschend
geringen Generatorleistungen ausreichend hohe Erwärmungsraten erzielt werden konnten.
Es mußten gelegentlich sogar Dämpfungsstrecken in derartigen Resonatoren erfindungsgemäß
vorgesehen werden, um die Durchschlagsfeldstärke in der die Tröpfchen umgebenden
Atmosphäre nicht zu überschreiten.
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Für die bereits erwähnte Zu- und Abfuhr von Gasen (v0) können auch
die Kamine (58, 62, 620, 712, 714) dienen. Es läßt sich ein Gegenstrom zur Fallrichtung
der Tröpfchen (2) im Hohlleiter (40) erzeugen, der den Fall der Tröpfchen (2) verlangsamt
und damit die Verweilzeit der Tröpfchen (2) im Hohlleitersystem (4) erhöht. Die
Zufuhr von MikroTrellenenergie in die Tröpfchen (2) wird auf diese Weise erhöht,
der Leistungsbedarf erniedrigt.
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Das hat z.B. Bedeutung für schwach verlustbehaftete Tröpfchen, denen
aus verfahrenstechnischen Gründen keine zusätzlichen, mikrowellenabsorbierenden
Stoffe beigemengt werden dürfen.
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Dafür mußte zuweilen Gasdichtheit des Hohlleitersystems gefordert
werden, die andererseits aber auch erhebliche Vorteile für Medien bringt, die beim
Verfestigen bioschädliche Gase freisetzen. Im
allgemeinen empfiehlt
sich für alle beschriebenen Ausfuhrungsformen der Einbau von Vakuumfenstern, z,3.
aus Teflon oder Keramik, zwischen dem im wesentlichen senkrechten Hohlleiter (4Q)
und dem Generator (18), dem Absorber (20) und weiteren empfindlichen Mikrowellenbauteilen,
um sie vor Wasserdampf und anderen Reaktionsgasen zu schützen.
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Eine wichtige Größe bei der v9llständigen Dimensionierung einer Vorrichtung
zum Verfestigen von Kernbrennstoffmaterialien ist die benötigte Generatorleistung.
Diese hangt im wesentlichen vom Medium ab, aus dem die Tröpfchen gebildet werden.
Eigenschafter wie relative Dielektrizitätskonstante, Verlustwinkel, spezifische
Wärme und spezifisches Gewicht sind von Bedeutung. Auch die geforderte Erwärmungsrate
und die Betriebsfrequenz sowie die Hohlleiterabmessungen gehen wesentlich in den
Leistungsbodarf ein.
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Im folgenden wird die vollständige Dimensionierung eines Beispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben. Es sollen Tröpfchen von 1 mm Durchmesser
aus wässriger Uranylnitratlösung (spez.
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Gewicht 1,2 g/cm , Verlustwinkel mindestens so groß wie von reinem
Wasser, Dispersion und Temperaturabhängigkeit der DieleR>rizitätzkonstante sowie
spezifische Wärme wie bei reinem Wasser) auf einer Fallstrecke von 1 m um 8000 (Erwärmungsrate
177°c/sec) erwärmt und damit die vollständige Aushärtung der enthaltenen Eunstharzkomr,onente
initiiert werden. Aus dem Durchmesser der Tröpfchen und der vorliegenden Beschreibung
ergibt sich erfindung gomäß eine optimale Betriebsfrequenz von rund 17,6 GHz (freie
Wellenlänge rund 47,1 mm) und ein quadratischer Hohlleiter mit
8,7
mm lichter Weite. Unter Berücksichtigung einer effektiven Dielektrizitätskonstante
der Tröpfchen, die einerseits das Verhalten eines dielektrischen Kügelchens im elektrischen
Feld, andererseits die spezielle Feldverteilung der Mikrowelle im Hohl~ leiterquerschnitt
berücksicht^.t, ergibt sich fur eine Trocknungsvorrichtung nach Fig. 6 eine benötigte
Mikrowellenleistung von rund 1,42 kw.
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Ein Großteil dieser Leistung wird allerdings in Absorber (20) dissipiert.
Durch Verwendung eines Resonators in der Vorrichtung -etwa gemäß Fig, 9 - verringert
sich der Leistungsbedarf unter Zugrundelegung einer belasteten Resonatorgüte von
130 auf den verblüffend geringen Wert von rund 22 W (max. Feldstärke im Resonator
C$Durchschlagsfestigkeit.