EA021551B1

EA021551B1 - Устройство для свч нагрева диэлектрических сред

Info

Publication number: EA021551B1
Application number: EA201100201A
Authority: EA
Inventors: Агит Аминович Тынчеров; Борис Сергеевич Суриков; Юрий Павлович Большаков; Арсений Агитович Тынчеров; Андрей Николаевич Распутин; Андрей Ярославович Цуневский
Original assignee: Агит Аминович Тынчеров
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2015-07-30
Also published as: EA201100201A1

Abstract

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано для нагрева различных диэлектрических сред, в том числе при разогреве застывших нефтепродуктов, при добыче вязких нефтей и природных битумов в местах их залегания, а также при немеханическом удалении сосулек с крыш домов и ремонте битумосодержащих гидроизоляционных покрытий зданий. Устройство содержит магнетронный СВЧ генератор, согласованную с ним передающую линию и излучатель на ее конце, передающая линия выполнена в виде коаксиального кабеля, начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ генератора, а наружный - с корпусом генератора, излучатель выполнен в виде отрезка прямоугольного металлического волновода, один торец которого срезан под углом к широкой стенке и закрыт диэлектрической пластиной, закрепленной на торце с обеспечением герметичности, другой торец закрыт металлической пластиной, перпендикулярной к оси волновода, при этом в широкой стенке волновода выполнено отверстие, в центре которого закреплен возбуждающий штырь на конце коаксиального кабеля, а наружная оплетка кабеля соединена с волноводом. Устройство обеспечивает СВЧ нагрев различных диэлектрических сред, а также повышает эффективность воздействия путём оперативного перемещения излучателя по поверхности обрабатываемой среды.

Description

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано для нагрева различных диэлектрических сред, в том числе при разогреве застывших нефтепродуктов, при добыче вязких нефтей и природных битумов в местах их залегания, а также при немеханическом удалении сосулек с крыш домов и ремонте битумосодержащих гидроизоляционных покрытий зданий.

Известны устройства для СВЧ нагрева диэлектрических сред, в которых электромагнитная энергия от СВЧ генератора через линию передачи и излучатель направляется на поверхность обрабатываемой среды -асфальтобитумного дорожного покрытия (патент РФ № 2039145, 1993 г.), жидкости (патент РФ № 2087083, 1997 г.), нефтепродуктов в резервуаре (патент РФ № 2224387, 2004 г.). Недостатком этих устройств является фиксированное расположение излучателя относительно поверхности среды, не позволяющее при необходимости изменять режим или зону СВЧ воздействия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является Устройство для нагрева загустевших и застывших нефтепродуктов в железнодорожных цистернах по патенту РФ № 2224387, 2004 г. Оно содержит магнетронный СВЧ генератор, соединенную с ним жесткую волноводную линию передачи и рупорный излучатель, расположенный над поверхностью нефтесодержащей среды в фиксированном положении. Недостатком прототипа является снижение скорости нагрева при уменьшении уровня нефтепродуктов в цистерне, поскольку плотность потока СВЧ мощности у поверхности падает из-за роста расстояния от излучателя.

Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение эффективности работы устройства путем оперативной регулировки положения излучателя относительно поверхности диэлектрической среды, а также расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем магнетронный СВЧ генератор, согласованную с ним передающую линию и излучатель на ее конце, передающая линия выполнена в виде коаксиального кабеля, начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ генератора, а наружный - с корпусом генератора, излучатель выполнен в виде отрезка прямоугольного металлического волновода, один торец которого срезан под углом к широкой стенке и закрыт диэлектрической пластиной, закрепленной на торце с обеспечением герметичности, другой торец закрыт металлической пластиной, перпендикулярной к оси волновода, при этом в широкой стенке волновода выполнено отверстие, в центре которого закреплен возбуждающий штырь на конце коаксиального кабеля, а наружная оплетка кабеля соединена с волноводом.

Гибкий коаксиальный кабель с излучателем на конце обеспечивает более эффективный нагрев среды путем оперативного перемещения излучателя по ее поверхности, а радиопрозрачная диэлектрическая пластина, герметически закрепленная на срезанном торце, позволяет работать в жидкой среде, что является преимуществом заявляемого устройства по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - его расположение при нагреве застывших нефтепродуктов в цистерне, на фиг. 3 и 4 - варианты расположения устройства при СВЧ воздействии на сосульки, свисающие с крыши, на фиг. 5 - расположение устройства на битумосодержащей кровле при ее ремонте с помощью СВЧ нагрева.

Устройство (фиг. 1) содержит магнетронный СВЧ генератор 1 с возбуждающим штырем 2, который соединен с внутренним проводником коаксиального перехода 3, служащим для согласования генератора с коаксиальным кабелем 4. Фланец 5 коаксиального перехода установлен на корпусе генератора. Для удобства эксплуатации устройства, при замене генератора или кабеля, служит коаксиальный разъем 6, закрепленный на конце коаксиального перехода, при этом его внутренний проводник 7 соединен с внутренним проводником коаксиального разъема. На конце кабеля закреплен излучатель 8, который выполнен в виде отрезка прямоугольного металлического волновода 9, один торец которого 10 срезан под углом к широкой стенке 11 и закрыт диэлектрической пластиной 12, закрепленной на торце с обеспечением герметичности, другой торец закрыт металлической пластиной 13, перпендикулярной к оси волновода, при этом в широкой стенке волновода выполнено отверстие 14, в центре которого закреплен возбуждающий штырь 15 на конце коаксиального кабеля, а его наружная оплетка соединена с волноводом.

Торец волновода, срезанный под углом к широкой стенке, прилегающий к границе среды и закрытый радиопрозрачной диэлектрической пластиной, обеспечивает максимальное прохождение электромагнитной волны из волновода в диэлектрическую среду. Это связано с тем, что при таком срезе торца вектор электрического поля находится в плоскости падения волны. Известно, что при такой поляризации существует угол падения волны φ, отсчитываемый от нормали к поверхности - т.н. угол Брюстера, (см., например, Ю.В. Пименов, В.И. Вольман, А.Д. Муравцев. Техническая электродинамика. М., Радио и связь, 2000 г., с. 197), при котором коэффициент отражения достигает минимума, и почти вся энергия переходит в среду. Для этого необходимо выполнение условия

где ε - диэлектрическая проницаемость среды. Тем самым, в зависимости от параметров среды, угол между срезанным торцем волновода и его широкой стенкой должен составлять величину [π/2 - агесеТё ](в радианной мере).

- 1 021551

Для нефтесодержащих пород значения ε лежат в интервале 2-4 (см., например, Ю.В. Ревизский, В.П. Дыбленко. Исследование и обоснование механизма нефтеотдачи пластов с применением физических методов, гл. 4. М, Недра-бизнесцентр, 2002 г.). Пресный лед имеет ε=3 (см., например, Р. Кинг, Г. Смит. Антенны в материальных средах. М., Мир, 1984 г., т.1, с.201). Таким образом, угол между срезанным торцем волновода и его широкой стенкой должен лежать в пределах 25-35 град.

Расположение устройства для СВЧ нагрева среды зависит от ее характера. Например, для застывших нефтепродуктов 16 в резервуаре 17 (фиг. 2) гибкий коаксиальный кабель 4 с излучателем 8 на конце с помощью кронштейна 18 может перемещаться по всей поверхности среды. Для удобства эксплуатации на излучателе установлен коаксиальный разъем 19. При разжижении среды излучатель благодаря герметичной радиопрозрачной пластине 12 может погружаться в среду на некоторую глубину, повышая скорость ее нагрева.

Гибкий коаксиальный кабель с излучателем на конце позволяет расширить возможности устройства по СВЧ нагреву различных сред. Например, заявляемое устройство может быть использовано для немеханического разрушения сосулек, свисающих с крыш зданий. Известно, что СВЧ воздействие вызывает быстрое таяние льда. Например, при плотности потока СВЧ мощности 80 кВт/кв.м воздействие в течение 10 мин приводит к таянию льда толщиной 15 см (см. Сверхвысокочастотный нагрев асфальто-бетонных покрытий в журнале «Наука и техника в дорожной отрасли», М, изд-во Дороги, 1997 г., №2, с. 28-29).

На фиг. 3 и 4 представлены варианты размещения устройства для СВЧ воздействия на сосульку 20, свисающую с края крыши 21. Излучатель 8 с помощью кронштейна 18 устанавливается вплотную к сосульке, причем установка может производиться как с земли или специального транспортного средства (фиг. 3), так и с крыши здания (фиг. 4). При включении СВЧ генератора благодаря направленному излучению электромагнитных волн, их поглощению в ледяном диэлектрике и преобразованию в тепло происходит подтаивание и обрушение сосульки.

При ремонте битумосодержащих гидроизоляционных покрытий зданий (фиг. 5) с помощью заявляемого устройства излучатель 8 с помощью кронштейна 18 перемещается по поверхности покрытия 22, нанесенного на бетонную панель 23. При включении генератора 1 происходит нагрев панели и размягчение покрытия с устранением раковин, трещин и испарением влаги.

Таким образом, заявляемое устройство имеет широкий диапазон функциональных возможностей, обеспечивающих эффективный СВЧ нагрев различных диэлектрических сред.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для СВЧ нагрева диэлектрических сред, содержащее магнетронный СВЧ генератор, согласованную с ним линию передачи и излучатель на ее конце, отличающееся тем, что линия передачи выполнена в виде коаксиального кабеля, начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ генератора, а наружный - с корпусом генератора, излучатель выполнен в виде отрезка прямоугольного металлического волновода, один торец которого срезан под углом к широкой стенке и закрыт диэлектрической пластиной, закрепленной на торце с обеспечением герметичности, другой торец закрыт металлической пластиной, перпендикулярной к оси волновода, при этом в широкой стенке волновода выполнено отверстие, в центре которого закреплен возбуждающий штырь на конце коаксиального кабеля, а наружная оплетка кабеля соединена с волноводом.