RU2356187C1 - Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs - Google Patents
Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs Download PDFInfo
- Publication number
- RU2356187C1 RU2356187C1 RU2007146964/09A RU2007146964A RU2356187C1 RU 2356187 C1 RU2356187 C1 RU 2356187C1 RU 2007146964/09 A RU2007146964/09 A RU 2007146964/09A RU 2007146964 A RU2007146964 A RU 2007146964A RU 2356187 C1 RU2356187 C1 RU 2356187C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- microwave
- heating
- flange
- cavity
- Prior art date
Links
Landscapes
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях различных размеров.The invention relates to devices for microwave heating of liquid dielectric media in containers of various sizes.
Известны и широко применяются устройства для нагрева жидких или газообразных сред на основе теплоэлектронагревателей (ТЭНов) [1], в которых нагревательный элемент размещен внутри произвольного объема, и тепло с поверхности ТЭНа конвективно нагревает весь объем. Эффективность нагрева в этих устройствах определяется величиной подводимой мощности, объемом нагреваемой среды и предельно допустимой температурой поверхности нагрева.Known and widely used devices for heating liquid or gaseous media based on heat electric heaters (TENs) [1], in which the heating element is placed inside an arbitrary volume, and heat from the surface of the TENA convectively heats the entire volume. The heating efficiency in these devices is determined by the magnitude of the input power, the volume of the heated medium and the maximum allowable temperature of the heating surface.
Недостатками таких устройств является то, что нагрев носит локальный характер, что может приводить к перегреву среды у поверхности ТЭНа и изменению ее свойств, а это в свою очередь ограничивает применение таких устройств, в частности, для нагрева пожароопасных жидкостей и газов.The disadvantages of such devices is that the heating is local in nature, which can lead to overheating of the medium near the surface of the heater and a change in its properties, and this in turn limits the use of such devices, in particular, for heating fire-hazardous liquids and gases.
Известны различные устройства для объемного нагрева диэлектрических сред, использующие СВЧ излучение (резонаторного и волноводного типа) [2].There are various devices for volumetric heating of dielectric media using microwave radiation (resonator and waveguide type) [2].
В устройстве резонаторного типа емкость с нагреваемой средой размещается в резонаторной камере, в которую вводится СВЧ энергия через щель связи от СВЧ генератора. Размеры камеры выбираются в зависимости от частоты и обеспечивают максимальный отбор энергии от СВЧ генератора, при этом нагреваемый объект размещается в резонаторной камере, как правило, в местах, где напряженность магнитного поля максимальная. Типичным примером такого устройства является бытовая СВЧ печь.In a resonator-type device, a tank with a heated medium is placed in a resonator chamber into which microwave energy is introduced through a coupling gap from a microwave generator. The dimensions of the chamber are selected depending on the frequency and provide maximum energy extraction from the microwave generator, while the heated object is placed in the resonator chamber, as a rule, in places where the magnetic field strength is maximum. A typical example of such a device is a domestic microwave oven.
В устройствах волноводного типа реализуется способ СВЧ обработки материалов в свободном пространстве, при этом рабочая камера имеет произвольные размеры, позволяющие обрабатывать изделия больших размеров (например, установки для СВЧ сушки древесины). Достоинством СВЧ нагрева по сравнению с ТЭНом является объемное тепловыделение и равномерный прогрев материала.In waveguide-type devices, a method of microwave processing of materials in free space is implemented, while the working chamber has arbitrary sizes that allow processing large-sized products (for example, microwave wood drying plants). The advantage of microwave heating in comparison with a heating element is volumetric heat release and uniform heating of the material.
Известно устройство для СВЧ нагрева жидкостей, включающее СВЧ генератор, соединенный с волноводом [3] - прототип.A device for microwave heating of liquids, including a microwave generator connected to a waveguide [3] is a prototype.
Недостатками устройств резонаторного и волноводного типа, в том числе и прототипа, является то, что при использовании емкостей, имеющих различные размеры и заполненных различными средами, подвергающимися нагреву, весьма сложно добиться эффективного согласования и отбора мощности от СВЧ генератора. Кроме того, в самой емкости часто устанавливаются различного рода конструктивные металлические элементы, которые практически исключают возможность предсказания распределения электромагнитного поля в объеме. Из-за трудностей согласования, особенно в случае слабо поглощающих сред, резко увеличивается напряженность поля в объеме, что увеличивает опасность электрического пробоя и ужесточает требования к предельной величине КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения) магнетрона. Электрический пробой в случае нагрева пожароопасных жидкостей, например, масел, может привести к возгоранию жидкости, а увеличение отраженной волны - к выходу СВЧ генератора из строя или необходимости установления на выходе асимметричных специальных развязок, что приведет к резкому увеличению стоимости СВЧ генератора.The disadvantages of the devices of the resonator and waveguide type, including the prototype, is that when using containers having different sizes and filled with various media subjected to heating, it is very difficult to achieve effective matching and power selection from a microwave generator. In addition, various kinds of structural metal elements are often installed in the tank itself, which practically exclude the possibility of predicting the distribution of the electromagnetic field in the volume. Due to coordination difficulties, especially in the case of weakly absorbing media, the field strength in the volume increases sharply, which increases the risk of electrical breakdown and tightens the requirements for the limit value of the VSWR (coefficient of the standing voltage wave) of the magnetron. An electrical breakdown in the case of heating flammable liquids, for example, oils, can lead to ignition of the liquid, and an increase in the reflected wave can lead to the failure of the microwave generator or the need to establish asymmetric special junctions at the output, which will lead to a sharp increase in the cost of the microwave generator.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности нагрева жидких диэлектрических сред, а также повышение надежности работы устройства.The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of heating liquid dielectric media, as well as improving the reliability of the device.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях, включающем СВЧ генератор, соединенный с волноводом, во внутренней полости волновода расположен тонкостенный поглотитель СВЧ энергии, имеющий развитую поверхность теплообмена и выполненный с возможностью пропускания нагреваемой среды, при этом волновод выполнен с отверстиями для сообщения его внутренней полости с нагреваемой средой.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for microwave heating of liquid dielectric media in containers, including a microwave generator connected to the waveguide, in the inner cavity of the waveguide is a thin-walled microwave energy absorber having a developed heat exchange surface and configured to transmit the heated medium, while the waveguide is made with holes for communication of its internal cavity with a heated medium.
При этом волновод может быть выполнен из электропроводного материала, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 3·10-8 Ом·м.In this case, the waveguide can be made of an electrically conductive material having a specific electrical resistance of at least 3 · 10 -8 Ohm · m.
Поглотитель СВЧ энергии может быть расположен в нижней части волновода.A microwave energy absorber may be located at the bottom of the waveguide.
Торец волновода может быть закрыт металлической стенкой.The waveguide end can be closed by a metal wall.
Устройство дополнительно может быть снабжено кожухом и фланцем для установки волновода в емкости, при этом СВЧ генератор может быть расположен в кожухе, установленном на фланце, а во фланце могут быть выполнены отверстия, соединяющие полость кожуха и полость емкости для нагреваемой среды.The device can additionally be equipped with a casing and a flange for installing the waveguide in the container, while the microwave generator can be located in the casing mounted on the flange, and holes can be made in the flange connecting the cavity of the casing and the cavity of the container for the heated medium.
Расположение во внутренней полости волновода тонкостенного поглотителя СВЧ энергии, имеющего развитую поверхность теплообмена [4] и выполненного с возможностью пропускания нагреваемой среды, а также выполнение волновода с отверстиями для сообщения его внутренней полости с нагреваемой средой обеспечивает интенсивное перемешивание среды за счет создания конвенционных потоков и обеспечивает поглощение энергии при нагреве сред в емкости, что снижает до минимального уровня напряженность электрического поля в объеме и повышает надежность функционирования СВЧ генератора, а соответственно и всего устройства в целом.The location in the inner cavity of the waveguide of a thin-walled microwave energy absorber having a developed heat exchange surface [4] and configured to pass the heated medium, as well as the implementation of the waveguide with holes for communicating its internal cavity with the heated medium, provides intensive mixing of the medium by creating conventional flows and provides energy absorption when heating media in a tank, which reduces to a minimum level the electric field in the volume and increases the reliability s operation of the microwave generator, and thus the entire device as a whole.
Данное устройство может быть использовано также для нагрева газовых диэлектрических сред.This device can also be used for heating gas dielectric media.
В данном случае под поглотителем СВЧ энергии понимается такое устройство, конструкция которого позволяет полностью или в большей степени обеспечить поглощение излучаемых СВЧ генератором электромагнитных волн.In this case, a microwave energy absorber is understood to mean such a device, the design of which allows fully or to a greater extent to ensure the absorption of electromagnetic waves emitted by the microwave generator.
Поглотитель СВЧ энергии может иметь различные размеры и конструкцию, например, он может представлять собой трехмерную конструкцию: замкнутую или незамкнутую, полую или заполненную, перфорированную и др. Поглотитель СВЧ энергии может быть выполнен, например, в виде пространственной решетки или может представлять собой конструкцию, составными частями которой являются соты и т.д.The microwave energy absorber can have various sizes and designs, for example, it can be a three-dimensional structure: closed or open, hollow or filled, perforated, etc. The microwave energy absorber can be made, for example, in the form of a spatial lattice, or can be a structure, whose components are cells, etc.
При этом выбор размеров и конструктивного выполнения поглотителя в большей степени зависят от максимальной температуры нагрева поглотителя и степени поглощения поглотителем излучения от СВЧ генератора и в меньшей степени от размеров используемого в устройстве волновода. Температура нагрева поглотителя является весьма существенной для разогрева пожароопасных жидкостей, поэтому она должна быть такой, чтобы не допустить возможности возгорания либо изменения физических свойств нагреваемой жидкости (например, для масел - не более 120°С на поверхности).The choice of dimensions and design of the absorber to a greater extent depend on the maximum heating temperature of the absorber and the degree of absorption by the absorber of radiation from the microwave generator and to a lesser extent on the dimensions of the waveguide used in the device. The temperature of heating the absorber is very important for heating flammable liquids, therefore, it must be such as to prevent the possibility of fire or a change in the physical properties of the heated fluid (for oils, no more than 120 ° C on the surface).
Для обеспечения получения конвекционных потоков и повышения интенсивности перемешивания среды оптимальным является расположение поглотителя СВЧ энергии в нижней части волновода, что приводит к более интенсивному нагреву этой части волновода. Данное расположение поглотителя позволяет, несмотря на снижение плотности потока, получить тепловыделение и температуру выше, чем в верхней части емкости, что обеспечивает формирование конвекционных потоков нагреваемой среды и ее перемешивание.To ensure convection flows and increase the mixing intensity of the medium, the location of the microwave energy absorber in the lower part of the waveguide is optimal, which leads to more intense heating of this part of the waveguide. This arrangement of the absorber allows, despite the decrease in flux density, to obtain heat and temperature higher than in the upper part of the tank, which ensures the formation of convection flows of the heated medium and its mixing.
С целью увеличения поглощения мощности и уменьшения величины отраженной волны в качестве материала волновода используют электропроводный материал с высоким удельным электрическим сопротивлением (не менее 3·10-8 Ом·м). Для увеличения эффективности воздействия на конвекционные потоки из такого материала может выполняться только часть, в частности нижняя часть волновода.In order to increase the absorption of power and reduce the magnitude of the reflected wave, an electrically conductive material with a high electrical resistivity (not less than 3 · 10 -8 Ohm · m) is used as the waveguide material. To increase the efficiency of the effect on convection flows, only a part, in particular the lower part of the waveguide, can be made of such a material.
Размеры волновода выбираются стандартными в соответствии с рабочей частотой генератора. Так, для частоты f=2459 МГц предпочтителен волновод 90×45 мм.The dimensions of the waveguide are selected standard in accordance with the operating frequency of the generator. So, for a frequency f = 2459 MHz, a waveguide of 90 × 45 mm is preferred.
Размер и расположение отверстий в волноводе может быть различным. Выполнение в волноводе отверстий обеспечивает перетекание среды из внутренней полости волновода в полость емкости с нагреваемой средой и одновременно обеспечивает излучение части СВЧ энергии в окружающий объем (в полость емкости).The size and location of the holes in the waveguide may be different. The holes in the waveguide allow the medium to flow from the internal cavity of the waveguide into the cavity of the vessel with the heated medium and at the same time provides the radiation of part of the microwave energy into the surrounding volume (into the cavity of the vessel).
Предложенное изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображен общий вид устройства для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред в емкости.The proposed invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a General view of a device for microwave heating of liquid dielectric media in a tank.
Устройство для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред включает СВЧ генератор 1, волновод 2, соединенный с СВЧ генератором 1, тонкостенный поглотитель 3 СВЧ энергии, расположенный во внутренней полости 4 волновода 2 и выполненный из диэлектрического материала. При этом поглотитель 3 СВЧ энергии имеет развитую поверхность теплообмена и выполнен с возможностью пропускания нагреваемой среды. Размеры и конструкция поглотителя 3 зависят от максимальной температуры нагрева последнего и размеров волновода 2. Волновод 2 выполнен с отверстиями 5 для сообщения его внутренней полости 4 с нагреваемой средой.A device for microwave heating of liquid dielectric media includes a microwave generator 1, a waveguide 2 connected to a microwave generator 1, a thin-walled absorber 3 of microwave energy located in the inner cavity 4 of the waveguide 2 and made of dielectric material. In this case, the microwave energy absorber 3 has a developed heat exchange surface and is configured to transmit a heated medium. The dimensions and design of the absorber 3 depend on the maximum heating temperature of the latter and the dimensions of the waveguide 2. The waveguide 2 is made with holes 5 for communication of its internal cavity 4 with the heated medium.
СВЧ генератор 1 включает магнетрон с вентилятором (на чертеже не показаны), предназначенным для охлаждения магнетрона.The microwave generator 1 includes a magnetron with a fan (not shown), designed to cool the magnetron.
Для более компактного размещения устройства оно может содержать фланец 6 для установки волновода 2 в емкость 7 и кожух 8, установленный на фланце 6 и в котором расположен СВЧ генератор 1. При этом во фланце 6 могут быть выполнены отверстия 9 для сообщения полости 10 кожуха 8 с полостью 11 емкости 7 для нагреваемой диэлектрической среды. В этом случае фланец 6 состыкован с патрубком, соединенным с кожухом системы охлаждения теплоотводящих ребер магнетрона (на чертеже не показаны).For a more compact placement of the device, it may contain a flange 6 for installing the waveguide 2 in the container 7 and the casing 8, mounted on the flange 6 and in which the microwave generator 1 is located. In this case, holes 9 can be made in the flange 6 for communication of the cavity 10 of the casing 8 s cavity 11 of the tank 7 for a heated dielectric medium. In this case, the flange 6 is docked with a pipe connected to the casing of the cooling system of the magnetron fins (not shown).
Торец волновода 2, предназначенный для установки в емкость 7, может быть выполнен как открытым, так и закрытым, например металлической стенкой 12.The end face of the waveguide 2, intended for installation in the capacitance 7, can be made both open and closed, for example, with a metal wall 12.
Устройство для СВЧ нагрева жидких диэлектрических сред функционирует следующим образом. Излучение от магнетрона СВЧ генератора 1 поступает в волновод 2, где происходит его преобразование в тепловую энергию за счет следующих процессов. Часть СВЧ энергии поглощается находящейся в емкости 7 диэлектрической средой, например жидкостью, в том числе и через отверстия 5 волновода 2, выделяя тепло. При этом нагрев диэлектрической среды осуществляется также за счет выделения тепла от стенок волновода 2 и от поглотителя 3. Нагрев и выделение тепла от поглотителя 3 формирует конвекционные потоки нагреваемой среды, что способствует повышению интенсивности перемешивания. Через отверстия 5 в волноводе 2 диэлектрическая среда из внутренней полости 4 волновода 2 свободно перемещается в полость 11 емкости 7 и обратно.A device for microwave heating of liquid dielectric media operates as follows. The radiation from the magnetron of the microwave generator 1 enters the waveguide 2, where it is converted into thermal energy due to the following processes. Part of the microwave energy is absorbed by a dielectric medium located in the capacitance 7, for example, a liquid, including through the openings 5 of the waveguide 2, generating heat. In this case, the dielectric medium is also heated by heat generation from the walls of the waveguide 2 and from the absorber 3. Heating and heat generation from the absorber 3 forms convection flows of the heated medium, which helps to increase the mixing intensity. Through holes 5 in the waveguide 2, the dielectric medium from the inner cavity 4 of the waveguide 2 freely moves into the cavity 11 of the container 7 and vice versa.
Кроме того, тепловая энергия, выделяющаяся на аноде магнетрона, через теплоотводящие ребра магнетрона, с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, через отверстия 9 во фланце 6 подается в емкость 7 с нагреваемой средой.In addition, the thermal energy released at the magnetron’s anode through the heat sink fins of the magnetron, with the air flow generated by the fan, is supplied through the openings 9 in the flange 6 to a container 7 with a heated medium.
Таким образом, конструктивное выполнение заявленного устройства обеспечивает практически полное поглощение энергии при нагреве сред в емкости различных размеров, а также обеспечивает условия для надежного функционирования СВЧ генераторов и снижает до минимального уровня напряженность электрического поля в объеме, что позволяет использовать заявленное устройство при нагреве органических жидкостей (в частности, масел, мазута и пр.), для которых упомянутые факторы снижения пожароопасности особенно существенны.Thus, the constructive implementation of the claimed device provides almost complete absorption of energy when heating media in containers of various sizes, and also provides the conditions for reliable operation of microwave generators and reduces the electric field strength to a minimum level, which allows the use of the claimed device when heating organic liquids ( in particular, oils, fuel oil, etc.), for which the aforementioned fire risk reduction factors are especially significant.
Источники информацииInformation sources
1. Электротехнический справочник, т.3, кн.2, М.: «Энергоатомиздат», 1988 г., стр.553.1. Electrotechnical reference book, t.3, book 2, M .: "Energoatomizdat", 1988, p. 553.
2. Диденко А.Н. «СВЧ энергетика: теория и практика», М.: Наука, 2003 г., стр.97-118.2. Didenko A.N. “Microwave energy: theory and practice”, Moscow: Nauka, 2003, pp. 97-118.
3. Патент РФ №2101884 С1, Н05В 6/64, опубл. 10.01.1998 г.3. RF patent №2101884 C1, Н05В 6/64, publ. 01/10/1998
4. Керн А.Н. Развитые поверхности теплообмена, М.: Энергия, 1977 г.4. Kern A.N. Developed heat transfer surfaces, M .: Energy, 1977
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007146964/09A RU2356187C1 (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007146964/09A RU2356187C1 (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2356187C1 true RU2356187C1 (en) | 2009-05-20 |
Family
ID=41021887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007146964/09A RU2356187C1 (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2356187C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA015523B1 (en) * | 2010-03-29 | 2011-08-30 | Агит Аминович Тынчеров | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums |
| WO2021183011A1 (en) * | 2020-03-10 | 2021-09-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы" | Heat-exchange element and device for microwave heating of gas |
-
2007
- 2007-12-20 RU RU2007146964/09A patent/RU2356187C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA015523B1 (en) * | 2010-03-29 | 2011-08-30 | Агит Аминович Тынчеров | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums |
| WO2021183011A1 (en) * | 2020-03-10 | 2021-09-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы" | Heat-exchange element and device for microwave heating of gas |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Quantitative measurement of energy utilization efficiency and study of influence factors in typical microwave heating process | |
| US20050139594A1 (en) | Water heater | |
| FR2994475A1 (en) | INDUCTION HEATING DEVICE OF A WATER HEATER AND WATER HEATER PROVIDED WITH SUCH A DEVICE | |
| KR200404663Y1 (en) | A induction heating appartus | |
| Yang et al. | Steam replacement strategy using microwave resonance: A future system for continuous-flow heating applications | |
| RU2356187C1 (en) | Device for microwave heating of liquid dielectric mediums in reservoirs | |
| US20220161221A1 (en) | Internally cooled impedance tuner for microwave pyrolysis systems | |
| Kilic et al. | High‐efficiency flow‐through induction heating | |
| KR101406285B1 (en) | Dielectric Heating Apparatus and Dielectric Heating Method of using the same | |
| KR20120092875A (en) | Air heater using induction heater and heating mediums | |
| JP5531258B2 (en) | Electromagnetic heating device | |
| KR100389814B1 (en) | Heating apparatus using dielectric heating of heat-transfer oil | |
| JP6547339B2 (en) | Microwave heating device | |
| CN105358021B (en) | Volumetric heating device for a beverage or food preparation machine | |
| CN203618140U (en) | Heating element and household electrical appliance comprising same | |
| RU2455579C2 (en) | Method for obtaining heat energy from electrical energy, and cooter-petrov device for its implementation | |
| US10560984B2 (en) | Inductive heater for fluids | |
| KR100749043B1 (en) | A induction heating boiler | |
| WO2005079116A2 (en) | Mehod and apparatus for heating a fluidic load using radio frequency energy | |
| US8567386B2 (en) | Self-powered air circulating device for use in connection with a radiant heat oven | |
| CN201421174Y (en) | Microwave water heater | |
| JP4518427B2 (en) | Microwave heating water heater | |
| CN110691439A (en) | Thermal system based on wave energy molecular oscillation heat collector | |
| RU86832U1 (en) | FLUID INDUCTION HEATER | |
| CA1229136A (en) | Frequency resonance heater |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20151102 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20190731 |