RU48243U1

RU48243U1 - DEVICE FOR CONTINUOUS PROCESSING OF MATERIALS BY ELECTROMAGNETIC FIELD OF SUPER HIGH FREQUENCIES

Info

Publication number: RU48243U1
Application number: RU2004117010/22U
Authority: RU
Inventors: В.М. Петров
Original assignee: Петров Виктор Михайлович
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-09-27

Abstract

Патентуемое устройство предназначено для непрерывной обработки потока твердых, жидких или газообразных материалов мощным электромагнитным полем СВЧ с целью их нагрева, сушки, обжига, разупрочнения, химического синтеза, полимеризации, вулканизации, стерилизации, пастеризации, размораживания и т.д. и может быть использовано в горно-рудной, химической и пищевой промышленности, Устройство содержит трубопровод 1 (см. рисунок), по которому пропускается поток обрабатываемого материала 2, а также генераторы СВЧ 3 (например, магнетроны), подключенные к трубопроводу 1 подводящими волноводами 4. Отличием является выполнение трубопровода в виде многомодового волновода для поля рабочей частоты, а также подключение подводящих волноводов под острым углом к его оси. В результате электромагнитные волны СВЧ-генераторов, излучаемые в трубопровод, совершают многократные отражения от его стенок до полного поглощения в обрабатываемом материале. Устройство позволяет неограниченно увеличивать производительность СВЧ-мощность, в том числе до многих мегаватт в непрерывном режиме, а также длину зоны и время обработки материала путем использования большого числа СВЧ-генераторов. Достоинствами также являются слабая зависимость согласования СВЧ-трактов от скорости подачи материала и его параметров (например, влажности) и легкость решения проблемы защиты персонала от воздействия СВЧ-излучения.The patented device is designed for continuous processing of a stream of solid, liquid or gaseous materials with a powerful electromagnetic microwave field for heating, drying, firing, softening, chemical synthesis, polymerization, vulcanization, sterilization, pasteurization, defrosting, etc. and can be used in the mining, chemical and food industries, the device contains a pipeline 1 (see figure), through which the flow of the processed material 2 is passed, as well as microwave generators 3 (for example, magnetrons) connected to the pipeline 1 by the supply waveguides 4 The difference is the implementation of the pipeline in the form of a multimode waveguide for the field of the operating frequency, as well as the connection of the supply waveguides at an acute angle to its axis. As a result, the electromagnetic waves of microwave generators emitted into the pipeline make multiple reflections from its walls to complete absorption in the material being processed. The device allows you to unlimitedly increase the performance of microwave power, including up to many megawatts in continuous mode, as well as the length of the zone and the processing time of the material by using a large number of microwave generators. The advantages are also the weak dependence of the coordination of microwave paths on the feed rate of the material and its parameters (for example, humidity) and the ease of solving the problem of protecting personnel from exposure to microwave radiation.

Description

Изобретение относится к технике непрерывной обработки потока твердых, жидких или газообразных материалов мощным электромагнитным полем сверхвысоких частот (СВЧ) с целью их нагрева, сушки, обжига, разупрочнения, химического синтеза, полимеризации, вулканизации, стерилизации, пастеризации, размораживания и т.д. и может быть использовано в горно-рудной, химической и пищевой промышленности.The invention relates to techniques for continuous processing of a stream of solid, liquid or gaseous materials with a powerful electromagnetic field of superhigh frequencies (microwave) with the aim of heating, drying, firing, softening, chemical synthesis, polymerization, vulcanization, sterilization, pasteurization, defrosting, etc. and can be used in the mining, chemical and food industries.

Для тепловой обработки различных материалов (пищевых продуктов, образцов горных пород и др.) электромагнитным полем СВЧ обычно используют микроволновые печи, представляющие собой многомодовый резонатор поля рабочей частоты с окном загрузки и подключенный к нему СВЧ-генератор (магнетрон). Такие устройства могут обрабатывать только отдельные порции материала, но не предназначены для непрерывной обработки его потока.For heat treatment of various materials (food, rock samples, etc.) with a microwave electromagnetic field, microwave ovens are usually used, which are a multimode resonator of the working frequency field with a loading window and a microwave generator (magnetron) connected to it. Such devices can process only individual portions of the material, but are not intended for continuous processing of its flow.

Известно устройство для непрерывной обработки сыпучих материалов СВЧ-полем, содержащее многомодовый резонатор в виде отрезка трубы, подводящий волновод с подключенным СВЧ-генератором, размещенный внутри резонатора транспортер в виде системы полок из диэлектрика, соединенных с вибрационным механизмом, а также узлы загрузки и разгрузки обрабатываемого материала [1]. Недостатками устройства являются сложность конструкции и ограниченная точкой плавления или взаимодействия с нагретым материалом диэлектрика транспортера.A device is known for the continuous processing of bulk materials by a microwave field, comprising a multimode resonator in the form of a pipe segment, a waveguide with a connected microwave generator, a conveyor located inside the resonator in the form of a system of insulator shelves connected to a vibrating mechanism, as well as processing loading and unloading units material [1]. The disadvantages of the device are the design complexity and limited by the melting point or interaction with the heated material of the dielectric of the conveyor.

Известны устройства для обработки материалов СВЧ-полем, содержащие трубопровод для подачи материала, проходящий через центр широкой стенки волновода, подводящего поле от СВЧ-генератора, узлы загрузки и разгрузки [2, 3]. Недостатком подобных устройств является резкое рассогласование СВЧ-тракта при изменении скорости подачи материала или его электромагнитных параметров (комплексной диэлектрической проницаемости на рабочей частоте). Рассогласование, при котором коэффициент стоячей волны (КСВ) превышает 3, приводит к выходу из строя СВЧ-генератора. К недостаткам устройства также относится малая производительность: диаметр трубопровода не может превышать четверти размера широкой стенки волновода, равной примерно половине длины волны, а длина участка воздействия СВЧ-поля на материал равна размеру узкой стенки волновода, меньшему половине длины волны (55 мм на стандартной частоте 2,45 ГГп).Known devices for processing materials with a microwave field, containing a pipeline for supplying material passing through the center of the wide wall of the waveguide supplying the field from the microwave generator, loading and unloading nodes [2, 3]. The disadvantage of such devices is a sharp mismatch of the microwave path when changing the feed rate of the material or its electromagnetic parameters (complex dielectric constant at the operating frequency). A mismatch in which the standing wave coefficient (SWR) exceeds 3 leads to failure of the microwave generator. The disadvantages of the device also include low productivity: the diameter of the pipeline cannot exceed a quarter of the size of the wide wall of the waveguide, equal to about half the wavelength, and the length of the area of influence of the microwave field on the material is equal to the size of the narrow wall of the waveguide, less than half the wavelength (55 mm at the standard frequency 2.45 GHP).

Для увеличения производительности всячески увеличивают длину участка воздействия СВЧ-поля на материал в трубопроводе. Например, трубопровод пропускают через волновод по диагонали и дополнительно через эквивалент нагрузки [4] или многократно через змееобразно изогнутый волновод [5]. Однако основные недостатки предыдущих устройств остаются, а рабочая мощность ограничена мощностью одного СВЧ-генератора (100 кВт в непрерывном режиме), которая в добавок частично теряется в эквиваленте нагрузки.To increase productivity, the length of the section of the microwave field influence on the material in the pipeline is increased in every possible way. For example, a pipeline is passed diagonally through the waveguide and additionally through the load equivalent [4] or repeatedly through a serpentine-curved waveguide [5]. However, the main disadvantages of the previous devices remain, and the operating power is limited by the power of one microwave generator (100 kW in continuous mode), which in addition is partially lost in the load equivalent.

Наиболее близким техническим решением является устройство для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем СВЧ, содержащее трубопровод для подачи материала, необходимое число СВЧ-генераторов, соединенных с трубопроводом подводящими прямоугольными волноводами, а также узлы загрузки и разгрузки [6]. Зона взаимодействия материала с полем дополнительно увеличена установкой вокруг трубопровода круглого волновода с Н₁₁-типом волны, улавливающего излучение СВЧ-поля через отверстия в прямоугольных волноводах и использующего его для нагрева материала.The closest technical solution is a device for continuous processing of materials with a microwave electromagnetic field, containing a pipeline for supplying material, the required number of microwave generators connected to the pipeline by supplying rectangular waveguides, as well as loading and unloading nodes [6]. The zone of interaction of the material with the field is further increased by installing a round waveguide with an H ₁₁ wave type around the pipeline, which captures the radiation of the microwave field through holes in rectangular waveguides and uses it to heat the material.

К недостаткам устройства относится низкая производительность, определяемая небольшим диаметром трубопровода (не более 1/8 рабочей длины волны, так как трубопровод поочередно проходит через прямоугольные волноводы), резкое рассогласование трактов СВЧ и возможность выхода из строя СВЧ-генераторов при изменении скорости подачи материала или его электромагнитных параметров (например, при увлажнении), неполное использование мощности СВЧ-генераторов и необходимость использования согласованных поглощающих нагрузок в волноводах. Кроме того, разогретый обрабатываемый материал находится в контакте со стенками трубопровода и может взаимодействовать с их материалом, являющимся диэлектриком.The disadvantages of the device include low productivity, determined by the small diameter of the pipeline (not more than 1/8 of the working wavelength, since the pipeline alternately passes through rectangular waveguides), sharp mismatch of microwave paths and the possibility of failure of microwave generators when changing the feed rate of the material or electromagnetic parameters (for example, during humidification), the incomplete use of the power of microwave generators and the need to use matched absorbing loads in the waveguides. In addition, the heated processed material is in contact with the walls of the pipeline and can interact with their material, which is a dielectric.

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков.The aim of the invention is to remedy these shortcomings.

Для этого в устройстве для непрерывной обработки материалов электромагнитным полем СВЧ, содержащем трубопровод для подачи материала, систему СВЧ-генераторов, подводящие волноводы, узлы загрузки и разгрузки, трубопровод выполнен в виде металлического многомодового волновода для поля рабочей частоты, а подводящие волноводы от СВЧ-генераторов подключены к трубопроводу под острым углом к его оси.To do this, in the device for continuous processing of materials with a microwave electromagnetic field, containing a pipeline for supplying material, a system of microwave generators, supply waveguides, loading and unloading units, the pipeline is made in the form of a metal multimode waveguide for the working frequency field, and the supply waveguides from microwave generators connected to the pipeline at an acute angle to its axis.

Объединение в одной трубе функций трубопровода для подачи материала и волновода для передачи СВЧ-поля позволяет неограниченно увеличивать диаметр трубопровода и его пропускную способность, получить неограниченную длину зоны взаимодействия материала с полем, неограниченную мощность поля за счет подключения любого числа СВЧ-генераторов, полностью использовать энергию СВЧ-генераторов для обработки материала и исключить применение согласованных нагрузок. Подключение подводящих волноводов от СВЧ-генераторов к трубопроводу, служащему одновременно многомодовым волноводом, под острым углом к его оси исключает рассогласование СВЧ-трактов при изменении скорости подачи и состава материала. Ввиду значительного увеличения поперечных размеров трубопровода в зоне обработки появляется возможность исключить контакт разогретого материла со стенками при обработке твердых и сыпучих материалов. Выполнение трубопровода из металла облегчает защиту персонала от воздействия СВЧ-излучения.The combination of the functions of a pipeline for supplying material and a waveguide for transmitting a microwave field in one pipe allows you to unlimitedly increase the diameter of the pipeline and its throughput, obtain an unlimited length of the zone of interaction of the material with the field, unlimited field power by connecting any number of microwave generators, and fully use energy Microwave generators to process the material and eliminate the use of matched loads. Connecting the supply waveguides from the microwave generators to the pipeline, which simultaneously serves as a multimode waveguide, at an acute angle to its axis eliminates the mismatch of the microwave paths when changing the feed rate and material composition. Due to a significant increase in the transverse dimensions of the pipeline in the processing zone, it becomes possible to exclude contact of the heated material with the walls when processing solid and bulk materials. The implementation of the metal pipeline facilitates the protection of personnel from exposure to microwave radiation.

Общая схема устройства представлена на фиг.1, а один из вариантов, предназначенный для разупрочнения горных пород или вскрытия упорного золота, - на фиг.2.The general scheme of the device is presented in figure 1, and one of the options intended for softening rocks or opening hard gold, in figure 2.

Устройство содержит металлическую трубу 1 круглого или прямоугольного сечения, служащую одновременно трубопроводом для потока обрабатываемого материала 2 и многомодовым волноводом для электромагнитного поля рабочей частоты. По последней причине поперечные размеры трубы 1 как минимум в несколько раз превышают рабочую длину волны. Устройство также содержит необходимой количество СВЧ-генераторов 3, соединенных с трубой 1 подводящими волноводами 4. Волноводы 4 подсоединены к стенкам трубы 1 под острым углом к ее оси, в результате чего их излучение многократно отражается от стенок трубы (на фиг.1 показано пунктиром), распространяясь по ее длине и взаимодействуя с потоком материала 2 до полного затухания.The device comprises a metal pipe 1 of circular or rectangular cross section, serving simultaneously as a pipeline for the flow of the processed material 2 and a multimode waveguide for the electromagnetic field of the operating frequency. For the latter reason, the transverse dimensions of the pipe 1 are at least several times greater than the operating wavelength. The device also contains the required number of microwave generators 3 connected to the pipe 1 by the input waveguides 4. The waveguides 4 are connected to the walls of the pipe 1 at an acute angle to its axis, as a result of which their radiation is repeatedly reflected from the pipe walls (shown in dashed lines in Fig. 1) , propagating along its length and interacting with the flow of material 2 to complete attenuation.

В устройстве также имеются не показанные на фиг.1 узлы загрузки и разгрузки обрабатываемого материала. Для подачи и перемещения газообразных материалов могут использоваться компрессоры, жидких - насосы, а кусковых, сыпучих и тестообразных - шнеки. Для перемещения твердых материалов используют силу тяжести, устанавливая трубу 1 вертикально.The device also has nodes (not shown in FIG. 1) for loading and unloading the processed material. Compressors can be used to feed and move gaseous materials, pumps can be used for liquid materials, and augers can be used for lumpy, bulk, and doughy ones. To move solid materials using gravity, installing the pipe 1 vertically.

В случае нежелательности попадания обрабатываемого материала в СВЧ-тракты выходы волноводов 4 в трубу 1 закрывают радиопрозрачными диэлектрическими пластинами, не показанными на фигурах. Эти пластины могут дополнительно исполнять роль четвертьволновых согласующих трансформаторов.If it is undesirable for the processed material to enter the microwave paths, the outputs of the waveguides 4 into the tube 1 are closed with radio-transparent dielectric plates, not shown in the figures. These plates can additionally play the role of quarter-wave matching transformers.

При использовании устройства для разупрочнения горных пород и раскрытия упорного золота, когда кусочки породы 2 нагреваются до 1000°С и выше и недопустим их контакт со стенками трубы 1, последнюю ставят вертикально и в ее верхней части со стороны загрузочного узла 5 (фиг.2) делают сужение, по которому с помощью конвейера или When using a device for softening rocks and the disclosure of refractory gold, when pieces of rock 2 are heated to 1000 ° C and above and their contact with the walls of the pipe 1 is unacceptable, the latter is placed vertically and in its upper part from the side of the loading unit 5 (figure 2) make a narrowing over which using a conveyor belt or

другого приспособления засыпают материал, поток которого проходит по оси, не касаясь стенок. Если поперечные размеры сужения меньше половины длины волны, то оно является запредельным волноводом на рабочей частоте поля и может одновременно служить для защиты персонала от СВЧ-излучения через узел загрузки 5.another device is filled with material whose flow passes along the axis without touching the walls. If the transverse dimensions of the narrowing are less than half the wavelength, then it is a transcendental waveguide at the working frequency of the field and can simultaneously serve to protect personnel from microwave radiation through the load node 5.

Нижняя часть 6 трубы 1 опущена в воду, которая служит с одной стороны для защиты персонала от СВЧ-излучения через узел разгрузки, а с другой - создает дополнительный тепловой удар и термомеханические напряжения в падающих раскаленных кусочках породы. Из воды обработанный материал подается на следующую технологическую операцию конвейером или другим приспособлением, В случае невозможности контакта обработанного материала с водой (например, при сушке), нижняя часть трубы 1 делается аналогично верхней в виде запредельного волновода. При сушке в нее подается воздух.The lower part 6 of the pipe 1 is lowered into the water, which serves on the one hand to protect personnel from microwave radiation through the unloading unit, and on the other hand creates additional thermal shock and thermomechanical stresses in the incandescent pieces of rock. The processed material is supplied from water to the next technological operation by a conveyor or other device. If it is impossible for the treated material to come into contact with water (for example, during drying), the lower part of the pipe 1 is made similar to the upper one in the form of a transverse waveguide. When drying, air is supplied to it.

Работа устройства заключается в следующем. По трубопроводу 1 с помощью загрузочного узла обрабатываемый материал 2 подается в рабочую зону, где подвергается облучению электромагнитным полем от генераторов 3 через волноводы 4. В результате облучения материал нагревается, в нем происходят интенсивные химические реакции, синтез полимеров из газов, разрушение по границам раздела фаз, увеличивается скорость извлечения металлов из пульпы их руд, убиваются живые организмы в пищевых продуктах и т.д. Обработанный материал с помощью узла разгрузки подается на следующую технологическую операцию.The operation of the device is as follows. Through the pipeline 1, with the help of the loading unit, the processed material 2 is supplied to the working area, where it is irradiated by an electromagnetic field from the generators 3 through the waveguides 4. As a result of the irradiation, the material heats up, it undergoes intense chemical reactions, the synthesis of polymers from gases, and destruction along the phase boundaries , the rate of extraction of metals from the pulp of their ores increases, living organisms in foods are killed, etc. The processed material using the unloading unit is fed to the next process step.

Производительность устройств СВЧ-обработки прямо пропорциональна подводимой СВЧ-мощности, а эффективность воздействия (например, при разрушении горных пород) - квадрату мощности [7]. Достоинством предлагаемого устройства является возможность неограниченного увеличения СВЧ-мощности за счет установки необходимого числа генераторов, в том числе получение мегаваттных непрерывных мощностей путем установки 10 и более магнетронов по 100 кВт каждый. При этом каждый магнетрон излучает в трубу независимо и не влияет на другие генераторы. Вся мощность СВЧ-генераторов используется полностью для воздействия на материал. Длина зоны воздействия, а следовательно и его время, не ограничены какими-либо принципиальными причинами и могут быть созданы любыми путем рассредоточения СВЧ-генераторов по длине трубопровода. Достоинствами устройства также являются высокая производительность, независимость согласования от скорости подачи материала и его параметров (например, влажности), а также легкость решения проблемы защиты персонала от СВЧ-излучения.The performance of microwave processing devices is directly proportional to the input microwave power, and the impact efficiency (for example, in the destruction of rocks) is the square of the power [7]. The advantage of the proposed device is the possibility of an unlimited increase in microwave power due to the installation of the required number of generators, including obtaining megawatt continuous power by installing 10 or more magnetrons of 100 kW each. In addition, each magnetron emits into the tube independently and does not affect other generators. All the power of microwave generators is fully used to affect the material. The length of the impact zone, and therefore its time, is not limited by any fundamental reasons and can be created by any means by dispersing microwave generators along the length of the pipeline. The advantages of the device are also high performance, independence of coordination on the feed rate of the material and its parameters (for example, humidity), as well as the ease of solving the problem of protecting personnel from microwave radiation.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Авт. св. СССР №1592958, кл. Н 05 В 6/64, 19881. Auth. St. USSR No. 1592958, class H 05 B 6/64, 1988

2. Авт. св. СССР №1582364, кл. Н 05 В 6/78, 19882. Auth. St. USSR No. 1582364, cl. H 05 B 6/78, 1988

3. Пат. США №5824133, кл. С 22 В 4/00, 19983. Pat. USA No. 5824133, CL C 22 V 4/00, 1998

4. Авт. св. СССР №693005, кл. Е 21 С 37/18, 19774. Auth. St. USSR No. 693005, class E 21 C 37/18, 1977

5. Пат. РФ №2080747, кл. Н 05 В 6/64, 19945. Pat. RF №2080747, class H 05 B 6/64, 1994

6. Пат. РФ №2141180, кл. Н 05 В 6/64, 19986. Pat. RF №2141180, class H 05 B 6/64, 1998

7. Петров В.М. Разупрочнение горных пород мощным электромагнитным полем СВЧ. //Информост «Радиоэлектроника и телекоммуникации», 2002, №2, с.35-40; №3, с.49-55; №4, с.63-73.7. Petrov V.M. Softening of rocks with a powerful microwave electromagnetic field. // Informost "Radioelectronics and telecommunications", 2002, No. 2, p.35-40; No. 3, p. 49-55; No. 4, p. 63-73.

Claims

A device for continuous processing of materials by an electromagnetic field of microwave frequencies, containing a heating chamber, a pipeline for supplying the processed material, microwave generators, connecting waveguides connected at an acute angle to the heating chamber, material loading and unloading units, characterized in that the heating chamber is used a pipeline made in the form of a multimode waveguide for the field of the operating frequency.