WO2021183011A1 - Теплообменный элемент и устройство для свч-нагрева газа - Google Patents

Теплообменный элемент и устройство для свч-нагрева газа Download PDF

Info

Publication number
WO2021183011A1
WO2021183011A1 PCT/RU2021/050060 RU2021050060W WO2021183011A1 WO 2021183011 A1 WO2021183011 A1 WO 2021183011A1 RU 2021050060 W RU2021050060 W RU 2021050060W WO 2021183011 A1 WO2021183011 A1 WO 2021183011A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchange
exchange element
insert
microwave radiation
gas
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050060
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Вячеслав Александрович Иванов
Дмитрий Сергеевич Сидоренко
Никита Игоревич ОГАНЕЗОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы"
Publication of WO2021183011A1 publication Critical patent/WO2021183011A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G1/00—Steam superheating characterised by heating method
    • F22G1/06—Steam superheating characterised by heating method with heat supply predominantly by radiation

Definitions

  • the present invention relates to the field of heating gases in a stream, in particular for producing superheated steam using microwave radiation, and can be used, for example, for technologies using high-temperature gas, in particular using superheated steam, in particular for steam gasification of municipal solid waste , medical waste in their processing, in the cracking process of petroleum products, in the production of hydrogen, for example, for fuel cells, in the production of activated carbons, carbonization of organic materials, steam sterilization.
  • a device for producing superheated steam including a heat exchange part in the form of a pipeline having an inlet for supplying heated steam and an outlet for removing heated (superheated) steam, while inside the pipeline between an inlet for supplying heated steam and an outlet to remove the heated steam, a heat exchange element blocking the passage of the pipeline is located, made in the form of a column filled with bulk heat-resistant ceramic material capable of absorbing microwave radiation with the release of heat. Microwave radiation is generated by magnetrons installed outside the pipeline. Steam entering through the inlet, passing through the heated bulk ceramic material, is heated and discharged through the outlet to the outside.
  • a device for heating gas, in particular nitrogen including a heat exchange part in the form a pipeline made of quartz glass having an inlet for supplying heated gas and an outlet for removing heated gas, while inside the pipeline between the inlet for supplying heated gas and an outlet for removing heated gas there is a heat exchange element blocking the passage of the pipeline, made in the form of a block of ceramic material having a porous honeycomb structure and capable of passing the heated gas and absorbing microwave radiation with the release of heat.
  • Microwave radiation is generated by magnetrons installed outside the pipeline. The gas passes through the ceramic material, heats up, in contact with the heated surface of the porous structure of the heat exchange element, and is discharged outside.
  • the device includes a heat exchange part in the form of a pipeline having an inlet for supplying heated gas (water vapor) and an outlet for removing heated gas, while inside the pipeline between the inlet for supplying heated gas and an outlet for removing heated gas there is a heat exchange blocking the passage of the pipeline an element made in the form of a body, consisting of a set of plates of silicon carbide located perpendicular to the axis of the device, having a porous structure with a developed surface, capable of passing the heated gas, and absorbing microwave radiation with the release of heat.
  • Microwave radiation generated by the magnetron is transmitted to the inside of the pipeline through a waveguide installed outside in the middle part of the pipeline perpendicular to its longitudinal axis and separated from the pipeline by a gasket that prevents gas from entering the waveguide.
  • the gas passes through the ceramic material, heats up, in contact with the heated surface of the porous structure of the heat exchange element, and is discharged outside.
  • the task to be solved by the claimed invention is to create a heat exchange element designed for installation in a gas stream heated by microwave energy, as well as a device based on it, which eliminates the specified overheating of the central part of the heat exchange element and the associated disadvantages similar technical systems.
  • a group of inventions is claimed, one of which relates to a heat exchange element for installation in a gas stream heated by the energy of microwave radiation, and the second - to a device for microwave heating of gas in which this heat exchange element is used.
  • the heat exchange element for installation in a gas stream heated by the energy of microwave radiation is made in the form of a body made of a porous material capable of passing the heated gas and absorbing microwave radiation with the release of heat.
  • a body made of a porous material capable of passing the heated gas and absorbing microwave radiation with the release of heat.
  • an insert made of a material that does not absorb microwave radiation in the central part of the body in the direction of the heated gas flow passing through it when using a heat exchange element.
  • the gas to be heated passes through the porous structure of the body of the heat exchange element, is heated due to the heat released on the inner surface of the porous structure of the body when it absorbs microwave radiation, and is removed in the form of heated gas.
  • the non-microwave absorbing insert the central part of the body, in which the insert is located, is essentially not heated by microwave radiation. As a result, overheating of the central part of the body of the heat exchange element is excluded, and at the same time, the indicated disadvantages characteristic of such heating systems are eliminated.
  • porous ceramic based on silicon carbide can be used as the material of the body of the heat exchange element.
  • the body of the heat exchange element can be made both in the form of a single piece of material, and in the form of a set of plates arranged in series in the mentioned direction of passage of the heated gas flow.
  • the insert can be positioned so that it extends along the entire body of the heat exchange element.
  • the ends of the insert are substantially flush with the ends of the body of the heat exchange element or slightly protrude from it.
  • the insert can be located so that it extends along a part of the body of the heat exchange element, which increases the heat capacity of the body useful for heating the gas compared to the previous example, when the insert extends along the entire body of the heat exchange element.
  • the insert can be located on the side of the heated gas flow, on the opposite side of the body of the heat exchange element, or in its middle part.
  • the choice of the option for the location of the insert and its linear, primarily longitudinal dimensions depends on the specific conditions of use of the heat exchange element, in particular, the distribution of the microwave field along the heat exchange element, as well as the initial temperature of the heated gas and the final temperature of the heated gas.
  • the insert in the case of the highest microwave field strength from the side of the heated gas supply, it is advisable to place the insert closer to that end of the heat exchange element, which will face the heated gas flow during use.
  • the insert In the case of a low initial temperature of the heated gas, the insert can be located closer to the opposite end of the heat exchange element, and if the distribution of the microwave field is such that its strength in this end part is low, then the insert can be placed only in the middle part of the body of the heat exchange element.
  • the heat exchange element may contain at least one additional insert made of a material that does not absorb microwave radiation, located in the central part of the body substantially coaxially with the said insert.
  • the heat exchange element may contain two or more inserts made of a material that does not absorb microwave radiation, placed along the body of the heat exchange element in the direction of passage of the heated gas.
  • inserts can be located at opposite ends of the body of the heat exchange element.
  • both inserts can be separated by an empty space made in a body of porous material. This simplifies the manufacturing process of the heat exchange element, while the region of the said empty space does not absorb microwave radiation, therefore, overheating in this part of the heat exchange element is also excluded.
  • such a variant can be realized due to a through longitudinal channel in the body of the heat exchange element, into which inserts are installed from opposite sides. If there are more than two inserts in total, then structurally such an option can be implemented using a set of plates that make up the body of the heat exchange element. In this case, the inserts are placed in the corresponding plates, which are then connected into a single set.
  • the insert of the heat exchange element can be made of a material reflecting microwave radiation.
  • the microwave wave is reflected from the surface of the insert and does not penetrate into the central part of the heat exchange element, thereby excluding its overheating.
  • Refractory metal or metal alloys for example, stainless steel, titanium, can be used as the insert material.
  • the insert of the heat exchange element can be made continuous.
  • the insert of the heat exchange element can be made hollow to form a closed space.
  • the insert of the heat exchange element can be made of a material transparent for microwave radiation. In this case, there is no absorption of microwave radiation by the insert material, which also excludes overheating of the central part of the heat exchange element.
  • a material can be used, for example, corundum, quartz, zirconium ceramics.
  • the insert can be made in the form of a granular material that does not absorb microwave radiation, which is held in the said central part of the body with the possibility of passing a heated gas through it.
  • a granular material for example, metal balls or balls made of ceramics transparent for microwave radiation can be used.
  • the gas to be heated will partially pass through the central part of the body of the heat exchange element, taking heat from the surface of the body in contact with the insert, which will additionally help to cool the central part of the body and prevent its overheating.
  • the insert can be made of a non-microwave absorbing porous material capable of passing the heated gas, and the hydraulic resistance of the porous material of the insert is greater than the hydraulic resistance of the porous material of the body.
  • the gas to be heated will also partially pass through the central part of the body of the heat exchange element, taking heat from the surface of the body in contact with the insert, which will additionally help to cool the central part of the body and prevent its overheating.
  • Another claimed invention of the group is a device for microwave heating of gas, including a heat exchange part made in the form of a pipeline having an inlet for supplying heated gas and an outlet for removing heated gas, while inside the pipeline between the inlet for supplying heated gas and an outlet for The above-described heat exchange element is located for the outlet of the heated gas, blocking the passage of the pipeline.
  • the device also includes a microwave generating part made with the possibility of installing in it at least one source of microwave radiation and supplying the generated microwave radiation to the heat exchange element.
  • the gas supplied through the inlet for supplying the heated gas passes inside the pipeline of the heat-exchange part through the gas-permeable porous structure of the body of the heat-exchange element, heats up due to the heat released on the inner surface of the porous structure of the body of the heat-exchange element when it absorbs microwave radiation, and is discharged in the form of heated gas through the outlet for removing the heated gas.
  • the microwave radiation is supplied to the heat exchange element from the side of the microwave generating part of the device, which includes at least one microwave radiation source. Since the device uses the above-described heat exchange element, the design of which excludes overheating of its central part, the device for microwave gas heating in accordance with the present invention achieves the specified result.
  • the microwave generating part includes a short-circuited section of the waveguide, which is connected by its open end to the heat exchange part from the side of the heated gas supply.
  • the microwave generating and heat-exchange parts can be separated by a gas-tight and microwave transparent partition.
  • a baffle may be needed to protect the microwave source from excessive thermal and corrosive effects of the heated gas entering the device, however, if the initial temperature of the heated gas is insufficient for the specified damage to the microwave radiation source, or the corrosive effect of the heated gas on the microwave radiation source is absent, the specified baffle is not necessary ...
  • FIG. 1 in longitudinal section shows a fragment of an exemplary embodiment of a heat exchange part of a device for microwave heating of gas with a heat exchange element in accordance with the present invention.
  • FIG. 2 shows a cross-section AA of the heat exchange part of the apparatus shown in FIG. 1 and having a square cross-section.
  • FIG. 3 shows a cross-section AA of the heat exchange part of the device shown in FIG. 1 and having a circular cross-section.
  • FIG. 4 shows, in longitudinal section, an exemplary embodiment of a heat exchange element in the form of a set of plates in accordance with the present invention.
  • FIG. 5 to 12 show, in longitudinal section, other examples of the implementation of the heat exchange element in accordance with the present invention:
  • FIG. 8 is the same as in FIG. 7, but for the case when both inserts are located in a through channel made in the body of the heat exchange element;
  • FIG. 9 - in the form of a set of plates with a central hole, forming the assembled body of the heat exchange element, where plates with an insert in the hole alternate with plates without an insert;
  • FIG. 10 - in FIG. 10 - composed of three plates with an insert in the middle plate;
  • FIG. 13 shows, in longitudinal section, an exemplary embodiment of a heat exchange portion of a gas microwave heating device according to the present invention.
  • FIG. 14 schematically shows an example of an embodiment of a device for microwave heating of gas, illustrating the relative position of its heat exchange and microwave generating parts.
  • FIG. 1 shows a fragment of an exemplary embodiment of a heat exchange part 10 of a device for microwave gas heating with a heat exchange element in accordance with the present invention.
  • the heat exchange part 10 (shown in more detail in Fig. 13) includes a pipeline 11 with an inner heat-insulating layer 12 and a heat exchange element 13 located inside the pipeline 11 blocking its passage.
  • the heat exchange element 13 is made in the form of a body 14 of a porous material capable of passing the heated gas and absorbing Microwave radiation with heat release, while in the central part of the body 14 there is a longitudinal insert 15 in the form of a rod, made of a material that does not absorb microwave radiation.
  • the cross-sectional shape of both the pipeline 11, the body 14 of the heat exchange element 13, and the insert 15 can be, for example, square, as shown in FIG. 2, circular as shown in FIG. 3, which primarily depends on the characteristics of the microwave radiation used to heat the heat exchange element 13.
  • the cross-sectional shape of the body 14 coincides with the cross-sectional shape of the pipeline 11, but in this case the free space between the pipeline 11 and the body 14 of the heat exchange element 13 must be filled with a heat-insulating layer 12 so that there is no gap between the pipeline 11 and the body 14 for the passage of the heated gas.
  • the body 14 of the heat exchange element 13 itself can be formed integrally, as shown in FIG. 1, or composite, for example, in the form of a set of plates 16 arranged in series one after the other, as shown in FIG. 4.
  • the plates can be made as with the same or with different porosity and characteristics of absorption of microwave radiation.
  • a porous ceramic based on silicon carbide can be used as a material for the manufacture of the body 14 of the heat exchange element 13 having the specified properties of gas permeability and absorption of microwave radiation with the release of heat.
  • the specified property of the material of the insert 15 not to absorb microwave radiation can be ensured either by reflecting the microwave radiation properties of the material of the insert 15, or by using a material transparent for microwave radiation to manufacture the insert 15.
  • a refractory metal or metal alloys for example, stainless steel, titanium
  • the material of the insert 15 for example, corundum, quartz, zirconium can be used.
  • heat-resistant materials In all cases, for the manufacture of the body 14 of the heat exchange element 13 and the insert 15, as well as the heat-insulating layer 12, heat-resistant materials must be used that can withstand the temperature to which they are heated during operation of the device for microwave gas heating, which uses the described heat exchange part 10 with a heat exchange element 13.
  • the heat-insulating layer 12 can be made, for example, in the form of a heat-resistant coating of aluminum oxide A1 2 0z, obtained from a suspension by spraying, or from ceramic fiber heat-insulating materials or other high-temperature insulating materials.
  • FIG. 1 arrows show: the direction of propagation of the heated gas towards the heat exchange element 13 - arrow 18; the direction of propagation of the heated gas after passing through the body 14 of the heat exchange element 13 - arrow 19; conventionally, one of the possible directions of propagation of microwave radiation - arrows 20.
  • microwave radiation can propagate from the side of propagation of the heated gas towards the heat exchange element 13, essentially coinciding with the direction of propagation of the heated gas, or from the opposite side - towards the propagation of the heated gas.
  • the heated gas 18 supplied under pressure passes through the porous structure of the body 14 of the heat exchange element 13, heats up due to the heat generated on the porous surface of the body 14 when it absorbs microwave radiation 20, and in the form of heated gas 19 is discharged outside the heat exchange part 10.
  • the insert 15 not absorbing microwave radiation, the central part of the body 14 occupied by the insert 15 does not heat up under the influence of microwave radiation 20.
  • overheating of the central part of the body 14 of the heat exchange element 13 is eliminated, and at the same time, the disadvantages characteristic of such heating systems, such as melting and destruction of the heat exchange element, the need to use expensive high-temperature materials with a low coefficient of thermal expansion, limited system performance.
  • FIG. 5 to 12 illustrate various exemplary embodiments of a heat exchange element in accordance with the present invention.
  • Heat exchange elements 13 are shown in longitudinal section.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a heat exchange element 13 with an insert 15 extending along the entire body 14 of the heat exchange element 13.
  • the insert 15 is hollow, formed by a continuous wall 17. This solution makes it possible to reduce the mass of the heat exchange element 13 and its cost.
  • FIG. 6 shows an example of the implementation of the heat exchange element 13 with one insert 15 located only along a part of the body 14 of the heat exchange element 13.
  • This implementation allows, while maintaining the result achieved by the invention, to increase the heat capacity of the body 14 and, accordingly, the performance of the heat exchange element 13.
  • the microwave source is located on the side of the flow of the heated gas and the gas has a sufficiently high initial temperature, it is necessary to prevent overheating of the central part of the body 14 closest to the source of microwave radiation. Otherwise, Box 15 may be useful to prevent overheating of the opposite part of the body 14 - where the heated gas has the highest temperature and therefore the heat transfer of the heated body 14 is minimal.
  • FIG. 7 shows an example of the heat exchange element 13 with two inserts 15 located on opposite sides of the heat exchange element 13. This solution makes it possible to simplify the manufacturing process of the heat exchange element 13 by making corresponding recesses for the inserts 15 from the ends of the body 14.
  • An alternative embodiment is shown in FIG. 8, when both inserts 15 are located in the through channel 21 formed in the body 14 of the heat exchange element 13.
  • FIG. 9 shows an example of the implementation of the heat exchange element 13 in the form of a set of plates 22, 23 with a central hole, forming the assembly of the body of the heat exchange element 13, plates 22 with an insert 15 in the hole 24 alternate with plates 23 without an insert, as a result of which in the body of the heat exchange element 13 there are several inserts 15 (three in this example) separated by an air gap formed by a hole 25 in the plate 23.
  • This design of the heat exchange element, in which plates with inserts and plates without inserts alternate simplifies the manufacturing process, especially of large heat exchange elements.
  • FIG. 10 shows an example of a heat exchange element 13 made up of two end plates 26 and a middle plate 27, while the end plates 26 do not have holes and inserts, and an insert 15 made of a material that does not absorb microwave radiation is placed in the middle plate 27 in its central part.
  • the heat exchange element 13 is divided into three zones: Z1, Z2 and Z3.
  • Such an embodiment may be preferable when the microwave radiation source is placed on the side of the heated gas supply, for example, on the side of the zone Z1.
  • the insert may not be required, since a cold gas flow still passes through this zone. Insert 15 in the middle zone Z2 serves to prevent overheating.
  • FIG. 11 shows an alternative exemplary embodiment of a heat exchange element 13 with an insert, made up of two end plates 26 and a middle plate 27, while the end plates 26 have no holes and inserts, and in the middle plate 27 in its central part there is an insert 28 made in the form of not a granular material absorbing microwave radiation, which is held inside the plate 27 by means of the end plates 26.
  • FIG. 12 shows an alternative example of a heat exchange element 13 with an insert 29 located along the entire body 14 of the heat exchange element 13.
  • the insert is made of a non-microwave absorbing porous material capable of passing the heated gas, and the hydraulic resistance of the porous material of the insert 29 is greater than the hydraulic resistance of the porous material body 14.
  • the gas to be heated will partially pass through the central part of the body of the heat exchange element 13, taking heat from the surface of the body in contact with the insert 28 (or 29), which additionally helps to cool the central part of the body of the heat exchange element 13, preventing its overheating.
  • FIG. 13 shows in longitudinal section in more detail an example of a heat exchange part of a device for microwave heating of gas with a heat exchange element in accordance with the present invention, including means for supplying heated gas and removing heated gas.
  • the heat exchange part 30 is made in the form of a short-circuited waveguide 31, the inner surface of which is covered with a heat-insulating layer 32.
  • the waveguide 31 has an open part 33 with a flange 34 for connection to a microwave generating part (not shown in Fig. 13) and an opposite closed end 35. From the side the wall of the waveguide 31 near its open part 33 is provided with a branch pipe 36 connecting the inner space of the waveguide 31 through a hole 37 made in it with the outer space and serving to supply the heated gas, indicated by the arrow 38. be implemented through two or more holes 37 made in the side wall of the waveguide 31. The microwave radiation is fed into the waveguide 31 from the side of its open part 33 and is indicated by the arrow 39.
  • the heat exchange element 40 In the middle part of the waveguide 31, after the opening 37 towards the end face 35, there is a heat exchange element 40, blocking the passage of the inner space of the waveguide 31.
  • the heat exchange element 40 can be made as described above and illustrated in FIG. 1 to 12.
  • the heat exchange element 40 is made in the form of a body 41 made of a porous material capable of passing the heated gas entering through the opening 37 and absorbing the microwave radiation 39 supplied to the waveguide 31 with the release of heat.
  • a longitudinal insert 42 In the central part of the body 41 on the side of the opening 37 for supplying the heated gas there is a longitudinal insert 42 in the form of a rod made of a material that does not absorb microwave radiation 39 supplied to the waveguide 31.
  • the heat exchange element 40 is installed so that between the open part 33 of the waveguide 31 and One end of the heat exchange element 40 formed a buffer zone 43 for the heated gas, and between the other end of the heat exchange element 40 and the closed end 35 of the waveguide 31, a buffer zone 44 for the heated gas.
  • a gas outlet pipe 45 is installed, installed with a closed end 46 on the side of the heat exchange element 40, while the open end 47 of the pipe 45 is brought out through an opening 48 made in the closed end 35 of the waveguide 31.
  • the transverse dimensions of the holes 49 are selected from a ratio of about 1/20 of the wavelength of the microwave radiation used, which makes it impossible for the microwave to propagate through them.
  • the number of such holes and, accordingly, the total cross-sectional area is selected based on the required performance of the system.
  • FIG. 14 schematically shows an exemplary embodiment of the device 60 for microwave heating of gas, illustrating the relative position of its heat exchange part 30 and the microwave generating part 70.
  • the microwave generating part 70 is made in the form of a short-circuited waveguide 71 having an open part 73 with a flange 74 for connection to the flanges 34 of the heat exchange part 30 and the opposite closed end 75
  • a magnetron 76 is installed on the outer side of the waveguide 71 of the microwave generating part 70, the antenna 77 of which is inserted into the waveguide 71 through an opening 78 made in its side wall.
  • a heat insulating a gas-tight partition 80 made of a material transparent for microwave radiation, for example, Teflon (preferably up to a heated gas temperature of up to 200 ° C) or aluminum oxide in the case of a heated gas supply with a higher temperature.
  • Teflon preferably up to a heated gas temperature of up to 200 ° C
  • aluminum oxide in the case of a heated gas supply with a higher temperature.
  • a source of heated gas (not shown) is connected to the branch pipe 36 of the heat exchange part 30, and the gas under pressure is supplied through the opening 37 to the buffer zone 43 for the heated gas of the heat exchange part 30.
  • the heated gas passes through the body 41 of the heat exchange element 40 heated by absorption of microwave radiation coming from the side of the microwave generating part 70 from the magnetron 76.
  • the gas heated in this way enters the buffer zone 44 of the heat exchange part 30, passes through the holes 49 of the gas outlet pipe 45 and is discharged outside.
  • the insert 42 prevents overheating of the central portion of the heat exchange element 40, thereby achieving the above effect when using the present invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)

Abstract

Теплообменный элемент (40) выполнен в виде тела (41) из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. В центральной части тела (41) расположена продольная вставка (42) из материала, не поглощающего СВЧ излучение, благодаря которой исключается перегрев центральной части тела (41) теплообменного элемента (40). Устройство для СВЧ нагрева газа включает теплообменную часть (30) в виде трубопровода-волновода (31), имеющего входное отверстие (37) для подвода нагреваемого газа (38) и выходное отверстие (48) для отвода нагретого газа (50), между которыми расположен теплообменный элемент (40), и СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью подачи СВЧ излучения (39) к теплообменному элементу (40).

Description

ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ-НАГРЕВА ГАЗА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области нагревания газов в потоке, в частности для получения перегретого пара, с помощью СВЧ излучения, и может быть использовано, например, для технологий, использующих высокотемпературный газ, в особенности использующих перегретый пар, в частности при паровой газификации твердых бытовых отходов, медицинских отходов при их переработке, при крекинг процессе нефтепродуктов, при получении водорода, например, для топливных элементов, при производстве активированных углей, карбонизации органических материалов, паровой стерилизации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные устройства, предназначенные для нагревания газа в потоке, в которых используется энергия СВЧ излучения, поглощаемого теплообменным элементом, через который проходит нагреваемый газ.
Так, в заявке JP200627535A, публ. 12.10.2006, описано устройство для получения перегретого пара, включающее теплообменную часть в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого пара и выходное отверстие для отвода нагретого (перегретого) пара, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого пара и выходным отверстием для отвода нагретого пара расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде колоны, заполненной насыпным термостойким керамическим материалом, способным поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение создают магнетроны, установленные снаружи трубопровода. Поступающий через входное отверстие пар, проходя сквозь нагретый насыпной керамический материал, нагревается и отводится через выходное отверстие наружу.
В патенте CN207831679U, публ. 07.09.2018, описано устройство для нагрева газа, в частности азота, включающее теплообменную часть в виде трубопровода из кварцевого стекла, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде блока из керамического материала, имеющего пористую сотообразную структуру и способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение создают магнетроны, установленные снаружи трубопровода. Газ проходит сквозь керамический материал, нагревается, соприкасаясь с нагретой поверхностью пористой структуры теплообменного элемента, и отводится наружу.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для получения перегретого пара, описанное в заявке LV15159A, публ. 20.10.2016. Устройство включает теплообменную часть в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подачи нагреваемого газа (водяного пара) и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный в виде тела, состоящего из набора расположенных перпендикулярно оси устройства пластин из карбида кремния, имеющего пористую структуру с развитой поверхностью, способную пропускать нагреваемый газ, и поглощающего СВЧ излучение с выделением тепла. СВЧ излучение, генерируемое магнетроном, передается внутрь трубопровода через волновод, установленный снаружи в срединной части трубопровода перпендикулярно его продольной оси и отделенный от трубопровода прокладкой, препятствующей попаданию газа в волновод. Газ проходит сквозь керамический материал, нагревается, соприкасаясь с нагретой поверхностью пористой структуры теплообменного элемента, и отводится наружу.
Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются на практике при осуществлении известных устройств, является перегрев центральной части теплообменного элемента, вызванный как характером распределения СВЧ излучения, так и затрудненным теплоотводом от центральной части теплообменного элемента. В результате перегрева, особенно при использовании таких устройств для нагрева газов до температуры 1000°С и выше, материал, из которого изготовлен теплообменный элемент, может в центральной части оплавиться или разрушиться в результате температурного расширения, что ведет к выходу из строя устройства. Это требует для изготовления теплообменного элемента применения специальных жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, что дорого, а в ряде случаем не всегда возможно. Кроме того, это ограничивает возможную производительность устройств, поскольку ограничивает мощность СВЧ излучения, используемого для нагрева газа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание теплообменного элемента, предназначенного для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, а также устройства на его основе, в котором исключается указанный перегрев центральной части теплообменного элемента и связанные с этим указанные недостатки подобных технических систем.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляется группа изобретений, одно из которых относится к теплообменному элементу для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, а второе - к устройству для СВЧ нагрева газа, в котором используется данный теплообменный элемент.
Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, в соответствии с настоящим изобретением выполнен в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла. При этом в центральной части тела в направлении прохождения через него нагреваемого потока газа при использовании теплообменного элемента расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ излучение.
При использовании такого теплообменного элемента нагреваемый газ проходит сквозь пористую структуру тела теплообменного элемента, нагревается за счет тепла, выделяющегося на внутренней поверхности пористой структуры тела при поглощении им СВЧ излучения, и отводится в виде нагретого газа. Благодаря вставке, не поглощающей СВЧ излучение, центральная часть тела, в которой расположена вставка, по существу не нагревается под воздействием СВЧ излучения. В результате исключается перегрев центральной части тела теплообменного элемента, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательный систем указанные недостатки.
В качестве материала тела теплообменного элемента может быть использована, например, пористая керамика на основе карбида кремния.
Тело теплообменного элемента может быть выполнено как в виде цельного куска материала, так и в виде набора пластин, расположенных последовательно в упомянутом направлении прохождения нагреваемого потока газа.
В частном случае вставка может быть расположена так, что простирается вдоль всего тела теплообменного элемента. При таком выполнении концы вставки находятся по существу заподлицо с торцами тела теплообменного элемента или чуть выступают из него.
В другом частном случае вставка может быть расположена так, что простирается вдоль части тела теплообменного элемента, что увеличивает полезную для нагревания газа теплоемкость тела по сравнению с предыдущим примером, когда вставка простирается вдоль всего тела теплообменного элемента. При этом вставка может находиться со стороны нагреваемого потока газа, с противоположной стороны тела теплообменного элемента или в его срединной части. Выбор варианта расположения вставки и ее линейных, прежде всего продольных размеров зависит от конкретных условий использования теплообменного элемента, в частности распределения СВЧ поля вдоль теплообменного элемента, а также начальной температуры нагреваемого газа и конечной температуры нагретого газа. Так, в случае наиболее высокой напряженности СВЧ поля со стороны подачи нагреваемого газа вставку целесообразно разместить ближе к тому торцу теплообменного элемента, который будет при использовании обращен к потоку нагреваемого газа. В случае низкой начальной температуры нагреваемого газа вставка может быть расположена ближе к противоположному торцу теплообменного элемента, а если распределение СВЧ поля таково, что его напряженность в этой торцовой части низкая, то вставка может быть размещена только в срединной части тела теплообменного элемента.
В другом частном случае теплообменный элемент может содержать по меньшей мере одну дополнительную вставку из материала, не поглощающего СВЧ излучение, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой вставке. Иными словами, теплообменный элемент может содержать две и более вставки из материала, не поглощающего СВЧ излучение, размещенные вдоль тела теплообменного элемента в направлении прохождения нагреваемого газа. Например, с противоположных торцов тела теплообменного элемента могут быть расположены вставки. При этом обе вставки могут быть разделены пустым промежутком, выполненным в теле из пористого материала. Это упрощает процесс изготовления теплообменного элемента, при этом область упомянутого пустого промежутка не поглощает СВЧ излучение, следовательно, перегрев в этой части теплообменного элемента также исключается. Конструктивно, такой вариант может быть реализован за счет сквозного продольного канала в теле теплообменного элемента, в которое с противоположных сторон устанавливаются вставки. Если всего вставок больше двух, то конструктивно такой вариант может быть реализован с использованием набора пластин, составляющих тело теплообменного элемента. В этом случае вставки размещают в соответствующих пластинах, которые затем соединяют в единый набор.
Вставка теплообменного элемента, в том числе любая из дополнительных вставок может быть выполнена из отражающего СВЧ излучение материала. В этом случае СВЧ волна отражается от поверхности вставки и не проникает в центральную часть теплообменного элемента, благодаря чему исключается ее перегрев. В качестве материала вставки может быть использован тугоплавкий металл или сплавы металлов, например, нержавеющая сталь, титан. В частном случае вставка теплообменного элемента может быть выполнена сплошной. В другом частном случае вставка теплообменного элемента может быть выполнена полой с образованием замкнутого пространства. Кроме того, вставка теплообменного элемента может быть выполнена из прозрачного для СВЧ излучения материала. В этом случае отсутствует поглощение СВЧ излучения материалом вставки, что также исключает перегрев центральной части теплообменного элемента. В качестве такого материала может быть использован, например, корунд, кварц, циркониевая керамика.
В частном случае вставка может быть выполнена в виде не поглощающего СВЧ излучение зернистого материала, удерживаемого в упомянутой центральной части тела с возможностью прохождения через него нагреваемого газа. В качестве зернистого материала могут быть использованы, например, металлические шарики или шарики из прозрачной для СВЧ излучения керамики. В этом случае нагреваемый газ частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой, что дополнительно будет способствовать охлаждению центральной части тела и исключает ее перегрев.
В другом частном случае вставка может быть выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки больше гидравлического сопротивления пористого материала тела. В этом случае нагреваемый газ также частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой, что дополнительно будет способствовать охлаждению центральной части тела и исключает ее перегрев.
Другим заявляемым изобретением группы является устройство для СВЧ нагрева газа, включающее теплообменную часть, выполненную в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подвода нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода описанный выше теплообменный элемент. Также устройство включает СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью установки в ней по меньшей мере одного источника СВЧ излучения и подачи генерируемого им СВЧ излучения к теплообменному элементу.
Газ, подаваемый через входное отверстие для подвода нагреваемого газа, проходит внутри трубопровода теплообменной части через газопроницаемую пористую структуру тела теплообменного элемента, нагревается за счет тепла, выделяемого на внутренней поверхности пористой структуры тела теплообменного элемента при поглощении им СВЧ излучения, и отводится в виде нагретого газа через выходное отверстие для отвода нагретого газа. СВЧ излучение подается к теплообменному элементу со стороны СВЧ генерирующей части устройства, включающей по меньшей мере один источник СВЧ излучения. Поскольку в устройстве использован вышеописанный теплообменный элемент, конструкция которого исключает перегрев его центральной части, устройство для СВЧ нагрева газа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает достижение указанного результата.
В частном случае выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением СВЧ генерирующая часть включает короткозамкнутый отрезок волновода, присоединяемый открытым концом к теплообменной части со стороны подвода нагреваемого газа. При этом СВЧ генерирующая и теплообменная части могут быть разделены газонепроницаемой и СВЧ прозрачной перегородкой. Перегородка может понадобиться для защиты источника СВЧ излучения от чрезмерного температурного и коррозионного воздействия поступающего в устройство нагреваемого газа, однако если начальная температура нагреваемого газа недостаточна для указанного повреждения источника СВЧ излучения, либо коррозионное воздействие нагреваемого газа на источник СВЧ излучения отсутствует, в указанной перегородке нет необходимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На Фиг. 1 в продольном сечении показан фрагмент примерного выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг. 2 показано поперечное сечение А-А теплообменной части устройства, представленной на Фиг. 1 и имеющей квадратную форму поперечного сечения.
На Фиг. 3 показано поперечное сечение А-А теплообменной части устройства, представленной на Фиг. 1 и имеющей круглую форму поперечного сечения.
На Фиг. 4 показан в продольном сечении пример выполнения теплообменного элемента в виде набора пластин в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 5 - 12 показаны в продольном сечении другие примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением:
- на Фиг. 5 - со вставкой, простирающейся вдоль всего тела теплообменного элемента и выполненной полой;
- на Фиг. 6 - с одной вставкой, расположенной только вдоль части тела теплообменного элемента;
- на Фиг. 7 - с двумя вставкам, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента;
- на Фиг. 8 - то же, что и на Фиг. 7, но для случая, когда обе вставки расположены в сквозном канале, выполненном в теле теплообменного элемента;
- на Фиг. 9 - в виде набора пластин с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента, где пластины со вставкой в отверстии чередуются с пластинами без вставки;
- на Фиг. 10 - составленного из трех пластин со вставкой в срединной пластине;
- на Фиг. 11 - со вставкой в виде не поглощающего СВЧ излучение зернистого материала, который удерживается в продольном канале срединной части тела с помощью торцевых пластин;
- на Фиг. 12 - со вставкой из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, однако в меньшей степени, чем тело теплообменного элемента, за счет более высокого гидравлического сопротивления. На Фиг. 13 показан в продольном сечении пример выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 14 схематично показан пример выполнения устройства для СВЧ нагрева газа, иллюстрирующий взаимное расположение его теплообменной и СВЧ генерирующей частей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показан фрагмент примерного выполнения теплообменной части 10 устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменная часть 10 (более детально представлена на Фиг. 13) включает трубопровод 11 с внутренним теплоизолирующим слоем 12 и размещенный внутри трубопровода 11 перекрывающий его проход теплообменный элемент 13. Теплообменный элемент 13 выполнен в виде тела 14 из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, при этом в центральной части тела 14 расположена продольная вставка 15 в виде стержня, выполненного из материала, не поглощающего СВЧ излучение.
Форма поперечного сечения, как трубопровода 11, тела 14 теплообменного элемента 13, так и вставки 15, может быть, например, квадратной, как показано на Фиг. 2, круглой, как показано Фиг. 3, что, прежде всего, зависит от характеристики СВЧ излучения, используемого для нагревания теплообменного элемента 13. При этом, например, не обязательно, чтобы форма поперечного сечения тела 14 совпадала с формой поперечного сечения трубопровода 11 , однако в этом случае свободное пространство между трубопроводом 11 и телом 14 теплообменного элемента 13 должно быть заполнено теплоизоляционным слоем 12 так, чтобы между трубопроводом 11 и телом 14 не было зазора для прохождения нагреваемого газа.
Собственно тело 14 теплообменного элемента 13 может быть выполнено как одно целое, как показано на Фиг. 1 , или составным, например, в виде набора пластин 16, расположенных последовательно одна за другой, как показано на Фиг. 4. При этом пластины могут быть выполнены как с одинаковой, так и с разной пористостью и характеристикой поглощения СВЧ излучения.
В качестве материала для изготовления тела 14 теплообменного элемента 13, обладающего указанными свойствами газопроницаемости и поглощения СВЧ излучения с выделением тепла, например, может быть использована пористая керамика на основе карбида кремния.
Указанное свойство материала вставки 15 не поглощать СВЧ излучение может быть обеспечено либо за счет отражающих СВЧ излучение свойств материала вставки 15, либо за счет использования для изготовления вставки 15 прозрачного для СВЧ излучения материала. В первом случае в качестве материала вставки 15 может быть использован, тугоплавкий металл или сплавы металлов, например, нержавеющая сталь, титан, во втором случае в качестве материала вставки 15 может быть использован, например, корунд, кварц, цирконий.
Во всех случаях для изготовления тела 14 теплообменного элемента 13 и вставки 15, а также теплоизолирующего слоя 12 должны использоваться термостойкие материалы, выдерживающие температуру, до которой они нагреваются во время работы устройства для СВЧ нагрева газа, в котором используется описанная теплообменная часть 10 с теплообменным элементом 13.
Теплоизоляционный слой 12 может быть выполнен, например, в виде жаропрочного покрытия оксида алюминия А120з, полученного из суспензии путем нанесения методом распыления, либо из керамоволокнистых теплоизоляционных материалов или других высокотемпературных изоляционных материалов.
Также на Фиг. 1 стрелками показано: направление распространения нагреваемого газа в сторону теплообменного элемента 13 - стрелка 18; направление распространения нагретого газа после прохождения сквозь тело 14 теплообменного элемента 13 - стрелка 19; условно одно из возможных направлений распространения СВЧ излучения - стрелки 20. Как будет показано дальше, СВЧ излучение может распространяться со стороны распространения нагреваемого газа в сторону теплообменного элемента 13, по существу совпадать с направлением распространения нагреваемого газа, либо с противоположной стороны - навстречу распространению нагреваемого газа.
Подаваемый под давлением нагреваемый газ 18 проходит сквозь пористую структуру тела 14 теплообменного элемента 13, нагревается за счет тепла, выделяемого на пористой поверхности тела 14 при поглощении им СВЧ излучения 20, и в виде нагретого газа 19 отводится наружу теплообменной части 10. Благодаря вставке 15, не поглощающей СВЧ излучение, центральная часть тела 14, занятая вставкой 15, не нагревается под воздействие СВЧ излучения 20. В результате исключается перегрев центральной части тела 14 теплообменного элемента 13, а вместе с этим устраняются характерные для подобных нагревательный систем недостатки, такие как оплавление и разрушение теплообменного элемента, потребность в применении дорогих особо жаропрочных материалов с низким коэффициентом температурного расширения, ограниченная производительность системы.
Фиг. 5 - 12 иллюстрируют различные примеры выполнения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменные элементы 13 показаны в продольном сечении.
Так, на Фиг. 5 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 со вставкой 15, простирающейся вдоль всего тела 14 теплообменного элемента 13. Однако, в отличие от примера, представленного на Фиг. 1, в данном случае вставка 15 выполнена полой, образованной непрерывной стенкой 17. Такое решение позволяет уменьшить массу теплообменного элемента 13 и его стоимость.
На Фиг. 6 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с одной вставкой 15, расположенной только вдоль части тела 14 теплообменного элемента 13. Такое выполнение позволяет, сохраняя достигаемый изобретением результат, увеличить теплоемкость тела 14 и, соответственно, производительность теплообменного элемента 13. Например, если источник СВЧ излучения расположен со стороны потока нагреваемого газа и газ имеет достаточно высокую начальную температуру, то необходимо предотвратить перегрев центральной части тела 14, ближайшей к источнику СВЧ излучения. В другом случае вставка 15 может оказаться полезной для предотвращения перегрева противоположной части тела 14 - там, где нагреваемый газ имеет самую высокую температуру и поэтому теплоотдача нагретого тела 14 минимальна.
На Фиг. 7 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 с двумя вставкам 15, расположенными с противоположных сторон теплообменного элемента 13. Такое решение позволяет упростить процесс изготовления теплообменного элемента 13, выполнив соответствующие углубления для вставок 15 с торцов тела 14. Альтернативный вариант показан на Фиг. 8, когда обе вставки 15 расположены в сквозном канале 21, выполненном в теле 14 теплообменного элемента 13.
На Фиг. 9 показан пример выполнения теплообменного элемента 13 в виде набора пластин 22, 23 с центральным отверстием, образующих в сборе тело теплообменного элемента 13, пластины 22 со вставкой 15 в отверстии 24 чередуются с пластинами 23 без вставки, в результате чего в теле теплообменного элемента 13 оказываются несколько вставок 15 (три в данном примере), разделенных воздушным промежутком, образованным отверстием 25 в пластине 23. Такая конструкция теплообменного элемента, в котором чередуются пластины со вставками и пластины без вставок, упрощает процесс изготовления, особенно крупногабаритных теплообменных элементов.
На Фиг. 10 показан пример выполнения теплообменного элемента 13, составленного из двух торцевых пластин 26 и срединной пластины 27, при этом торцевые пластины 26 не имеют отверстий и вставок, а в срединной пластине 27 в центральной ее части размещена вставка 15 из материала, не поглощающего СВЧ излучение. В результате теплообменный элемент 13 разделяется на три зоны: Z1, Z2 и Z3. Такое выполнение может оказаться предпочтительным при размещении источника СВЧ излучения со стороны подачи нагреваемого газа, например, со стороны зоны Z1. В этом случае, несмотря на наибольшее значение напряженности СВЧ поля в области Z1, вставка может не потребоваться, поскольку через эту зону проходит еще холодный поток газа. Вставка 15 в срединной зоне Z2 служит для предотвращения ее перегрева. Учитывая, что в зоне Z3 напряженность СВЧ поля наименьшая, в этой зоне можно обойтись без вставки. Поскольку любая вставка, при прочих равных условиях, уменьшает теплоемкость тела, а, следовательно, и эффективную мощность теплообменного элемента, то подобный прием размещения вставок только в местах возможного перегрева позволяет оптимизировать конструкцию, решая задачу предотвращения перегрева материала тела, с одной стороны, и сохраняя максимально возможную теплоемкость тела теплообменного элемента - с другой.
На Фиг. 11 показан альтернативный пример выполнения теплообменного элемента 13 со вставкой, составленного из двух торцевых пластин 26 и срединной пластины 27, при этом торцевые пластины 26 не имеют отверстий и вставок, а в срединной пластине 27 в центральной ее части размещена вставка 28, выполненная в виде не поглощающего СВЧ излучение зернистого материала, который удерживается внутри пластины 27 с помощью торцевых пластин 26.
На Фиг. 12 показан альтернативный пример выполнения теплообменного элемента 13 со вставкой 29, расположенной вдоль всего тела 14 теплообменного элемента 13. В данном примере вставка выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки 29 больше гидравлического сопротивления пористого материала тела 14.
В обоих случаях, проиллюстрированных Фиг. 11 и Фиг. 12, нагреваемый газ частично будет проходить через центральную часть тела теплообменного элемента 13, отбирая тепло от поверхности тела, соприкасающейся со вставкой 28 (или 29), что дополнительно способствует охлаждению центральной части тела теплообменного элемента 13, предотвращая ее перегрев.
Для специалиста понятно, что возможны и другие варианты конструктивного решения теплообменного элемента в соответствии с настоящим изобретением, включающего тело из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, в центральной части которого продольно относительно потока газа расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ излучение. На Фиг. 13 показан в продольном сечении более детально пример выполнения теплообменной части устройства для СВЧ нагрева газа с теплообменным элементом в соответствии с настоящим изобретением, включающей средства подачи нагреваемого газа и отвода нагретого газа. Теплообменная часть 30 выполнена в виде короткозамкнутого волновода 31, внутренняя поверхность которого покрыта теплоизолирующим слоем 32. Волновод 31 имеет открытую часть 33 с фланцем 34 для присоединения к СВЧ генерирующей части (на Фиг. 13 не показана) и противоположный закрытый торец 35. Со стороны боковой стенки волновод 31 вблизи его открытой части 33 снабжен патрубком 36, связывающим внутреннее пространство волновода 31 через выполненное в нем отверстие 37 с наружным пространством и служащим для подачи нагреваемого газа, обозначенного стрелкой 38. Для специалиста понятно, что подача нагреваемого газа в теплообменную часть 30 может быть осуществлена через два и более отверстий 37, выполненных в боковой стенке волновода 31. СВЧ излучение в волновод 31 подается со стороны его открытой части 33 и обозначено стрелкой 39.
В срединной части волновода 31 после отверстия 37 в сторону торца 35 расположен теплообменный элемент 40, перекрывающий проход внутреннего пространства волновода 31. По существу говоря, теплообменный элемент 40 может быть выполнен так, как он описан выше и проиллюстрирован Фиг. 1 - 12. В данном случае теплообменный элемент 40 выполнен в виде тела 41 из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, поступающий через отверстие 37, и поглощать подаваемое в волновод 31 СВЧ излучение 39 с выделением тепла. В центральной части тела 41 со стороны отверстия 37 для подачи нагреваемого газа расположена продольная вставка 42 в виде стержня, выполненного из материала, не поглощающего СВЧ излучение 39, подаваемого в волновод 31. Теплообменный элемент 40 установлен так, чтобы между открытой частью 33 волновода 31 и одним торцом теплообменного элемента 40 образовалась буферная зона 43 для нагреваемого газа, а между другим торцом теплообменного элемента 40 и закрытым торцом 35 волновода 31 - буферная зона 44 для нагретого газа. Для отвода газа, нагретого после его прохождения теплообменного элемента 40, служит газоотводной патрубок 45, установленный закрытым концом 46 со стороны теплообменного элемента 40, при этом открытый конец 47 патрубка 45 выведен через отверстие 48, выполненное в закрытом торце 35 волновода 31. В области буферной зоны 44 для нагретого газа в боковой стенке патрубка 45 выполнены множественные сквозные отверстия 49, через которые прошедший через тело 41 теплообменного элемента 40 нагретый газ поступает в патрубок 45 и отводится наружу (обозначено стрелкой 50). Поперечные размеры отверстий 49 выбираются из соотношения примерно 1/20 длины волны используемого СВЧ излучения, что делает невозможным распространение через них СВЧ волны. Число таких отверстий и, соответственно, общая площадь сечения выбирается исходя из требуемой производительности системы.
На Фиг. 14 схематично показан пример выполнения устройства 60 для СВЧ нагрева газа, иллюстрирующий взаимное расположение его теплообменной части 30 и СВЧ генерирующей части 70. Для упрощения восприятия обе части устройства 60 на Фиг. 14 показаны разъединенными, а также без теплообменного элемента 40 и газоотводного патрубка 45 в теплообменной части 30. СВЧ генерирующая часть 70 выполнена в виде короткозамкнутого волновода 71, имеющего открытую часть 73 с фланцем 74 для присоединения к фланцам 34 теплообменной части 30 и противоположный закрытый торец 75. С наружной стороны волновода 71 СВЧ генерирующей части 70 установлен магнетрон 76, антенна 77 которого заведена в волновод 71 через отверстие 78, выполненное в его боковой стенке. На Фиг. 14 показан один магнетрон 76, однако подобных магнетронов может быть установлено несколько, как это известно специалистам в данной области техники, - в частности, с противоположной стороны показано еще одно отверстие 78 для установки второго магнетрона. Соединение теплообменной части 30 с СВЧ генерирующей частью 70 выполняется с помощью соответствующих фланцев 34 и 74. Для защиты магнетронов 76 от нагреваемого газа, который в определенных случаях может иметь недопустимо высокую температуру, между теплообменной частью 30 и СВЧ генерирующей частью 70 устанавливается теплоизолирующая газонепроницаемая перегородка 80, выполненная из прозрачного для СВЧ излучения материала, например, тефлона (преимущественно до температуры нагреваемого газа до 200°С) или оксида алюминия в случае подачи нагреваемого газа с более высокой температурой. Устройство 60 для СВЧ нагрева газа (см. Фиг. 13 и 14) в собранном виде работает следующим образом. К патрубку 36 теплообменной части 30 подсоединяют источник нагреваемого газа (не показан), и газ под давлением подают через отверстие 37 в буферную зону 43 для нагреваемого газа теплообменной части 30. Далее нагреваемый газ проходит сквозь тело 41 теплообменного элемента 40, нагретого за счет поглощения СВЧ излучения, поступающего со стороны СВЧ генерирующей части 70 от магнетрона 76. Нагретый таким образом газ поступает в буферную зону 44 теплообменной части 30, проходит через отверстия 49 газоотводного патрубка 45 и отводится наружу. Как было описано выше со ссылками на Фиг. 1, вставка 42 предотвращает перегрев центральной части теплообменного элемента 40, чем обеспечивается указанный результат при использовании настоящего изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии СВЧ излучения, выполненный в виде тела из пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ и поглощать СВЧ излучение с выделением тепла, при этом в центральной части тела в направлении прохождения через него нагреваемого потока газа при использовании теплообменного элемента расположена вставка из материала, не поглощающего СВЧ излучение.
2. Теплообменный элемент по п. 1, в котором в качестве материала тела использована пористая керамика на основе карбида кремния.
3. Теплообменный элемент по п. 1, в котором тело выполнено в виде цельного куска материала.
4. Теплообменный элемент по п. 1, в котором тело выполнено в виде набора пластин, расположенных последовательно в упомянутом направлении нагреваемого потока газа.
5. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка расположена так, что простирается вдоль всего тела теплообменного элемента.
6. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка расположена так, что простирается вдоль части тела теплообменного элемента.
7. Теплообменный элемент по п. 6, содержащий по меньшей мере одну дополнительную вставку из материала, не поглощающего СВЧ излучение, расположенную в центральной части тела по существу соосно упомянутой вставке.
8. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из отражающего СВЧ излучение материала.
9. Теплообменный элемент по п. 8, в котором в качестве отражающего СВЧ излучение материала вставки использован металл, выбранный из группы, включающей нержавеющую сталь, титан.
10. Теплообменный элемент по п. 8, в котором вставка выполнена сплошной или полой с образованием замкнутого пространства.
11. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из прозрачного для СВЧ излучения материала.
12. Теплообменный элемент по п. 11, в котором в качестве материала вставки использован прозрачный для СВЧ излучения материал, выбранный из группы, включающей корунд, кварц, циркониевую керамику.
13. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена в виде не поглощающего СВЧ излучение зернистого материала, удерживаемого в упомянутой центральной части тела с возможностью прохождения через него нагреваемого газа.
14. Теплообменный элемент по п. 1, в котором вставка выполнена из не поглощающего СВЧ пористого материала, способного пропускать нагреваемый газ, причем гидравлическое сопротивление пористого материала вставки больше гидравлического сопротивления пористого материала тела.
15. Устройство для СВЧ нагрева газа, включающее теплообменную часть, выполненную в виде трубопровода, имеющего входное отверстие для подвода нагреваемого газа и выходное отверстие для отвода нагретого газа, при этом внутри трубопровода между входным отверстием для подвода нагреваемого газа и выходным отверстием для отвода нагретого газа расположен перекрывающий проход трубопровода теплообменный элемент, выполненный по любому из пунктов 1-14, и СВЧ генерирующую часть, выполненную с возможностью установки в ней по меньшей мере одного источника СВЧ излучения и подачи генерируемого им СВЧ излучения к теплообменному элементу.
16. Устройство по п. 15, в котором СВЧ генерирующая часть включает короткозамкнутый отрезок волновода, присоединяемый открытым концом к теплообменной части со стороны подвода нагреваемого газа.
17. Устройство по п. 16, в котором СВЧ генерирующая и теплообменная части разделены газонепроницаемой и СВЧ прозрачной перегородкой.
PCT/RU2021/050060 2020-03-10 2021-03-09 Теплообменный элемент и устройство для свч-нагрева газа WO2021183011A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110280 2020-03-10
RU2020110280A RU2741180C1 (ru) 2020-03-10 2020-03-10 Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии свч-излучения, и устройство для свч-нагрева газа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021183011A1 true WO2021183011A1 (ru) 2021-09-16

Family

ID=74213084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050060 WO2021183011A1 (ru) 2020-03-10 2021-03-09 Теплообменный элемент и устройство для свч-нагрева газа

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2741180C1 (ru)
WO (1) WO2021183011A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115416144A (zh) * 2022-07-27 2022-12-02 西安公路研究院有限公司 一种基于微波加热的可拉伸混凝土固化装置
CN115557466A (zh) * 2022-09-27 2023-01-03 杭州慕皓新能源技术有限公司 一种通过裂解生产氢气的装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2712728A1 (de) * 1977-03-23 1978-09-28 Metallgesellschaft Ag Verfahren und vorrichtung zum erhitzen von gasen oder daempfen
US6008482A (en) * 1994-10-24 1999-12-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Microwave oven with induction steam generating apparatus
RU2356187C1 (ru) * 2007-12-20 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") Устройство для свч нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях
CN207831679U (zh) * 2018-02-06 2018-09-07 湖南碳谷装备制造有限公司 一种氮气加热器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101006896B (zh) * 2006-01-24 2010-12-15 海尔集团公司 一种利用光波过热蒸汽混合能进行烹调的装置
RU2480858C2 (ru) * 2011-07-22 2013-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке
RU124471U1 (ru) * 2012-09-24 2013-01-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно Производственный Центр "Квадра" Устройство для высокотемпературного нагрева токопроводного нитевидного материала с помощью свч-плазмы
LV15159A (lv) * 2015-03-26 2016-10-20 Libava Serviss, Sia Ierīce pārkarsēta tvaika iegūšanai

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2712728A1 (de) * 1977-03-23 1978-09-28 Metallgesellschaft Ag Verfahren und vorrichtung zum erhitzen von gasen oder daempfen
US6008482A (en) * 1994-10-24 1999-12-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Microwave oven with induction steam generating apparatus
RU2356187C1 (ru) * 2007-12-20 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") Устройство для свч нагрева жидких диэлектрических сред в емкостях
CN207831679U (zh) * 2018-02-06 2018-09-07 湖南碳谷装备制造有限公司 一种氮气加热器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115416144A (zh) * 2022-07-27 2022-12-02 西安公路研究院有限公司 一种基于微波加热的可拉伸混凝土固化装置
CN115557466A (zh) * 2022-09-27 2023-01-03 杭州慕皓新能源技术有限公司 一种通过裂解生产氢气的装置

Also Published As

Publication number Publication date
RU2741180C1 (ru) 2021-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021183011A1 (ru) Теплообменный элемент и устройство для свч-нагрева газа
RU2048661C1 (ru) Солнечный приемник
US6271509B1 (en) Artificial dielectric device for heating gases with electromagnetic energy
RU2005114521A (ru) Конденсационный теплообменник с пластмассовым корпусом
US5017209A (en) High temperature furnace with thermal insulation
EP1002140B1 (en) A phosphorus effusion cell for producing molecular beams to be deposited on a substrate
JPS63297995A (ja) 分解ガスを冷却するための熱交換器
RU2735045C1 (ru) Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии свч-излучения, и устройство для свч-нагрева газа
US3998188A (en) Heater for heating a fluid
JP2000065487A (ja) 高温のプロセス・ガスを冷却するために使用される熱交換器
CA2127245C (en) Method for making a sealed passage in a refractory composite part, and application to the production of a refractory composite structure cooled by fluid circulation
EA016441B1 (ru) Коллектор для трубчатых реакционных печей
US6572737B2 (en) Heat transfer with artificial dielectric device
JP3687902B2 (ja) 連続焼成炉及びそれを用いた焼成体の製造方法
EP0032319A1 (en) Furnace with refractory seal for protruding tube ends
US4957431A (en) Heating mantle with a porous radiation wall
PT1716379E (pt) Forno de craqueamento a vapor
JP3613629B2 (ja) 非冷却管と冷却管との継手
JP4943087B2 (ja) 連続焼成炉及び連続焼成方法
JPS5941110B2 (ja) 二重管部材を持つ熱交換器
JPH0159520B2 (ru)
KR101828312B1 (ko) 마이크로 웨이브를 이용한 폐플라스틱 유화 시스템
RU2785873C1 (ru) Способ получения синтез-газа и реактор для получения синтез-газа
US4457449A (en) Pressure tank for hot fluids or agents
US6464949B1 (en) Steam cracking installation with means for protection against erosion

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21767308

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21767308

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 21.02.2023)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21767308

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1