Патент на изобретение №2295848

(54) СПОСОБ ДЕЗИНСЕКЦИИ И ДЕЗИНФЕКЦИИ МАТЕРИАЛОВ ЗЕРНОВОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для дезинсекции и дезинфекции материалов зернового происхождения перед их хранением, переработкой и предпосевной обработкой. Способ заключается в формировании в разрядной камере рециркулирующего газового потока. Для этого подводят СВЧ энергию через два ввода путем использования первой и второй электромагнитных волн. Они образуют в разрядной камере два электромагнитных поля с ортогональной линейной поляризацией, перпендикулярной оси разрядной камеры и не имеют осевой составляющей электрического поля в разрядной камере. Совместно с первыми двумя электромагнитными волнами в камеру вводят третью электромагнитную волну. Она имеет равномерно распределенную по азимуту поляризацию и осевую составляющую электрического поля, максимальную в центральной части камеры. Создается плазма в объеме камеры, через которую пропускают обрабатываемый материал в виде свободно падающего потока зерна. Устройство содержит разрядную камеру, ось которой ориентирована вдоль вектора силы тяжести. Камера включает боковую стенку и нижнее днище с центральным отверстием. К центральному отверстию нижнего днища разрядной камеры подсоединен узел вывода готового продукта. Основной узел ввода СВЧ энергии включает внутренний и внешний проводники в виде труб. Внутренний проводник расположен над разрядной камерой и подсоединен верхним концом к выходному отверстию дозатора продукта. Внешний проводник размещен между верхним днищем и боковой стенкой камеры. Устройство также имеет два прямоугольных волновода, дополнительный узел ввода СВЧ энергии, герметизирующий диэлектрик, формирователь вихревого газового потока и узел поджига плазмы. Волноводы подсоединены к внешнему проводнику основного узла ввода СВЧ энергии так, что их широкие стенки параллельны оси устройства. Дополнительный узел ввода СВЧ энергии размещен вблизи верхнего днища основного узла ввода СВЧ энергии и подключен к нему через окно во внешнем проводнике этого узла. Дополнительный узел ввода СВЧ выполнен в виде прямоугольного волновода, узкая стенка которого параллельна оси устройства. Использование изобретения позволит повысить производительность и равномерность обработки зернового материала по поперечному сечению разрядной камеры и, кроме того, повысить надежность устройства. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область и уровень техники.

Изобретение относится к средствам дезинсекции и дезинфекции материалов зернового происхождения перед их хранением, переработкой или в качестве предпосевной обработки.

Известен способ обработки таких материалов, основанный на использовании преобразования СВЧ энергии в плазму (патент РФ №2112345), согласно которому зерновой поток пропускают через плазму, занимающую весь рабочий объем. При этом достижение приемлемой производительности процесса ограничено малой глубиной проникновения СВЧ поля в плазму атмосферного давления, вследствие чего в приосевой зоне зерно оказывается необработанным.

Известно также устройство, позволяющее получить плазменное образование большого диаметра (патент РФ №1602376), содержащее разрядную камеру, в которую через боковые стенки вводится СВЧ энергия и в которой с помощью вихревого газового потока создается рециркуляционная зона, диаметр которой определяется расположением отверстий для выхода газа, выполненных в днище камеры, а центральные отверстия в днищах могут быть использованы для пропускания зернового потока.

Структура вводимого электрического СВЧ поля такова, что либо плазменное образование подвергается эффективному воздействию СВЧ поля только в приосевой зоне, при этом часть электрического поля, сосредоточенная в зазорах между плазмой и днищами, вызывает их пробой, разрушающий днища, либо эффективно используется лишь небольшая часть высоты камеры.

Указанных недостатков в значительной степени лишены способ и устройство для дезинсекции и дезинфекции материалов зернового происхождения, являющиеся ближайшим прототипом предлагаемого изобретения (патент РФ №2143794). В соответствии с этим способом формируют в разрядной камере рециркулирующий газовый поток, подводят СВЧ энергию через два ввода путем использования первой и второй электромагнитных волн, образующих в разрядной камере два электромагнитных поля с ортогональной линейной поляризацией, перпендикулярной оси разрядной камеры, создают плазму в объеме камеры и пропускают через камеру обрабатываемый материал в виде свободно падающего потока, а с помощью СВЧ энергетического воздействия ионизируют газ в приосевой части зоны рециркуляции.

Благодаря использованию импульсного режима ввода СВЧ энергии плазменное образование совершает возвратно-поступательное движение под действием двух противоположно направленных сил, одна из которых связана с потоком газа, другая – с перемещением плазмы навстречу потоку СВЧ энергии. Подхваченное вихревым потоком газа плазменное образование перемещается по всему рабочему объему.

В связи с особенностями введенных таким образом СВЧ полей их воздействие на плазму оказывается сильно неравномерным по поперечному сечению плазменного столба – СВЧ поле сосредоточено на его периферии. При этом недостаточным оказывается СВЧ воздействие в приосевой зоне – именно там, где нужна высокоэффективная передача энергии от плазмы материалу.

Предложенное в соответствии с этим способом устройство, описанное в том же патенте, содержит разрядную камеру, ось которой ориентирована вдоль вектора силы тяжести и включающую боковую стенку и нижнее днище с центральным отверстием, узел вывода готового продукта, подсоединенный к центральному отверстию нижнего днища разрядной камеры, основной узел ввода СВЧ энергии, включающий внутренний проводник в виде трубы, расположенный над разрядной камерой и подсоединенный верхним концом к выходному патрубку дозатора продукта, верхнее днище и размещенный между ним и боковой стенкой внешний проводник также в виде трубы, окружающей внутренний проводник, два прямоугольных волновода, подсоединенные к внешнему проводнику основного узла ввода СВЧ энергии так, что их широкие стенки параллельны оси устройства, дополнительный узел ввода СВЧ энергии, герметизирующий диэлектрик, формирователь вихревого газового потока и узел поджига плазмы. Внутренний проводник основного узла ввода СВЧ энергии одновременно служит узлом ввода обрабатываемого продукта.

В этом устройстве предпринята попытка усилить плазменное воздействие в приосевой зоне путем применения дополнительного узла ввода СВЧ энергии, выполненного в виде открытой коаксиальной линии, размещенной внутри узла ввода продукта, и дополнительного газового потока, вводимого через эту линию, осуществляющих ионизацию приосевой зоны для инициации развития разряда из центра. Однако как показали наши исследования, существенного эффекта добиться не удается, так как выходное отверстие дополнительного ввода СВЧ энергии не может находиться слишком близко к разрядной камере из-за разрушающего воздействия на него плазмы, а при его удалении теряется эффект ионизации разряда; например, при размещении этого отверстия на расстоянии 1 см при максимально допустимой скорости потока зерна 10 м/с время прохождения потоком этого расстояния составляет 1 мс, а за это время плазма распадается и в камеру впрыскивается только горячий газ.

К тому же, так как поперечные размеры труб, образующих основной ввод СВЧ энергии, определяются из условия распространения выбранного типа волны и зависят от рабочей частоты, то при использовании наиболее удобной и распространенной в промышленном применении частоты 2450 МГц диаметр трубы внутреннего проводника оказывается слишком малым для размещения внутри него дополнительного ввода СВЧ энергии, который к тому же препятствует прохождению зернового потока и тем самым ограничивает производительность и вызывает механические повреждения пролетающего зерна.

Таким образом, с помощью использованного в известной конструкции технического решения не решается задача усиления СВЧ воздействия в приосевой зоне и повышения равномерности обработки зерна и производительности.

Введение внутрь узлов ввода и вывода продукта электродов также ведет к механическому повреждению пролетающих зерен, что вредно для продукта. К недостаткам известного устройства относится также размещение в плоскости верхнего днища камеры герметизирующего диэлектрического окна, которое находится под действием излучения плазмы и при использовании относительно дешевых материалов для этого окна быстро разрушается и требует замены.

Решаемая предлагаемым изобретением техническая задача заключается в разработке устройства, способного обеспечивать высокую производительность и экономичность процесса обработки зерна в наиболее удобном для промышленного применения диапазоне частот генерации используемых СВЧ источников.

Технический результат заключается в повышении равномерности и производительности обработки зернового материала по поперечному сечению камеры.

Дополнительный технический результат заключается в увеличении надежности устройства за счет устранения воздействия излучения плазмы на диэлектрическое окно и создании возможности управления уровнем деионизации плазмы в паузе между импульсами.

Сущность предлагаемого способа заключается во вводе в разрядную камеру третьей электромагнитной волны и в таком выборе типов вводимых в разрядную камеру электромагнитных волн, когда первые две волны не имеют осевой составляющей электрического поля, а третья волна имеет равномерно распределенную по азимуту поляризацию и осевую составляющую электрического поля, максимальную в центральной части камеры.

Как показали наши экспериментальные исследования, при использовании всех трех волн в импульсном режиме зерновой поток обрабатывается с практически одинаковой интенсивностью по всему его сечению.

При использовании одной из волн в непрерывном режиме, а двух других – в импульсном обеспечивается и равномерность обработки зернового потока и возможность управлять уровнем ионизации газа в паузе между импульсами

Дополнительное пропускание постоянного электрического тока при любом из вышеуказанных сочетаний режимов позволяет помимо организации вращения поляризации суммарного вектора электрического поля понизить требования к мощности СВЧ источников, а также управлять уровнем ионизации плазмы в паузе.

Непосредственно в поток зерна введен дополнительный поток газа, не поддерживающего горение, например N₂ или СО₂, что устраняет ожог зерна.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что дополнительный узел ввода СВЧ энергии размещен вблизи верхнего днища основного узла ввода СВЧ энергии, подключен к нему через окно во внешнем проводнике этого узла и выполнен в виде прямоугольного волновода, узкая стенка которого параллельна оси устройства.

Такое подключение дополнительного ввода СВЧ энергии позволяет возбудить в коаксиальном волноводе, образованном внутренним и внешним проводниками основного узла ввода СВЧ энергии, и в рабочей камере волну с аксиальной составляющей электрического поля, имеющей максимальную интенсивность вблизи оси, и при этом не загромождать полость внутреннего проводника этого узла, через которую вводят продукт.

Главное отличие предлагаемых способа и устройства интенсификации СВЧ воздействия в приосевой зоне от прототипа заключается в том, что СВЧ энергия третьей волны выделяется непосредственно в приосевой зоне по всей ее длине, а в прототипе дополнительный узел ввода СВЧ энергии предназначался лишь для предварительной ионизации газа, втекающего в разрядную камеру. Однако решение и этой технической задачи предложенным в прототипе приемом оказалось недостижимым.

Другое отличие предлагаемой конструкции заключается в том, что на конце внутренней трубы основного узла ввода СВЧ энергии, обращенного в разрядную камеру, установлен наконечник в форме усеченного конуса большим основанием в сторону разрядной камеры, внешний диаметр которой выполнен превышающим диаметр выходного отверстия разрядной камеры, основной узел ввода СВЧ энергии соединен с боковой стенкой разрядной камеры конусным переходом, размеры которого обеспечивают между ним и наконечником зазор неизменной величины по длине перехода, герметизирующий диэлектрик выполнен в виде цилиндра и установлен в зазоре между трубами основного узла ввода СВЧ энергии и закреплен на поверхности наконечника и верхнем днище узла ввода СВЧ энергии, а в этом днище и на периферии наконечника выполнены ориентированные вдоль оси устройства отверстия, формирователь вихревого газового потока размещен на конусном переходе, и в боковой стенке разрядной камеры выполнены запредельные на частоте используемых электромагнитных волн отверстия в плоскости, расположенной примерно на половине высоты разрядной камеры.

Для реализации возможности использования энергии постоянного электрического тока внутренний проводник основного узла ввода СВЧ энергии изолирован от остальных частей устройства, а вокруг разрядной камеры установлен соленоид, стабилизирующий процессы протекания тока в камере.

Устройство иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 схематически в продольном сечении представлена конструкция устройства с дополнительным вводом СВЧ энергии, выполненным в виде прямоугольного волновода.

На фиг.2 представлено поперечное сечение той же конструкции в плоскости вводов СВЧ энергии.

На фиг.3 схематически представлен вариант конструкции с вводами СВЧ энергии, конусными наконечником и переходом и герметизирующим диэлектриком в виде цилиндра в продольном сечении.

На фиг.4 схематически в продольном сечении представлен вариант конструкции с изолированным внутренним проводником основного узла ввода СВЧ энергии и соленоидом.

Предлагаемое устройство содержит разрядную камеру 1 с боковой стенкой 2 и нижним днищем 3 с центральным отверстием 4, основной узел ввода СВЧ энергии 5, состоящий из внутренней трубы 6, расположенной над камерой 1 и подключенной верхним концом к выходному патрубку дозатора зернового материала (не показан), верхнего днища 7 и размещенной между ним и боковой стенкой 2 и соединенной с ними внешней трубы 8, подсоединенный к нижнему днищу 3 узел вывода готового продукта 9 преимущественно в виде цилиндра, два одинаковых ввода СВЧ энергии 10 и 11 в виде прямоугольных волноводов, подключенных к внешней трубе 8 через диэлектрические окна 12, дополнительный ввод СВЧ энергии в виде прямоугольного волновода 13 с диэлектрическим окном 14, формирователь вихревого газового потока 15, узел поджига 16.

В варианте конструкции, представленном на фиг.3, нижняя часть трубы 6 снабжена наконечником 17 в виде усеченного конуса, установленного большим основанием в сторону разрядной камеры 1, внешний проводник 8 соединен конусным переходом 18 с боковой стенкой 2 разрядной камеры 1, герметизирующий диэлектрик выполнен в виде цилиндра 19, закрепленного между верхним днищем 7 и наконечником 17, при этом в них вдоль оси устройства выполнены отверстия 20 и 21, в боковой стенке 2 также выполнены отверстия 22, а формирователь вихревого газового потока 15 размещен на конусном переходе 18. Наконечник 17 снабжен отверстием для пропуска зернового потока.

В варианте конструкции, представленном на фиг.4, между внутренним проводником 6 и верхним днищем 7 вставлен изолятор 23, на верхнем днище 7 размещен отрезок трубы 24 с фильтрами излучения 25. Волноводы 10 и 11 ориентированы широкой стенкой вдоль оси устройства и размещены в одной плоскости поперечного сечения со смещением по азимуту на 90 градусов относительно друг друга. Волновод 13 ориентирован узкой стенкой вдоль оси устройства.

Поперечные размеры узла вывода продукта 9 делают его запредельным для распространения электромагнитных волн на рабочей частоте. Отверстия 22 также выполнены запредельными для волн рабочей частоты.

Устройство работает следующим образом.

После включения СВЧ источников два первых ввода возбуждают в разрядной камере 1 волну типа Н₁₁, электрические составляющие поля которой перпендикулярны оси устройства, с помощью третьего ввода в камере формируется волна типа Е₀₁, содержащая составляющие электрического поля по всем трем ортам декартовой системы координат. При этом максимум продольной составляющей находится на оси.

Подают импульс напряжения на узел поджига 16 и в вихре рабочего газа, созданного формирователем 15, возбуждают СВЧ плазменный разряд и подают зерновой материал через внутреннюю полость трубы 6. Совместное действие всех трех волн обеспечивает равномерную по сечению потока обработку зерна.

Дополнительные возможности повышения равномерности обработки зерна обеспечиваются организацией вращения поляризации путем введения первых двух волн от одного СВЧ источника со сдвигом фаз волн или пропусканием постоянного электрического тока, как в прототипе. Введение первых двух волн от разных СВЧ источников обеспечивает вращение поляризации путем использования обычных методов управления фазой электромагнитных волн, например, установкой в СВЧ тракт фазовращателей.

В том случае, когда одна из волн вводится в непрерывном режиме, процесс деионизации плазмы в паузе между импульсами существенно замедляется и уровень ионизации газа к моменту прихода следующего импульса от другого ввода (или вводов) оказывается достаточным для возбуждения плазмы. Это позволяет увеличить паузу между импульсами при сохранении или увеличении мощности в импульсе. Поскольку, как и в прототипе, период СВЧ волн существенно меньше времени прохождения зернового потока через рабочее пространство камеры 1, отсутствует риск получения необработанного продукта.

Дополнительное пропускание постоянного электрического тока сопровождается увеличением вводимой в разряд энергии. При этом поддерживается степень ионизации газа, достаточная для возбуждения плазмы с приходом следующего импульса, как и в прототипе, или могут быть понижены требования к мощности СВЧ источников и стоимость обработки материала, так как СВЧ энергия значительно дороже энергии постоянного тока.

Размещение отверстий 22 для выхода рабочего газа в боковой стенке 2 разрядной камеры 1 приблизительно на половине ее высоты и установка конусного наконечника 17 на нижнем конце трубы 6 обеспечивает введение СВЧ энергии и возбуждение плазмы диаметром, близким к внешнему диаметру большего основания наконечника 17, независимо от диаметра узла вывода готового продукта 9.

Одновременно создана возможность для вывода герметизирующего диэлектрика из зоны воздействия на него плазмы посредством выполнения его в виде цилиндра 19 и закрепления между верхним днищем 7 и конусным наконечником 17. Это обеспечивает длительную работу устройства без замены диэлектрика при использовании дешевого материала. Возможности конструкции используются наилучшим образом, когда размеры наконечника 17 превышают диаметр трубы внешнего проводника 8 и позволяют плотно вставить в нее цилиндр 19. Помимо обеспечения хорошего теплоотвода от цилиндра 19 отпадает необходимость в применении окон 12 и 14 (фиг.1).

Поддержание постоянным зазора между наконечником 17 и конусным переходом 18 необходимо для подведения СВЧ волн к разрядной камере 1 без отражений.

Отверстия 20 в наконечнике 17 и 21 в верхнем днище 7 служат для прохода нейтрального газа. Введение дополнительного потока нейтрального газа, не поддерживающего горения, например, N₂ или СО₂, непосредственно в поток зерна при использовании воздуха в качестве газа, обтекающего плазму, позволяет снизить расход более дорогостоящего газа.

Формирователь вихревого газового потока 15 размещен на конусном переходе 18 и помимо исполнения основной функции охлаждает нижнюю часть герметизирующего цилиндра 19.

Для реализации режима пропускания постоянного тока труба внутреннего проводника 6 изолирована с помощью диэлектрического цилиндра 23 от верхнего днища 7, на котором установлен отрезок трубы 24 с фильтром 25, предотвращающим излучение наружу через образовавшийся зазор. Постоянный ток протекает между торцом трубы 6 и стенкой вывода продукта 9. Соленоид 26 создает продольное магнитное поле, стабилизирующее прохождение постоянного тока через разрядную камеру 1.

Процессы, проходящие в разрядной камере 1 при пропускании постоянного электрического тока, зависят от силы тока. При достаточно низких значениях тока его роль заключается в поддержании уровня ионизации плазмы в паузе между импульсами. Абсолютные величины тока определяются режимом использования СВЧ импульсов.

При подведении к трубе 6 и стенке 9 напряжения, создающего в рабочем объеме напряженность электрического поля, сопоставимую с электрическими полями СВЧ волн, создается возможность вращения поляризацией суммарного вектора электрического поля и повышения равномерности обработки продукта, аналогично прототипу.

При этом появляется возможность существенного увеличения вводимой на постоянном токе энергии в плазму, предварительно возбужденную с помощью СВЧ волн. Соответственно, СВЧ источники в значительной степени освобождаются от функции поставщиков энергии в плазму и их мощность может быть существенно уменьшена.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для обработки продуктов зернового происхождения обеспечивают повышение равномерности и производительности обработки зернового материала и его экономичности.

Формула изобретения

1. Способ дезинсекции и дезинфекции материалов зернового происхождения, включающий формирование в разрядной камере рециркулирующего газового потока, подведение СВЧ-энергии через два ввода путем использования первой и второй электромагнитных волн, образующих в разрядной камере два электромагнитных поля с ортогональной линейной поляризацией, перпендикулярной оси разрядной камеры и не имеющих осевой составляющей электрического поля в разрядной камере, создание плазмы в объеме камеры и пропускание через камеру обрабатываемого материала в виде свободно падающего потока, отличающийся тем, что в разрядную камеру совместно с первыми двумя электромагнитными волнами вводят третью электромагнитную волну, при этом третья волна имеет равномерно распределенную по азимуту поляризацию и осевую составляющую электрического поля, максимальную в центральной части камеры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что две первые электромагнитные волны с линейной поляризацией вводят в разрядную камеру от одного или двух СВЧ источников, а третью волну с осевой составляющей электрического поля вводят от дополнительного СВЧ источника, при этом все СВЧ-источники работают в импульсном режиме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одну из волн вводят в разрядную камеру в непрерывном режиме, а две другие – в импульсном.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что через плазменное образование дополнительно пропускают постоянный электрический ток.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что под торец внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии вводят дополнительный поток газа, не поддерживающего горения, например, азота или углекислого газа.

6. Устройство для дезинсекции и дезинфекции продуктов зернового происхождения с использованием СВЧ-энергии, содержащее разрядную камеру, ось которой ориентирована вдоль вектора силы тяжести, включающую боковую стенку и нижнее днище с центральным отверстием, узел вывода готового продукта, подсоединенный к центральному отверстию нижнего днища разрядной камеры, основной узел ввода СВЧ-энергии, включающий внутренний проводник в виде трубы, расположенный над разрядной камерой и подсоединенный верхним концом к выходному отверстию дозатора продукта, верхнее днище и размещенный между ним и боковой стенкой внешний проводник в виде трубы, два прямоугольных волновода, подсоединенные к внешнему проводнику основного узла ввода СВЧ-энергии так, что их широкие стенки параллельны оси устройства, дополнительный узел ввода СВЧ-энергии, герметизирующий диэлектрик, формирователь вихревого газового потока и узел поджига плазмы, отличающееся тем, что дополнительный узел ввода СВЧ-энергии размещен вблизи верхнего днища основного узла ввода СВЧ-энергии, подключен к нему через окно во внешнем проводнике этого узла и выполнен в виде прямоугольного волновода, узкая стенка которого параллельна оси устройства.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на конце внутреннего проводника основного узла ввода СВЧ-энергии, обращенного в разрядную камеру, установлен наконечник в форме усеченного конуса большим основанием в сторону разрядной камеры, внешний диаметр которой выполнен превышающим диаметр отверстия нижнего днища разрядной камеры, внешний проводник основного узла ввода СВЧ-энергии соединен с боковой стенкой разрядной камеры конусным переходом, размеры которого обеспечивают между ним и наконечником зазор неизменной величины по длине перехода, герметизирующий диэлектрик выполнен в виде цилиндра, установлен в зазоре между проводниками основного узла ввода СВЧ-энергии и закреплен на поверхности наконечника и верхнем днище узла ввода СВЧ-энергии, и в этом днище и на периферии наконечника выполнены ориентированные вдоль оси устройства отверстия, формирователь вихревого газового потока размещен на конусном переходе, а в боковой стенке разрядной камеры выполнены запредельные на частоте используемых электромагнитных волн отверстия в плоскости, расположенной примерно на половине высоты разрядной камеры.

8. Устройство по любому из пп.6 или 7, отличающееся тем, что внутренний проводник основного узла ввода СВЧ-энергии электрически изолирован от остальных частей устройства.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что вокруг разрядной камеры установлен соленоид.

РИСУНКИ