Устройство для свч-нагрева диэлектрических сред

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано для нагрева различных диэлектрических сред, в том числе при разогреве застывших нефтепродуктов, при добыче вязких нефтей и природных битумов в местах их залегания. Устройство содержит СВЧ-генератор,согласованную с ним передающую линию и излучатель, отличается тем, что передающая линия выполнена в виде коаксиального кабеля, в конце которого на его внутреннем проводнике закреплен излучатель в виде согласованного со средой несимметричного вибратора с соосным диэлектрическим кожухом, начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ-генератора, а наружный - с корпусом генератора. Гибкий коаксиальный кабель с излучателем на конце обеспечивает работу устройства на значительной глубине, а защитный диэлектрический кожух позволяет работать в жидкой среде. Коаксиальный переход обеспечивает согласование генератора с кабелем. Несимметричный вибратор с размерами, выбранными в соответствии с частотой генератора и диэлектрическими параметрами среды, является согласованным со средой излучателем и тем самым обеспечивает излучение всей подводимой к нему электромагнитной энергии. Тынчеров Агит Аминович, Суриков Борис Сергеевич, Большаков Юрий Павлович, Тынчеров Арсений Агитович, Распутин Андрей Николаевич (RU) 015523 Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано для нагрева различных диэлектрических сред, в том числе при разогреве застывших нефтепродуктов, а также при добыче вязких нефтей и природных битумов в местах их залегания. Известны устройства для СВЧ-нагрева диэлектрических сред, в которых электромагнитная энергия от СВЧ-генератора через линию передачи и излучатель направляется на поверхность обрабатываемой среды - асфальтобитумного дорожного покрытия (патент РФ 2039145, 1993 г.), жидкости (патент РФ 2087083, 1997 г.) или нефтепродуктов в резервуаре (патент РФ 2224387, 2004 г.). Недостатком этих устройств является ограниченная глубина прогрева среды, связанная с тем, что излучатель расположен над ее поверхностью. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является Устройство для нагрева загустевших и застывших нефтепродуктов в железнодорожных цистернах по патенту РФ 2224387, 2004 г. Оно содержит СВЧ-генератор (например, магнетрон), соединенную с ним жесткую волноводную линию передачи и рупорный излучатель, расположенный над поверхностью нефтесодержащей среды. При таком расположении излучателя и фиксированной рабочей частоте генератора глубина проникновения электромагнитных волн в среду определяется ее диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь и, следовательно, не зависит от характеристик устройства. Вследствие этого СВЧ-нагрев среды происходит только в ее приповерхностном слое, для прогрева глубинных слоев требуется значительное время, что является недостатком устройства. Другим его недостатком является то, что вследствие отражений электромагнитной волны от границы среды и бокового излучения через зазор между излучателем и границей СВЧ-энергия не полностью переходит в диэлектрическую среду. Таким образом, КПД устройства (т.е. превращение СВЧ-энергии в тепло) мог бы быть выше, если бы СВЧ-энергия полностью переходила в среду. Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, является обеспечение возможности СВЧ-нагрева в глубине (т.е. в объеме, а не на поверхности) диэлектрической среды, что обеспечивает максимальный КПД устройства. Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем СВЧ-генератор, согласованную с ним передающую линию и излучатель, передающая линия выполнена в виде коаксиального кабеля, в конце которого на его внутреннем проводнике закреплен излучатель в виде согласованного со средой несимметричного вибратора с соосным диэлектрическим кожухом,начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ-генератора, а наружный - с корпусом генератора. Гибкий коаксиальный кабель с излучателем на конце обеспечивает работу устройства на значительной глубине, а защитный диэлектрический кожух позволяет работать в жидкой среде, что является преимуществом заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Коаксиальный переход обеспечивает согласование генератора с кабелем. Несимметричный вибратор с размерами, выбранными в соответствии с частотой генератора и диэлектрическими параметрами среды, является согласованным со средой излучателем и тем самым обеспечивает излучение всей подводимой к нему электромагнитной энергии. На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг. 2 - его расположение при работе в жидкой среде; на фиг. 3 - расположение при работе в скважине в твердой среде; на фиг. 4 - зависимость температуры в нефтесодержащей среде от времени СВЧ-воздействия, измеренная при работе макета устройства. Устройство (фиг. 1) содержит СВЧ-генератор (например, магнетрон) 1 с возбуждающим штырем 2,который соединен с внутренним проводником коаксиального перехода 3, служащим для согласования генератора с коаксиальным кабелем 4. Фланец 5 коаксиального перехода установлен на корпусе генератора. Для удобства эксплуатации устройства при замене генератора или кабеля служит коаксиальный разъем 6, закрепленный на конце коаксиального перехода, при этом его внутренний проводник 7 соединен с внутренним проводником коаксиального разъема. В конце коаксиального кабеля на его внутреннем проводнике закреплен излучатель в виде несимметричного вибратора, образованного наружным проводником коаксиала 8 и насадкой 9, соединенной с внутренним проводником коаксиала и отделенной от наружного проводника изолирующей шайбой 10. Для защиты излучателя от воздействия обрабатываемой среды, например жидких нефтепродуктов, служит соосный диэлектрический кожух 11. Для согласования излучателя со средой длина насадки несимметричного вибратора должна составлять четверть длины электромагнитной волны в среде, которая зависит от диэлектрических параметров среды и частоты генератора. Например, значения диэлектрической проницаемости твердых нефтесодержащих пород лежат в интервале 2-4 (см., например, Ревизский Ю.В., Дыбленко В.П. Исследование и обоснование механизма нефтеотдачи пластов с применением физических методов, гл. 4. М., Недрабизнесцентр, 2002 г.). Поэтому при частоте СВЧ-генератора 2450 МГц, выделенной согласно действующей Таблице распределения полос радиочастот, утвержденной Госкомиссией РФ по радиочастотам для промышленного и бытового применения, длина насадки должна составлять 15-20 мм. Расположение устройства для СВЧ-нагрева среды зависит от ее характера. Например, для вязкой густой среды 12 в резервуаре 13 (фиг. 2) кабель 4 с излучателем 9 и кожухом 11 на конце погружается в среду на необходимую глубину, которая может увеличиваться по мере прогрева среды.-1 015523 Для плотных нефтесодержащих пород 14 (фиг. 3), в которых добыча нефти ведется через различные скважины, в том числе с вертикальными и наклонными участками 15, гибкий кабель 4 может быть введен в скважину таким образом, что излучатель окажется в нужном нефтесодержащем слое 16. При использовании современных коаксиальных кабелей глубина погружения излучателя может составлять несколько десятков метров. При работе в нефтесодержащих твердых породах устройство обеспечивает быстрый и эффективный СВЧ-нагрев. Это подтверждается результатами испытаний макета устройства в образце нефтесодержащего песчаника. На фиг. 4 показана зависимость температуры от времени СВЧ-воздействия на расстоянии 0,2 м от излучателя при мощности генератора 600 Вт и частоте 2450 МГц. Скорость нагрева породы составила до 10 град/мин, а выделение нефти началось уже после 5-минутного воздействия, поскольку при температуре 50C вязкость нефти снижается в десятки раз (см., например, Рузин Л.М., Чупров И.Ф. Технологические принципы разработки залежей аномально вязких нефтей и битумов, гл. 1. Ухта, УГТУ,2007 г.) ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для СВЧ-нагрева диэлектрических сред, содержащее СВЧ-генератор, передающую линию и излучатель, отличающееся тем, что передающая линия выполнена в виде погружаемого в среду коаксиального кабеля, в конце которого на его внутреннем проводнике закреплен излучатель в виде согласованного со средой несимметричного вибратора с соосным диэлектрическим кожухом, начало кабеля соединено с коаксиальным переходом, внутренний проводник которого соединен с возбуждающим штырем СВЧ-генератора, а наружный - с корпусом генератора.