CN104258797B - 一种连续传送式圆波导微波反应器 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种连续传送式圆波导微波反应器，属于微波能应用装置领域，特别涉及连续传送式圆波导微波反应器。该反应器反应腔为圆柱形金属腔，为安装传送带将金属腔顺轴向分为两部分，传送带安装于两部分之间，顺轴向传动；并将传送带的支撑滚轮和传动滚轮设置于腔体外，避免了对腔体内部的微波干扰；在腔体的顶部或者底部设置耦合环，实现发明目的。从而具有反应效率高，速度快，反应均匀度高和节约能源，并将之与连续传输式生产线相结合，应用于大规模工业化生产中的效果。

Description

一种连续传送式圆波导微波反应器

技术领域

本发明属于微波能应用装置领域，特别涉及连续传送式圆波导微波反应器。

背景技术

目前，大功率微波已经广泛应用于加热、医疗、干燥、镀膜、环保、辅助萃取等场合，获得了良好的效果。现在，微波能的应用进入了大规模工业化的阶段，单次处理的箱式微波反应器已不再适应工业化生产的需要。而现有的连续传送式微波反应器存在着效率不高，场分布不均匀，反应速度慢等缺点。这就需要一种高效、均匀、快速的连续式反应器与现有的生产线相接合，以达到降低能耗，提高效率，保证加工均匀性的目的。

随着微波能应用的研究日渐深入，已有多种连续传输式的微波反应器应用到各种工业生产当中，如：矩形波导式反应器，脊波导式反应器，平板波导反应器。但它们都在一定程度上存在着场分布不均匀，微波能利用不够充分，加工速度偏慢，体积较大等缺点，这制约了微波能在工业上的进一步应用。

微波反应器通常由三个主要部分构成：微波源、微波传输系统、微波反应腔。现在，微波源及传输系统的设计技术已经较为成熟，能量的反射和损耗都很小，进一步提高的空间不大。而微波反应腔部分现今主要使用的是矩形波导式和脊波导式。其原理是通过合理设计，使腔内的场集中在横截面的轴线上，同时在此处放置传送带使待待加工物件连续匀速地通过场集中区域，从而达到加热和提高化学反应速率的目的。由于形状和腔内场分布的特点，上述已有的反应器不能达到最佳的效果。因此，需要创新反应腔形状和选择恰当模式，以进一步改善反应器的反应效果。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足之处，设计一种连续传送式圆波导微波反应器，以提高反应效率，加快反应速度，提高反应均匀度和节约能源，并将之与连续传输式生产线相结合，应用于大规模工业化生产中。

本发明的技术方案是一种连续传送式圆波导微波反应器，将背景技术总方形的腔体替换为圆柱形腔体，为安装传送带将金属腔顺轴向分为两部分，传送带安装于两部分之间，并将传送带的支撑滚轮和传动滚轮设置于腔体外；还将背景技术中直耦合线替换为耦合环，从而实现发明目的。因而本发明一种连续传送式圆波导微波反应器，包括反应装置(1)、传输装置(2)、馈电装置、支撑装置；其特征在于，反应装置包括圆柱形金属腔体(11)，设置在金属腔体一端面上向外延伸的四棱柱形进料口(12)，另一端面上对应设置的出料口；在进料口、圆柱形金属腔体和出料口的侧壁对应开设有两条用于设置水平传送带的窄缝(112)；

传输装置包括：传送带(21)、支撑滚轮(22)、可调速电动机和动力滚轮(23)，传送带从窄缝穿过，由若干均匀设置于圆柱形金属腔体两侧的支撑滚轮支撑，传送带由动力滚轮带动，动力滚轮由可调速电动机驱动；

馈电装置包括：耦合环(31)、匹配调节器(32)、微波源(33)和同轴传输线(34)；其中微波源通过穿过匹配调节器的同轴传输线与耦合环的一端连接，耦合环为金属半圆环，正对着传送带设置于圆柱形金属腔体内壁，其直径与腔体的内壁重合，其末端与腔体的内壁有良好的电接触；

支撑装置包括：承重工作台(41)、下支架(42)和上支架(43)；支撑滚轮、可调速电动机和动力滚轮设置于承重工作台上，圆柱形腔体窄缝下部金属腔体由下支架固定，承重工作台通过上支架与圆柱形腔体窄缝上部金属腔体固定，使圆柱形腔体的上下两部分严格对齐；承重工作台和下支架固定在地面上。

其中所述窄缝(112)附近的金属腔体外壁上贴有吸波条，用于阻挡金属腔体内部的微波从窄缝泄漏出去。

所述进料口和出料口设置有吸波条，用于阻挡金属腔体内部的微波从进料口和出料口泄漏出去。

所述传送带(21)上设置有两条间隔距离与进料口宽度相等的阻挡条(211)，防止反应物在传送过程中位置偏移。

所述匹配调节器(32)由固定环和固定螺钉组成，固定环用于封闭金属腔体与同轴传输线之间的缝隙，固定螺钉用来压紧同轴传输线以使之固定，并在松开时可以调节同轴传输线的伸入长度；

所述耦合环(31)为一段同轴传输线去掉绝缘外壳后的中心导体，将该中心导体弯曲成半圆，其半径与金属腔体内壁重合，其末端与金属腔体内壁有良好的电接触。

本发明一种连续传送式圆波导微波反应器，在反应器两侧开槽的设计既不会破坏反应器内的场分布也不会使微波辐射出来形成泄漏，同时解决了反应物无法固定在圆柱体反应器中部的难题，大幅度地提高了电场与反应物作用的总体积，提高反应效率，降低能耗，节约成本。

在横截面为20mm矩形的长条形煤块为反应物的横向比较中，与过去的连续式行波矩形波导式和脊波导式微波反应器相比，本发明中的圆波导式微波反应器反应效率提升2.5倍以上，同时在反应物内部能保持良好的反应均匀性。在反应物内部，比吸收率(即单位体积的物体对微波能吸收的效率)的最大值和最小值仅相差5％。这表面所有的反应物都能得到良好且高效的反应，不会出现传统矩形波导反应器中的部分反应物反应不足而另一部分反应过量的情况，这也间接地降低了微波源33输出功率的需求，降低能耗的同时节约了成本。

附图说明

图1是本发明微波反应器的主视图；

图2是本发明微波反应器除支架部分的侧视图；

图3是用作对比的现有矩形波导式微波反应器的示意图；

图4是用作对比的现有的脊波导式微波反应器的示意图；

图5是本发明微波反应器微波能泄漏分析图；

图6是本发明微波反应器微波能吸收效率分析图。

图中：1.反应装置，2.传输装置，5.物料，11.圆柱形金属腔体，12.进料口，112.窄缝，21.传送带,211.阻挡条，22.支撑滚轮，23.动力滚轮，31.耦合环，32.匹配调节器，33.微波源，34.同轴传输线，41.承重工作台，42.下支架，43.上支架。

具体实施方式

实施例1：一种行波式微波反应器，包括反应装置1、传输装置2、馈电装置、支撑装置。其特征在于，反应装置1由圆柱形金属腔体11和防泄漏装置组成，金属腔体一端向外设置一进料口，另一端对应设置出料口，金属腔上位于横截面纵轴线的两侧各开一条沿轴线贯穿整体的窄缝112，该窄缝贯穿进料口，金属腔侧壁，出料口，其缝宽不大于20mm。在圆柱形金属腔体11横截面纵轴线的顶端或底端适当位置开一馈电圆孔；传输装置2包括传送带21、支撑滚轮22、可调速电动机和动力滚轮23。传送带21从窄缝112穿过，由支撑滚轮22支撑；在所述窄缝112附近贴上吸波材料，吸波材料粘附于圆柱形金属腔体11与传送带21接口处的外侧；传送带21上有阻挡条211以防止反应物位置偏移，阻挡条211是传送带21上的长条状突起，每一段之间有缝隙以便于在两端动力滚轮23处转弯；支撑滚轮22有若干个，均匀分布于圆柱形金属腔体11两侧，用以支撑传送带21的重量；传送带21的两端接动力滚轮23，动力滚轮23由可调速电动机驱动；馈电装置包括耦合环31、匹配调节器32、微波源33和同轴传输线34，微波源33连接同轴传输线34的一端输出微波能，同轴传输线34的另一端从馈电圆孔进入圆柱形金属腔体11内部，将其中心导体伸出并弯成环形作为耦合环31，它将微波能耦合进圆柱形金属腔体11形成的反应腔中；匹配调节器32是连接同轴传输线34和圆柱形金属腔体11的装置，它是由固定环和固定螺钉组成；固定环位于圆柱形金属腔体11的圆孔处以封闭圆柱形金属腔体11与同轴传输线34之间的缝隙；固定螺钉用来压紧同轴传输线34以使之固定，并在松开时可以调节同轴传输线34的伸入长度从而达到良好匹配；耦合环31的终端连接于圆柱形金属腔体11的内壁上并保持良好的电接触；支撑装置由承重工作台41、下支架42和上支架43组成，支撑滚轮22、可调速电动机和动力滚轮23固定于承重工作台41上，圆柱形金属腔体11的下部由下支架42固定，上支架43固定于承重工作台41上且圆柱形金属腔体11的上部由上支架43固定使圆柱形金属腔体11的上下两部分严格对齐；承重工作台41和下支架42固定在合适地面上。

微波源33的频率应当根据加工物件的物理化学特性不同，找到较恰当的微波频段，例如915MHz和2450MHz，通常较低频率的微波能保持较好的穿透性从而提高反应均匀性。设微波源33输出频率为f，空气中光速为c，则圆柱形金属腔体11的半径a应满足c/2.057f<a<c/2.613f。传送带21的位置是根据加工物件的大小而定的，原则是尽量让加工物件的中心位于圆柱形金属腔体11的轴线上，而厚度根据加工物件的体积和重量而定，原则上不超过2cm；再根据传送带21的位置和厚度确定窄缝112的位置和宽度；截止波导横截面的形状根据加工物件的形状和体积确定，可以是矩形、圆形、半圆形等：矩形横截面的长边应小于c/20f，其衰减为S＝21T/L(dB)，L为矩形横截面对角线长度，T为截止波导的长度；圆形横截面的直径D应小于6.9/f(英寸)，其衰减为S＝32T/D(dB)，由此根据微波源33的输出功率和国家1mW/cm²的最大辐射标准可确定截止波导的长度T。半圆形或其他横截面形状的尺寸根据对应形状波导截止频率高于微波源33输出频率而确定。圆柱形金属腔体11的全长在1m以上即可获得良好的反应效果，适当加长可以提高反应效率。耦合环31的圆心位置可以位于圆柱形金属腔体11轴线中心的上方或下方，耦合环31的直径略小于圆柱形金属腔体11内的波导波长，精确值需用仿真和实验确定，同时需调节匹配调节器32，降低微波源33指示的反射系数直到接近0，以获得良好的匹配。可调速电动机控制加工物件输送速度，由它与微波源33输出功率共同控制微波反应程度和速率。

进一步的，上述技术放开可以作如下变化：(1)本发明通常工作在915MHz或2.45GHz的民用工业用微波频率下，一种变化是通过改变整体尺寸和馈电结构以适应不同频率微波来满足更多的需求。(2)对截止波导可以在横截面上作形状的变换以适应加工物体的形状，如矩形、圆形、椭圆形等，只要满足截止条件不至于使微波泄漏出来即可。(3)馈电方法也可以由同轴传输线34变为金属波导，这时耦合方法由耦合环31变为耦合缝隙。(4)传送带21可采用多种材料，如以尼龙、芳纶为骨架的橡胶传送带或高分子材料传送带。材料需有较低的损耗和较薄的厚度。

本发明利用的电场分布在圆柱腔的中轴线处非常集中且较均匀的原理，同时在不破坏TM₀₁模场分布的前提下，在圆波导圆柱形金属腔体11的两侧各开一条窄缝112，使传送带21能稳定的固定在圆波导圆柱形金属腔体11中下部，这样待加热物品能充分地与中部电磁场反应，大大提高了反应效率，速度和均匀度。可以开缝是因为TM₀₁模的电磁场在圆柱形金属腔体11内壁上的表面电流仅存在轴向分量，沿轴向的窄缝112既不会影响反应器内的场分布也不会辐射出来形成泄漏。图4显示了微波能量泄漏比(泄漏与馈入的总能量之比)与窄缝112宽度的关系，从图中可以看出，当缝宽小于20mm时，微波能的泄漏比小于0.05％，即使在输入功率10kW的情况下，泄漏功率仅为5W，完全可被窄缝112外覆盖的吸波材料吸收，远低于国家1mW/cm²的标准。在任一点处物体对微波的吸收功率计算公式是：P＝56.62×10^-12fE²ε”(其中f为微波频率，E为该处的电场强度，ε”为材料的复介电常数的虚部)。由此看出在其他变量不变的情况下，提高电场强度对吸收功率的提高有较大贡献，可以达到提高反应速度的目的。

以实施例1为基础进行设计，要保证由耦合环31激励起的电磁场在圆柱反应腔内为TM₀₁模，同时窄缝112的宽度要既允许传送带21穿过又不至于使微波泄漏。另外，耦合环31的位置和半径也需要精心调配使微波能绝大部分馈入反应器中。最后，两端的截止波导在能容纳反应物通过的前提下应当尽可能的小，同时保证足够的长度使微波能不至于泄漏。

具体的尺寸为：圆柱形金属腔体11长1m，直径251.84mm，厚度5mm，材料铜；传送带21宽0.45m，厚4mm，材料橡胶；窄缝112缝宽0.45mm，与圆柱形金属腔体11圆心处距离30mm，软性吸波材料贴附于圆柱形金属腔体11外侧，传送带21与圆柱形金属腔体11接口处。微波源33采用2.4GHz-2.5GHz可调微波源，同轴传输线34采用50-16型硬同轴线，耦合环31为一半圆形，其半径为89.07mm，圆心位于圆柱形金属腔体11的中央，距离圆柱形金属腔体11端面0.5m。匹配调节器32的调节范围为±50mm。截止波导采用BJ-18型标准波导，长129.54mm，宽64.77mm，厚2mm。

本实例与传统矩形波导微波反应器和脊波导微波反应器相比，在保证均匀性的前提下，效率有了明显的提升。我们以圆柱形金属腔体11长度都为1米的三种微波反应器作对比，从图5可以看出，随着实验物(长条形煤块)体积的增大，它对微波的吸收能力越来越强，但对于各种体积的被测的实验物，本实例设计的微波反应器中实验物的吸收效率(吸收功率/微波源输出功率)都比已有的另两种反应器高2.5倍以上。本发明达到预期目的。

实施例2：在实施例1的基础上，将圆柱形金属腔体11的长度变为2m，馈电装置中的耦合环31的圆心距离圆柱形金属腔体11端面1m，同时耦合环31半径调整为90.89mm。

实施例3：在实施例1的基础上，将截止波导替换为内表面半径为78.50mm的C14型标准圆波导。圆波导的圆心与圆柱形金属腔体11的圆心重合，在圆波导的侧壁与圆柱形金属腔体11相应的位置开两条对称的细缝使传送带21能从中间穿过。本例使例如边长为50～90mm的正方形截面(或其它截面)的物品的加工成为可能，大大拓展了本反应器的应用范围。

实施例4：如图2所示，在实施例1的基础上，将馈电装置从原位置移动至圆柱形金属腔体11的下方，方向倒转180°其他参数不变。本实例较实例1稍减小反应效率约10％，不会影响均匀性，在某些情况下会使布线更方便，进而降低制作成本。

Claims (6)

1.一种连续传送式圆波导微波反应器，包括反应装置(1)、传输装置(2)、馈电装置、支撑装置；其特征在于，反应装置包括圆柱形金属腔体(11)，设置在圆柱形金属腔体一端面上向外延伸的四棱柱形进料口(12)，另一端面上对应设置的出料口；在进料口、圆柱形金属腔体和出料口的侧壁对应开设有两条用于设置水平传送带的窄缝(112)；

传输装置包括：传送带(21)、支撑滚轮(22)、可调速电动机和动力滚轮(23)，传送带从窄缝穿过，由若干均匀设置于圆柱形金属腔体两侧的支撑滚轮支撑，传送带由动力滚轮带动，动力滚轮由可调速电动机驱动；

馈电装置包括：耦合环(31)、匹配调节器(32)、微波源(33)和同轴传输线(34)；其中微波源通过穿过匹配调节器的同轴传输线与耦合环的一端连接，耦合环为金属半圆环，正对着传送带设置于圆柱形金属腔体内壁，其直径与圆柱形金属腔体的内壁重合，其末端与圆柱形金属腔体的内壁有良好的电接触；

支撑装置包括：承重工作台(41)、下支架(42)和上支架(43)；支撑滚轮、可调速电动机和动力滚轮设置于承重工作台上，圆柱形金属腔体窄缝下部由下支架固定，承重工作台通过上支架与圆柱形金属腔体窄缝上部固定，使圆柱形金属腔体的上下两部分严格对齐；承重工作台和下支架固定在地面上。

2.如权利要求1所述的一种连续传送式圆波导微波反应器，其特征在于所述窄缝(112)附近的圆柱形金属腔体外壁上贴有吸波条，用于阻挡圆柱形金属腔体内部的微波从窄缝泄漏出去。

3.如权利要求1所述的一种连续传送式圆波导微波反应器，其特征在于所述进料口和出料口设置有吸波条，用于阻挡圆柱形金属腔体内部的微波从进料口和出料口泄漏出去。

4.如权利要求1所述的一种连续传送式圆波导微波反应器，其特征在于所述传送带(21)上设置有两条间隔距离与进料口宽度相等的阻挡条，防止反应物在传送过程中位置偏移。

5.如权利要求1所述的一种连续传送式圆波导微波反应器，其特征在于所述匹配调节器(32)由固定环和固定螺钉组成，固定环用于封闭圆柱形金属腔体与同轴传输线之间的缝隙，固定螺钉用来压紧同轴传输线以使之固定，并在松开时可以调节同轴传输线的伸入长度。

6.如权利要求1所述的一种连续传送式圆波导微波反应器，其特征在于所述耦合环(31)为同轴传输线内导体的延伸，将该延伸的中心导体弯曲成半圆，其半径与圆柱形金属腔体内壁重合，其末端与圆柱形金属腔体内壁有良好的电接触。