CN105338677B - 管道式工业微波加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波工业加热领域，特别是管道式工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔，其特征在于：所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结构的机械设备；所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。本发明提供的管道式工业微波加热装置，通过改变微波加热腔的结构，从根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率，同时在管道结构成阵列型分布的喇叭式微波馈入装置，大大提高微波辐射效率和均匀性，且解决了微波工业加热不均匀的技术问题；通过设置完美匹配层进一步提高微波加热效率，且防止粉尘、水汽等杂质进入馈口损坏设备。

Description

管道式工业微波加热装置

技术领域

本发明涉及微波工业加热领域，特别是管道式工业微波加热装置。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，微波能作为一种新型的高效率、清洁能源，已广泛应用于工业生产、日常生活等各个领域。微波加热具有“体加热”的特点，“体加热”是一种与被加热物质直接作用的选择性加热方式，代替了传统加热中物质通过介质热传导获得温升的方法，节省了热量在介质中传导所需的时间，减少了在传导介质中的能量消耗，具有高效、节能的特点。然而，微波加热技术在不断发展的同时，也存在着许多问题。

在大规模的工业生产中，采用传统的“隧道式”微波加热装置对固体材料进行加热时，存在不均匀加热、效率低的问题。微波在照射大型固体材料时，其趋肤深度远小于材料的尺寸，造成了微波的能量只集中于材料的表面区域，导致加热不均匀；同时，由于传输带要保持运动，而造成了材料只能填充部分的隧道空间，造成了加热效率低的问题；工业应用中普遍要求设备能够在高温，高压，抗腐蚀等复杂条件下工作，这就加大了微波反应器以及微波加热腔体的要求。

其次，传统的“隧道式”微波加热装置在加热过程中粉尘，水汽等杂质易向上扩散，进入微波馈口损坏设备，尤其是一些在加热过程中会挥发腐蚀性气体的材料，如矿石的微波脱硫等，更不利于使用这种设备进行工业生产。

由于微波波长相对较短，且固体材料内部几乎不存在自然对流，同时微波透射入固体材料时，其趋肤深度远小于材料的尺寸，造成了微波的能量只集中于材料的表面区域，这些因素都会导致加热不均匀的问题。

上述这些因素带来的微波非均匀加热、效率低的问题限制了微波在工业化生产中的应用。

丞待出现一种可以解决上述问题的新型工业微波加热装置。

发明内容

本发明提供的管道式工业微波加热装置，其目的在于提供一种微波加热效率高、加热均匀的新型微波加热装置。

本发明的技术方案是这样实现的：管道式工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔，其特征在于：所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结构的机械设备；所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。

优选地，所述微波馈入装置为喇叭式微波馈入装置。

优选地，所述喇叭式馈入装置以等间距离、等夹角间距成阵列型分布。

进一步地，还设置有匹配层，所述匹配层设置于管道结构的内径。

优选地，所述喇叭式微波馈入装置的个数是8个。

优选地，所述管道结构的内径是110mm。

进一步地，所述机械设备为具有机械手臂的推压板。

本发明提供的管道式工业微波加热装置，通过改变微波加热腔的结构，从根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率；同时在管道结构成阵列型分布的喇叭式微波馈入装置，大大提高微波辐射效率和均匀性，且解决了微波工业加热不均匀的技术问题；通过设置完美匹配层进一步提高微波加热效率，且防止粉尘、水汽等杂质进入馈口损坏设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：管道式工业微波加热装置的立体结构图；

图2：本发明的侧视图；

图3：本发明的俯视图；

图4：不同波导馈口数量和分布结构对应褐煤微波加热温度场COV值曲线；

图5不同管道半径所对应的温度场COV值曲线；

图6：不同平移速度对应褐煤微波加热温度场COV值曲线。

图中：1、加热腔；2、喇叭式微波馈入装置；3、匹配层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开的管道式工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔1，其特征在于：所述加热腔1是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结构的机械设备；所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。

优选地，所述微波馈入装置为喇叭式微波馈入装置2。优选地，所述喇叭式馈入装置以等间距离、等夹角间距成阵列型分布。

进一步地，还设置有匹配层3，所述匹配层3设置于管道结构的内径。

优选地，所述喇叭式微波馈入装置2的个数是8个。优选地，所述管道结构的内径是110mm。

进一步地，所述机械设备为具有机械手臂的推压板。

本发明采用完全填充式管道加热方式处理固体材料，不再利用传输带运输材料，而是将材料填充满整个管道，并通过机械设备匀速推进推出使其以恒定的速度通过加热管道，受到微波作用获得温升，整个加热过程管道空间得到了充分利用，提高了加热效率；采用喇叭式结构的微波馈入装置提高辐射效率和均匀性[21]，引入完美匹配层3进一步提高微波加热效率，且防止粉尘，水汽等杂质进入馈口损坏设备。

图1、图2、图3分别为管道式工业微波加热装置的立体结构图、侧视图和俯视图。如图1、图2、图3所示，该设备主体是一个高为h的金属管道，承装物料的管道内径为110mm，用来填充被加热固体材料；管道周围环绕8个Bj22波导作为微波馈入装置，采用喇叭式结构连接到管道上，波导以等间距离分布，俯视图中可知波导按等夹角间距成阵列型分布。

波导采用喇叭式结构与管道相连，主要原因在于波导采用喇叭式结构进行馈波，能够提高微波的加热均匀性和效率：当喇叭结构的张角变大时，横截面的电场辐射范围越大，物料横截面的电场分布越均匀。当单波导直接与管道相连时，电场辐射范围较小，比较集中于馈口的位置；而当单波导采用喇叭结构与管道相连时，当加入喇叭式结构后，电场辐射范围有明显增大，在电场强度整体基本不变的情况下，使微波能量更加分散的作用于被加热物料，进而提高了微波加热的均匀性。

本发明的金属管道内部设置有完美匹配层3，主要目的是通过完美匹配提高被加热固体材料的功率吸收效率，管道内部加入完美匹配层3后：空气和匹配介质交界面(界面1)，匹配介质和被加热固体材料交界面(界面2)的入射与反射系数满足：

其中η₁、η₂和η₃分别为空气的波阻抗、匹配介质的波阻抗和被加热固体材料的波阻抗。而η_ef为等效波阻抗也就是匹配介质和被加热固体材料在界面1处反射系数和透射系数的等效值，将匹配介质和相对于空气等效成一种物质来看待。而当中间匹配层3的厚度d＝λ/4时，则有：

若η_ef＝η₁，则可以实现Γ₁＝0的波在界面1的全透射,因此得到了：

因此，只需要知道空气和被加热固体材料的介电常数实部既可以得到完美匹配层3的相对介电常数，同时计算出微波在介质中的波长后，就可以计算出完美匹配层3的厚度，对于不同的被加热固体材料，都有其对应相对介电常数和厚度的完美匹配层3。

发明中的完美匹配层3在提高褐煤功率吸收效率的同时，还能够阻隔被加热固体材料与管道和波导馈口的直接接触，不仅能够防止加热过程中产生的水汽、粉尘、腐蚀性气体等杂质对管道和波导馈口的腐蚀，而且能避免这些物质进入波导内部，腐蚀设备，甚至损坏微波源，保证了微波加热过程的安全性，也降低了工业应用时对设备的损耗。

微波加热基本上是一个非均匀加热的过程，由于微波作用于被加热固体材料一般均为损耗介质，在微波能透射入损耗介质的过程中，大部分能量被介质吸收，剩下小部分能量持续透射，因此被加热固体材料对微波能的整个吸收过程是不均匀的。从加热装置的形状、尺寸、结构等因素可以改善和提高微波加热均匀性。

微波馈入端口个数的分析：

首先，微波馈入端口对管道式工业微波加热装置的均匀性起到了决定性的作用，不同数量和结构的波导馈口结构下，被加热固体材料的温度分布情况，并使用其温度场COV值来表征其微波加热均匀性，对比了不同数量和分布结构下的波导馈口对微波加热褐煤均匀性的影响。根据加热均匀性结果，优化馈入端口数量和波导分布结构，从而提高了被加热固体材料的加热均匀性。这里暂取管道内径r＝100mm，设波导馈口的数量为n，相邻波导旋转夹角为α；

当只有一个波导馈口时，褐煤通过管道获得的加热区域非常集中，几乎只有靠近波导口的位置产生了温升，而其他区域没有获得很好的加热效果，但当波导馈口增加到2个，且采取夹角为180°的对面结构进行馈入时，褐煤获得温升的区域比一个波导口有了明显增大，随着波导个数的增加，褐煤通过管道式工业微波加热装置后获得温升的区域也随之增大；波导个数增加的同时，被加热固体材料获得微波加热后横截面内各个区域的温差越小，这就表示温度分布越均匀，且褐煤整体的温升越高。

在不同的波导馈口数量和分布结构条件下，褐煤的温度分布有很大差异，基本遵循着：波导馈口数量越多，褐煤整体温升越高，温度分布越均匀，微波加热均匀性越好的规律。

如图4不同波导馈口数量和分布结构对应褐煤微波加热温度场COV值曲线所示，随着波导馈口数量的增加，温度场COV值整体呈递减趋势，波导馈口数量越少，温度场COV值越大，波导馈口数量越多，温度场COV值越小，在波导数量很少的情况下，增加一个波导，温度场COV值就有明显减小，随着波导馈口的不断增多，曲线变化越小，基本趋于平缓稳定。这就说明，基于本发明的该管道式设备，增加波导馈口的数量，能够提高微波加热的均匀性，但当波导数量增加到8个和10个的时候，温度场COV值分别是0.166，0.142，相差甚微，依次推断若继续增加波导馈口数量，加热均匀性应该和8个馈口情况下没有太大改善，同时我们需要考虑管道周围分布这些波导馈口的面积所限，以及考虑到节约微波能源和设备的精简设计等方面，选择8个波导馈口，以45°等夹角阵列分布环绕在管道外围，是最优的设计方案。

本发明所公开的管道式工业微波加热装置的主体是一个用来承装被加热固体材料的管道，整个微波加热过程都在于将被加热固体材料匀速推进管道并从另一端推出，管道的长度由周围分布的波导数量决定，而管道的半径则需要进一步优化。因为相比于工业应用的装备大尺寸来说，由于微波射入加热对象时的透射深度不够，往往造成非均匀加热的问题，但管道半径的尺寸取的太小又不便于固体材料的加热，而且不便于工业实际应用，因此有必要确定最优的管道半径来实现均匀性较好的微波加热。

对于管道半径的分析：

当波导馈口数量和分布夹角的参数为：n＝8，α＝45°，管道内径r分别取：80mm，90mm，100mm，110mm，120mm，得到了微波加热被加热固体材料，这里是褐煤时，不同管道半径条件下对应的温度分布，

在波导馈口数量和分布结构确定时，褐煤通过管道式装置获得微波加热后的温度分布趋势基本相同，当管道内径r尺寸发生变化时，褐煤获得的温升产生了明显变化，当r＝80mm时，褐煤的温度最大值接近400℃，随着管道内径r逐渐变大，褐煤的温度逐渐降低，当r＝120mm时，褐煤的温度最大值只有160℃，这就说明管道越小，一次通过褐煤的处理量越小，微波能越集中，褐煤的温升也就越高。褐煤温度最高的区域都集中在管道中心处，这是由于单个波导馈口辐射的微波透射入褐煤时，该装置设计中管道周围有8个波导馈口，褐煤纵向通过管道时，中心位置会有电场的叠加作用，所以中心位置的温升就高于其他区域。随着管道的半径增大，中心位置的温度分布颜色与其他区域越接近，也就说明温差越小，整体的颜色分布也越趋于一致，也就是微波加热均匀性越好。

如图5不同管道半径所对应的温度场COV值曲线所示：管道内径r从80mm增大到110mm时，温度场COV值呈递减趋势，当管道内径r继续增大到120mm时，温度场COV值又有所增加，这就说明在管道内径r小于110mm时，随着r的增大，温度场COV值减小，提高了微波加热的均匀性；而管道内径大于110mm后，随着r的增大，温度场COV值增大，降低了微波加热的均匀性。管道内径r之所以存在着110mm这个临界点，是因为当管道内径小于该值时，中心由于电场的叠加产生的温升过高，导致整体加热均匀性变差，而当管道内径大于该值时，虽然中心温升有所降低，但由于周围波导馈口的微波辐射范围较小，在四周产生了较大的温差，也导致整体加热均匀性变差。综上所述，当波导馈口数量和分布参数为：n＝8，α＝45°时，管道内径r取110mm为最优的设计方案，此时微波加热褐煤的均匀性最好。

对于移动速度的分析：

当波导馈口数量和分布参数为：n＝8，α＝45°，管道内径r＝110mm。本文设计的管道式工业微波加热装置与传统隧道式加热设备最大的不同就在于褐煤充满管道并以匀速推进推出，在此过程中受到微波作用获得温升，达到干燥提质的效果，那么褐煤在管道中的移动速度是否影响微波加热的均匀性也成为了关键问题。

针对不同的平移速度，对褐煤微波加热温度分布进行仿真分析，速度Vz分别取0.004m/s，0.006m/s，0.008m/s，0.01m/s，0.02m/s时，出当平移速度从0.004m/s增大到0.02m/s的过程中，在不同的速度下，褐煤微波加热的均匀性并没有发生剧烈的变化，也就是在管道式微波加热装置中，被加热物料的平移速度大小对微波加热温度均匀性几乎没有影响。

如图6不同平移速度对应褐煤微波加热温度场COV值曲线所示，当褐煤的平移速度从0.004m/s增大到0.02m/s的过程中，温度场的COV值都在0.16左右，几乎没有变化，这就说明当褐煤在管道式装置中的平移速度发生变化时，几乎不影响微波加热的均匀性。

以褐煤为例进行说明，当波导馈口的数量和分布，以及管道式加热装置的内径获得了装置尺寸参数，提高了褐煤的加热均匀性，通过调节褐煤在管道中的平移速度，控制褐煤经微波加热后的温度范围，本发明得到褐煤以0.008m/s的平移速度匀速通过管道式装置，受到微波作用后的温度分布情况。

褐煤进入管道210mm后在第一个波导馈口方向获得温升，进入管道340mm后在第二个波导馈口方向获得温升，以此类推，随着推进深度的不断增加，褐煤向前推进过程中在各个波导馈口的方向受到微波持续作用获得温升，直到褐煤推进到1100mm，即推出管道另一端时，出口横截面褐煤的温度分布趋于均匀。褐煤以恒定的速度连续通过管道时，横截面的各个区域先后收到微波作用，依次获得温升，最终使褐煤整体温度趋于一致，达到其干燥所需温度目标值，完成整个加热过程，具有较好的均匀性。

褐煤经该管道式工业微波加热装置加热后，温度最小值达到110℃，最大值达到232℃，满足褐煤干燥提质所需温度区间。由于电场在装置中心位置的叠加作用，管道横截面中心温度偏高；而微波进入具有电磁损耗的材料时，电场强度迅速衰减，形成了装置边缘到中心位置的温度梯度。该加热过程得到褐煤微波加热温度场的变异系数COV＝0.166，温度场COV值相对较小即温度离散程度小，表明该装置处理褐煤的干燥过程具有较好的加热均匀性。

该管道式工业微波加热装置馈入微波的总功率为80kW，褐煤吸收的功率约为77kW，计算得到该装置处理褐煤时微波功率利用率为96.25％。而传统隧道式微波加热装置效率一般在30％左右，该管道式装置的效率较传统装置提高了约2倍左右，极大的降低了非必要的能量消耗和浪费，对于大规模的工业应用具有重要意义。

本发明提供的管道式工业微波加热装置，通过改变微波加热腔1的结构，从根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率，同时在管道结构成阵列型分布的喇叭式微波馈入装置2，大大提高微波辐射效率和均匀性，且解决了微波工业加热不均匀的技术问题；通过设置完美匹配层3进一步提高微波加热效率，且防止粉尘、水汽等杂质进入馈口损坏设备。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.管道式工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔，其特征在于：所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结构的机械设备；所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部；所述微波馈入装置为喇叭式微波馈入装置；所述喇叭式馈入装置以等间距离、等夹角间距成阵列型分布；还设置有匹配层，所述匹配层设置于管道结构的内径；所述匹配层的介电系数与被加热固体材料的介电常数相关；所述匹配层的厚度与微波在被加热固体材料中的波长相关。

2.根据权利要求1所述的管道式工业微波加热装置，其特征在于：所述匹配层的介电系数为：

其中η₁、η₂和η₃分别为空气的波阻抗、匹配介质的波阻抗和被加热固体材料的波阻抗。

3.根据权利要求1所述的管道式工业微波加热装置，其特征在于：所述喇叭式微波馈入装置的个数是8个。

4.根据权利要求1所述的管道式工业微波加热装置，其特征在于：所述管道结构的内径是110mm。

5.根据权利要求2或3或4所述的管道式工业微波加热装置，其特征在于：所述机械设备为具有机械手臂的推压板。