CN106237957A - 一种连续传送式准无衍射波微波反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波能应用装置领域，提供一种连续传送式准无衍射波微波反应器，包括反应装置、传输装置、馈电装置和支撑装置；馈电装置包括辐射器、馈电波导、功率分配及移相器、同轴传输线和微波源；微波源通过同轴传输线与功率分配及移相器的输入端连接，功率分配及移相器的输出端与若干馈电波导连接，馈电波导穿过金属腔体与辐射器连接，辐射器位于金属腔体背面正中下部位置，辐射器上开设有与馈电波导对接且大小相同的矩形辐射口。本发明采用多馈口馈入生成无衍射波照射反应物的方式，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。

Description

一种连续传送式准无衍射波微波反应器

技术背景

本发明属于微波能应用装置领域，特别涉及一种连续传送式准无衍射波微波反应器。

背景技术

近年来，大功率微波反应器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；但是，用于固态物料加工的反应器尚面临诸多问题。首先，微波能的应用进入了大规模工业化的阶段，单次处理的微波反应器已不再适应工业化连续生产的需要；如公开号为CN102946655A的专利文献中，对固体物料需要每次将物料手动放入反应器内，反应完成后再手动取出，效率低、操作繁琐、安全性差。其次，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；它们都属于单模谐振式微波反应器，在一定程度上存在着容量小，场分布不均匀，微波能利用不够充分，加工速度偏慢等缺点；虽然圆波导反应器一定程度上解决了这些问题，但它仍为单模谐振式，容量较小，仅能加工小体积少量样品，不能满足大体积物料连续加工的迫切需求；如公开号为CN105338677A的专利文献中公开一种管道式工业微波加热装置，微波馈入装置均匀设置于管道结构外部，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，但其仍是使用波导馈入形式加热且需要由多个微波源实现，馈电结构复杂，且物料填入操作麻烦，且难以加工较大的物料。

针对大型微波反应器的应用需求，非谐振式微波反应腔被提出，反应腔的体积大大提高；其原理是通过合理设计，向大型反应腔内直接馈电，产生多种场模式，使腔内的场集中于某一特定区域，同时在此处放置导管、传送带等使待加工物件连续匀速地通过场集中区域，从而达到加热或提高化学反应速率的目的；但依然面临场不集中，反应均匀性差，反应效率低，能耗大，难以加工固体等缺点。如公开号为CN104667849A的专利文献中采用蛇形波导馈电，其仅能对气体和液体样本进行连续加工，同时蛇形波导馈电并不均匀，波导后端辐射越来越弱，最末尾还需装置吸收未辐射的能量造成浪费。

依据现有大规模工业微波反应器的应用需求，需要一种高效、均匀、快速的大型连续式微波反应器与现有的生产线相接合，以达到降低能耗、提高效率，保证加工一致性的目的。基于此，本发明针对大型非谐振式微波反应器的馈电方式和场分布进行创新性改进，以进一步改善反应器的反应效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种连续传送式准无衍射波微波反应器，将现有波导口直接馈入微波照射反应物的方式改为多馈口馈入生成无衍射波照射反应物的方式，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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种连续传送式准无衍射波微波反应器，包括反应装置、传输装置、馈电装置和支撑装置；其特征在于，反应装置包括立方体空心金属腔体(11)，设置在金属腔体一侧面上向外延伸的两端不封闭的立方体空心金属进料口(12)，另一侧面上对应设置形状大小一致的出料口(13)，进料口(12)和出料口(13)的内壁上贴附吸波材料；

传输装置包括：传送带(21)、动力滚轮(22)、支撑滚轮(23)和可调速电机，传送带穿过金属腔体(11)、进料口(12)及出料口(13)并与其底部相接触，传送带下部由若干均匀设置于金属腔体下侧的可转动支撑滚轮支撑，传送带由动力滚轮带动，动力滚轮由可调速电机驱动；

馈电装置包括：辐射器(31)、馈电波导(32)、功率分配及移相器(33)、同轴传输线(34)和微波源(35)；功率分配及移相器(33)由同轴转波导功分器(331)和波导功分移相器(332)组成；其中微波源通过同轴传输线与功率分配及移相器的输入端连接，功率分配及移相器的输出端与若干馈电波导连接，馈电波导穿过金属腔体(11)与辐射器连接，辐射器为一实心立方体金属块、位于金属腔体(11)背面正中下部位置，所述辐射器上开设有与馈电波导对接且大小相同的矩形辐射口，辐射口上附有薄石英玻璃以防止物料掉入；

支撑装置包括：承重工作台(4)；反应装置、传输装置和馈电装置设置于承重工作台上；承重工作台固定在地面上。

进一步的，所述辐射器(31)辐射出准无衍射电磁波，其上每个矩形辐射口的出射场的幅度和相位根据其距离辐射器中心的距离来确定，满足如下分布：

E(ρ)＝E₀J₀(k_Bρ)

其中，E₀为中心辐射口的馈电电场强度，J₀为零阶贝塞尔函数，K_B为径向波束，ρ为辐射口中心距辐射器中心距离。

本发明是一种连续传送式准无衍射波微波反应器，由合理布局的辐射器辐射出准无衍射电磁波从侧面作用于加工物料上，由于无衍射波避免了电磁波在空间中传播时的衍射效应，其场强不随传播距离衰减，具有能量集中，穿透力强，作用均匀，效率高的优点，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。准无衍射电磁波需要辐射口面场服从贝塞尔函数的幅相分布，即辐射器(31)的每个矩形辐射口的出射场的幅度和相位根据其距离辐射器中心的距离来确定，这是通过调节功率分配及移相器(33)来实现的；具体分布为：

E(ρ)＝E₀J₀(k_Bρ)

其中，E₀为中心辐射口的馈电电场强度；J₀为零阶贝塞尔函数；K_B为径向波束，可用于调控无衍射波的穿透深度，其值越小，穿透深度越大，需金属腔体(11)的高度和辐射器(31)的边长来确定。由此，其余24个辐射口的馈电强度和相位由其辐射口中心距离辐射器(31)中心的距离ρ代入上述公式来确定。此时，从辐射器出射的波为准无衍射波，它避免了电磁波在空间传播时衍射扩展的影响，具有能量集中，作用均匀，作用深度可调，效率高的优点。

在横截面边长为100mm的长条形煤块为反应物的横向比较中，与过去的连续直接馈电式微波反应器相比，本发明中的准无衍射波微波反应器反应效率提升2.4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9％；这表明所有的反应物都能得到良好且高效的反应，不会出现传统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，这也间接地降低了对微波源输出功率的需求，降低能耗的同时节约了成本。

综上，本发明的有益效果在于：

1、本发明不同于现有的直接馈电式，馈电结构生成无衍射波束直接照射反应物料，避免了电磁波传播过程中衍射扩展的影响，电磁能量集中，作用均匀，作用深度可调，反应效率高，节约能源。

2、本发明采用非谐振式结构，腔体形状体积不受场模式与谐振点的限制，采用外置于反应腔的功分移相网络，结构紧凑，不占用反应腔空间，不影响腔内场分布效果，在大型固体物料的加工方面具有独特优势，可与连续流水式生产线相结合，应用于大规模工业化生产中。

3、本发明的进料与出料口开放，利用了铺设吸波材料的吸收腔抑制了微波泄漏，开放的结构使样品可连续地直接进入，微波泄漏极小，安全可靠。

附图说明

图1是本发明微波反应器除滚轮和电机部分的侧视图；

图2是本发明微波反应器的主视图；

图3是本发明辐射器31的俯视图；

图4是本发明金属腔体11内中部横截面上电场强度图；

图中：11.金属腔体，12.进料口，13.出料口，21.传送带，22.可调速电机和动力滚轮，23.支撑滚轮，31.辐射器，32.馈电波导，33.功率分配及移相器，34.同轴传输线，35.微波源，4.承重工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

实施例

本实施例提供一种连续传送式准无衍射波微波反应器，包括反应装置、传输装置、馈电装置和支撑装置；其特征在于，反应装置包括立方体空心金属腔体(11)，设置在金属腔体一端面上向外延伸的两端不封闭的立方体空心金属进料口(12)，另一端面上对应设置形状大小一致的出料口(13)，进料口(12)和出料口(13)的内壁上贴附薄吸波材料以防止微波泄漏；传输装置包括：传送带(21)、可调速电机和动力滚轮(22)和支撑滚轮(23)，传送带穿过金属腔体(11)、进料口(12)及出料口(13)并与其底部相接触，传送带下部由若干均匀设置于金属腔体下侧的可转动支撑滚轮支撑，传送带由动力滚轮带动，动力滚轮由可调速电机驱动；辐射器(31)、馈电波导(32)、功率分配及移相器(33)、同轴传输线(34)和微波源(35)；功率分配及移相器(33)由同轴转波导功分器(331)和波导功分移相器(332)组成；其中微波源通过同轴传输线与功率分配及移相器的输入端连接，功率分配及移相器的输出端与若干馈电波导连接，馈电波导穿过金属腔体(11)与辐射器连接，辐射器为一实心立方体金属块，位于金属腔体(11)侧面正中下部位置，其上开有与馈电波导对接且大小相同的矩形辐射口，辐射口上附有薄石英玻璃以防止物料掉入；支撑装置包括：承重工作台(4)；反应装置、传输装置和馈电装置设置于承重工作台上；承重工作台固定在地面上。

本发明是一种连续传送式准无衍射波微波反应器，由合理布局的辐射器辐射出准无衍射电磁波作用于加工物料上，具有能量集中，不同深度作用均匀，效率高的优点，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。准无衍射电磁波需要辐射口面场服从贝塞尔函数的幅相分布，即辐射器(31)的每个矩形辐射口的出射场的幅度和相位根据其距离辐射器中心的距离来确定，这是通过调节功率分配及移相器(33)来实现的。

微波源(35)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，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；金属腔体(11)的大小根据应用场景待加工物件的大小而定；进料口(12)和出料口(13)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，其内壁贴RAT-2G型平板型橡胶吸波材料以防止剩余微波能泄漏，由此根据微波源的输出功率和国家1mW/cm²的最大辐射标准可确定入料出料口的长度。金属腔体(11)的全长在1m以上即可获得良好的反应效果。可调速电动机(23)控制加工物件输送速度，由它与微波源(35)输出功率共同控制微波反应程度和速率。功率分配及移相器(33)的功分比和输出相位由参数k_b唯一确定，k_b根据金属腔体(11)横截面的宽度W和辐射器(31)的边长L确定：

$k_b=\frac{\mathrm{\π}L}{\mathrm{\λ}\sqrt{\frac{L^2}{4}+W^2}}$

其中，λ为电磁波自由空间波长，馈电波导(32)为BJ 26型标准矩形波导，长度须大于0.5倍λ；辐射器(31)上开有与馈电波导(32)个数相等，形状大小相同，位置对应的辐射口，辐射口中心的的横向与纵向间距都为λ。

功率分配及移相器(33)由一个CTW-5型同轴转波导一分五功分器(331)和5个MOW-5型波导一分五功分移相器(332)组成，最终实现1分25同轴转波导功率分配及移相器；同轴传输线(34)首先接入同轴转波导一分五功分器(331)，设图3所示从上至下各端口分别为P₁～P₅，其功分比如下表所示。功分器(331)的5个输出端口分别接一分五功分移相器(332)，功分移相器(332)的输出幅度和相位的设定上文已述，由公式E(ρ)＝E₀J₀(k_Bρ)计算得到。

端口	P1	P2	P3	P4	P5
						功分比	0.11	0.23	0.66	0.23	0.11

本实施例具体的尺寸为：外导体(11)长1.5m，宽1m，高0.6m，材料铜；传送带(21)宽0.6m，厚4mm，材料橡胶；微波源(33)采用2.4GHz-2.5GHz可调频调幅微波源，同轴传输线(34)采用50-16型硬同轴线；进料口(12)和出料口(13)长0.8m，宽0.6m，高0.3m，厚2mm，材料铜，其内壁贴附RAT-2G型平板型橡胶吸波材料，吸波材料垂直入射反射率为-15dB至-20dB，在微波源(33)输出功率为3kW时泄漏功率密度为0.21mW/cm²，符合国家标准。辐射器(31)长612mm，宽612mm，高1mm，材料铜，其上均匀分布25个长86.36mm，宽43.18mm的矩形馈电孔，相邻馈电孔的间距为122.45mm，辐射器(31)上覆盖厚7mm的石英玻璃。馈电波导(32)为BJ 26标准矩形波导，长62mm。

进一步的，上述技术方案可作如下变化：(1)本发明通常工作在915MHz或2.45GHz的民用工业用微波频率下，可以通过改变整体尺寸和馈电函数中参数k_b以适应不同频率微波来满足更多的需求；(2)对进料口(12)和出料口(13)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，通过合理设定其长度使在贴附吸波材料后物料进出口的电磁泄漏小于1mW/cm²即可；(3)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；(4)辐射器(31)上矩形馈电口的形状、大小和数量可做改变，如改为圆形，正方形等。

本发明采用无衍射波照射目标反应物，具有电场强度高，电磁能量集中，作用均匀，作用深度可调，反应效率高的优点。由图4可见，电场在金属腔体11的下部即物料所处位置非常集中且均匀，微波与物料能充分作用。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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种连续传送式准无衍射波微波反应器，包括反应装置、传输装置、馈电装置和支撑装置；其特征在于，反应装置包括立方体空心金属腔体(11)，设置在金属腔体一侧面上向外延伸的两端不封闭的立方体空心金属进料口(12)，另一侧面上对应设置形状大小一致的出料口(13)，进料口(12)和出料口(13)的内壁上贴附吸波材料；

传输装置包括：传送带(21)、动力滚轮(22)、支撑滚轮(23)和可调速电机，传送带穿过金属腔体(11)、进料口(12)及出料口(13)并与其底部相接触，传送带下部由若干均匀设置于金属腔体下侧的可转动支撑滚轮支撑，传送带由动力滚轮带动，动力滚轮由可调速电机驱动；

馈电装置包括：辐射器(31)、馈电波导(32)、功率分配及移相器(33)、同轴传输线(34)和微波源(35)；功率分配及移相器(33)由同轴转波导功分器(331)和波导功分移相器(332)组成；其中微波源通过同轴传输线与功率分配及移相器的输入端连接，功率分配及移相器的输出端与若干馈电波导连接，馈电波导穿过金属腔体(11)与辐射器连接，辐射器为一立方体金属块、位于金属腔体(11)背面正中下部位置，所述辐射器上开设有与馈电波导对接且大小相同的矩形辐射口，辐射口上附有薄石英玻璃以防止物料掉入；

支撑装置包括：承重工作台(4)；反应装置、传输装置和馈电装置设置于承重工作台上；承重工作台固定在地面上。

2.按权利要求1所述连续传送式准无衍射波微波反应器，其特征在于，所述辐射器(31)辐射出准无衍射电磁波，其上每个矩形辐射口的出射场的幅度和相位根据其距离辐射器中心的距离来确定，满足如下分布：

E(ρ)＝E₀J₀(k_Bρ)

其中，E₀为中心辐射口的馈电电场强度，J₀为零阶贝塞尔函数，k_B为径向波束，ρ为辐射口中心距辐射器中心距离。