CN109587859B - 一种波导式液态物料微波加热设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导式液态物料微波加热设备，属于微波加热技术领域。为了实现液体物料微波连续快速升温，设置各波导与物料承载腔壁面以大于等于15°且小于90°的预定角度连接，合理调整波导与物料管路的交汇界面面积，搭配调配器的使用使微波传输过程中反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1，极大提高微波处理运行过程的安全性；物料承载腔壁面上开设的微波馈口处安装用于密封且微波透过性好的材料，使得物料直接从物料承载腔通过；在调配器及波导角度设定完成后，调整各波导相对于物料承载腔壁面的倾斜方向使得物料的升温速率更加符合处理要求。并给出了具体方案构成，且考虑到了微波加热高效性与均匀性的问题，提高了能量的利用率。

Description

一种波导式液态物料微波加热设备

技术领域

本发明涉及一种波导式液态物料微波加热设备，属于微波加热技术领域。

背景技术

微波是指频率范围在300MHz-300GHz之间的电磁波。微波已经广泛应用于现代的雷达及通信技术领域。除应用于通信外，微波对介电物质的加热特性使其成为加工领域的新技术。在传统液态物料加工及处理过程中，加热是至关重要的一环。传统的加热方法通常以蒸汽作为主要能源，例如在牛奶的巴氏杀菌及UHT过程中，高压蒸汽耗能大、热效率低，并且会带来诸多安全隐患。因此，替代蒸汽加热的新型能源引起了学者的广泛关注，其中微波加热技术被视为最具有产业化前景的加热技术之一。

相较传统热加工手段，微波加热具有以下特点：1、时间短，速度快，选择性强；2、辐射加热，在处理过程中不易出现因管壁过热导致的结焦现象；3、能耗少，占地小，自动化程度高；4、装备及配件成本低，维护过程容易实现。同时，微波加热在保持原料的色、香、味及营养成分等方面具有优势，而且无化学物质残留，安全性较高。因此，关注微波加热技术对于传统加工过程的升级优化具有重要意义。

但是，虽然微波加热技术已经在家用微波炉中广泛应用，但是在液态物料工业处理方面推广较少，主要受限于现有的技术及装备，针对微波直接加热流动流体的研究较少。而目前已有的用于液态物料的微波加热设备的设计方案存在以下问题：

1、液态物料的微波吸收过程与流体流动特性(层流、湍流)的匹配问题；

2、波导与物料腔的结合模式仅存在概念上的简单连接，缺乏具体地具有可行性的方案；

3、微波腔体形状各异，造成微波反应腔中微波模式多、稳定性差，无法实现流动流体单模吸收过程；

4、没有考虑微波加热高效性与均匀性的问题，能量利用率低，很难达到液态物料所需处理温度；

5、没有考虑腔体中电磁波的反射问题，存在诸多安全隐患；

6、没有用于液态物料直接加热处理的微波组合装备，且针对不同种类的液态物料，缺乏对材料合理性方面的考量。

发明内容

为了解决目前存在的上述问题，考虑到对食品进行微波加热处理需要满足1、在一定时间内将流体加热至所需处理温度并保持一定的时间；2、磁控管安装方式的合理性，提供足够功率的同时，也要避免电磁波的反射对磁控管的损伤；3、解决复杂的电磁场分布问题，减少或消除设备中冷点位置，使加热均匀；4、微波加热过程的稳定性，微波加热的模式与液体流动过程的匹配；5、适合于液态物料加热的微波组合装备系统，本发明提供一种波导式液态物料微波加热设备。

本发明的第一个目的在于提供一种微波处理装置，所述微波处理装置包括：微波发生系统、波导系统、物料承载腔；所述波导系统至少包括2个波导，各波导按照预定角度安装在所述物料承载腔的外壁开设的微波馈口处，所述预定角度大于等于15°且小于90°；

所述微波馈口处安装有用于密封、具有承载能力且微波透过性好的材料。

可选的，所述材料为低损耗绝缘体，包括石英、聚四氟乙烯、聚丙烯、耐高温玻璃。

可选的，所述材料可根据微波处理的液体种类或用途选择一种材料或多种材料叠加使用。

可选的，当处理食品物料时，需要考虑食品安全性问题，选择相应材料安装在所述微波馈口处。

可选的，调整各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向部分一致使得物料的升温速率符合预定要求。

可选的，所述微波处理装置还包括调配系统，所述调配系统用于调节微波源与负载之间的匹配度，使微波传输过程中的反射系数趋近于0，包括单销钉调配器、三销钉调配器、光子晶体波导阻抗调配器。

可选的，所述调配器安装时使用网络分析仪测定输入回波损耗S11参数，调整调配器的方位和插入深度使S11参数＜-10dB，同时使电压驻波比趋近于1。所述S11参数＝20lg(反射系数)，

可选的，各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向朝向物料承载腔的中间部分。

可选的，各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向完全一致。

可选的，所述物料承载腔为矩形腔体，在物料承载腔相对的壁面上间距一定距离开设微波馈口，各波导通过所述微波馈口与物料承载腔连接。

可选的，各波导的腔体截面与物料承载腔的底面形状大小相同；所述物料承载腔的底面为与物料传输方向垂直的面。

可选的，物料承载腔的相邻的壁面上的微波馈口呈90°旋转关系。

可选的，物料承载腔相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

可选的，物料承载腔四个壁面上的微波馈口螺旋排列。

可选的，所述预定角度范围为[30°,60°]

可选的，所述预定角度为60°。

可选的，所述物料承载腔的出口处加接一段石英玻璃管，用于观察流体物料流动状态。

可选的，所述微波发生系统包括磁控管、冷却装置和铸铝激励腔；所述磁控管一端与铸铝激励腔连接、另一端与冷却装置连接；所述冷却装置包括风冷装置和/或水冷装置；所述风冷装置包括轴流风扇和风罩，用于对磁控管进行散热；在铸铝激励腔与波导系统连接处设置用于避免异物侵入激励腔的防尘板；所述水冷装置包括水冷容器及循环水管路。

本发明的第二个目的在于提供一种连续式微波处理设备，所述设备包括：进料预热工段、上述微波处理装置、冷却收料工段；

所述微波处理装置分别与进料预热工段、冷却收料工段连接。

可选的，所述进料预热工段包括进料罐，所述微波处理装置通过管路与所述进料预热工段连接；

所述进料罐与物料承载腔之间通过螺杆泵输送物料，同时在物料承载腔前设置流量计，用于精确控制进入物料承载腔中的液体物料的流量；所述进料罐设置为夹套结构，且在夹套中设置具有预定温度的热水，用于将进料罐中的液体物料加热到预热温度；且将液体物料进行搅拌均匀，以提高加热速度与均匀性的同时也使其各部分拥有相同的初始温度。

可选的，所述设备还包括恒温处理工段，所述恒温处理工段分别与所述连续式微波处理设备中的微波处理装置和冷却收料工段连接；

所述恒温处理工段包括保温罐、加热装置和盘管；所述保温罐为双层结构；所述盘管安装在保温罐内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体物料恒温处理时间；在保温罐底部安装放水阀，用于放液与换液；在保温罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

可选的，所述冷却收料工段包括冷却罐、冷冻压缩机和盘管；所述盘管安装在冷却罐内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体冷却时间；在冷却罐底部安装放水阀；冷却罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

本发明有益效果是：

通过设置各波导与物料承载腔壁面以大于等于15°且小于90°的预定角度连接，合理调整波导与物料管路的交汇界面面积，搭配调配器的使用使微波传输过程中的反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1，极大提高微波处理运行过程的安全性；物料承载腔壁面上开设的微波馈口处安装用于密封且微波透过性好的材料，使得物料可直接从物料承载腔通过；在调配器及波导角度设定完成后，可以调整各波导相对于所述物料承载腔壁面的倾斜方向使得物料的升温速率更加符合处理要求；物料承载腔为矩形腔体，在物料承载腔相对的壁面上间距一定距离开设微波馈口，各波导通过所述微波馈口与物料承载腔连接，为微波处理提供了具体可行的方案，给出了进料预热工段、恒温处理工段以及冷却收料工段的具体方案构成，且给出了针对液体物料的具体方案，考虑到了微波加热高效性与均匀性的问题，提高了能量的利用率，使得能够达到液态物料的处理温度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微波处理装置结构示意图；

图2是本发明提供的微波处理装置中物料所处位置示意图；

图3是本发明实施例提供的微波处理装置的实物示意图；

图4是本发明实施例提供的波导式液态物料微波加热设备的构成示意图；

其中，101为波导，102为物料承载腔，103为石英玻璃，104为物料，105为微波发生系统；

1-进料预热工段，2-微波加热工段，3-恒温处理工段，4-冷却降温工段，5-进料罐，6-保温夹套，7-搅拌桨，8-螺杆泵，9-电子电源，10-流量计，11-电加热管，12-保温罐，13-冷却罐，14-盘管，15-冷冻压缩机，16-球阀，17-接管，18-方圆过渡管，19-轴流风扇，20-磁控管，21-物料承载腔侧板Ⅰ，22-调配器，23-调配器盖板，24-波导馈口石英玻璃，25-密封法兰，26-物料承载腔侧板Ⅱ，27-速接管，28-E面波导上板，29-铸铝激励腔，30-E面波导侧板，31-风罩，32-E面波导下板，33-波导法兰，34-防尘板，35-法兰固定专用螺钉，36-波导-物料承载腔固定法兰，37-硅橡胶密封O型圈，38-硅橡胶垫板，39-石英玻璃框板，40-H面波导上板，41-H面波导下板，42-H面波导侧板，43-物料承载腔侧板III，44-物料承载腔侧板Ⅳ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种微波处理装置，参见图1至图3，其中图1示出了微波处理装置结构示意图，图2示出了物料所处位置，图3示出了该微波处理装置的实物示意图。

所述微波处理装置包括：微波发生系统105、波导系统、物料承载腔102；所述波导系统至少包括2个波导101，各波导101按照预定角度安装在所述物料承载腔102的外壁开设的微波馈口处，所述预定角度大于等于15°且小于90°；

所述预定角度范围为[30°,60°]。

本实施例以预定角度选择60°为例进行说明。

所述微波馈口处安装有用于密封，具有承载能力且微波透过性好的材料，包括石英、聚四氟乙烯、聚丙烯、耐高温玻璃等低损耗或无损耗绝缘体，可一种材料单独使用或多种材料叠加使用；采用该装置对物料进行微波处理时，物料直接从物料承载腔102中流通，可通过调整各波导101相对于所述物料承载腔102的壁面的倾斜方向部分一致使得物料的升温速率符合预定要求。

物料承载腔102的腔体可以根据实际需要选择合适的腔体形状，比如矩形、椭圆形或其他形状；实际应用中，矩形腔体的制备过程相对容易，所以本实施例中以物料承载腔102的腔体为矩形腔体为例进行说明；

考虑模式较为单一的微波模式能够提高能量稳定性，为达到有效减少腔体内部电磁波分布模式的目的，设计物料承载腔102的底面(与物料传输方向垂直的面)的长宽尺寸与使用的矩形波导腔体截面长宽尺寸相同。

在物料承载腔102的腔体的四个壁面上分别开设微波馈口，为描述方便，将相邻两个壁面分别记作E面和H面；E面和H面上的微波馈口呈90°旋转关系且E面和H面上的微波馈口交叉排列，此安装方式能使微波能量无间断传送至液体物料，减少物料承载腔102内的加热冷点，提高液体加热效率；微波馈口处采用石英玻璃密封，通过外部激光焊接将各波导与物料承载腔102的腔体连接起来，保证物料承载腔102的腔体与波导内壁光滑，为电磁波的均匀分布提供保障，避免了电磁波多余反射的同时，也防止其对微波发生系统105造成损伤。

实际应用中，可调整各波导101相对于所述物料承载腔102的壁面的倾斜方向部分一致或者全部一致使得物料的升温速率符合预定要求；

比如，若采用上述装置对液体物料进行加热杀菌，则为了使得液体物料进入物料承载腔102后的升温速率符合特定的升温曲线，则设置两个E面上的各波导相对于所述物料承载腔102的壁面的倾斜方向都朝向该物料承载腔102的中间位置，而两个H面上的各波导相对于所述物料承载腔102的壁面的倾斜方向一致，如图1所示；

根据实际需要也可以设置全部波导101相对于所述物料承载腔102的壁面的倾斜方向一致或者任意若干个波导101的倾斜方向一致；本发明对此不做限定。

微波发生系统105包括磁控管、冷却装置和铸铝激励腔；所述磁控管一端与铸铝激励腔连接、另一端与冷却装置连接；所述冷却装置可选择风冷装置与水冷装置，本实施例以及下述实施例以风冷装置为例，所述风冷装置包括轴流风扇和风罩，用于对磁控管进行散热；在铸铝激励腔与波导系统连接处设置用于避免异物侵入激励腔的防尘板。

实施例二：

本实施例提供一种波导式液态物料微波加热设备，如图4所示，所述波导式液态物料微波加热设备包括：进料预热工段、实施例一所述的微波处理装置、恒温处理工段、冷却收料工段；

如图4所示，各部分依次连接，其中，1-进料预热工段，2-微波加热工段，3-恒温处理工段，4-冷却降温工段，5-进料罐，6-保温夹套，7-搅拌桨，8-螺杆泵，9-电子电源，10-流量计，11-电加热管，12-保温罐，13-冷却罐，14-盘管，15-冷冻压缩机。其中2-微波加热工段由实施例一所述的微波处理装置构成。

所述进料预热工段1包括进料罐5，所述微波加热工段2通过管路与所述进料预热工段1连接；

所述进料罐5与物料承载腔102之间通过螺杆泵8输送物料，同时在物料承载腔102前设置流量计10，用于精确控制进入物料承载腔102中的液体物料的流量；所述进料罐5设置为夹套结构，且在夹套中设置具有预定温度的热水，用于将进料罐5中的液体物料加热到预热温度；且将液体物料进行搅拌均匀，以提高加热速度与均匀性的同时也使其各部分拥有相同的初始温度。

如图2所示，液体物料104直接从物料承载腔102的腔体中流过，各微波馈口处使用石英玻璃103密封，石英玻璃103与物料承载腔102通过石英玻璃框板连接固定，待加热流体自下而上流经物料承载腔102，物料承载腔102的腔体入口与出口处安装方圆过渡管18，实现外部圆形管路与矩形物料承载腔102的连接。物料承载腔102的腔体由物料承载腔侧板Ⅰ21、物料承载腔侧板Ⅱ26、物料承载腔侧板III 43、物料承载腔侧板Ⅳ44以及方圆过渡管18激光焊接而成，同时波导与物料承载腔之间焊接固定法兰，并通过专用螺钉将波导系统、石英玻璃框板以及物料承载腔等紧密结合。

所述微波加热工段2包括微波发生系统105、波导系统、物料承载腔102；

在物料承载腔102的腔体出口处加接一段石英玻璃管，主要用于观察流体物料流动状态，方便对参数进行调控；同时，在物料承载腔102的腔体的出口处安装收料阀门，改变收料阀门的连接情况能够改变物料流向，灵活取料。

所述微波发生系统105包括磁控管20、风冷装置和铸铝激励腔29；所述微波发生系统105中，微波源频率为2450MHz，频率波动小于2MHz。磁控管20可选用松下微波管，额定功率为1kW，功率可通过智能控制系统进行实时调控，磁控管20外端连接风冷装置，另一端与铸铝激励腔29相连，所述风冷装置由轴流风扇19和风罩31组成，用于使用过程中磁控管20部分的散热，使装置保持正常工作状态。铸铝激励腔29与波导系统连接处设置防尘板，能够避免粉尘等异物侵入激励腔，并起到导流空气和一定的散热作用，两者通过波导法兰连接。

所述物料承载腔102如图1所示，所述物料承载腔102为微波腔的主体结构，物料承载腔102的长宽尺寸与使用的矩形波导101相同，所述设计方式能够有效减少物料承载腔102腔体内部电磁波分布模式，模式较为单一的微波模式能够提高能量稳定性。

所述恒温处理工段3包括保温罐12、加热装置和盘管14；所述保温罐12为双层结构；加热装置采用电加热管11，所述盘管14安装在保温罐12内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体物料恒温处理时间；在保温罐12底部安装放水阀，用于放液与换液；在保温罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

所述冷却收料工段4包括冷却罐13、冷冻压缩机15和盘管14；所述盘管14安装在冷却罐13内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体冷却时间；在冷却罐13底部安装放水阀；冷却罐13上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

本发明实施例通过设置各波导与物料承载腔壁面以大于等于15°且小于90°的预定角度连接，合理调整波导与物料管路的交汇界面面积，搭配调配器的使用使微波传输过程中的反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1，极大提高微波处理运行过程的安全性；物料承载腔壁面上开设的微波馈口处安装用于密封且微波透过性好的材料，使得物料可直接从物料承载腔通过，且通过调整各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向部分一致使得物料的升温速率符合预定要求，进一步的，设置各波导相对于所述物料承载腔壁面的倾斜方向朝向物料承载腔的中间部分，使得物料在进入该物料承载腔中间部分时升温速率最大。物料承载腔为矩形腔体，在物料承载腔相对的壁面上间距一定距离开设微波馈口，各波导通过所述微波馈口与物料承载腔连接，为微波处理提供了具体可行的方案，给出了进料预热工段、恒温处理工段以及冷却收料工段的具体方案构成，且给出了针对液体物料的具体方案，考虑到了微波加热高效性与均匀性的问题，提高了能量的利用率，使得能够达到液体的处理温度。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种微波处理装置，其特征在于，所述微波处理装置适用于液态物料，所述微波处理装置包括：微波发生系统、波导系统、物料承载腔；所述波导系统至少包括2个波导，各波导按照预定角度安装在所述物料承载腔的外壁开设的微波馈口处，所述预定角度大于等于15°，且小于90°；液态物料自下而上流经物料承载腔；

所述微波馈口处安装有用于密封、具有承载能力且微波透过性好的材料；

所述微波处理装置还包括调配系统，所述调配系统包括可调节方位和插入深度的调配器，所述调配器设置在波导中；通过调整调配器在波导中的方位和插入深度使微波传输过程中的反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向朝向物料承载腔的中间部分。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各波导相对于所述物料承载腔的壁面的倾斜方向完全一致或者部分一致或者各不相同。

4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述物料承载腔的出口处加接一段石英玻璃管，用于观察流体物料流动状态。

5.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述微波发生系统包括磁控管、冷却装置和铸铝激励腔；所述磁控管一端与铸铝激励腔连接、另一端与冷却装置连接；所述冷却装置包括风冷装置和/或水冷装置，其中，风冷装置包括轴流风扇和风罩，用于对磁控管进行散热；在铸铝激励腔与波导系统连接处设置用于避免异物侵入激励腔的防尘板；所述水冷装置包括水冷容器及循环水管路。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微波发生系统包括磁控管、冷却装置和铸铝激励腔；所述磁控管一端与铸铝激励腔连接、另一端与冷却装置连接；所述冷却装置包括风冷装置和/或水冷装置，其中，风冷装置包括轴流风扇和风罩，用于对磁控管进行散热；在铸铝激励腔与波导系统连接处设置用于避免异物侵入激励腔的防尘板；所述水冷装置包括水冷容器及循环水管路。

7.一种连续式微波处理设备，其特征在于，所述设备包括：进料预热工段、权利要求1-6任一所述的微波处理装置、冷却收料工段；

所述微波处理装置分别与进料预热工段、冷却收料工段连接。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述进料预热工段包括进料罐，所述微波处理装置通过管路与所述进料预热工段连接；

所述进料罐与物料承载腔之间通过螺杆泵输送物料，同时在物料承载腔前设置流量计，用于精确控制进入物料承载腔中的液体物料的流量；所述进料罐设置为夹套结构，且在夹套中设置具有预定温度的热水，用于将进料罐中的液体物料加热到预热温度；且将液体物料进行搅拌均匀，以提高加热速度与均匀性的同时也使其各部分拥有相同的初始温度。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备还包括恒温处理工段，所述恒温处理工段分别与所述连续式微波处理设备中的微波处理装置和冷却收料工段连接；

所述恒温处理工段包括保温罐、加热装置和盘管；所述保温罐为双层结构；所述盘管安装在保温罐内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体物料恒温处理时间；在保温罐底部安装放水阀，用于放液与换液；在保温罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

10.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述冷却收料工段包括冷却罐、冷冻压缩机和盘管；所述盘管安装在冷却罐内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体冷却时间；在冷却罐底部安装放水阀；冷却罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述冷却收料工段包括冷却罐、冷冻压缩机和盘管；所述盘管安装在冷却罐内，用于在提高液体物料换热面积的同时，保证足够的液体冷却时间；在冷却罐底部安装放水阀；冷却罐上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

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