CN109688653A - 一种微波管路式加热快速升温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波管路式加热快速升温装置，属于微波处理技术领域。通过在物料腔入口处管路设置吸波材料，吸波材料在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前吸收和/或同时强化吸收微波能量，使进入到微波吸收腔的物料利用该微波能量快速升温以达到预定升温速率要求，解决了连续微波加热初期液态物料升温速率较慢的问题，且本发明提供的微波管路式加热快速升温装置，通过波导以大于等于15°且小于90°的预定角度连接在微波吸收腔壁面上，搭配调配器的使用有效防止微波输出后反射回到磁控管内或射入对面波导，极大提高运行过程的安全性。

Description

一种微波管路式加热快速升温装置

技术领域

本发明涉及一种微波管路式加热快速升温装置，属于微波处理技术领域。

背景技术

微波是指频率范围在300MHz-300GHz之间的电磁波。除应用于通信外，微波对介电物质的加热特性使其成为食品热加工的新技术。相较于传统加热方式，微波加热具有加热速度快、加热时间短、选择性好等优势。在微波加热中，首先对材料内部加热，实现带有大的损耗角正切的材料中的传热耗散过程，进而大大缩短某些过程的处理时间并提高能量利用效率，但是这些结论是基于以家用微波炉为主的目前已有的微波加热设备或方法，其主要特征为同一批待处理物料长时间处于微波场中直至反应达到预期效果。

近年来，连续式微波加热越来越受到人们的关注，尤其是在食品、化工、医药领域。与家用微波炉不同，其微波作用腔体固定，液态物质通过管路等传输方式连续单次流过并吸收微波能量。在液态物质连续式微波加热过程中，电磁场通常集中分布在波导馈口处，导致波导馈口附近的电磁场强度较高，当有液态物料流经时，在馈口附近所吸收的微波能量最多，升温速度最快。但是微波腔体的尺寸有限且馈口位置可能距离物料入口处较远，当物料流入微波腔体时便会开始吸收微波能量，但由于入口处能量密度低，这部分液体无法吸收较多微波能量从而导致其升温速率缓慢，微波腔中液体达到高温后保持时间短，导致某些加工过程无法获得预期结果。

例如，在液态物料的杀菌过程中，对杀菌阶段液体的升温速率有较为严格的要求，且较长的高温时间也能使杀菌效果更加均匀彻底；再比如，在微波化学合成中，往往需要将反应物质快速加热至某一特定温度并保持一定时间直至反应结束，以保证生成物的产率、晶型等诸多要求。目前针对液态物质的连续式微波加热研究还不是十分广泛，其主要原因之一就在于腔体中电磁场的不确定性所导致的液体入口处升温速度慢、加热不均匀等问题，实现液态物料在微波腔体中快速升温以达到预期温度成为亟待解决的问题之一。如何解决连续微波加热初期液态物料升温速率较慢的问题是推动这一技术发展的关键。

发明内容

为了解决目前存在的连续微波加热初期液态物料升温速率较慢的问题，本发明提供了一种微波管路式加热快速升温装置。

一种微波管路式加热快速升温装置，所述装置包括：微波吸收腔以及位于微波吸收腔壁面上的波导系统；所述微波吸收腔壁面上开设有微波馈口，所述波导系统中各波导通过所述微波馈口与所述微波吸收腔连接；所述微波吸收腔内部包含物料承载管路，所述物料承载管路的入口处具有吸波材料，所述吸波材料用于在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前吸收和/或同时强化吸收微波能量，使进入到微波吸收腔的物料利用该微波能量快速升温以达到预定升温速率要求；

所述波导系统包括至少两个波导，各波导与微波吸收腔的壁面以预定角度连接，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

可选的，所述吸波材料的添加位置从微波吸收腔入口开始，至少越过微波吸收腔壁面上的第一对微波馈口以保证吸波材料吸收足够的微波能量。

可选的，所述吸波材料包括但不限于碳化硅、石墨烯、铁氧体及新型纳米材料等微波吸收材料。

可选的，所述物料承载管路的入口处具有吸波材料包括使用混合有吸波材料的物质制备入口处一段管路，吸波材料在管路上的安装结构包括但不限于木梳结构、片层结构、束径结构与内嵌结构。

可选的，所述微波吸收腔的入口处管路处的外径与管路其他位置处的外径相同。

可选的，所述预定角度范围为[30°,60°]。

可选的，各波导中设置调配器，所述调配器用于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；

可选的，所述微波吸收腔为矩形腔体，在微波吸收腔相对的壁面上每间距一定距离开设微波馈口，微波吸收腔相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

可选的，通过设置各波导相对于微波吸收腔壁面的倾斜方向一致或者部分一致或者各不相同能够改变输送至微波吸收腔内部的微波能量的输出模式。

本发明还提供一种微波处理设备，所述微波处理设备包括上述微波管路式加热快速升温装置。

可选的，所述微波处理设备还包括微波发生系统；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。

本发明还提供上述微波管路式加热快速升温装置和/或上述微波处理设备在食品、化工领域内的应用。

可选的，所述应用为针对液态物料的处理。

本发明有益效果是：

通过在微波吸收腔内部物料承载管路的入口处处设置吸波材料，吸波材料在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前吸收和/或同时强化吸收微波能量，使进入到微波吸收腔的物料利用该微波能量快速升温以达到预定升温速率要求，解决了连续微波加热初期液态物料升温速率较慢的问题，且本发明提供的微波管路式加热快速升温装置，通过波导以大于等于15°且小于90°的预定角度连接在微波吸收腔壁面上，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；进一步的，通过物料承载管路的入口处外径与管路其他位置处的外径相同，既方便物料承载管路与外部管路连接，同时易于拆卸与更换，并且又有助于微波吸收腔的密封，有效防止微波泄漏；进一步的，微波吸收腔设置为与波导形状相同的矩形腔体，有效减少微波吸收腔内的微波输出模式，提高了微波能量的稳定性和高效性。

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管路式加热快速升温装置示意图；

图2是本发明提供的微波管路式加热快速升温装置安装结构示意图；

图3是本发明提供的微波处理设备示意图；

图4是本发明提供的连续式微波杀菌设备示意图；

其中，101为波导，102为微波吸收腔，103为物料承载管路，104为吸波材料，105为微波发生装置；

201为进料预热工段，202为微波处理设备，203为恒温处理工段，204为冷却收料工段。

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管路式加热快速升温装置，参见图1，所述装置包括：微波吸收腔以及位于微波吸收腔壁面上的波导系统；所述微波吸收腔壁面上开设有微波馈口，所述波导系统中各波导通过所述微波馈口与所述微波吸收腔连接；所述微波吸收腔内部包含物料承载管路，所述物料承载管路的入口管路处具有吸波材料，所述吸波材料用于在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前吸收和/或同时强化吸收微波能量，使进入到微波吸收腔的物料利用该微波能量快速升温以达到预定升温速率要求；

所述吸波材料的添加位置应从物料承载管路入口开始，至少越过微波吸收腔壁面上的第一对微波馈口以保证吸波材料吸收足够的微波能量。

所述波导系统包括至少两个波导，各波导与微波吸收腔的壁面以预定角度连接，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

如图1至图3所示，101为波导，102为微波吸收腔，103为微波吸收腔102的入口处一段，104为吸波材料。

实际应用中，波导101通常设置为矩形，考虑到模式较为单一的微波模式能够提高能量稳定性，为达到有效减少微波吸收腔102内部电磁波分布模式的目的，设计微波吸收腔102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101腔体截面长宽尺寸相同。故本实施例以微波吸收腔102为矩形腔体为例进行说明，且微波吸收腔102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101腔体截面长宽尺寸相同。

为描述方便，将矩形微波吸收腔102相邻两个壁面分别称为E面和H面，在E面和H面分别开设微波馈口，用于安装波导和其他设备，其他设备为实现其他功能的装置，比如超声装置等；

在矩形微波吸收腔102的两个E面和两个H面上分别开设相对的微波馈口，且两个H面上的微波馈口与两个E面上的微波馈口交叉开来；

(需要进行说明的是，E面和H面上微波馈口可根据实际需要开设，并不一定为上述位置关系，本实施例仅以上述位置关系为例进行说明。)

同时，由于波导腔体截面为矩形，所以在相邻的E面和H面上的微波馈口呈90°旋转关系。

各波导通过上述微波馈口采用外部激光焊接方式将波导101和微波吸收腔102连接起来。

可根据实际需要设置各波导101相对于微波吸收腔102的壁面的倾斜方向，如图1所示，本实施例以各波导101的倾斜方向一致为例进行说明，此时，向微波吸收腔102内输送的微波能量均匀输出，在其入口处103，因为入口处103距离第一个馈口存在一段距离，所以当物料刚进入微波吸收腔102中时，由于微波能量少，所以势必会导致其升温较慢，从而达不到升温速率要求，特别是针对液态物料，需要在一段时间内迅速升至某一温度，要求其升温速率较高，所以在该入口处103管路外侧设置吸波材料104，吸波材料104在物料进入微波吸收腔102之前已经吸收了部分微波能量，从而在物料进入到此处时即可将微波能量传输给物料，同时可以配合物料自身吸收的微波能量，使其快速升温，升温速率符合要求。

如图2所示，吸波材料的安装的形式结构包括：木梳结构、片层结构、束径结构以及内嵌结构。所述木梳结构与片层结构不仅能够将提前吸收的微波能量传递给液态物料，同时也能使液态物料自身吸收微波能量，达到强化吸收的目的，使物料快速升温达到预定要求。

上述几种安装方式使入口处管路103的外径d1与管路其他位置处的外径相同，既方便微波吸收腔102与外部管路连接，同时又有助于微波吸收腔102的密封，有效防止微波泄漏；

(需要进行说明的是，在实际应用中，也可综合考虑各种因素来确定是否需要改变微波吸收腔的外径d1或是内径d2；各种因素包括是否容易实现、成本等。)

(需要进行说明的是，各波导相对于微波吸收腔壁面的倾斜方向可根据实际需要设定，上述实施例仅以倾斜方向一致为例进行说明。)

上述波导中还设置有调配器，用于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。

实施例二

本实施例提供一种微波处理设备，参见图3，在实施例一所述的微波管路式加热快速升温装置的基础上添加微波发生系统用于液态物料的加热、杀菌或者其他微波处理。

所述微波发生系统由磁控管、冷却装置及铸铝激励腔组成，所述磁控管根据实际需求选型，其一端与铸铝激励腔相连，另一端连接冷却装置，所述冷却装置包括风冷装置和/或水冷装置，所述风冷装置由轴流风扇和风罩组成，用于使用过程中磁控管部分的散热，使装置保持正常工作状态。铸铝激励腔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；所述水冷装置包括水冷容器及循环水管路；本实施例以冷却装置采用风冷装置为例进行说明。

在图3表示的微波处理设备202的基础上增加进料预热工段201、恒温处理工段203以及冷却收料工段204即可得到连续式微波处理设备，如图4所示。

进料预热工段204包括进料罐，进料罐与微波管路式加热快速升温装置之间通过螺杆泵输送物料，同时在进入微波管路式加热快速升温装置前设置流量计，精确控制进入微波加热腔中的液体流量，进料罐是利用夹套中一定温度的热水将罐体中液态物料加热到预热温度，并使用搅拌桨等工具将料液充分搅拌均匀，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。

所述恒温处理工段203由保温罐、电加热装置及盘管组成，所述保温罐为双层结构，起到更好保温作用的同时，也为避免因温度过高而带来的安全隐患。所述盘管安装在保温罐体内，提高液体换热面积的同时，保证足够的液体恒温处理时间，使液体达到所需处理要求。所述电加热装置为电加热管，根据实际情况选取功率及个数，在保温罐底部安装放水阀，方便放液与换液。保温罐上部有顶盖，顶盖上有一出气孔，主要为防止罐内蒸汽压过高造成安全问题。

所述冷却收料工段204由冷却罐、冷冻压缩机及盘管组成，所述盘管安装在冷却罐内，提高液体换热面积的同时，保证足够的液体冷却时间，例如，迅速的降温有助于杀灭液体中残余微生物，使液态物料进一步满足处理要求。所述冷冻压缩机根据降温流体流量选定，在冷却罐底部安装放水阀。冷却罐上部有顶盖，顶盖上有一出气孔，主要用于平衡内外气压，保证设备安全运行。

考虑到应用于食品液态物料处理中时，外部管路可以选用316、316L不锈钢材料制备。

通过在微波吸收腔入口管路处设置吸波材料，吸波材料在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前和/或同时强化吸收微波能量，以便在物料进入微波吸收腔后利用该微波能量快速升温以符合预定升温速率要求，解决了连续微波加热初期液态物料升温速率较慢的问题，且本发明提供的微波管路式加热快速升温装置，通过波导以大于等于15°且小于90°的预定角度连接在微波吸收腔壁面上，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；进一步的，通过微波吸收腔的入口处管路处的外径与管路其他位置处的外径相同，既方便微波吸收腔与外部管路连接，同时易于拆卸与更换，并且有助于微波吸收腔的密封，有效防止微波泄漏；进一步的，微波吸收腔设置为与波导形状相同的矩形腔体，使得微波吸收腔内的微波处于单一的微波模式，提高了微波能量的稳定性和高效性。

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 (10)

1.一种微波管路式加热快速升温装置，其特征在于，所述装置包括：微波吸收腔以及位于微波吸收腔壁面上的波导系统；所述微波吸收腔壁面上开设有微波馈口，所述波导系统中各波导通过所述微波馈口与所述微波吸收腔连接；所述微波吸收腔内部包含物料承载管路，所述物料承载管路的入口处具有吸波材料，所述吸波材料用于在物料进入到微波吸收腔后辅助物料提前吸收和/或同时强化吸收微波能量，使进入到物料承载管路的物料利用该微波能量快速升温以达到预定升温速率要求；

所述波导系统包括至少两个波导，各波导与微波吸收腔的壁面以预定角度连接，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物料承载管路的入口处具有吸波材料包括使用混合有吸波材料的物质制备入口处一段管路，吸波材料在管路上的安装结构包括但不限于木梳结构、片层结构、束径结构与内嵌结构。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述物料承载管路的入口处管路外径与管路其他位置处的外径相同。

4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述预定角度范围为[30°,60°]。

5.根据权利要求1-4任一所述的装置，其特征在于，各波导中设置调配器，调节所述调配器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。

6.根据权利要求1-5任一所述的装置，其特征在于，所述微波吸收腔为矩形腔体，物料在其内部的物料承载管路内流通，在微波吸收腔相对的壁面上每间距一定距离开设微波馈口，微波吸收腔相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

7.根据权利要求1-6任一所述的装置，其特征在于，通过设置各波导相对于微波吸收腔壁面的倾斜方向一致或者部分一致或者各不相同能够改变输送至微波吸收腔内部的微波能量的输出模式。

8.一种微波处理设备，其特征在于，所述微波处理设备包括权利要求1-7任一所述的微波管路式加热快速升温装置。

9.权利要求8所述的微波处理设备和/或权利要求1-7任一所述的微波管路式加热快速升温装置在食品、化工、医药领域内的应用。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用为针对液态物料的处理。