CN110050935B - 一种适用于液态物料的连续式微波uht设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于液态物料的连续式微波UHT设备，属于微波杀菌技术领域。通过设置各波导与微波吸收腔壁面以大于等于15°且小于90°的预定角度连接，合理调整波导与微波吸收腔的交汇界面面积，通过调配器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；微波吸收腔内设置物料承载管路，使得物料可从管路其中流通，同时在管路其入口管壁处设置吸波材料，使得物料进入微波吸收腔后能够迅速升温以达到所需的升温速率要求；且给出了进料预热工段、恒温保持工段以及冷却收料工段的具体方案构成，考虑到了微波杀菌高效性与均匀性的问题，提高了能量的利用率，使得能够达到液体物料UHT处理温度。

Description

一种适用于液态物料的连续式微波UHT设备

技术领域

本发明涉及一种适用于液态物料的连续式微波UHT设备，属于微波杀菌技术领域。

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。在牛奶等传统液态食品加工中，加热杀菌是至关重要的一环。传统的热杀菌方法以巴氏杀菌与超高温瞬时灭菌(Ultra-high temperature instantaneous sterilization，UHT)为主，是典型通过传热介质加热杀菌的方法。目前UHT主要存在以下几个缺点：1、加热能源以高温蒸汽为主，耗能大且热效率低，并且需要相应的蒸汽发生器及锅炉房等配套设施；2、直接加热方式以蒸汽喷射为主，加热牛奶等液态食品时造成管路内表面结焦；3、因管路结焦等问题，每个班次必须进行CIP，这一过程不仅需要消耗大量酸碱，还需要搭设相应管路并设置酸碱原料间，增加了运行成本及安全隐患；4、出现管路内表面结焦的原因是为实现中心物料达到杀菌温度，从而导致管壁处的液态物料过热结焦，“焦”就是以蛋白质为主成分的废弃聊，这一过程不仅浪费能源，而且造成了营养流失。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。

相较传统UHT手段，微波UHT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，减少不必要的营养损失；3、装备及配件成本低，维护过程容易实现且安全性高；4、穿透性强，减少物料中心达到目标杀菌温度所需的能量损耗。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杀菌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，但是在液态物料连续式加热杀菌方面推广较少，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。目前，微波UHT设备的开发设计中主要存在以下问题：

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、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杀菌温度；

4、没有考虑腔体中电磁波的反射问题，存在诸多安全隐患；

5、没有用于液态物料微波UHT的组合装备，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，考虑到对液态物料进行微波UHT需要满足：1、在一定时间内将流体加热至杀菌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、适合于液态物料微波UHT的组合装备系统，本发明提供一种管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、微波吸收腔；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微波吸收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°；

所述微波吸收腔内部还包括物料承载管路。

可选的，所述物料承载管路为物料承载圆管。

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的任意一种或两种以上的组合。

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)，所述

所述

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间距一定距离开设微波馈口，各波导通过所述微波馈口与微波吸收腔连接。

可选的，所述物料承载管路外径与微波吸收腔短边内距相等。

可选的，各波导的腔体截面与微波吸收腔的底面形状大小相同，所述微波吸收腔的底面为与物料传输方向垂直的面；

可选的，微波吸收腔的相邻的壁面上的微波馈口呈90°旋转关系。

可选的，微波吸收腔相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

可选的，微波吸收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45°。

可选的，所述物料承载管路的入口处设置有快速升温装置，所述快速升温装置用于使得物料进入物料承载管路时迅速升温以符合设定的升温速率要求。

可选的，所述物料承载管路的入口处设置有吸波材料；所述吸波材料用于使得物料进入物料承载管路时迅速升温以达到所需的升温速率要求。

可选的，所述设置吸波材料的入口处物料承载管路外径与未设置吸波材料的物料承载管路外径相同。

可选的，各波导相对于微波吸收腔壁面的倾斜方向一致或者部分不一致或者各不相同。

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与水冷；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。所述水冷装置由水冷容器及循环水管路构成。

本发明的第二个目的在于提供一种连续式液态物料微波UHT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；

所述进料罐与微波吸收腔之间通过螺杆泵输送物料，同时在微波吸收腔前设置流量计，用于精确控制进入微波吸收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UHT过程物料中心温度满足：温度130-150℃，保持时间3-5s，同时根据热力致死公式

调整温度及保持时间，使微生物致死率达到UHT要求，使处理后液体达到“商业无菌”状态。

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

所述恒温保持工段包括保温罐、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保持时间；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：

通过设置各波导与微波吸收腔壁面以大于等于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；通过在微波吸收腔内部设置物料承载管路，使得物料可从物料承载管路中流通，同时在物料承载管路的入口处的外侧设置吸波材料，使得物料进入物料承载管路时迅速升温以符合设定的升温速率要求；微波吸收腔为矩形腔体，在微波吸收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微波吸收腔连接，为微波处理提供了具体可行的方案，给出了进料预热工段、恒温保持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。在应用于液态物料UHT过程时，能够显著改善传统蒸汽UHT过程带来的管路结焦等问题。

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是本发明提供的微波处理装置的结构示意图；

图4是本发明提供的物料承载管路的端口结构示意图；

图5是本发明提供的适用于液态物料的连续式微波UHT设备的构成示意图；

图6是本发明提供的微波处理装置的底面示意图；

其中，101为波导，102为微波吸收腔，103为物料承载管路，104为物料，105为吸波材料，106为微波发生系统；

1-进料预热工段，2-微波UHT单元，3-恒温保持工段，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-E面波导上板，19-E面波导侧板，20-E面波导下板，21-微波吸收腔侧板I，22-调配器，23-波导法兰，24-调配器盖板，25-微波吸收腔侧板Ⅱ，26-石英物料管，27-吸波材料，28-速接管，29-轴流风扇，30-风罩，31-铸铝激励腔，32-磁控管，33-微波吸收腔法兰，34-硅橡胶密封O型圈，35-速接管法兰，36-四氟垫板，37-H面波导侧板，38-H面波导下板，39-H面波导上板，40-微波吸收腔侧板III，41-防尘板，42-微波吸收腔侧板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，所述微波处理装置包括：微波发生系统、波导系统、微波吸收腔；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微波吸收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°；

请参考图1和图2，所述微波吸收腔102内部包括物料承载管路103：

该物料承载管路103可选用圆管或其他形状管路。

该物料承载管路103的材料为微波透过性良好的材料，包括石英、聚四氟乙烯、聚丙烯、耐高温玻璃等；下述以石英圆管为例。

所述微波处理装置还包括调配系统，所述调配系统包括可自由调节方位和插入深度的调配器22，所述调配器22设置在波导101中，通过调整调配器22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。实际应用中，调配器22在波导101中的方位和插入深度需要测试后根据测试结果进行确定，例如在使用单销钉调配器时，可以使用网络分析仪测定输入回波损耗S11参数，使S11＜-10dB，同时使电压驻波比趋近于1。

所述S11参数＝20lg(反射系数)，所述

所述

所述预定角度范围为[30°,60°]。

实际应用中，所述预定角度可选45°。

所述物料承载管路103的入口处设置有快速升温装置，所述快速升温装置用于使得物料进入物料承载管路时迅速升温以符合设定的升温速率要求。

实际应用中，在一种实施方式中，通过在物料承载管路103的入口处设置有吸波材料，且设置吸波材料的入口处物料承载管路外径与未设置吸波材料的物料承载管路外径相同。如图5所示，物料承载管路103的内外径分别为d2和d1；可通过改变物料承载管路103的壁厚来使得其外径d1或者d2不变；在另外一种实施方式中，还可通过使用添加了吸波材料的石英玻璃来制备该物料承载管路103的入口段。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。

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，可根据实际情况对各波导的倾斜方向进行调整

所述微波发生系统106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与水冷两种方式，本实施例以及下述实施例以风冷方式为例，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。所述水冷装置由水冷容器及循环水管路构成。

本实施例通过设置各波导与微波吸收腔壁面以大于等于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；通过在微波吸收腔内部设置物料承载管路，使得物料可从物料承载管路中流通，同时在物料承载管路的入口处设置吸波材料，使得物料进入物料承载管路时迅速升温以符合设定的升温速率要求；微波吸收腔为矩形腔体，在微波吸收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微波吸收腔连接，为微波处理提供了具体可行的方案，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热处理温度。

实施例二：

本实施例提供一种微波处理装置，参见图3，本实施例以各波导相对于微波吸收腔壁面的倾斜方向一致为例进行说明，图3给出了该微波处理装置的详细构成，为描述方便，将微波吸收腔相邻两个壁面分别记作E面和H面，其分别对应的也记作E面和H面；

其中，16-球阀，17-接管，18-E面波导上板，19-E面波导侧板，20-E面波导下板，21-微波吸收腔侧板I，22-调配器，23-波导法兰，24-调配器盖板，25-微波吸收腔侧板Ⅱ，26-石英物料管，27-吸波材料，28-速接管，29-轴流风扇，30-风罩，31-铸铝激励腔，32-磁控管，33-微波吸收腔法兰，34-硅橡胶密封O型圈，35-速接管法兰，36-四氟垫板，37-H面波导侧板，38-H面波导下板，39-H面波导上板，40-微波吸收腔侧板III，41-防尘板，42-微波吸收腔侧板IV。

上述微波处理装置包括：微波发生系统106、波导系统、微波吸收腔102；图3所示的波导系统包括12个波导，各波导按照预定角度安装在所述微波吸收腔102的外壁开设的微波馈口处，预定角度为45°；

微波发生系统106包括磁控管、风冷装置和铸铝激励腔；所述磁控管一端与铸铝激励腔连接、另一端与风冷装置连接；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灰尘等异物侵入激励腔的防尘板。

微波吸收腔102内部包含物料承载管路103。

在物料承载管路103的入口管壁处设置有吸波材料；所述吸波材料用于使得物料进入物料承载管路103后迅速升温以达到所需的升温速率要求。

各波导101相对于微波吸收腔102壁面的倾斜方向一致，输送至微波吸收腔102内部的微波能量均匀输出；

该微波处理装置可用于液体的微波加热杀菌过程，包括微波UHT过程，则物料在进入微波吸收腔102内部的物料承载管路103时，由于该物料承载管路103的入口管壁处的外侧设置有吸波材料，可使液态物料进入后升温更加迅速，解决了微波吸收腔入口处微波场强度较弱导致的升温速率缓慢的问题。

实际应用中，可设置物料承载管路103外径与微波吸收腔102短边内距相等，如图6所示。

实施例三：

本实施例提供一种适用于液态物料的连续式微波UHT设备，参见图6，其中1-进料预热工段，2-微波UHT单元，3-恒温保持工段，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。

所述设备包括：进料预热工段1、微波UHT单元2、恒温保持工段3、冷却收料工段4；如图6所示，各部分依次连接，其中微波UHT单元为上述实施例一或实施例二提供的微波处理装置构成；

进料预热工段包括进料罐5，所述进料罐5与物料承载管路103之间通过螺杆泵8输送物料，同时在微波吸收腔102前设置流量计10，用于精确控制进入物料承载管路103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。

微波UHT装置由微波发生系统106、波导系统、微波吸收腔102、微波吸收腔102内物料承载管路103及吸波材料105组成，其中微波发生系统106、波导系统、微波吸收腔102及内部的物料承载管路103均如上述实施例一和实施例二所述，此部分不再进行赘述。所述吸波材料105在进行液态物料微波UHT过程时需要满足一定要求以达到UHT过程所需升温速率：

所述吸波材料的添加位置从物料承载管路103入口开始，至少越过微波吸收腔102壁面上的第一对微波馈口以保证吸波材料能够提前吸收足够多的微波能量。在物料进入物料承载管路103后将这部分热量通过热传导的方式传递给物料，辅以物料自身吸收的微波能量进而实现温度的快速升高。以现行国家标准中对液体食品UHT杀菌设备升温速率的要求为标准，通过上述设定实现在5秒内将液态物料快速加热到至少132℃并离开微波UHT装置，并满足杀菌过程微生物D值、Z值的要求，同时微波加热作为非等温加热过程，微生物致死率(F值)：

是主要考量的指标之一。

在实际应用中，可根据D值、Z值及F值的测定结果对设备参数及装置结构进行改良与优化。恒温保持工段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杀菌时间；在保温罐12底部安装放水阀，用于放液与换液；在保温罐12上部顶盖处设置出气孔，用于平衡内外气压。

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 (9)

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、微波吸收腔；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微波吸收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°；

所述微波吸收腔内部还包括物料承载管路；所述物料承载管路的入口处设置有快速升温装置，所述快速升温装置用于使得物料进入物料承载管路时迅速升温以符合设定的升温速率要求。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述预定角度范围为[30°,60°]。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述快速升温装置为吸波材料，设置有吸波材料的物料承载管路外径与未设置吸波材料的物料承载管路外径相同。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求5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/或与水冷装置；其中，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。

7.一种连续式液态物料微波UHT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；

所述进料罐与微波吸收腔之间通过螺杆泵输送物料，同时在微波吸收腔前设置流量计，用于精确控制进入微波吸收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保持工段，所述恒温保持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；

所述恒温保持工段包括保温罐、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保持时间；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。

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