CN115942529B - 一种连续流微波加热装置及加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续流微波加热装置及加热方法，属于微波技术领域，包括矩形波导、圆波导、金属管和转换部件；所述矩形波导左端设有微波馈入口，矩形波导上表面设有圆波导；所述圆波导内设有金属管；所述金属管和圆波导同轴设置；所述金属管上端和圆波导上端形成物料加热区；所述金属管上端和圆波导上端之间连有可透微波管；所述可透微波管内设有第三物料通道；所述矩形波导内设有转换部件，且转换部件位于金属管的下端；所述转换部件用于将矩形波导内传输的微波馈入物料加热区；所述第三物料通道内固定有中心轴；所述中心轴为金属材质。本发明能有效改善微波加热装置进行连续流物料微波加热时均匀性差、效率低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种连续流微波加热装置及加热方法。
背景技术
微波加热技术是物料吸收微波能使物料中极性分子与微波电磁场相互作用的结果，与传统的加热方法相比，微波加热具有高效节能、清洁无污染等特点。在食品加工、化工、医药等领域常常需要对连续流物料进行加热，例如对牛奶的杀菌，目前乳品企业普遍采用的一种杀菌方法是先将牛奶加热到一定温度后保持一段时间，然后再进行冷却，从而达到杀菌的目的。若杀菌不够彻底，将极大影响牛奶的品质和风味。
现有技术中，对连续流物料进行微波加热的装置，其结构大多采用同轴结构的微波加热腔体对连续流物料进行加热，如图3所示。基于同轴结构的微波加热腔体由同轴的两个内、外导体及中间的电介质构成，一般同轴结构外导体接地，电磁场被限定在内外导体之间，所以同轴结构的微波加热腔体基本没有辐射损耗。加热时，微波从同轴结构腔体输入端口输入，然后沿着同轴轴向传播，加热连续流物料。然而，从图3和图5仿真结果可以看出，这种方式存在的问题是：1.加热不均匀。从图3可以看出，微波输入后，电场在加热区域的中心聚焦，同一截面内外电场相差大，无法很好地对连续流物料进行均匀加热，例如，在对牛奶进行杀菌时，若不能对牛奶进行均匀加热，则会造成部分牛奶杀菌不彻底，影响牛奶的品质；或是部分位置牛奶加热温度过高，也将影响牛奶的品质。2.加热效率低。电磁波从输入端口输入后逐渐衰减，远端的电场小，使整个微波加热腔体的有效加热区域局限在电场较强的区域，加热效率不够高。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种连续流微波加热装置及加热方法，拟解决如何改善现有微波加热装置对连续流物料加热时均匀性差、加热效率低等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种连续流微波加热装置，包括矩形波导、圆波导、金属管和转换部件；所述矩形波导左端设有微波馈入口，矩形波导上表面设有圆波导；所述圆波导内设有金属管；所述金属管和圆波导同轴设置；所述金属管上端和圆波导上端形成物料加热区；所述金属管上端和圆波导上端之间连有可透微波管；所述可透微波管内设有第三物料通道；所述矩形波导内设有转换部件，且转换部件位于金属管的下端；所述转换部件用于将矩形波导内传输的微波馈入物料加热区；所述转换部件内设有第一物料通道；所述金属管内设有第二物料通道；所述第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道用于连续通过物料；所述第三物料通道内固定有中心轴；所述中心轴为金属材质。
进一步的，所述可透微波管内两端固定有支架；所述支架用于固定中心轴；所述中心轴位于第三物料通道的轴心上。
进一步的，所述支架包括支撑环和若干个叶片；所述支撑环用于支撑中心轴；所述叶片均匀分布在支撑环外表面；所述叶片一端与可透微波管连接；所述叶片使连续流流经叶片后产生旋转运动。
进一步的，所述矩形波导前后侧为窄面、上下侧为宽面；所述矩形波导右端设有金属屏蔽板；所述圆波导的轴心在上下方向延伸；所述金属管下端延伸至矩形波导内。
进一步的，所述转换部件为金属圆台；所述金属圆台和金属管同轴设置，且金属圆台中心设有第一物料通道；所述金属圆台上底面直径小于下底面直径；所述金属圆台下底面直径大于矩形波导的宽面宽度，使金属圆台的前后侧与矩形波导的窄面衔接处为平面。
进一步的，所述金属圆台为空心锥形壳体；所述金属圆台下底面、金属圆台下底面与矩形波导的宽面衔接处均被削去。
进一步的，所述圆波导上端设有上截止波导管，转换部件下表面设有下截止波导管；所述上截止波导管和下截止波导管均与金属管同轴设置；所述金属管上端和上截止波导管下端之间连有可透微波管。
一种连续流微波加热方法，采用上述的连续流微波加热装置，矩形波导左端设有的微波馈入口馈入微波；所述连续流物料匀速依次通过下截止波导管、第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道和上截止波导管。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种连续流微波加热装置及加热方法，属于微波技术领域，包括矩形波导、圆波导、金属管和转换部件；所述矩形波导左端设有微波馈入口，矩形波导上表面设有圆波导；所述圆波导内设有金属管；所述金属管和圆波导同轴设置；所述金属管上端和圆波导上端形成物料加热区；所述金属管上端和圆波导上端之间连有可透微波管；所述可透微波管内设有第三物料通道；所述矩形波导内设有转换部件，且转换部件位于金属管的下端；所述转换部件用于将矩形波导内传输的微波馈入物料加热区；所述转换部件内设有第一物料通道；所述金属管内设有第二物料通道；所述第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道用于连续通过物料；所述第三物料通道内固定有中心轴，所述中心轴为金属材质。本发明能有效改善微波加热装置进行连续流物料微波加热时均匀性差、效率低等问题。
附图说明
图1是本发明连续流微波加热装置整体结构示意图；
图2是本发明连续流微波加热装置剖面示意图；
图3是仿真模拟常规方式加热连续流物料纵向平面的电场分布示意图，常规方式指采用同轴结构方式；
图4是仿真模拟本发明方式加热连续流物料纵向平面的电场分布示意图；
图5是仿真模拟常规方式加热连续流物料输出端口截面的温度分布示意图，常规方式指采用同轴结构方式；
图6是仿真模拟本发明方式加热连续流物料输出端口截面的温度分布示意图；
附图中：1-矩形波导、2-圆波导、3-金属管、4-转换部件、5-下截止波导管、6-上截止波导管、7-金属屏蔽板、8-可透微波管、9-中心轴。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。
实施例一：
见附图1～6。一种连续流微波加热装置，包括矩形波导1、圆波导2、金属管3和转换部件4；所述矩形波导1左端设有微波馈入口，矩形波导1上表面设有圆波导2；所述圆波导2内设有金属管3；所述金属管3和圆波导2同轴设置；所述金属管3上端和圆波导2上端形成物料加热区；所述金属管3上端和圆波导2上端之间连有可透微波管8；所述可透微波管8内设有第三物料通道；所述矩形波导1内设有转换部件4，且转换部件4位于金属管3的下端；所述转换部件4用于将矩形波导1内传输的微波馈入物料加热区；所述转换部件4内设有第一物料通道；所述金属管3内设有第二物料通道；所述第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道用于连续通过物料；所述第三物料通道内固定有中心轴9；所述中心轴9为金属材质。由上述结构可知，本发明涉及一种连续流微波加热装置，如图1和图2所示，包括矩形波导1、圆波导2、金属管3和转换部件4，矩形波导1左端设有微波馈入口，矩形波导1左端可以连接微波源，微波源可选用现有的固态源，微波源产生的微波从矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入；矩形波导1上表面设有圆波导2，圆波导2内设有金属管3，金属管3位于圆波导2底部，金属管3下端可以略微超出圆波导2底部，这里圆波导2内设有金属管3可以是圆波导2至少包含部分金属管3，金属管3外径应小于圆波导2直径，金属管3和圆波导2之间形成有间隙，金属管3和圆波导2同轴设置，轴心相同。金属管3上端和圆波导2上端之间形成物料加热区，连续流物料进入微波加热装置后，在物料加热区被加热。金属管3可采用铜材质。在对连续流物料加热时，例如牛奶，连续流物料可能会流入到圆波导2和金属管3之间的间隙中，导致不能很好地对连续流物料进行加热。因此在金属管3上端和圆波导2上端之间连有可透微波管8，可透微波管8内设有第三物料通道，可透微波管8处于物料加热区且为空心结构，连续流物料可通过可透微波管8，微波也能透过可透微波管8对可透微波管8中的连续流物料进行加热，可透微波管8可采用玻璃管材质。在矩形波导1内设有转换部件4，转换部件4整体位于矩形波导1内，且转换部件4位于金属管3的下端，转换部件4用于将矩形波导1内传输的微波馈入金属管3和圆波导2之间的间隙，最终将微波馈入到物料加热区，在物料加热区内形成相对均匀的电场。转换部件4可以是实心结构，例如金属圆台；也可以是空心壳体结构，例如锥形壳体。转换部件4内设有第一物料通道，金属管3内设有第二物料通道，第一物料通道、第二物料通道和第三物料通道用于通过连续流物料。为了使连续流物料流通性更好，可将第一物料通道、第二物料通道和第三物料通道设置为直径相同的圆柱通道。从图3可以看出，微波输入矩形波导1后，经转换部件4作用，馈入到物料加热区后，电场在物料加热区的中心聚焦，同一截面内外电场相差大，无法很好地对连续流物料进行均匀加热，因此在第三物料通道内固定有中心轴9，中心轴9为金属材质，例如中心轴9可采用铜材质，中心轴9可设置在第三物料通道轴心上。如图4所示，由于设置了中心轴9，金属材质的中心轴9将反射电磁波，物料加热区聚集的电场向两侧分散，使同一截面内外电场分布更加均匀；同时，在第三物料通道设置中心轴9，还可以增强远端的电场，使物料加热区整个区域都能对连续流物料进行加热。加热时，开启微波源，微波从矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入，经转换部件作用后传输至物料加热区，在中心轴9作用下，在物料加热区形成相对均匀的电场。连续流物料可匀速依次通过第一物料通道、第二物料通道和第三物料通道，连续流物料在通过第三物料通道时被加热，由于连续流物料各截面的一圈电场是相对均匀分布的，使连续流物料同一截面的内外温度分布相对均匀，达到同一截平面被相对均匀加热的效果。同时，物料加热区整体电场强度分布比较均匀，连续流物料在通过第三物料通道时能被很好地加热，达到加热目的，提高加热效率。可采用科里奥利流量计使连续流物料保持匀速移动。本发明能有效改善连续流微波加热装置进行连续流物料微波连续加热时的均匀性、提高加热效率。
实施例二：
见附图1～6。在实施例一的基础上，所述可透微波管8内两端固定有支架；所述支架用于固定中心轴9；所述中心轴9位于第三物料通道的轴心上。由上述结构可知，可透微波管8内固定有中心轴9，为了更好地将中心轴9固定在可透微波管8内，同时不会阻碍连续流物料的流通，在可透微波管8内的两端设置有支架，支架固定在可透微波管8内，中心轴9两端固定在支架上，并且使中心轴9位于第三物料通道的轴心上。支架可以是杆状结构，例如，支架中心设置空心圆孔，用于支撑固定中心轴9，以空心圆孔为中心向四周辐射出若干个杆，杆状结构可固定连接在可透微波管8上，这种支架结构既可以固定中心轴9，同时又不会阻碍连续流物料的流通。
所述支架包括支撑环和若干个叶片；所述支撑环用于支撑中心轴9；所述叶片均匀分布在支撑环外表面；所述叶片一端与可透微波管8连接；所述叶片使连续流流经叶片后产生旋转运动。由上述结构可知，支架设置于可透微波管8内，支架通过支撑环来支撑中心轴9，以支撑环为中心，若干个叶片均匀分布在支撑环外表面，叶片一端与可透微波管8连接，若干个叶片形成涡轮状结构，这种支架结构既可以固定中心轴9，同时又不会阻碍连续流物料的流通，并且涡轮状叶片还起着导向的作用，让连续流物料按照预设的通道进行流动，减少干扰；更进一步的，叶片使连续流流经叶片后产生旋转运动，使连续流物料在流动的过程中也产生旋转，提高加热的均匀性。
所述矩形波导1前后侧为窄面、上下侧为宽面；所述矩形波导1右端设有金属屏蔽板7；所述圆波导2的轴心在上下方向延伸；所述金属管3下端延伸至矩形波导1内。由上述结构可知，矩形波导1由两个尺寸宽点的侧面和两个尺寸窄点的侧面围成，两个尺寸宽点的侧面即宽面，两个尺寸窄点的侧面为窄面，微波从矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入后，能在矩形波导1中更好地传输。同时，在矩形波导1右侧面设置金属屏蔽板7，能防止从矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入的微波从矩形波导1右端泄露并和反射波形成驻波。圆波导2的轴心在上下方向延伸，圆波导2整体竖直设置在矩形波导1上表面，微波馈入矩形波导1后，经转换部件4作用更好地馈入到竖直设置的圆波导2内。圆波导2至少部分包含金属管3，金属管3下端贯穿出圆波导2下端，并延伸至矩形波导1内。从图3和图4可以看出，将金属管3下端延伸至矩形波导1内，使微波更好地馈入到物料加热区。
所述转换部件4为金属圆台；所述金属圆台和金属管3同轴设置，且金属圆台中心设有第一物料通道；所述金属圆台上底面直径小于下底面直径；所述金属圆台下底面直径大于矩形波导1的宽面宽度，使金属圆台的前后侧与矩形波导1的窄面衔接处为平面。由上述结构可知，转换部件4为金属圆台结构，且金属圆台中心设有第一物料通道，即转换部件4为中空金属圆台结构，金属圆台中心的第一物料通道便于通过连续流物料。金属圆台和金属管3同轴设置，使圆波导2、金属管3和转换部件4均为同轴设置，轴心相同。金属圆台上底面直径小于下底面直径，金属圆台下底面直径大于矩形波导1的宽面宽度。为了微波能从矩形波导1中尽可能地馈入物料加热区中，将转换部件4金属圆台下底面直径大于矩形波导1的宽面宽度，去除超出部分，使金属圆台的前后侧与矩形波导1的窄面衔接处为竖直平面。由于金属管3下端延伸至矩形波导1内，转换部件4设置在金属管3下端，因此金属圆台高度小于矩形波导1的窄面宽度，金属圆台和金属管3配合，能使微波从矩形波导1中馈入到物料加热区，连续流微波加热装置整体结构设计巧妙，成本低。
所述金属圆台为空心锥形壳体；所述金属圆台下底面、金属圆台下底面与矩形波导1的宽面衔接处均被削去。由上述结构可知，金属圆台用于将矩形波导1内传输的微波馈入物料加热区，金属圆台可以设置为实心的，也可以设置为空心锥形壳体。金属圆台设置为空心锥形壳体时，可以将金属圆台下底面被削去，矩形波导1的宽面与金属圆台下底面衔接区域也被削去，二者衔接处密封连接设置，使矩形波导1下底面为凹陷进去的凹面。微波馈入时，在矩形波导1内传输，在空心锥形壳体作用下，沿着空心锥形壳体馈入到圆波导中。将金属圆台设置为空心锥形壳体，在保持原有功能基础上，一定程度减轻连续流微波加热装置的重量，便于装置的移动。
所述圆波导2上端设有上截止波导管6，转换部件4下表面设有下截止波导管5；所述上截止波导管6和下截止波导管5均与金属管3同轴设置；所述金属管3上端和上截止波导管6下端之间连有可透微波管8。由上述结构可知，圆波导2下端与矩形波导1连接，微波经转换部件4馈入到圆波导2内时，微波可能会从圆波导2上端泄露，因此在圆波导2上端设有上截止波导管6。同时，转换部件4内设有第一物料通道，第一物料通道连通外界，便于连续流物料输入与输出，为了防止微波从第一物料通道泄露，因此在转换部件4下表面设有下截止波导管5，与第一物料通道相对应。上截止波导管6和下截止波导管5能使微波加热装置中的馈入的微波保持在微波加热装置中，防止微波泄露。并且，还可以将上截止波导管6和下截止波导管5均与金属管3同轴设置，在圆波导2上端和转换部件4下表面分别形成一个便于连续流物料通过的通道，上截止波导管6和下截止波导管5连同第一物料通道、第二物料通道和第三物料通道共同形成完整的连续流物料通道。通过设置上截止波导管6和下截止波导管5，既便于连续流物料的流入和流出，又能防止微波泄露。
实施例三：
见附图1～6。在实施例二的基础上，一种连续流微波加热方法，采用上述的连续流微波加热装置，矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入微波；所述连续流物料匀速依次通过下截止波导管5、第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道和上截止波导管6。由上述结构可知，采用上述的连续流微波加热装置对连续流物料进行加热时，首先，从矩形波导1左端设有的微波馈入口馈入微波；然后，连续流物料匀速依次通过下截止波导管5、第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道和上截止波导管6，或者是连续流物料匀速依次通过上截止波导管6、第三物料通道、第二物料通道、第一物料通道和下截止波导管5，连续流物料在第三物料通道中被均匀加热。同时，物料在连续流微波加热装置中保持匀速移动，能使加热更均匀，例如可采用科里奥利流量计使连续流物料保持匀速移动。
基于上述一种连续流微波加热方法，在仿真软件中仿真模拟常规连续流微波加热装置和本发明连续流微波加热装置，使用常规方式，即采用同轴结构。从矩形波导1输入端口输入微波，微波源的输入频率为2.45GHz，并采用变异系数CoV指标来衡量加热装置的加热效果。变异系数CoV作为温度均匀性的衡量指标，CoV的值越小，被加热目标的温度分布越均匀。
CoV的计算公式如下：
其中，Ti为被加热物体内部第i个点的体温度，Ta为被加热物体的体平均温度，T0为被加热物体的初始温度。实验中，采用输出端口截面来计算CoV值。
表1对比实验连续流微波加热均匀性对比情况表
| 指标 | 对比实验 | 本发明 |
| CoV | 0.076 | 0.018 |
对比实验：在相同的微波输入频率下，使用常规方式，即采用同轴结构，连续流物料纵向平面的电场分布如图3所示，可以看出，此时电场在加热区域的中心聚焦，同一截面内外电场相差大，无法对连续流物料进行均匀加热；且电磁波从输入端口输入后逐渐衰减，加热面积小，效率低。同时，从图5可以看出，连续流出口截面温度分布存在一定温度差，加热30S后，最大温差为1.244开尔文，出口位置的温度的CoV是0.076。
本发明：采用本发明方案时，在相同的微波输入频率下，连续流物料纵向平面的电场分布如图4所示，可以看出，由于设置了中心轴9，在中心轴9反射电磁波的作用下，连续流中的电场往两边分散。相比于之前对比实验的电场分布，本发明的电场分布在横向和纵向都更加均匀，加热时，整个加热区域都可以对连续流物料进行加热，提高了加热效率。同时，从图6可以看出，本发明在对连续流加热时，连续流出口截面温度分布很均匀，加热30S后，最大温差只有0.5开尔文，计算出口位置的温度的CoV是0.018，本发明相对于对比实验，提高了温度均匀性，使其具有较高的温度均匀性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续流微波加热装置，包括矩形波导(1)、圆波导(2)、金属管(3)和转换部件(4)；所述矩形波导(1)左端设有微波馈入口，矩形波导(1)上表面设有圆波导(2)；所述圆波导(2)内设有金属管(3)；所述金属管(3)和圆波导(2)同轴设置；所述金属管(3)上端和圆波导(2)上端形成物料加热区；所述金属管(3)上端和圆波导(2)上端之间连有可透微波管(8)；所述可透微波管(8)内设有第三物料通道；所述矩形波导(1)内设有转换部件(4)，且转换部件(4)位于金属管(3)的下端；所述转换部件(4)用于将矩形波导(1)内传输的微波馈入物料加热区；所述转换部件(4)内设有第一物料通道；所述金属管(3)内设有第二物料通道；所述第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道用于连续通过连续流物料；其特征在于：所述第三物料通道内固定有中心轴(9)；所述中心轴(9)为金属材质；所述矩形波导(1)前后侧为窄面、上下侧为宽面；所述矩形波导(1)右端设有金属屏蔽板(7)；所述圆波导(2)的轴心在上下方向延伸；所述金属管(3)下端延伸至矩形波导(1)内；所述转换部件(4)为金属圆台；所述金属圆台和金属管(3)同轴设置，且金属圆台中心设有第一物料通道；所述金属圆台上底面直径小于下底面直径；所述金属圆台下底面直径大于矩形波导(1)的宽面宽度，使金属圆台的前后侧与矩形波导(1)的窄面衔接处为平面。
2.根据权利要求1所述的连续流微波加热装置，其特征在于：所述可透微波管(8)内两端固定有支架；所述支架用于固定中心轴(9)；所述中心轴(9)位于第三物料通道的轴心上。
3.根据权利要求2所述的连续流微波加热装置，其特征在于：所述支架包括支撑环和若干个叶片；所述支撑环用于支撑中心轴(9)；所述叶片均匀分布在支撑环外表面；所述叶片一端与可透微波管(8)连接；所述叶片使连续流物料流经叶片后产生旋转运动。
4.根据权利要求1所述的连续流微波加热装置，其特征在于：所述金属圆台为空心锥形壳体；所述金属圆台下底面、金属圆台下底面与矩形波导(1)的宽面衔接处均被削去。
5.根据权利要求1或4所述的连续流微波加热装置，其特征在于：所述圆波导(2)上端设有上截止波导管(6)，转换部件(4)下表面设有下截止波导管(5)；所述上截止波导管(6)和下截止波导管(5)均与金属管(3)同轴设置；所述金属管(3)上端和上截止波导管(6)下端之间连有可透微波管(8)。
6.一种连续流微波加热方法，其特征在于：采用如权利要求5所述的连续流微波加热装置，矩形波导(1)左端设有的微波馈入口馈入微波；所述连续流物料匀速依次通过下截止波导管(5)、第一物料通道、第二物料通道、第三物料通道和上截止波导管(6)。
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