CN115978785B - 一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波加热技术领域，具体涉及一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法。在本发明中，通过采用高效的同轴开缝辐射器，克服了传统微波设备对尺寸及功率的限制，提高了能量利用率并降低了能量损耗，同时，通过采用该同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统对流动液体进行加热，其加热方式新颖，可实现将批处理转化为连续处理，并进一步提高能量利用率及加热均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及微波加热技术领域，尤其涉及一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法。
背景技术
微波作为高效、清洁的能源广泛应用于许多领域，如化工、冶金、电子等工业领域。微波加热是新兴液体加热技术中的一种，具有高效、选择性强、成本低等优势。微波液体加热系统可有效克服传统加热系统依靠由外向内的热对流和传导加热慢的问题，具有极大的应用前景。
然而，传统的微波加热技术主要应用于静态物料加热，对于液体连续流加热应用较少。如Suhail N.Abdullah(Sna A,Kyy A,Cyc B,et al.Optimisation of heatinguniformity for milk pasteurisation using microwave coaxial slot applicatorsystem.2022.)等人提出了一种微波同轴缝隙天线用于优化牛奶巴氏杀菌的加热均匀性。该天线的主体结构为一根终端短路的微波同轴线，在靠近终端处对同轴线的外导体进行整圈的开缝设计，同轴线外部包裹了一层特氟龙外壳用于防止微生物在同轴线外表面生成，避免影响天线性能。基于该天线设计的完整测试系统主要包括电脑控制端、微波功率源、环形器、三销钉调节器、波同转换器、微波同轴缝隙天线、水负载、热成像仪、热电偶传感器等，以及用于盛装牛奶的容器，采用该方法对静态液体进行加热，可有效提高液体加热的均匀性。但正如上述现有技术所表明的，目前已经有有效的方法解决静态物体的加热，而对于连续流液体进行加热，则尚无有效的方法。现有技术中采用微波对连续流液体进行加热时，普遍存在能量损耗高、热点和冷点问题突出、加热不均匀、以及适应性较差等问题，同时，现有的大多数工业微波加热设备通常具有较大的谐振腔，这不仅加快能量的指数衰减，而且导致了系统的制造成本高，限制了其广泛应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法，该同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法通过采用高效的同轴开缝辐射器，克服了传统微波设备对尺寸及功率的限制，提高了能量利用率并降低了能量损耗，同时，通过采用该同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统对流动液体进行加热，其加热方式新颖，可实现将批处理转化为连续处理，并进一步提高能量利用率及加热均匀性。
为达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种同轴开缝辐射器，该同轴开缝辐射器包括：
外导体，所述外导体呈圆管状且至少具有一个封闭端，所述外导体上至少设有一个开缝段，所述外导体于所述开缝段的侧壁上沿轴向方向等距设有多组开缝结构，每组所述开缝结构均至少包括2条沿外导体周向方向间隔均匀分布的缝隙；
内导体，所述内导体同轴地设置于所述外导体的内侧并横贯所述开缝段，所述内导体的一端用于连接同轴馈线。
进一步地，每组所述开缝结构均包括2条沿外导体周向方向间隔均匀分布的缝隙。
进一步地，所述缝隙的宽度为D1，两组开缝结构之间的间距为D2，所述D1与D2之和为1/2微波波长，所述D1与D2长度之比为1:10～15。
进一步地，每组所述开缝结构均包括2条沿外导体周向方向间隔均匀分布的缝隙，且每条所述缝隙的开缝角度均为130～140°，且优选为136.8°。
优选地，所述缝隙宽度为5mm，所述宽度是以平行于所述外导体轴向的方向进行测量和计算。
第二方面，本发明提供的一种连续流液体加热系统，包括：
同轴开缝辐射器，所述同轴开缝辐射器包括由外向内依次设置的外导体和内导体，所述外导体上设有开缝段，所述外导体于所述开缝段的侧壁上沿轴向方向等距设有多组开缝结构，每组所述开缝结构均至少包括2条沿外导体周向方向间隔均匀分布的缝隙，所述内导体同轴地设置于所述外导体的内侧并横贯所述开缝段；
防护层，所述防护层同轴地设于所述外导体的外侧；
以及容器管壁，所述容器管壁同轴地设于所述防护层的外侧且与所述防护层之间设有第一间隙，以形成截面为圆环状且可供容纳物料的加热通道，所述物料优选为流动液体。
进一步地，所述第一间隙的宽度为0.01～0.3微波波长，优选为0.02～0.1微波波长，在实际应用时，可根据流动液体的流速以及微波输入功率等因素进行设计。
进一步地，所述防护层与所述外导体之间设有第二间隙，所述第二间隙的设置，使得该同轴开缝辐射器可独立于所述防护层以及容器管壁转动。
第三方面，本发明提供一种连续流液体加热方法，该加热方法通过上述的同轴开缝辐射器、或上述的连续流液体加热系统对流动液体进行加热。
优选地，该连续流液体加热方法，是采用上述的连续流液体加热系统对流动液体进行加热，所述加热通道的两端分别具有输入端和输出端，所述输入端和输出端相互连通，所述流动液体在加热时可由所述输入端持续向所述输出端流动。
更进一步地，当流动液体由所述输入端持续向所述输出端流动时，所述流动液体与外导体在所述加热通道的圆周方向上可形成相对运动，从而提升对流动液体加热的均匀性。
优选地，为实现该所述流动液体与同轴辐射器的相对转动，当流动液体由所述输入端持续向所述输出端流动时，所述同轴辐射器的内导体与外导体以一定速度绕同轴辐射器的轴心同步转动。
进一步优选地，内导体与外导体的转动速度为30°～720°每秒，在实际应用时，可根据流动液体的流速以及微波输入功率等因素进行设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明克服了已有技术的不足，提出了一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法，具体而言，本发明所设计的同轴开缝辐射器克服了传统微波设备对尺寸及功率的限制，其辐射效率高，可有效提高能量利用率、降低能量损耗，且基于该同轴辐射器所设计的连续流液体加热系统，可实现将批处理转化为连续处理，以提高加热效率，提高经济效益。此外，本发明还通过在加热过程中，使得流动液体在经过加热通道时与外导体在圆周方向上形成相对运动，可进一步地提升对流动液体加热的均匀性以及能量利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种同轴开缝辐射器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的图1A处的局部放大结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种连续流液体加热系统的整体结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的图3B处的局部放大结构示意图；
图5为本发明实施例2提供的一种连续流液体加热系统的横截面结构示意图；
图6为本发明实施例3提供的一种连续流液体加热系统的横截面结构示意图；
图7为本发明实施例5提供的对该连续流液体加热系统的带宽进行鲁棒性分析结果；
图8为本发明实施例5提供的测试组与对照组的加热通道出料口处表面温度测试结果如图8所示；
图9为本发明实施例5提供的连续流液体加热系统对不同相对介电系数的液体进行加热的能量利用率测试结果；
图10为本发明实施例5提供的连续流液体加热系统对不同相对介电系数的液体进行加热的均匀性测试结果。
附图说明：10，容器管壁，11，防护层，21，外导体，22，内导体，31，加热通道，32，第二间隙，40，开缝结构，41，缝隙。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“一端”以及“另一端”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
请参阅图1-2，本实施例提供一种同轴开缝辐射器，该同轴开缝辐射器包括外导体21和内导体22，所述外导体21和内导体22均为导体材料制成，且优选为铝制材料。
在本实施例中，该内导体22的截面呈圆柱状，该外导体21的截面呈圆环状，所述外导体21呈圆管状且具有一个封闭端，该外导体21上设有一个开缝段，所述外导体21于所述开缝段的侧壁上沿轴向方向等距设有多组开缝结构40，每组所述开缝结构40均包括3条沿外导体21周向方向间隔均匀分布的缝隙41，每条所述缝隙41均贯穿所述外导体21。而所述内导体22则同轴的设置于所述外导体21的内侧，且所述内导体22沿所述外导体21的轴向方向横贯所述开缝段，所述内导体22的一端可用于连接同轴馈线，以输入微波。
且每条所述缝隙41的开缝角度为136.8°，缝隙41宽度为5mm，相邻两组开缝结构40之间的间距为56mm，该缝隙41宽度与相邻两组开缝结构40之间的间距之和为1/2微波波长。需要特别说明的是，此处的“开缝角度”为该缝隙41两端点至内导体22轴心的连线所形成的夹角，该缝隙41宽度是以平行于所述外导体21轴向的方向进行测量和计算。
实施例2
请参阅图1-5，本实施例提供一种连续流液体加热系统，该连续流液体加热系统包括同轴开缝辐射器、防护层11以及容器管壁10，其中，所述同轴开缝辐射器包括由外向内依次设置的外导体21和内导体22，所述容器管壁10、防护层11、外导体21以及内导体22由外向内依次同轴设置。且为容纳待加热的物料，所述容器管壁10与所述防护层11之间设有第一间隙，以使得该容器管壁10与防护层11之间形成截面为圆环状且可供容纳物料的加热通道31，当物料被置于所述加热通道31或由所述加热通道31内通过时，可被加热。此外，为便于对物料进行连续加热，该物料优选为可连续运动的流动液体。
在本实施例中，为对物料进行均匀加热，该外导体21上设有开缝段，所述外导体21于所述开缝段的侧壁上沿轴向方向等距设有3～5组开缝结构40，每组所述开缝结构40均包括2条沿外导体21周向方向对称设置的缝隙41，所述内导体22同轴地设置于所述外导体21的内侧并横贯所述开缝段。
在本实施例中，所述防护层11为石英材料，且该防护层11同轴地设于所述外导体21的外侧，以防止该加热通道31中的流动液体渗入至该防护层11内侧。而该容器管壁10优选为不锈钢材料。同时，为使得该流动液体可在通过该加热通道31时被均匀加热，该第一间隙的宽度不宜过大，优选地，该第一间隙的宽度为0.01～0.5微波波长，更优选地，该第一间隙的宽度为0.1～0.3微波波长。
在本实施例中，该防护层11与所述外导体21之间设有第二间隙32，所述第二间隙32的设置，使得该同轴开缝辐射器可独立于所述防护层11以及容器管壁10转动。
实施例3
请参阅图6，本实施例提供一种连续流液体加热系统，该连续流液体加热系统包括同轴开缝辐射器、防护层11以及容器管壁10，本实施例提供的一种连续流液体加热系统与实施例2提供的一种连续流液体加热系统的区别仅在于：该防护层11被固定连接于所述外导体21的外侧，当所述同轴辐射器转动时，该防护层11可随所述同轴辐射器一同转动。
实施例4
请参阅图1-6，本实施例提供一种连续流液体加热方法，该加热方法通过实施例2或实施例3任一提供的一种连续流液体加热系统对流动液体进行加热，该方法具体为：
在该加热通道31的两端分别设置输入端和输出端，所述输入端和输出端相互连通，所述流动液体在加热时可由所述输入端持续向所述输出端流动，在该流动液体由该输入端流向所述输出端的同时，该流动液体与外导体21在所述加热通道的圆周方向上可形成相对运动，以提高其加热的均匀性，具体而言，该相对运动可通过以下任意一种方式形成：
方式1：
当该流动液体沿该加热通道31的轴向方向运动时，该同轴辐射器的内导体22、外导体21以及防护层11以同轴辐射器的轴心为转动轴进行同步转动，且转动速度为50°每秒，从而提升对流动液体加热的均匀性。
方式2：
当该流动液体沿该加热通道31的轴向方向运动时，该同轴辐射器的内导体22以及设于该同轴辐射器外部的防护层11保持静止，而该外导体21以同轴辐射器的轴心为转动轴进行转动，从而提升对流动液体加热的均匀性。
方式3：
当该流动液体沿该加热通道31的轴向方向运动时，设于该同轴辐射器外部的防护层11保持静止，而该同轴辐射器的内导体22和外导体21则以同轴辐射器的轴心为转动轴进行同步转动，且转动速度为50°每秒，从而提升对流动液体加热的均匀性。
方式4：
该同轴辐射器以及设于该同轴辐射器外部的防护层11均保持静止，而该流动液体在沿该加热通道31的轴向方向运动的同时，其也以一定速度沿加热通道31的周向方向运动，以使得该流动液体可与外导体21产生相对运动，从而提升其加热的均匀性。
需要特别说明的是，本发明目的是通过使通过该加热通道31的流动液体与外导体21在所述加热通道31的圆周方向上形成相对运动以提高其加热的均匀性，因此，该相对运动可通过任意一种可实施的方式实现，而不仅限于上述方式1-方式4。
实施例5
本实施例为本发明的测试实施例，其以实施例4中的方式3为实施基础，其中，该外导体21和内导体22长度均为320mm，开缝宽度为5mm，两组缝隙41结构之间的间距为56mm，开缝角度为136.8°，第一间隙宽度设置为3.5mm，所采用的测试微波波长为122mm，测试时外导体21的转动速度为50°每秒，以测试该连续流液体加热系统以及连续流液体加热方法对流动液体加热均匀性的影响，具体测试方法如下：
首先，通过基于有限元分析法的多物理场仿真软件计算该微波连续流液体加热系统频率在2.45GHz的频率下的回波损耗系数(S11)，一般来说，当S11＜-10dB，说明该系统微波能量利用率满足工业需求，计算结果为-12.6501dB,说明该系统满足说明能量损耗较小，能量利用率高。
其次，对该系统的带宽进行鲁棒性分析，结果如图7所示，其实验结果表明，其带宽较宽，频域特性较好。
最后，在微波加热中，一般用COV来评价加热均匀性，其计算公式如下：
其中，所选区域的点温度用Ti表示，平均温度用Ta表示，点总数为n，初始平均温度用T0表示，显然，COV越小，均匀性越好。
采用上述连续流液体加热系统对水进行静态加热100s，其中，测试组中同轴辐射器的内导体22和外导体21同步转动，而对照组中的同轴辐射器保持静止，该测试组与对照组的加热通道31出料口处表面温度测试结果如图8所示。
分别利用基于有限元分析法的多物理场仿真软件求得该连续流液体加热系统的加热通道出料口表面平均温度和COV，其结果如表1所示：
表1测试组和对照组的加热效果对比
表1结果显示，测试组加热效果较对照组明显更为充分、均匀，能量利用率更高。
选取不同相对介电系数的液体对该连续流液体加热系统进行鲁棒性分析。计算其S11和COV，计算结果分别如图9和图10所示，该实验结果表明，本发明提供的连续流液体加热系统对加热液体种类的适用性较好，可以对不同液体实现高效、均匀加热。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (5)
1.一种连续流液体加热系统，其特征在于，包括：
同轴开缝辐射器，所述同轴开缝辐射器包括由外向内依次设置的外导体(21)和内导体(22)，所述外导体(21)上设有开缝段，所述外导体(21)于所述开缝段的侧壁上沿轴向方向等距设有多组开缝结构(40)，每组所述开缝结构(40)均至少包括2条沿外导体(21)周向方向间隔均匀分布的缝隙(41)，所述内导体(22)同轴地设置于所述外导体(21)的内侧并横贯所述开缝段；
防护层(11)，所述防护层(11)同轴地设于所述外导体(21)的外侧；
容器管壁(10)，所述容器管壁(10)同轴地设于所述防护层(11)的外侧且与所述防护层(11)之间设有第一间隙，以形成截面为圆环状且可供容纳物料的加热通道(31)。
2.如权利要求1所述的一种连续流液体加热系统，其特征在于：所述防护层(11)与所述外导体(21)之间设有第二间隙(32)。
3.一种连续流液体加热方法，其特征在于：采用权利要求1～2任意一项所述连续流液体加热系统对流动液体进行加热，所述加热通道(31)的两端分别具有输入端和输出端，所述输入端和输出端相互连通，所述流动液体在加热时可由所述输入端持续向所述输出端流动。
4.如权利要求3所述的一种连续流液体加热方法，其特征在于：当流动液体由所述输入端持续向所述输出端流动时，所述流动液体与外导体(21)在所述加热通道(31)的圆周方向上可形成相对运动。
5.如权利要求3所述的一种连续流液体加热方法，其特征在于：当流动液体由所述输入端持续向所述输出端流动时，所述同轴辐射器的内导体(22)与外导体(21)以一定速度绕同轴辐射器的轴心同步转动。
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