CN1963334A - 一种微波加热气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热气体的装置，包括设备控制系统(1)和与之连接的微波源系统，在由非磁性金属材料制成的加热炉体(10)内由耐火材料构成一加热气体通道(4)，在加热气体通道(4)外层包裹有保温材料结构(9)，在加热气体通道(4)内设有蓄热体(5)，加热气体通道(4)两端具有气体入口和气体出口，且在加热气体通道(4)两端分别设有防微波泄漏装置(8)，在气体入口设有与设备控制系统(1)电连接的气体流量控制装置(12)，在气体出口设有与设备控制系统(1)电连接的接触式测温装置(7)，至少一个与设备控制系统(1)连接的微波源系统安装在加热炉体(10)上与加热气体通道(4)对应。本发明是一种快速、高效、节能、环保、安全的微波加热气体的装置。

Description

一种微波加热气体的装置

技术领域

本发明涉及一种加热气体装置，更具体地说，它涉及一种用微波加热气体的装置。

背景技术

加热气体(包括加热空气)在工农业生产及居民生活中有着广泛的用途，如高炉冶炼、陶瓷坯体干燥、食品干燥杀菌、冬季的大棚蔬菜及居民取暖等。加热气体主要有三种方式，一种为直接加热气体；一种为先加热固体物质，然后通过固体与气体之间的换热而加热气体；另一种为先加热气体，经过气固换热-固气换热两道换热或多道换热的加热方式。因为气体的热容小，蓄热能力低，第一种较难产生大流量的高温气体；后二种采用固体物质作为蓄热体，只要采取热容大的材料及合适的换热方式，后二种容易产生大流量的高温气体。

从气体加热热源来分，目前主要有以下四种。一、燃烧加热，如燃气(如煤气、天然气等)、燃煤及燃油(如柴油等)加热；二、电加热，采用电阻丝(如铁铬钕等)及半导体(如硅钼棒等)作加热元件；三、红外加热；四、微波加热。第一种加热热源，优点为成本低、资源广泛，缺点为热效率低、加热气体主要为空气、燃烧时产生大量的有害气体造成环境污染。在全球自然资源日益紧缺、环境恶化的今天，此种加热热源日益受到人们的质疑。第二种优点为加热无污染，缺点为热传递速度慢、热效率不高。第三种优点为加热无污染、热效率高，缺点为耐高温加热元件有限，较难得到大流量高温气体，一般与前两者结合使用。第四种原理和结构上与前三者不同，微波加热是通过能量的转换进行加热，而前三种是通过能量的传递进行，微波加热中发热体与能量发生元件(微波源系统)分离、加热气体与能量发生元件也分离，只有发热体产生热量，能量发生元件并不会被加热，因此结构设计较为容易、设备稳定性较好、可以加热气体的种类较广；同时加热热效率高、热传递速度快、加热无污染，理论上可以产生无限高温度的气体，是一种较为有前途的加热热源。目前市场上，气体加热设备主要采用第一种加热热源。

目前国内外关于气体加热的发明专利很多，其中绝大部分采用燃气、燃油及燃煤作加热热源，只有少部分采用电加热、红外加热及微波加热作加热热源；而且加热的气体几乎全部单为空气，可以加热多种气体且可以产生高温大流量的气体的装置及设备的报道也几乎没有。为了说明本发明的特点，下面摘要选取几个有代表性的相关专利作对比说明。

公开号为CN1276433的专利《高风温高炉热风炉》，是一种改进型的燃气热风炉，采用两个辅助蓄热室将煤气和助燃空气分别预热，预热后燃烧产生高温烟气，高温烟气与主燃烧室的烟气混合，主燃烧室的烟气温度被提高，再与陶瓷球体换热后排出大气中，然后陶瓷球体与清洁空气间进行换热，从而得到高温热空气。该类型的热风炉可以产生大流量高温热风，广泛应用于高炉冶炼行业，大流量热风温度最高可以到1200～1300℃。缺点为：该热风采用燃烧加热方式，燃烧产生大量的二氧化碳气体及一些有害气体，污染环境，加热效率低。

公开号为CN87211748的专利《多层筒式红外热风炉》，采用煤或其它固体燃料为燃料的，在不同温区炉壁的钢板上，分别涂有高温高辐射、中温高辐射、低温高辐射红外涂料，冷空气被烟气和炉壁二次加热而变成热空气。该热风炉热效率高，热效率可达60％～78％，节省燃料。缺点为：该热风炉采用了燃烧加热，有污染环境的烟气排出；炉壁采用钢材材质，耐热温度有限，换热结构简单，换热面积小，难以得到高温大流量的加热气体。

公开号为CN2060863的专利《电热式实验型高温热风炉》，采用镍铬铝和硅钼棒两级加热结构，采用热电偶、温度调节仪、可控硅电压调整器和炉用变压器组成的温控系统来控制和调节加热气体温度。该热风炉加热无污染，加热空气最高温度可到1600℃，其风量可达34标米³/小时，升温速度快、可以自动控制气压和加热气体温度。缺点为：换热结构简单，换热面积小，虽采用两级加热结构，也难以得到大流量高温气流；电加热热效率低；加热元件受高温热空气氧化影响，容易损坏。

公开号为CN2355263的专利《微波空气加热装置》，采用微波直接加热吸波材料来加热空气。该加热装置热效率高，无污染，加热速度快。缺点为：该加热装置结构过于简单，无控温系统，无耐火保温结构，安全性差，难以得到大流量高温气流，应用局限性大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种快速、高效、节能、环保、安全的微波加热气体的装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的微波加热气体的装置，包括设备控制系统和与之连接的微波源系统，在由非磁性金属材料制成的加热炉体内由耐火材料构成一加热气体通道，在所述的加热气体通道外层包裹有保温材料结构，在所述的加热气体通道内设有蓄热体，所述的加热气体通道两端具有气体入口和气体出口，且在所述的加热气体通道两端分别设有防微波泄漏装置，在所述的气体入口设有与所述的设备控制系统电连接的气体流量控制装置，在所述的气体出口设有与所述的设备控制系统电连接的测温装置，至少一个与所述的设备控制系统连接的微波源系统安装在所述的加热炉体上与所述的加热气体通道对应。

所述的微波源系统由微波发生器和传输波导组成，所述微波发生器通过传输波导连接在所述加热炉体上，所述传输波导与所述加热炉体炉体间的连接处设有气密装置，保障加热炉体内气体及灰尘不得进入传输波导内。传输波导将微波发生器产生的微波传送到加热炉体中，并对微波的传输做相应的控制，防止加热炉体内的微波返回微波发生器而损坏微波发生器。

由耐火材料构成的加热气体通道，在所述的加热气体通道外层包裹有保温材料结构，耐火材料应具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀的特点，材质可以为刚玉、刚玉莫来石、氧化镁-氧化钛、碳化硅等。由耐火材料构成的加热气体通道与气体入口处和气体出口处相连，连接处有耐火保温材料，以避免内层耐火材料与炉体直接接触，同时使加热气体密封在由耐火材料构成的加热气体通道内。外层保温材料结构紧密包裹在加热气体通道外面，起隔热保温的作用，材质可以为硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维、氧化铝纤维等轻质材料。

所述测温装置采用接触式测温装置。

采用上述技术方案的微波加热气体装置，其工作过程如下述：冷气体从气体入口进入加热炉体，气体入口处装有气体流量控制装置，气体直接进入蓄热体内部。设备控制系统控制微波源系统产生微波，微波被传输进入加热炉体，加热炉体中的蓄热体吸收微波，高频交变的电磁波使蓄热体内部分子运动加剧，分子间相互摩擦而转化为热能，蓄热体温度升高。蓄热体为多孔状结构，冷气体从孔中通过。蓄热体通过辐射和传导的方式将热能传递给气体，气体被加热。加热气体在耐火保温结构内流动。在气体出口处，测温装置直接测量热气体的温度，反馈给设备控制系统，设备控制系统通过程序控制微波源系统的输出功率大小和气体流量控制装置来控制加热气体的温度或温度差。所述气体入口处和气体出口处都有防微波泄漏装置，保障微波泄漏在国家标准范围以内。本发明微波加热气体装置可以多个串联或并联连接，以得到更高温度和更大流量的加热气体。

本发明的原理和有益效果是：当微波能量进入放置有介质材料的微波腔体后，介质材料中新形成的偶极子或原有的偶极子，在高频交变电磁场中发生重排，剧烈运动，产生类似于磨擦的作用，从而产生大量的热。介质材料的热量直接交换给从中流动的加热气体，加热迅速；同时采用的是轻质保温材料，可以有效提高加热效率。而常规加热(燃烧、电加热)，是由外部热源通过热辐射加热介质材料，需要多道换热，耐火保温材料比重大、热容大，加热速度慢，加热效率低。微波加热方式与传统加热方式相比有下列显著特点：加热速率快，加热效率高，安全、卫生、无污染。另外红外加热原理与微波加热类似，但其电磁波波长很短，穿透深度小，只能加热很薄的介质材料，且受耐高温加热元件有限的限制，目前很难直接应用于高温加热领域。

综上所述，本发明是一种快速、高效、节能、环保、安全的微波加热气体的装置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明结构的截面图。

具体实施方式

参见图1和图2，在由非磁性金属材料制成的加热炉体10内由耐火材料构成一加热气体通道4，在加热气体通道4外层包裹有保温材料结构9，在加热气体通道4内设有蓄热体5，加热气体通道4两端具有气体入口11和气体出口6，且在加热气体通道4两端分别设有防微波泄漏装置8，在气体入口11设有与设备控制系统1电连接的气体流量控制装置12，在气体出口6设有与设备控制系统1电连接的接触式测温装置7，至少一个与设备控制系统1连接的微波源系统安装在加热炉体10上与加热气体通道4对应。微波源系统由微波发生器3和传输波导2组成，微波发生器3通过传输波导2连接在加热炉体10上，传输波导2与加热炉体10炉体间的连接处设有气密装置，保障加热炉体10内气体及灰尘不得进入传输波导2内。传输波导2将微波发生器3产生的微波传送到加热炉体10中，并对微波的传输做相应的控制，防止加热炉体10内的微波返回微波发生器3而损坏微波发生器3。

由耐火材料构成的加热气体通道4，在加热气体通道4外层包裹有保温材料结构9，耐火材料应具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀的特点，材质可以为刚玉、刚玉莫来石、氧化镁-氧化钛、碳化硅等。由耐火材料构成的加热气体通道4与气体入口处11和气体出口处6相连，连接处有耐火保温材料，以避免内层耐火材料与炉体直接接触，同时使加热气体密封在由耐火材料构成的加热气体通道4内。外层保温材料结构9紧密包裹在加热气体通道4外面，起隔热保温的作用，材质可以为硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维或氧化铝纤维等轻质材料。接触式测温装置7采用双铂铑热电偶。

其工作过程如下述：冷气体从气体入口11进入加热炉体，气体入口处装有气体流量控制装置12，气体直接进入蓄热体5内部。设备控制系统1控制微波源系统产生微波，微波被传输进入加热炉体10，加热炉体10中的蓄热体5吸收微波，高频交变的电磁波使蓄热体5内部分子运动加剧，分子间相互摩擦而转化为热能，蓄热体温度升高。蓄热体5为多孔状结构，冷气体从孔中通过。蓄热体5通过辐射和传导的方式将热能传递给气体，气体被加热。加热气体在耐火保温结构内流动。在气体出口处6，接触式测温装置7直接测量热气体的温度，反馈给设备控制系统1，设备控制系统1通过程序控制微波源系统的输出功率大小和气体流量控制装置12来控制加热气体的温度或温度差。所述气体入口处11和气体出口处6都有防微波泄漏装置8，保障微波泄漏在国家标准范围以内。本发明微波加热气体装置可以多个串联或并联连接，以得到更高温度和更大流量的加热气体。

具体实施例1：

(1)采用15个1kW的微波发生器3，分3组，每组5个，分别连接在加热炉体10前后下侧面，炉体为四方体。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为15mm的刚玉莫来石材质，耐温1600℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度50mm的硅酸铝纤维材料，耐温1260℃。

(3)蓄热体5选用碳化硅材质的蜂窝陶瓷，尺寸为Ф150×300mm，共4节，孔隙率65％，比表面积540m²/m³。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用耐热不锈钢丝网防微波泄漏。

该微波加热气体装置加热气体可以为空气、中性气体及还原性气体，最大输出风量20m³/min，输出风温为室温～1000℃连续可调，加热气体使室温到最高温度不超过30分钟，热效率＞60％，可以应用于物料的烘干加热、催化剂再生、坯体脱胶脱脂等多种领域。

具体实施例2：

(1)采用15个3kW的微波发生器3，分3组，每组5个，分别连接在加热炉体10前后下侧面，炉体为四方体。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为8mm的碳化硅材质，耐温1700℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度100mm的氧化铝纤维材料，耐温1700℃。

(3)蓄热体5选用氧化锆材质的泡沫陶瓷，耐温1750℃，孔径在0.2-3mm范围之间，具有三维网状陶瓷骨架结构和相互贯通气孔。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用碳化硅材料防微波泄漏装置8。

该微波加热气体装置加热气体可以为空气和中性气体及还原性气体，最大输出风量100m³/min，输出风温为室温～1500℃连续可调，加热气体从室温到最高温度不超过60分钟，热效率＞60％，该微波加热气体设备可以应用于矿物冶金、冶炼等领域。

具体实施例3：

(1)采用15个1kW的微波发生器3，分5组，每组3个，分别间隔连接在加热炉体10每一边的外壁上，炉体为五边体形状。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为15mm的氧化镁-氧化钛材质，耐温1600℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度50mm的硅酸铝纤维材料，耐温1260℃。

(3)蓄热体5选用碳化硅材质的蜂窝陶瓷，尺寸为Ф150×300mm，共4节，孔隙率65％，比表面积540m²/m³。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用碳化硅材料防微波泄漏装置8。

该微波加热气体装置加热气体可以为空气、中性气体、还原性气体及含腐蚀性气体的气体，最大输出风量20m³/min，输出风温为室温～1000℃连续可调，加热气体使室温到最高温度不超过30分钟，热效率＞65％，可以应用于物料的烘干加热、催化剂再生、高温废气处理等多种领域。

具体实施例4：

(1)采用10个1kW的微波发生器3，分别间隔连接在加热炉体10外壁上，炉体为圆筒形形状。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为15mm的刚玉材质，耐温2000℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度50mm的硅酸铝纤维材料，耐温1260℃。

(3)蓄热体5选用镁锌铁氧体材质的球体陶瓷，尺寸为Ф5mm，孔隙率35％。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用耐热不锈钢丝网防微波泄漏。

该微波加热气体装置加热气体可以为氧气、空气及中性气体，最大输出风量15m³/min，输出风温为室温～1000℃连续可调，加热气体使室温到最高温度不超过20分钟，热效率＞65％，可以应用于高温废气处理、坯体脱胶脱脂等多种领域。

具体实施例5：

(1)采用15个1kW的微波发生器3，分3组，每组5个，分别连接在加热炉体10前后下侧面，炉体为四方体。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为15mm的刚玉莫来石材质，耐温1600℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度50mm的硅酸铝纤维材料，耐温1260℃。

(3)蓄热体5选用堇青石材质的蜂窝陶瓷，蜂窝孔壁上涂附碳化硅涂层，尺寸为Ф150×300mm，共4节，孔隙率65％，比表面积540m²/m³。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用耐热不锈钢丝网防微波泄漏。

该微波加热气体装置加热气体可以为空气、中性气体及还原性气体，最大输出风量20m³/min，输出风温为室温～1000℃连续可调，加热气体从室温到最高温度不超过30分钟，热效率＞60％，可以应用于物料的烘干加热、催化剂再生、坯体脱胶脱脂等多种领域。

具体实施例6：

(1)采用15个3kW的微波发生器3，分3组，每组5个，分别连接在加热炉体10前后下侧面，炉体为四方体。

(2)加热气体通道4的耐火材料选用厚度为8mm的碳化硅材质，耐温1700℃；保温材料结构9的保温材料选用厚度100mm的氧化铝纤维材料，耐温1700℃。

(3)蓄热体5选用氧化锆材质的泡沫陶瓷，耐温1750℃，孔径在0.2-3mm范围之间，具有三维网状陶瓷骨架结构和相互贯通气孔。

(4)气体入口11处和气体出口6处采用碳化硅材料防微波泄漏装置。

(5)将5台该微波气体加热设备并联于一起。

该微波加热气体装置加热气体可以为空气和中性气体及还原性气体，最大输出风量450m³/min，输出风温为室温～1500℃连续可调，加热气体使室温到最高温度不超过60分钟，热效率＞65％，该微波加热气体设备可以应用于冶金、冶炼等领域。

本发明可以加热多种氧化或还原性气体及具有腐蚀性气体，可以广泛应用于需要热气体的多种工业领域中，如食品干燥杀菌、陶瓷坯体干燥脱胶、矿石煅烧处理、催化剂再生、化学合成等。

本发明如上述系一种利用微波加热气体的装置，具有安全无污染、加热速度快、换热效率高、可以加热多种氧化或还原性气体及具有腐蚀性气体、可以自动控制加热气体温度及维护方便的特点。很明显，本发明虽然可以通过多种实施例来实现，但都难以脱离本发明所述的主旨和范围。

Claims (7)

1、一种微波加热气体的装置，包括设备控制系统(1)和与之连接的微波源系统，其特征是：在由非磁性金属材料制成的加热炉体(10)内由耐火材料构成一加热气体通道(4)，在所述的加热气体通道(4)外层包裹有保温材料结构(9)，在所述的加热气体通道(4)内设有蓄热体(5)，所述的加热气体通道(4)两端具有气体入口和气体出口，且在所述的加热气体通道(4)两端分别设有防微波泄漏装置(8)，在所述的气体入口设有与所述的设备控制系统(1)电连接的气体流量控制装置(12)，在所述的气体出口设有与所述的设备控制系统(1)电连接的测温装置(7)，至少一个与所述的设备控制系统(1)连接的微波源系统安装在所述的加热炉体(10)上与所述的加热气体通道(4)对应。

2、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述的微波源系统由微波发生器(3)和传输波导(2)组成，所述微波发生器(3)通过传输波导(2)连接在所述加热炉体(10)上，所述传输波导(2)与所述加热炉体(10)炉体间的连接处设有气密装置。

3、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述的加热气体通道(4)的耐火材料应具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀的特点，材质为刚玉、刚玉莫来石、氧化镁-氧化钛或碳化硅。

4、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述的保温材料结构(9)的材质为硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维或氧化铝纤维等轻质材料。

5、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述测温装置(7)采用接触式测温装置。

6、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述的微波源系统的频率在300MHz-300GHz范围内。

7、根据权利要求1所述的微波加热气体的装置，其特征是：所述蓄热体(5)为材料吸波性能强、耐高温、耐氧化、耐腐蚀，其成分组成根据不同的加热气体要求可以为由氧化物陶瓷材料、碳化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料、复相陶瓷材料等强吸波物质的一种或多种组成。