CN209982770U - 一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种连续式液态物料微波‑超声耦合处理设备，属于微波处理技术领域。通过微波装置与超声装置的排列方式实现微波作用为主、超声作用为辅的微波‑超声耦合处理过程。通过波导安装角度及波导中调配器的使用极大程度地降低了微波加热液态物料过程中电磁波反射的风险，使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，使物料承载腔内流体加热更均匀，使微波效应与超声空化效应高效结合，提升液态物料处理效果。搭配进料预热、恒温处理及冷却收料工段，实现对液态物料的连续化微波‑超声耦合处理过程。

Description

一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备

技术领域

本实用新型涉及一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，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。除广泛应用于通信技术领域外，微波对介电物质的加热特性使其成为食品热加工的新兴技术之一。相较传统加热手段，微波加热的特点包括：1、时间短，速度快；2、辐射加热，穿透性强，在处理过程中不易出现因管壁过热导致的结焦现象；3、选择性强，与物质介电性质有关；4、能耗少，占地小，自动化程度高；5、装备及配件成本低等。因此，关注微波加热技术对于升级优化传统加工过程具有重要意义。

超声波是一种振动频率大于20KHz的机械波，目前超声波已经应用于物料干燥、灭菌以及物质提取等诸多领域。超声波在流体中的作用与其空化作用有关，超声空化是指在流体中由于超声的物理作用，流体的某一区域会形成局部的暂时负压区，于是在流体中产生空穴或气泡。这些充有蒸汽或空气的气泡处于非稳定状态。当它们突然闭合时，会产生激波，因而会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用从而产生很大压强。由于气泡的非线性振动和它们破灭时产生的巨大压力,伴随着这种空化现象会产生许多物理和化学效应。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体升温并起到很好的搅拌作用，能够加速某些化学反应。此外，强烈的高频超声振荡能使细胞壁、细胞质膜破裂，使细胞内含物胶体发生絮凝沉淀，凝胶发生流化或乳化，达到超声波的处理目的。

虽然微波处理与超声处理都有一定的应用实例，但是不可否定的是两者都存在不同程度上的缺点，例如两者在杀菌领域都存在效果不够彻底并且影响因素较多、稳定性差等问题。一种有效的解决方法是将多种技术联合共同作用，其中微波-超声耦合技术正日益受到人们青睐，但是目前微波-超声耦合技术多用于物质的反应与萃取过程。针对连续流动液态物料微波-超声耦合处理的相关研究较少，如何将微波效应与超声空化效应高效结合是目前液态物料加工领域的研究热点。

而目前关于液态物料连续式微波-超声耦合处理设备的设计存在以下不足：

1、波导、超声震子以及物料承载腔物料承载腔的结合模式目前仅存在概念上的简单连接，缺乏具体地具有可行性的方案；

2、没有考虑腔体中电磁波的反射问题，存在诸多安全隐患；

3、目前微波-超声耦合技术多应用于化工领域，针对其他处理过程(例如液体食品等)缺乏对材料合理性等诸多方面的考量；

4、没有考虑微波加热高效性与均匀性的问题，很难达到液态物料处理温度；

5、目前微波的吸收模式以多模为主，稳定性差；

6、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；

7、缺乏适用于液态物料连续处理的微波-超声组合装备。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备。

本实用新型提供了一种连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理装置包括：微波发生系统、超声系统、波导系统及调配器、物料承载腔；

所述物料承载腔体上包括至少一对相互对应的超声系统与波导系统以实现对液态物料的超声微波耦合处理，波导系统中各波导按照预定角度安装在所述物料承载腔的外壁开设的馈口处，所述预定角度小于90°，且大于等于15°。

在一种实施方式中，所述预定角度范围为[30°,60°]。

在一种实施方式中，所述超声系统至少包括一个超声发生装置。

在一种实施方式中，当所述超声系统包括两个以上的超声发生装置时，所述超声发生装置安装在所述物料承载腔相对的壁面上。

可选的，当所述超声系统包括两个以上的超声发生装置时，所述超声发生装置安装在所述物料承载腔相对的壁面上且呈阶梯状。

在一种实施方式中，所述物料承载腔的腔体为矩形，在两两相对的腔体壁面上间距一定距离开设馈口且相邻两个腔体壁面上的馈口交叉排列，各波导和超声系统通过所述馈口与物料承载腔连接。

在一种实施方式中，所述调配器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。所述

在一种实施方式中，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

本实用新型提供了一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理设备包括进料预热装置，上述连续式液态物料微波-超声耦合处理装置和冷却收料工段。

在一种实施方式中，所述进料预热工段包括进料罐，所述进料罐与连续式液态物料微波-超声耦合处理装置之间通过螺杆泵输送物料，同时在连续式液态物料微波-超声耦合处理装置前设置流量计，用于精确控制进入微波加热工段中的液态物料的流量；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态物料加热到预热温度；且将液态物料进行搅拌均匀，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。

在一种实施方式中，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理设备还包括恒温处理工段，所述恒温处理工段包括保温罐、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体内，用于在提高液态物料换热面积的同时，保证足够的液态物料恒温处理时间；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。

在一种实施方式中，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，用于在提高液态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。

在一种实施方式中，在连续式液态物料微波-超声耦合处理装置的出口处设置石英玻璃管，用于观察液态物料状态。

本实用新型的优点：

本实用新型提供的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，通过微波装置与超声装置的排列方式能够实现微波-超声耦合处理过程，提升处理效果，通过微波-超声耦合处理装置波导排布的独特设计，搭配调配器的使用极大程度地降低了微波加热液态物料过程中电磁波反射的风险，保证了设备运行的安全性能，使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，使微波效应与超声空化效应高效结合，提升液态物料处理效果。搭配进料预热、恒温处理及冷却收料工段，实现对液态物料的连续化微波-超声耦合处理过程。

附图说明

图1为本实用新型整体结构主视图；

图2为本实用新型微波-超声耦合处理装置主视图；

图3为本实用新型微波-超声耦合处理装置左视图；

图4为本实用新型微波-超声耦合处理装置轴测图；

图5为本实用新型微波-超声耦合处理装置调配器示意图；

其中，101为波导系统，102为物料承载腔，103为微波发生系统，104为超声系统；

1-进料预热工段，2-微波-超声耦合处理装置，3-恒温处理工段，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-方圆过渡管，19-轴流风扇，20-磁控管，21-物料承载腔侧板Ⅰ，22-调配器，23-调配器盖板，24-波导馈口石英玻璃，25-密封法兰，26-物料承载腔侧板Ⅱ，27-结构件，28-声波传导件，29-压电陶瓷片，30-超声固定法兰，31-超声波震子，32-速接管，33-E面波导上板，34-铸铝激励腔，35-E面波导侧板，36-风罩，37-E面波导下板，38-波导法兰，39-防尘板，40-波导-物料承载腔固定法兰，41-法兰固定专用螺钉，42-硅橡胶密封O型圈，43-硅橡胶垫板，44-石英玻璃框板，45-H面波导上板，46-H面波导下板，47-物料承载腔侧板III，48-H面波导侧板，49-物料承载腔侧板Ⅳ。

具体实施方案

下面是对本实用新型进行具体描述。

实施例一：

本实施例提供一种连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，参见图2和图3，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理装置包括：微波发生系统103、超声系统104、波导系统101及调配器22、物料承载腔102；

所述物料承载腔102上包括至少一对相互对应的超声系统104与波导系统101以实现对液态物料的超声微波耦合处理，各波导系统101按照预定角度安装在所述物料承载腔102的外壁开设的馈口处，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

实际应用中，预定角度范围为[30°,60°]，本实施例以预定角度为60°为例进行说明。

所述超声系统104至少包括一个超声发生装置。

当所述超声系统包括两个以上的超声发生装置时，所述超声发生装置安装在所述物料承载腔102相对的壁面上。

考虑到模式较为单一的微波模式能够提高能量稳定性，为达到有效减少物料承载腔102的腔体内部电磁波模式的目的，本实施例将物料承载腔102的底面(与物料传输方向垂直的面)长宽尺寸与使用的矩形波导腔体截面长宽尺寸相同。故本实施例以物料承载腔102的腔体为矩形腔体为例进行说明，且物料承载腔底面的长宽尺寸与使用的矩形波导腔体截面长宽尺寸相同。

(需要进行说明的是，物料承载腔102的腔体也可以根据实际需要设计为其他形状的腔体，本发明对此不做限定。)

为描述方便，将物料承载腔102的两个相邻的壁面分别称为E面和H面，在两个E面每间距一定距离开设对应的一对馈口，在两个H面每间距一定距离也对应的开设一对馈口，且E面上的一对馈口刚好位于H面上馈口在Z方向上的中间位置；E面和H面上的微波馈口呈90°旋转关系，各波导系统101以及超声系统104通过各馈口与物料承载腔102连接，且通过外部激光焊接将各波导系统101以及超声系统104与物料承载腔102连接起来，保证物料承载腔102与波导101内壁光滑，为电磁波的均匀分布提供保障，避免了电磁波多余反射的同时，也防止其对磁控管20造成损伤。

从E面和H面方向看到的该微波-超声耦合处理装置的图示分别为图2和图3；由图2和图3可知，本实施例中以将超声系统104安装在E面为例进行说明，且该微波-超声耦合处理装置包括两个超声发生装置，两个超声发生装置分别安装在物料承载腔102对立的两个E面且呈阶梯状；每个超声发生装置的对面相应安装一个波导，以实现对液态物料的微波-超声耦合处理。

超声发生装置由超声波震子31及超声固定法兰30组成，超声波震子31由结构件27、声波传导件28组成，结构件27与声波传导件28间使用压电陶瓷片29连接。

本实施例中两个超声发生装置的阶梯状排布方式能够有效防止因超声波共振效应对设备造成的损伤，同时能够有效实现微波-超声耦合处理过程，超声波震子31数量可根据待处理液态物料性质及温度要求做出相应调整。

设置E面上的波导都朝向物料承载腔102的中间位置，将微波能量集中输出至物料承载腔102腔体的中间位置，而H面上的波导倾斜方向一致，将微波能量均匀输出至物料承载腔102的各个部分，综合后，物料承载腔102中间位置微波能量最强，物料升温最快。

各波导中设置调配器22，使微波传输过程中的反射系数趋近于0，

如图5所示。

所述调配器22可使用单销钉调配器，在该微波-超声耦合处理装置调试期间，使用网络分析仪测定输入回波损耗S11参数，通过调整调配器22在波导中的方位和插入深度使S11＜-10dB，并使电压驻波比趋近于1，促使微波能量聚集在微波承载腔102的腔体中，进一步降低反射波击穿磁控管20的可能性，保护磁控管20，延长设备使用寿命，并为设备正常、安全运行提供保障，提高微波的能量利用效率以及减少微波加热工段内冷点数量。

实际应用中，上述调配器22尺寸范围为直径10-30mm，插入深度10-60mm，调配器22的前后和插入深度可调节范围均在四分之一波长及以上。调配器22可选用不锈钢等金属材质。

所述微波发生系统103由磁控管20、冷却装置及铸铝激励腔30组成，所述微波发生系统中，微波源频率为2450MHz，频率波动小于2MHz。磁控管20可选用松下微波管，额定功率为1kW，功率可调，由电子电源9供电，磁控管20外端连接冷却装置，另一端与铸铝激励腔34相连，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19和风罩36组成，用于使用过程中磁控管20部分的散热，使装置保持正常工作状态。铸铝激励腔34与波导系统的连接处设置防尘板39，能够避免粉尘等异物侵入激励腔34，并起到导流空气和一定的散热作用，两者通过波导法兰38连接。微波-超声耦合处理装置周围共装配有数个磁控管20，磁控管20的数量可随物料承载腔102的增长而适当增加。

所述水冷装置包括水冷容器及冷却液循环管路，本实施例以及下述实施例中以冷却装置为风冷装置为例进行说明，此处不再对水冷装置进行详细说明。

实施例二

本实施例提供一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，参见图4，所述设备包括：进料预热工段1，实施例一所述的液态物料微波-超声耦合处理装置2和冷却收料工段4；

考虑到液态物料经过微波-超声耦合处理装置达到所需处理温度后，在该温度下的环境中需保持一定时间以达到预计的处理效果，例如达到一定的微生物致死率或达到一定的结晶度；故该连续式液态物料微波-超声耦合处理设备还包括恒温处理工段3。

液态物料恒温处理工段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；所述加热装置为电加热管11，所述盘管14安装在保温罐12内部，不仅能够提高液态物料换热面积，还能够保证足够的恒温处理时间；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。

该连续式液态物料微波-超声耦合处理设备的进料预热工段1包括：进料罐5，所述进料罐5与微波-超声耦合处理装置之间通过螺杆泵8输送物料，同时在微波-超声耦合处理装置前设置流量计10，用于精确控制进入微波-超声耦合处理装置中的液态物料的流量；所述进料罐5设置为夹套结构，夹套结构为保温夹套6，且在夹套6中设置具有预定温度的热水，用于将进料罐5中的液态物料加热到预热温度；且使用搅拌桨7将液态物料进行搅拌均匀，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。

该连续式液态物料微波-超声耦合处理设备的冷却收料工段4包括冷却罐13、冷冻压缩机15及盘管14；所述盘管14安装在冷却罐13内，用于在提高液态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。将已达到处理效果后的液态物料在冷水(一般为5到10℃)中快速冷却至常温，盘管14长度根据液体流量及所需冷却时间确定，方便取料与后续处理。

实际应用中，在微波-超声耦合处理装置的出口处加接一段石英玻璃管，用于观察液态物料流动状态，方便对参数进行调控；同时，在微波-超声耦合处理装置出口处安装收料阀门，改变收料阀门的连接情况能够改变物料流向，实现灵活取料。

针对液态物料，本发明提供的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备对其进行加热处理过程如下：

首先，在该连续式液态物料微波-超声耦合处理设备使用准备阶段，使用网络分析仪通过测定S11参数及电压驻波比的方式对波导系统中的调配器22进行位置调整，使其发挥预期作用；然后检查设备各部分状况是否良好，确认没有出现设备故障后，使液态物料依次通过进料预热工段1、微波-超声耦合处理装置2、恒温处理工段3及冷却收料工段4。

进料预热工段1：首先，将待加热的液态物料通过管路输送至进料罐5中，通过夹套6式加热的方式对进料罐内液态物料进行预热，加热温度可进行设定与监测，启动电动搅拌桨7，使液态物料均匀快速升温，当预热完成后，打开螺杆泵8输送液态物料，并通过调整螺杆泵8的扬程及流量计10实现对液态物料的流量的精确把控，整个控制过程可以通过操作面板完成，也可以人工操作完成，将预热后的液态物料平稳输送至微波-超声耦合处理装置2。

微波-超声耦合处理装置2：液态物料进入微波-超声耦合处理装置2的物料承载腔102中，物料承载腔102腔体入口处设置测温探头监测入口处初始液态物料温度，液态物料自下而上流经物料承载腔102，液态物料流量可根据加热效果反馈进行实时调控；在微波加热过程中，实时进行超声处理，功率可调，实现微波-超声耦合处理过程。微波-超声耦合处理结束后，液态物料由上部流出，且在物料承载腔102出口处设置测温探头监测出口处的液态物料温度。

在微波-超声耦合处理装置2出口处设置接料阀门，改变阀门状态能够改变料液流向，可直接接取液态物料，也可以使液态物料进入恒温处理工段3或直接进入冷却降温工段4，根据实际需要进行调整。

同时，可以在微波-超声耦合处理装置2入口处安装液体探测器，用于探测第一批与最后一批进行微波加热的液态物料，完成对微波发生装置的开启与关闭，防止磁控管20空打，保证设备安全运行，同时提高能源利用效率。流经微波-超声耦合处理装置2的液态物料通常被加热至较高温度，具体温度及微波发生装置参数由液态物料种类决定。

恒温处理工段3：液态物料流出微波-超声耦合处理装置2后，自下至上流经恒温处理段3保温罐12中的盘管14，罐内液体采用电加热管11加热，电加热管11数量及功率根据罐内液体总量选择，该装置中选择安装4根电加热管11，额定功率为500W/根，保温罐12内温度与微波-超声耦合处理装置2出口温度一致，通过温度控制器实时监控并进行调节。为保证处理效果，保温罐12中盘管14长度需要根据液体流量及性质进行选择，因恒温处理保温罐12内温度较高，保温罐12罐体采用双层设计，这样不仅能够提供更好的隔热效果、减少热量损失，也对其安全性能提供了保障。液态物料在恒温处理工段3保持所需时间后流入冷却收料工段4。

冷却收料工段4：液态物料自恒温处理工段3流出后，自下而上流经冷却收料段冷却罐13中的盘管14，冷却罐13内液体采用冷冻压缩机15制冷，使经过恒温处理或微波-超声处理后的的液态物料温度迅速下降至室温，冷却罐13内的冷水温度一般设定为5-10℃，温度控制器实时监控冷水温度并进行调节，降温时间一般为10-15分钟，在液态物料开始输送前，应先开启冷冻压缩机15对冷却罐13内液体进行制冷，并在温度达到设定温度并稳定后开始输送液态物料；同时，为保证足够的降温时间，冷却罐13中盘管14长度需要根据液体流量及性质进行选择。液态物料自冷却收料工段4流出后完成微波-超声耦合处理过程。

本发明通过对微波-超声耦合过程腔体结合模式的独特设计以及调配器的合理使用，改变了微波-超声腔体内电磁场分布，减少微波能量的损耗，提高能量利用效率，并得到均匀分布的高能量电磁场，从而实现了对液态物料的均匀全面加热；同时实现微波-超声波耦合过程，使微波效应与超声空化效应高效结合，提升处理效果，同时通过泵送方式及热交换器实现了液态物料的连续性升温处理过程；通过将进料预热工段、微波-超声耦合处理装置、恒温处理工段与冷却收料工段相结合实现了连续式液态物料微波-超声耦合处理设备的工业化应用。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，其特征在于，所述装置包括：微波发生系统、超声系统、波导系统及调配器、物料承载腔；

所述物料承载腔体上包括至少一对相互对应的超声系统与波导系统以实现对液态物料的超声微波耦合处理，各波导按照预定角度安装在所述物料承载腔的外壁开设的馈口处，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

2.根据权利要求1所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，其特征在于，所述预定角度范围为[30°,60°]。

3.根据权利要求2所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，其特征在于，所述超声系统至少包括一个超声发生装置，当所述超声系统包括两个以上的超声发生装置时，所述超声发生装置安装在所述物料承载腔相对的壁面上。

4.根据权利要求3所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，其特征在于，所述物料承载腔的腔体为矩形，在两两相对的腔体壁面上间距一定距离开设馈口且相邻两个腔体壁面上的馈口交叉排列，各波导和超声系统通过所述馈口与物料承载腔连接。

5.根据权利要求4所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理装置，其特征在于，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。

6.一种连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，其特征在于，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理设备包括进料预热工段，权利要求1-5任一所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理装置和冷却收料工段。

7.根据权利要求6所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，其特征在于，所述进料预热工段包括进料罐，所述进料罐与连续式液态物料微波-超声耦合处理装置之间通过螺杆泵输送物料，同时在连续式液态物料微波-超声耦合处理装置前设置流量计，用于精确控制进入连续式液态物料微波-超声耦合处理装置中的液态物料的流量；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态物料加热到预热温度；且将液态物料进行搅拌均匀，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。

8.根据权利要求7所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，其特征在于，所述连续式液态物料微波-超声耦合处理设备还包括恒温处理工段，所述恒温处理工段包括保温罐、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体内，用于在提高液态物料换热面积的同时，保证足够的恒温处理时间；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。

9.根据权利要求8所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，其特征在于，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，用于在提高液态物料换热面积的同时，保证足够的冷却时间；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。

10.根据权利要求9所述的连续式液态物料微波-超声耦合处理设备，其特征在于，在连续式液态物料微波-超声耦合处理装置的出口处设置石英玻璃管，用于观察物料状态。

Images