一种新型工业微波加热装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及微波工业加热领域，特别是一种新型工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔，其特征在于：所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结构的机械设备；所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。本实用新型提供的一种新型工业微波加热装置，通过改变微波加热腔的结构，从根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率。
【专利说明】
-种新型工业微波加热装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及微波工业加热领域，特别是一种新型工业微波加热装置。
【背景技术】
[0002] 随着现代科技的飞速发展，微波能作为一种新型的高效率、清洁能源，已广泛应用 于工业生产、日常生活等各个领域。微波加热具有"体加热"的特点，"体加热"是一种与被加 热物质直接作用的选择性加热方式，代替了传统加热中物质通过介质热传导获得溫升的方 法，节省了热量在介质中传导所需的时间，减少了在传导介质中的能量消耗，具有高效、节 能的特点。然而，微波加热技术在不断发展的同时，也存在着许多问题。
[0003] 在大规模的工业生产中，采用传统的"隧道式"微波加热装置对固体材料进行加热 时，存在不均匀加热、效率低的问题。微波在照射大型固体材料时，其趋肤深度远小于材料 的尺寸，造成了微波的能量只集中于材料的表面区域，导致加热不均匀；同时，由于传输带 要保持运动，而造成了材料只能填充部分的隧道空间，造成了加热效率低的问题;工业应用 中普遍要求设备能够在高溫，高压，抗腐蚀等复杂条件下工作，运就加大了微波反应器W及 微波加热腔体的要求。
[0004] 其次，传统的T遂道式"微波加热装置在加热过程中粉尘，水汽等杂质易向上扩散， 进入微波馈口损坏设备，尤其是一些在加热过程中会挥发腐蚀性气体的材料，如矿石的微 波脱硫等，更不利于使用运种设备进行工业生产。
[0005] 由于微波波长相对较短，且固体材料内部几乎不存在自然对流，同时微波透射入 固体材料时，其趋肤深度远小于材料的尺寸，造成了微波的能量只集中于材料的表面区域， 运些因素都会导致加热不均匀的问题。
[0006] 上述运些因素带来的微波非均匀加热、效率低的问题限制了微波在工业化生产中 的应用。
[0007] 丞待出现一种可W解决上述问题的新型工业微波加热装置。 【实用新型内容】
[000引本实用新型提供的一种新型工业微波加热装置，其目的在于提供一种微波加热效 率高、加热均匀的新型微波加热装置。
[0009] 本实用新型的技术方案是运样实现的：一种新型工业微波加热装置，包括微波馈 入装置、加热腔，其特征在于:所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加 热固体材料推入管道结构的机械设备;所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。
[0010] 进一步地，所述机械设备为具有机械手臂的推压板。
[0011] 本实用新型提供的一种新型工业微波加热装置，通过改变微波加热腔的结构，从 根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率。
【附图说明】
[0012] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术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 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前 提下，还可W根据运些附图获得其他的附图。
[0013] 图1:一种新型工业微波加热装置的立体结构图；
[0014] 图2:本实用新型的侧视图；
[0015] 图3:本实用新型的俯视图；
[0016] 图4:不同波导馈口数量和分布结构对应褐煤微波加热溫度场C0V值曲线；
[0017] 图5不同管道半径所对应的溫度场C0V值曲线；
[0018] 图6:不同平移速度对应褐煤微波加热溫度场C0V值曲线。
[0019] 图中：1、加热腔;2、卿趴式微波馈入装置;3、匹配层。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0021] 本实用新型公开的一种新型工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔1，其 特征在于:所述加热腔1是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入 管道结构的机械设备;所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部。
[0022] 优选地，所述微波馈入装置为卿趴式微波馈入装置2。优选地，所述卿趴式馈入装 置W等间距离、等夹角间距成阵列型分布。
[0023] 进一步地，还设置有匹配层3,所述匹配层3设置于管道结构的内径。
[0024] 优选地，所述卿趴式微波馈入装置2的个数是8个。优选地，所述管道结构的内径是 110mm〇
[0025] 进一步地，所述机械设备为具有机械手臂的推压板。
[0026] 本实用新型采用完全填充式管道加热方式处理固体材料，不再利用传输带运输材 料，而是将材料填充满整个管道，并通过机械设备匀速推进推出使其W恒定的速度通过加 热管道，受到微波作用获得溫升，整个加热过程管道空间得到了充分利用，提高了加热效 率;采用卿趴式结构的微波馈入装置提高福射效率和均匀性，引入完美匹配层3进一步提高 微波加热效率，且防止粉尘，水汽等杂质进入馈口损坏设备。
[0027] 图1、图2、图3分别为一种新型工业微波加热装置的立体结构图、侧视图和俯视图。 如图1、图2、图3所示，该设备主体是一个高为h的金属管道，承装物料的管道内径为110mm， 用来填充被加热固体材料;管道周围环绕8个Bj22波导作为微波馈入装置，采用卿趴式结构 连接到管道上，波导W等间距离分布，俯视图中可知波导按等夹角间距成阵列型分布。
[0028] 波导采用卿趴式结构与管道相连，主要原因在于波导采用卿趴式结构进行馈波， 能够提高微波的加热均匀性和效率：当卿趴结构的张角变大时，横截面的电场福射范围越 大，物料横截面的电场分布越均匀。当单波导直接与管道相连时，电场福射范围较小，比较 集中于馈口的位置;而当单波导采用卿趴结构与管道相连时，当加入卿趴式结构后，电场福 射范围有明显增大，在电场强度整体基本不变的情况下，使微波能量更加分散的作用于被 加热物料，进而提高了微波加热的均匀性。
[0029] 本实用新型的金属管道内部设置有完美匹配层3,主要目的是通过完美匹配提高 被加热固体材料的功率吸收效率，管道内部加入完美匹配层3后：空气和匹配介质交界面 (界面1)，匹配介质和被加热固体材料交界面(界面2)的入射与反射系数满足：
[0030]
[0031] 其中ru、ri2和113分别为空气的波阻抗、匹配介质的波阻抗和被加热固体材料的波阻 抗。而
rief为等效波阻抗也就是匹配介质和被加热固体材料在界面1处反射 系数和透射系数的等效值，将匹配介质和相对于空气等效成一种物质来看待。而当中间匹 配层3的厚度(1 = λ/4时，则有：
[0032]
[003；3]若rief = ru，则可W实现Γι = 〇的波在界面1的全透射，因此得到了 ：
[0034]
[0035] 因此，只需要知道空气和被加热固体材料的介电常数实部既可W得到完美匹配层 3的相对介电常数，同时计算出微波在介质中的波长后，就可W计算出完美匹配层3的厚度， 对于不同的被加热固体材料，都有其对应相对介电常数和厚度的完美匹配层3。
[0036] 实用新型中的完美匹配层3在提高褐煤功率吸收效率的同时，还能够阻隔被加热 固体材料与管道和波导馈口的直接接触，不仅能够防止加热过程中产生的水汽、粉尘、腐蚀 性气体等杂质对管道和波导馈口的腐蚀，而且能避免运些物质进入波导内部，腐蚀设备，甚 至损坏微波源，保证了微波加热过程的安全性，也降低了工业应用时对设备的损耗。
[0037] 微波加热基本上是一个非均匀加热的过程，由于微波作用于被加热固体材料一般 均为损耗介质，在微波能透射入损耗介质的过程中，大部分能量被介质吸收，剩下小部分能 量持续透射，因此被加热固体材料对微波能的整个吸收过程是不均匀的。从加热装置的形 状、尺寸、结构等因素可W改善和提高微波加热均匀性。
[0038] 微波馈入端口个数的分析：
[0039] 首先，微波馈入端口对一种新型工业微波加热装置的均匀性起到了决定性的作 用，不同数量和结构的波导馈口结构下，被加热固体材料的溫度分布情况，并使用其溫度场 C0V值来表征其微波加热均匀性，对比了不同数量和分布结构下的波导馈口对微波加热褐 煤均匀性的影响。根据加热均匀性结果，优化馈入端口数量和波导分布结构，从而提高了被 加热固体材料的加热均匀性。运里暂取管道内径r=100mm，设波导馈口的数量为η，相邻波 导旋转夹角为α;
[0040] 当只有一个波导馈口时，褐煤通过管道获得的加热区域非常集中，几乎只有靠近 波导口的位置产生了溫升，而其他区域没有获得很好的加热效果，但当波导馈口增加到2 个，且采取夹角为180°的对面结构进行馈入时，褐煤获得溫升的区域比一个波导口有了明 显增大，随着波导个数的增加，褐煤通过一种新型工业微波加热装置后获得溫升的区域也 随之增大;波导个数增加的同时，被加热固体材料获得微波加热后横截面内各个区域的溫 差越小，运就表示溫度分布越均匀，且褐煤整体的溫升越高。
[0041] 在不同的波导馈口数量和分布结构条件下，褐煤的溫度分布有很大差异，基本遵 循着:波导馈口数量越多，褐煤整体溫升越高，溫度分布越均匀，微波加热均匀性越好的规 律。
[0042] 如图4不同波导馈口数量和分布结构对应褐煤微波加热溫度场C0V值曲线所示，随 着波导馈口数量的增加，溫度场C0V值整体呈递减趋势，波导馈口数量越少，溫度场C0V值越 大，波导馈口数量越多，溫度场C0V值越小，在波导数量很少的情况下，增加一个波导，溫度 场C0V值就有明显减小，随着波导馈口的不断增多，曲线变化越小，基本趋于平缓稳定。运就 说明，基于本实用新型的该管道式设备，增加波导馈口的数量，能够提高微波加热的均匀 性，但当波导数量增加到8个和10个的时候，溫度场C0V值分别是0.166，0.142，相差甚微，依 次推断若继续增加波导馈口数量，加热均匀性应该和8个馈口情况下没有太大改善，同时我 们需要考虑管道周围分布运些波导馈口的面积所限，W及考虑到节约微波能源和设备的精 简设计等方面，选择8个波导馈口，W45°等夹角阵列分布环绕在管道外围，是最优的设计方 案。
[0043] 本实用新型所公开的一种新型工业微波加热装置的主体是一个用来承装被加热 固体材料的管道，整个微波加热过程都在于将被加热固体材料匀速推进管道并从另一端推 出，管道的长度由周围分布的波导数量决定，而管道的半径则需要进一步优化。因为相比于 工业应用的装备大尺寸来说，由于微波射入加热对象时的透射深度不够，往往造成非均匀 加热的问题，但管道半径的尺寸取的太小又不便于固体材料的加热，而且不便于工业实际 应用，因此有必要确定最优的管道半径来实现均匀性较好的微波加热。
[0044] 对于管道半径的分析：
[0045] 当波导馈口数量和分布夹角的参数为：η = 8，α = 45°，管道内径r分别取：80mm， 90mm，100mm，110mm，120mm，得到了微波加热被加热固体材料，运里是褐煤时，不同管道半径 条件下对应的溫度分布，
[0046] 在波导馈口数量和分布结构确定时，褐煤通过管道式装置获得微波加热后的溫度 分布趋势基本相同，当管道内径r尺寸发生变化时，褐煤获得的溫升产生了明显变化，当r = 80mm时，褐煤的溫度最大值接近400°C，随着管道内径r逐渐变大，褐煤的溫度逐渐降低，当r = 120mm时，褐煤的溫度最大值只有16(TC，运就说明管道越小，一次通过褐煤的处理量越 小，微波能越集中，褐煤的溫升也就越高。褐煤溫度最高的区域都集中在管道中屯、处，运是 由于单个波导馈口福射的微波透射入褐煤时，该装置设计中管道周围有8个波导馈口，褐煤 纵向通过管道时，中屯、位置会有电场的叠加作用，所W中屯、位置的溫升就高于其他区域。随 着管道的半径增大，中屯、位置的溫度分布颜色与其他区域越接近，也就说明溫差越小，整体 的颜色分布也越趋于一致，也就是微波加热均匀性越好。
[0047]如图5不同管道半径所对应的溫度场COV值曲线所示：管道内径r从80mm增大到 110mm时，溫度场C0V值呈递减趋势，当管道内径r继续增大到120mm时，溫度场C0V值又有所 增加，运就说明在管道内径r小于110mm时，随着r的增大，溫度场C0V值减小，提高了微波加 热的均匀性;而管道内径大于110mm后，随着r的增大，溫度场C0V值增大，降低了微波加热的 均匀性。管道内径r之所W存在着110mm运个临界点，是因为当管道内径小于该值时，中屯、由 于电场的叠加产生的溫升过高，导致整体加热均匀性变差，而当管道内径大于该值时，虽然 中屯、溫升有所降低，但由于周围波导馈口的微波福射范围较小，在四周产生了较大的溫差， 也导致整体加热均匀性变差。综上所述，当波导馈口数量和分布参数为:η = 8，α = 45°时，管 道内径r取110mm为最优的设计方案，此时微波加热褐煤的均匀性最好。
[004引对于移动速度的分析：
[0049] 当波导馈口数量和分布参数为:η = 8，α = 45°，管道内径r=110mm。本文设计的一 种新型工业微波加热装置与传统隧道式加热设备最大的不同就在于褐煤充满管道并W匀 速推进推出，在此过程中受到微波作用获得溫升，达到干燥提质的效果，那么褐煤在管道中 的移动速度是否影响微波加热的均匀性也成为了关键问题。
[0050] 针对不同的平移速度，对褐煤微波加热溫度分布进行仿真分析，速度Vz分别取 0.004m/s，0.006m/s，0.008m/s，0 . Olm/s，0.02m/s时，出当平移速度从0.004m/s增大到 0.02m/s的过程中，在不同的速度下，褐煤微波加热的均匀性并没有发生剧烈的变化，也就 是在管道式微波加热装置中，被加热物料的平移速度大小对微波加热溫度均匀性几乎没有 影响。
[0051] 如图6不同平移速度对应褐煤微波加热溫度场C0V值曲线所示，当褐煤的平移速度 从0.004m/s增大到0.02m/s的过程中，溫度场的C0V值都在0.16左右，几乎没有变化，运就说 明当褐煤在管道式装置中的平移速度发生变化时，几乎不影响微波加热的均匀性。
[0052] W褐煤为例进行说明，当波导馈口的数量和分布，W及管道式加热装置的内径获 得了装置尺寸参数，提高了褐煤的加热均匀性，通过调节褐煤在管道中的平移速度，控制褐 煤经微波加热后的溫度范围，本实用新型得到褐煤W〇.〇〇8m/s的平移速度匀速通过管道式 装置，受到微波作用后的溫度分布情况。
[0053] 褐煤进入管道210mm后在第一个波导馈口方向获得溫升，进入管道340mm后在第二 个波导馈口方向获得溫升，W此类推，随着推进深度的不断增加，褐煤向前推进过程中在各 个波导馈口的方向受到微波持续作用获得溫升，直到褐煤推进到1100mm，即推出管道另一 端时，出口横截面褐煤的溫度分布趋于均匀。褐煤W恒定的速度连续通过管道时，横截面的 各个区域先后收到微波作用，依次获得溫升，最终使褐煤整体溫度趋于一致，达到其干燥所 需溫度目标值，完成整个加热过程，具有较好的均匀性。
[0054] 褐煤经该一种新型工业微波加热装置加热后，溫度最小值达到11(TC，最大值达到 232Γ，满足褐煤干燥提质所需溫度区间。由于电场在装置中屯、位置的叠加作用，管道横截 面中屯、溫度偏高;而微波进入具有电磁损耗的材料时，电场强度迅速衰减，形成了装置边缘 到中屯、位置的溫度梯度。该加热过程得到褐煤微波加热溫度场的变异系数C0V = 0.166,溫 度场C0V值相对较小即溫度离散程度小，表明该装置处理褐煤的干燥过程具有较好的加热 均匀性。
[0055] 该一种新型工业微波加热装置馈入微波的总功率为80kW，褐煤吸收的功率约为 77kW，计算得到该装置处理褐煤时微波功率利用率为96.25%。而传统隧道式微波加热装置 效率一般在30%左右，该管道式装置的效率较传统装置提高了约2倍左右，极大的降低了非 必要的能量消耗和浪费，对于大规模的工业应用具有重要意义。
[0056] 本实用新型提供的一种新型工业微波加热装置，通过改变微波加热腔1的结构，从 根本上改变微波工业加热的模式，提高加热效率。
[0057] 当然，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该 可W根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但运些相应的改变和变形都应属于本实 用新型所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种新型工业微波加热装置，包括微波馈入装置、加热腔，其特征在于： 所述加热腔是可填充被加热固体材料的管道结构和可将被加热固体材料推入管道结 构的机械设备;所述微波馈入装置均匀设置于管道结构外部； 所述机械设备为具有机械手臂的推压板。
【文档编号】H05B6/64GK205430660SQ201520950201
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年11月25日
【发明人】黄卡玛, 陈星 , 刘长军, 杨阳, 朱铧丞
【申请人】四川大学