一种同轴开缝辐射器、连续流液体加热系统及加热方法

本发明涉及微波加热，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、为达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：

3、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：

4、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；

5、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。

6、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。

7、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。

8、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°。

9、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。

10、第二方面，本发明提供的一种连续流液体加热系统，包括：

11、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；

12、防护层，所述防护层同轴地设于所述外导体的外侧；

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、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。

23、附图说明

24、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；

25、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；

26、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；

27、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；

28、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；

29、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；

30、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；

31、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；

32、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；

33、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。