CN112423418B - 一种流体物料微波加热装置及其智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体物料微波加热装置及其智能控制方法，其中，微波处理装置包括微波谐振加热腔体、设置在加热腔体内的料液管、按一定间距垂直设置在加热腔体上的多个微波发生器、与微波发生器连接的监控***；其智能控制方法为采用PID算法或其他算法将微波输功率与测到的反应体系温度与设定的温度之间的差值进行耦合，通过调整每个磁控管的输入功率逐步逼近每个部位的设定温度。本发明属于连续管道化反应方式，加热速度快，反应管道内料液温度梯度可控，出口料液温度可长期稳定在设定值正负0.5℃以内，使产品批次稳定性大幅度提高。适用于有机合成、流体杀菌、废水处理、粉体制备等多个领域。

Description

一种流体物料微波加热装置及其智能控制方法

技术领域

本发明属于微波加热技术领域，具体涉及一种流体物料微波加热装置及其智能控制方法。

背景技术

微波自从20世纪被发现至今，已广泛应用于通信、化工、冶金、电子等相关工业中。微波加热作用下物质内部电损耗以及磁损耗使得电磁能快速转变为热能，相较传统加热手段，微波加热具时间短、速度快、选择性强、能耗少、占地小、自动化程度高等特点。虽然微波加热技术已经有广泛应用，但主要应用于静态物料加热，如在家用微波炉，但是在物料工业处理方面应用较少，主要受限于现有的技术及装备，尤其是针对连续不间断流体物料的直接加热研究较少，微波加热流体目前存在电磁场分布不均匀性，物料加热不均匀，产品批次稳定性差、自动控制复杂，适用性不高等问题。

为此，研究开发一种电磁场分布均匀，加热效果均称，产品批次稳定性高，物料不间断连续受热的流体物料微波加热装置及其智能控制方法是解决上述问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可连续不间断加热流体物料，加热速度快，加热分布均匀，产品稳定性高的流体物料微波加热装置及其智能控制方法。

本发明的第一目的是这样实现的，包括微波处理装置，所述微波处理装置包括加热腔体、微波波导、微波发生器、料液管、监控***，所述料液管沿加热腔体轴线穿设在加热腔体上，所述加热腔体沿轴向按一定间距设置多个微波馈口，所述微波馈口与微波波导一端连接且微波波导垂直于料液管，所述微波波导另一端与微波发生器连接，所述微波发生器与监控***电连接。

本发明第二目的是这样实现的，采用PID算法或其他算法的控制器，将各馈口微波输入功率与测到的反应体系温度与设定的温度之间的差值进行耦合，并通过调整每个磁控管的输入功率逐步逼近料液管各部位的设定温度，达到加热效果均匀、高效的智能控制的目的。

本发明具有以下技术效果：

1、采用微波源输入位置优化的加热腔体，保证了微波场分布的均匀性；

2、各磁控管微波功率可以分别控制和调节，利于适应不同流量及不同物料的加热，保证物料加热效果的均匀性及升温的可控性；

3、采用控制器将微波输功率与测到的反应体系温度与设定的温度之间的差值进行耦合，并通过控制器自动调整每个磁控管的输入功率逐步逼近每个部位的设定温度，确保流体物料受热均匀、高效和智能控制的目的；

本发明可连续不间断加热流体物料，加热速度快，加热分布均匀，出口料液温度可长期稳定在设定值正负0.5℃以内，使产品批次稳定性大幅度提高，适用于能源化工、流体杀菌、液体热处理、粉体制备等多个领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制原理示意图；

图3为本发明结构优化设计条件下电磁场分布模拟结果图；

图4为本发明结构优化设计条件下热场分布模拟结果图；

图中：1-原料槽，2-原料槽进料口，3-搅拌机，4-原料槽出料口，5-供液管道，6-测温设备, 7-供液泵，8-液压测量器，9-流量计，10-温度测量器，11-料液管，12-控制柜，13-加热腔体，14-微波波导，15-微波发生器，16-腔体密封法兰，17-料液收集装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

如附图1－4所示本发明一种流体物料微波加热装置，包括微波处理装置，所述微波处理装置包括微波加热腔体13、微波波导14、微波发生器15、料液管11、监控***12，所述料液管沿微波加热腔体轴线穿设在微波加热腔体上，所述微波加热腔体沿轴向按一定间距设置多个微波馈口，所述微波馈口与微波波导14一端连接且微波波导14垂直于料液管11，所述微波波导14另一端与微波发生器15连接，所述微波发生器15与监控***12电连接。

所述馈口有三个，各馈口位置由下而上距加热腔体底端的比例为0.09～0.15：0.30～0.50：0.60～0.92。

所述各个馈口在加热腔体上的位置经模拟软件优化确定，通过调整液体流量、尺寸大小、微波功率等参数，模拟分析出最优化结果。

所述各微波发生器15的功率大小分别可调，用于实现各部位温度梯度的要求。

所述微波发生器15为磁控管微波发生器。

所述料液管外壁与加热腔体13内壁之间设置有透波保温层。

所述料液管为透波材质料液管。

所述料液管材质包括玻璃、石英、碳化硅、陶瓷、聚四氟乙烯、PVC、PP、PET、PA、PS、PEEK、ABS、PE，根据反应温度选择使用。

所述透波保温层材质为硅酸铝纤维、轻质氧化铝、膨胀玻化微珠材料等，以达到节能的效果。

所述微波处理装置可多个首尾串联设置，首尾相接利于实现处理时间延长和功率放大。

包括原料槽1、输送泵***7、料液收集装置17，所述原料槽1、输送泵***7、微波处理装置、料液收集装置17之间的依次通过管道连接。

所述监控***包括温度传感器10、压力传感器8，所述温度传感器10、压力传感器8各有多组，多组温度测量器分别设置在微波加热腔体、料液收集装置上，所述微波处理装置的进、出料口上至少设置液压测量器，利于通过监测加热腔体料液管两端的压力以便调整物料进出量，保持物料在加热腔体内的稳定流动，受热均匀，同时可避免压力过高造成装置爆烈等安全事故。

所述监控***包括控制器，所述控制器设置在控制柜内。

所述输送泵***7的流体物料输出口可与微波加热腔体任一端连接，料液可以由上而下穿过微波加热腔体，也可以由下而上穿过微波加热腔体。

所述微波处理装置与水平方向的角度可调，微波加热腔体及内部的料液管***可以倾斜一定角度放置，甚至是水平放置。

一种流体物料微波加热装置的智能控制方法，采取所述流体物料微波加热装置，采用多组PID算法或其他算法的控制器，将各馈口微波输入功率与测到加热腔体内的反应体系温度与设定的温度之间的差值进行耦合，通过调整每个磁控管的输入功率逐步逼近料液管各部位的设定温度，使流体物料受热均匀、高效。

所述微波波导14为铜制波导，其波导附件组件为附带环流器及激励腔。

所述微波波导为矩形波导或梯形波导。

所述单组磁控管功率范围为0-3kW，整机装机功率为0-9kW。

所述料液管11直径为5－50mm。

所述微波处理装置上温度测量器10的设置位置分别与微波波导的设置位置相对应。

所述输送泵***7供给液体流量连续可调，为0-2000ml/min。

所述温度测量器10为温度变送器，将温度数据反馈至监控***的控制器，辅助调控设备微波加热功率。

所述液压测量器8为压力变送器，将料液管11输入输出的压力数据反馈至监控***的控制器，辅助调控设备流体流量、压力，保证安全。

本发明工作原理和工作过程：原料槽1加入需要加热处理的流体物料并预热。然后开启输送泵***7将物料泵入料液管11中，同时开启微波，通过控制器自动调整每个磁控管的输入功率逐步逼近每个部位的设定温度，加热后的高温物料从微波加热腔体出料口排出至料液收集装置17中，低温物料不断从微波加热腔体进料口进入加热腔体13内进行微波加热，从而实现流体物料的不间断连续加热。本发明的操作方式有两种模式，分别为自动控制模式及手动控制模式，在自动控制模式下，液体进料速率、温度及微波功率等可按照设定程序进行调配控制。手动模式下，各参数按照人工设定的参数运行。本发明属于连续管道化反应方式，加热速度快，反应管道内料液温度梯度可控，微波加热腔体出料口料液温度可长期稳定在设定值正负0.5℃以内，使产品批次稳定性大幅度提高，克服了传统的釜式合成出现的温度不均匀、产品批次稳定性差、自动控制复杂等问题。适用于有机合成、流体杀菌、废水处理、粉体制备等多个领域。

实施例1

将本装置所述设备用于液体加热处理，调控液体供给流量为400ml/min，调控微波的总功率为3.5kW，开启磁控管，由上而下的功率为2kW、0.7kW、0.8kW，供给加热液体后进行加热，将目标液体加热到预定温度，加热腔体料液管11内的压力维持在1-1.5atm的范围内。例如将该方法用于液体杀菌。其具体方法及操作步骤如下：

首先将需要处理的液体通过原料槽进料口2加入原料槽1中，开启原料槽1及搅拌设备3对液体进行预热处理，预热过程中，采用测温设备6进行测定温度，将温度参数反馈至控制器中进行过程控制。然后，当温度提高至预热温度后，开启供液泵7通过原料槽出料口4及供液管道5将液体泵送至料液管11中，液体进入料液管11后，逐步开启加热腔体13上的磁控管，并将磁控管工作功率调整至额定值，以实现液体的均匀加热，泵入的液体经过加热后从加热腔体上方出料口流出，最终通过管道流入料液收集装置17中收集。

在实际使用过程中，可以通过控制器调控各磁控管的功率，从而改变加热腔内部电磁场分布状态，使得液体在料液管内的升温速率符合要求。

实施例2

将本装置所述设备用于液体加热处理，调控液体供给流量为1200ml/min，调控微波的总功率为6kW，开启磁控管，由上而下的功率为3kW、1.5kW、1.5kW，供给加热液体后进行加热，将目标液体加热到额定温度，加热腔体料液管11内的压力维持在1-1.5atm的范围内。例如将该方法用于乙二醇-炭黑浆料加热预处理。其具体方法及操作步骤如下：

首先将需要处理的乙二醇-炭黑混合浆料通过原料槽进料口2加入原料槽1中，开启原料槽1及搅拌设备3对液体进行预热处理，预热过程中，采用测温设备6进行测定温度，预热温度设定为40℃，温度参数反馈至控制器中进行过程控制。然后，当温度提高至40℃后，开启供液泵7通过原料槽出料口4及供液管道5将液体泵送至料液管11中，液体进行料液管11后，逐步开启加热腔体13上的磁控管，并将磁控管工作功率调整至额定值，以实现液体的均匀加热，泵入的液体经过加热后从加热腔体上方出料口流出，最终通过管道流入料液收集装置17中收集。

在实际使用过程中，可以通过控制器调控各磁控管的功率，从而改变加热腔内部电磁场分布状态，使得液体在料液管内的升温速率符合要求。

实施例3

将本装置所述设备用于液体加热处理，调控液体供给流量为1200ml/min，调控微波的总功率为2kW，开启磁控管，由上而下的功率为1kW、0.4kW、0.6kW，供给加热液体后进行加热，将目标液体加热到额定温度，加热腔体料液管11内的压力维持在1-1.5atm的范围内。例如将该方法用于纳米材料的液相合成。其具体方法及操作步骤如下：

首先将需要处理的纳米材料混合料液通过原料槽进料口2加入原料槽1中，开启原料槽1及搅拌设备3对混合料液进行预热处理，预热过程中，采用测温设备6进行测定温度，预热温度设定，温度参数反馈至控制器中进行过程控制。然后，当温度提高至40℃后，开启供液泵7通过原料槽出料口4及供液管道5将液体泵送至料液管11中，液体进行料液管11后，逐步开启加热腔体13上的磁控管，并将磁控管工作功率调整至额定值，以实现液体的均匀加热，泵入的液体经过加热后从加热腔体上方出料口流出，最终通过管道流入料液收集装置17中收集。

在实际使用过程中，可以通过控制器调控各磁控管的功率，从而改变加热腔内部电磁场分布状态，使得液体在料液管内的升温速率符合要求。

Claims (3)

1.一种流体物料微波加热装置，由微波处理装置和料液输送装置组成，其特征在于微波处理装置包括微波加热腔体（13）、微波波导（14）、微波发生器（15）、料液管（11）、监控***（12）；所述料液输送装置包括原料槽（1）、输送泵***（7）、料液收集装置（17），所述原料槽（1）、输送泵***（7）、微波处理装置、料液收集装置（17）之间的依次通过管道连接；所述料液管（11）沿微波加热腔体轴线穿设在微波加热腔体（13）上，所述微波加热腔体（13）沿轴向按一定间距设置三个微波馈口，各微波馈口位置距加热腔体底端的比例为0.09～0.15：0.30～0.50：0.60～0.92；所述微波馈口与微波波导（14）一端连接且微波波导（14）垂直于料液管（11），所述微波波导（14）通过微波发生器（15）与监控***（12）电连接；所述微波加热腔体（13）可多个首尾串联设置；所述料液管（11）外壁与微波加热腔体（13）内壁之间设置有透波保温层；

所述监控***包括温度传感器（10）、压力传感器（8），所述温度传感器（10）、压力传感器（8）各有多组，多组温度测量器分别设置在微波加热腔体（13）、料液收集装置（17）上，所述微波处理装置的进、出料口上至少设置液压测量器；

所述微波加热装置通过控制器将各馈口微波输入功率与测到微波加热腔体（13）内的反应体系温度和设定的温度之间的差值进行耦合，并调整每个磁控管的输入功率逐步逼近料液管（11）各部位的设定温度，使流体物料受热均匀且高效；使得各微波发生器（15）的功率大小分别可调，用于实现各部位温度梯度的要求。

2.根据权利要求1所述流体物料微波加热装置，其特征在于所述输送泵***的流体物料输出口可与微波加热腔体任一端连接。

3.根据权利要求1所述流体物料微波加热装置，其特征在于所述微波处理装置与水平方向的角度可调。

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