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糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 摘要 众所周知，糖厂是耗能大户，其生产蒸发过程需要消耗大量的高温高 压蒸汽。传统的蒸发工艺大多存在设备结构复杂，生产成本高、传热效率 低，能耗高等缺点。本文首次提出以微波作为糖厂的蒸发热源，通过自行 设计微波加热实验装置，对微波加热蒸发浓缩糖汁的工艺过程进行试验研 究，验证了该方法的可行性。主要研究内容及结论如下： 1 、自行设计制造微波加热实验装置。首先由生产能力计算出微波功率， 根据最大耗散功率及经验设计方法，再考虑模式数目、品质因数、制造成 本等因素择优确定加热室尺寸：2 5 0 x 3 5 5 x 2 8 0 。同时完成了微波传输系统的 设计，确定了馈能口的位置，给出了微波系统、控制系统及真空系统方案， 最后对装置的性能参数进行了测定。 2 、利用a n s y s 分析软件对实验装置谐振腔电磁场分布进行仿真分析。 证明所设计微波加热谐振腔谐振模式较多，能有效实现模式互补使电磁场 分布较为均匀，有利于改善微波加热均匀性。 3 、从能量守恒及物料守恒原理出发，通过对微波加热蒸发浓缩过程进 行动力学分析，建立起了微波加热蒸发浓缩过程的数学模型。试验曲线与 由数学模型建立的理论曲线能较好的吻合。 4 、通过一系列糖汁微波加热蒸发浓缩特性试验，对影响微波蒸发浓缩 糖汁工艺的各种因素进行试验分析，总结出该实验装置在不同试验条件下 糖汁微波加热蒸发浓缩规律，同时选择较优的工艺参数进行了试验，最后 进行了能耗计算，可为下一步的微波加热蒸发浓缩设备设计筛选条件。 关键词：微波加热蒸发实验装置电磁场数学模型试验糖汁 e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sd e s i g na n d p r o c e s ss t u d yo nm i c r o w a v eh e a t i n g e v a p o r a t l 0 nf o rs y r i j p a b s t r a c t a sa l lk n o w , s u g a rm i l li st h ee n e r g y h u n g r y t h ee v a p o r a t i o np r o c e s s c o n s u m e sal a r g en u m b e ro fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r es t e a m t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s sa n dm o s to ft h ee v a p o r a t i o ne q u i p m e n t sh a v em a n yo f d e f e c t s ，s u c ha ss t r u c t u r a lc o m p l e x i t y , h i 曲p r o d u c t i o nc o s t sa n dl o we f f i c i e n c y o fh e a tt r a n s f e r , h i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o na n ds oo i l e v a p o r a t i o np r o c e s s b a s e do nm i c r o w a v eh e a t i n gf o rs y r u pw a s 盘s tp r o p o s e di nt h i s p a p e r m i c r o w a v eh e a t i n ge x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a sd e s i g n e di nt h er e s e a r c h s y r u p m i c r o w a v e h e a t i n ge v a p o r a t i o ni n s p i s s a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt o v 砸母t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d t h em a j o rc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sf o rt h i s s t u d ya i ea sf o l l o w s ： 1 t h em i c r o w a v eh e a t i n g e v a p o r a t i o ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u s w a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d f i r s to fa l l ，m i c r o w a v ep o w e r w a sc a l c u l a t e dw i t h p r o d u c t i o nc a p a c i t y s u b s e q u e n t l y , t h eh e a t i n gr o o ms i z e ：2 5 0 3 5 5 2 8 0w a s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h em a x i m u md i s s i p a t i o np 。w e ra n de m p i r i c a ld e s i g n m e t h o d ，t h em o d e ln u m b e r , q u a li t yf a c t o lt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta n do t h e r f a c t o r s a tt h es a m et i m e ，t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 7sm i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n s y s t e m ，l o c a t i o no fp o w e rf e e dp o r t ，m i c r o w a v es y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n d v a c u u ms y s t e mw e r ec o n f i r m e d f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw e r et e s t e d 2 t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s r e s o n a n tc a v i t yw a ss i m u l a t e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d eo ft h em i c r o w a v eh e a t i n gr e s o n a n tc a v i t yi se f f e c t i v e t oa c h i e v em o d e c o m p l e m e n t a t i o n ，a n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sd i s t r i b u t e dm o r e e v e n l ys ot h a ti tw i l lh e l pt oi m p r o v et h em i c r o w a v eh e a t i n gu n i f o r m i t y 3 a c c o r d i n gt ot h ec o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n dm a t e r i a l sp r i n c i p l e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i c r o w a v eh e a t i n ge v a p o r a t i o np r o c e s sw a se s t a b l i s h e d b yd y n a m i c sa n a l y s i s t h et e s t - c u r v e sh a dag o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a l c u r v e sw h i c hw e r ee s t a b l i s h e db yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l 4 s y r u pm i c r o w a v eh e a t i n ge v a p o r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n t sw e r e t e s t e d ，a n dav a r i e t yo ff a c t o r sa f f e c t i n gs y r u pm i c r o w a v eh e a t i n ge v a p o r a t i o n p r o c e s st e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e d t h er e g u l a r i t i e so fe v a p o r a t i o ni n s p i s s a t i o n f o rt h ee x p e r i m e n t a l a p p a r a t u sw e r es u m m e du pi n d i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，s o m ee x p e r i m e n t sw e r et e s t e db yc h o o s i n gb e t t e r p r o c e s sp a r a m e t e r s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rt h i sp r o c e s sw a sc a l c u l a t e d f i n a l l y i t c a nf i l t e rc o n d i t i o n sf o rt h en e x tp h a s eo fm i c r o w a v eh e a t i n g e v a p o r a t i o ne q u i p m e n td e s i g n k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh e a t i n ge v a p o r a t i o n ；e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；e x p e r i m e n t s ； s y r u p i i i 符号 b ( r , 0 c d ( r , 0 e l h i p p g 蜴 q 凡 盯 刁 r q 乞 t 9 6 6 符号说明 意义 磁通量密度 比热 电通量密度 电场强度 谐振频率 磁场强度 焓 压力 功率 蒸发强度 品质因数 汽化潜热 蒸发量 谐振波长 电导率 磁导率 效率 相对介电常数 物质的介电常数 物质的介电损耗因子 介质损耗系数 集肤深度 l v 单位或量纲 l ( j ( 蚝) 。1 c m 2 v m h z a m k p a w g ( h m 2 ) 。1 m k 0 n n g 一 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 妒7 年莎月二么日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囹即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 黼一：7 弓懒签名降巾冲 广西大掌硕士掌位论文 糖厂耱汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 我国是世界上第三大产糖国和食糖消费国，有制糖厂4 0 0 多家，广西是全国甘蔗的 主产区，拥有发达的制糖工业，其总体规模和实力长期在全国各省区名列前茅【。众所 周知，糖厂是耗能大户，目前糖厂传统的蒸发工艺大多采用多效蒸发，需要消耗大量的 高温高压蒸汽，燃烧燃料以产生热能所需要的费用，仅次于原料( 甜菜或甘蔗) 而占糖 厂产品原材料成本的第二位，传热设备的投资则占总设备费的4 0 左右。传统的蒸发工 艺大多存在设备结构复杂，成本高，易结垢且维修、除垢过程较费事，传热效率低，能 耗高等缺点。从现状看，我国制糖工业的节能潜力很大，通过研究应用新技术、新工艺 和新设备，可以将制糖工业节能水平提高一大步【2 5 1 ，显著增加企业的经济效益，意义 重大。基于此，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，微波加热技术日趋成熟，微波加热设备日渐 精良；电力供应得到了很大程度的改善，微波设备电子器件价格的下跌及能源比价的调 整，使得微波加热设备及微波加热的直接成本有了大幅度的下降；同时人们环保意识不 断加强，国家大力倡导节能减排，无疑微波加热技术的应用有着巨大的前途。本课题以 微波作为加热源，利用微波加热的特点，通过自行设计微波加热实验装置，并对微波加 热蒸发浓缩糖汁的工艺过程进行实验研究，充分证明微波加热浓缩法具有蒸发效率高、 节能环保、经济效益好的特点。此外，对粘稠、易结垢的糖汁，微波的穿透性带来的流 体内部同步加热可有效改善传统经壁面传热时对流给热系数小、易结垢等问题。据查证， 微波加热用于蒸发浓缩在我国糖厂中的工业应用目前还少有报道。因此对于中小型糖厂 采用微波加热蒸发浓缩糖汁是一个大胆的、新的尝试，具有重要的理论及现实意义，相 信可以为企业带来新的经济增长点，服务地方经济发展，应用前景广泛。 1 2 糖厂蒸发工艺及研究现状 1 2 1 糖厂蒸发工艺概述 蒸发是重要的化工单元操作之一，蒸发操作就是用加热的方法，在沸腾状态下，使 溶液中的水分或其它具有挥发性的溶剂、部分汽化移除，其溶液中的溶质数量不变，从 广西大掌硕士学位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 而使溶液浓缩。蒸发过程是一个热量传递过程，糖厂蒸发的主要目的为了提高水溶液中 溶质的浓度，即蔗汁在澄清后，清静糖汁的浓度约为1 3 - - 1 5 b x ，必须经过蒸发浓缩成 为5 5 - - 6 5 。b x 左右的糖浆，以适应煮糖需要【3 】o 根据蒸发料液的特性和工艺要求，蒸发过程可采用不同的操作条件和方法： 1 ) 常压、加压和真空蒸发 根据操作压力大小，蒸发过程可分为加压、常压和减压蒸发( 真空蒸发) ，糖厂多采 用真空蒸发。 常压蒸发是指蒸发操作压力为大气压( 或略高于大气压) ，其操作与外界压力条件相 同下进行。常压蒸发一般采用敞口式容器，所产生二次蒸汽不断外移，不重复利用。一 般无特殊要求的溶液，采用常压蒸发即可。 加压蒸发是指蒸发操作压力高于大气压，生产中，为了保持产品生产过程的系统压 力，则蒸发往往需在加压状态下操作，此时系统中的不凝气可以依靠自身的压力从蒸发 器和冷凝器排出。加压蒸发操作在密闭蒸发器中进行，由于其操作压力大于外界环境压 力，加热料液的沸点高于常压下料液的沸点。 真空蒸发是指蒸发操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气必须用真空泵抽出。 采用真空蒸发的基本目的是降低加热料液的沸点，实现较低温度下的蒸发浓缩。真空蒸 发尤其适用于在高温下易分解的溶液的蒸发。 2 ) 单效蒸发和多效蒸发 根据二次蒸汽是否再利用，蒸发操作分为单效蒸发和多效蒸发，目前糖厂大多采用 多效蒸发。凡溶液在蒸发时二次蒸汽移除后不再利用的蒸发操作称为单效蒸发。凡前一 蒸发器内蒸发时所产生的二次蒸汽用作后一蒸发器的加热蒸汽热源，称为多效蒸发。在 多效蒸发中，其效数等于二次蒸汽利用次数加1 ，至于二次蒸汽被利用的次数则根据生 产要求和经济性进行选择，效数愈多，蒸发设备的投资成本也愈大。 1 2 2 糖厂蒸发工艺现状 蒸发是糖厂生产的主要工艺过程之一。蒸发站是糖厂热系统的中心，需要消耗大量 的高压蒸汽，蒸汽温度大多控制在1 2 0 - 1 5 0 c 之间，目前大多采用3 效到5 效的蒸发工艺。 传统工艺较普遍的问题是【2 4 ，5 】： 1 、蒸发糖浆浓度偏低，国外先进糖厂的糖浆浓度超过7 0 b x ，国内节能好的糖厂为 2 广西大学硕士学位论文糖厂籀| 孝t 微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工乏j 研究 6 5 - - 6 8 b x ，但目前很多糖厂约为6 0 。b x 。 2 、蒸发汁汽利用不好，煮糖多数用一效汁汽，而国内较好的糖厂煮糖多数用二效 汁汽，有些用三效汁汽。不少糖厂加热器用汽也偏于前效。 3 、蒸发、加热与煮糖的汽凝水排除不畅通。汽凝水的热能回收利用不充分，蒸发 罐之间时常串汽。 4 、末效蒸发罐进入冷凝器的汁汽量很大，这又大幅度增加冷凝器用水量。 5 、设备积垢严重，降低了蒸汽利用率，传热效能低，难以实施好的热方案。 1 2 3 糖厂蒸发设备研究现状 目前我国糖厂使用的蒸发设备有各种各样的形式和种类，而且部分型式已定型化、 系列化。比较常见的有标准式( 鼓式) 蒸发罐及其改良型( 甜菜糖厂) 和膜式蒸发罐( 甘 蔗糖厂) ，如通用式蒸发罐、外循环式蒸发罐、强制循环式蒸发罐、长管升膜式蒸发罐、 外加热体蒸发罐、降膜式蒸发罐等t 6 , 7 l 。现有的糖厂蒸发设备存在结构复杂、易结垢且 维修、除垢过程较费事、传热效率低、设备投资大、能耗高等缺点。对糖厂蒸发设备可 以从以下几个方面进行研列4 6 ，7 】： ( 1 ) 大型化现代工业规模日益扩大，而设备数量不能成倍增加，从金属耗量、安 装空间，能量消耗定额、管理控制等方面分析，装置的大型化己被认为是有效办法之一。 蒸发装置为适应大型化的需要，不但操作方式、壳体与调节机构进行改进，为了使设备 紧凑，更多地进行了提高传热性能的研究。即增大传热管的传热系数和确定传热面积都 能有效发挥作用的配管排列。 ( 2 ) 最佳化蒸发器是一个大的热能消耗装置，特别是由于能源价格不断地提高。 因此，在系统工程中以及蒸发装置本身，如何降低和合理分配热能，有效地利用各种余 热是十分重要的。多效蒸发依然是研究的重点，其最佳化参数有：效数、温度、浓度比、 年经营费用和总传热面积等。通过采用动态规划、经济参数的相对值、年经营费( 包括 固定费和蒸汽费) 最小值等的研究，提出了一些最佳化设计计算方法和程序。 ( 3 ) 减少蒸发器的结垢这方面虽作了大量的研究工作，但至今关于结垢过程的机 理，还没有统一的观点。控制结垢的研究，过去重点是防止或延缓结垢过程的本身，今 后所面临的课题将是，如何合理组织蒸发器的运行，使沉积在加热面上的污垢热阻的增 长为最小，并且较容易从加热面上脱除。当然无传热面的闪念蒸发器以及浸没式蒸发器， 厂。西大掌硕士掌位论文 耱厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 将会得到更大的发展。 ( 4 ) 改进和研制新结构为了使设备紧凑、增加液膜的湍动、防止结垢、缩短接触 时间、提高传热性能、环保节能等目的，可改进原有装置，研制优化各种不同的新结构、 新设备，同样具有十分重要的意义。 1 3 微波加热技术及国内外研究现状 微波加热是一种新的加热方法，在许多领域得到应用和发展，尤其是在连续微波磁 控管的研制方面取得重大进展，特别是大功率磁控管的研制成功，为微波加热技术的推 广应用提供了先决条件。 1 3 1 微波的特性 微波是频率大约在3 0 0 m h z 一- - 3 0 0 g h z ，波长在l m m - - - 10 0 c m 范围内的电磁波，它介 于电磁波谱( 光波) 和无线电波之间( 见图1 1 ) 。国家准许使用的常用工业微波频率为 2 4 5 0 m h z 和9 1 5 m h z 。微波是一个十分特殊的电磁波段，其特性近似太阳光的性质，波 速为3 x1 0 8 m si s 。 国薯镭a d 图i - i 微波在电磁波谱中的位置【9 】 f i g i - it h el o c a t i o no f m i c r o w a v ei nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m 1 9 1 微波具有如下一些重要特性1 8 , 3 5 】：( 1 ) 直线性：微波在传播过程中像光一样，是直线 传播；( 2 ) 吸收特性：微波在类似水等极性介质中间传播时，大量的微波能很容易被吸 收，并转化为热能，因此可以对液体进行加热；( 3 ) 反射性：遇到某些物体( 如金属) 会 被反射回来，故微波加热设备一般采用金属板制成内壁，使微波经反射来回穿透食物， 4 广西大掌硕士学位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 加强热效应，但不得用来加热金属物质，否则有可能引起炉内放电打火；( 4 ) 穿透性：微 波可以穿透陶瓷、玻璃、聚乙烯等绝缘物体，这些物质介质损耗小，微波在此中间传播 时，只有少量的微波能被吸收；( 5 ) 辐射特性：微波频率很高，有很强的辐射效应。( 6 ) 加热选择性：不同物料对微波吸收程度不同，物料分子极性越强，越容易吸收微波，对 非极性或弱极性的介质几乎不起作用。介电常数通常是介质极化能力强弱的标志，介电 常数越大，介质的极化能力越强。 1 3 。2 微波加热基本原理 当处于微波场中的物质含有微波吸收介质时，物质能吸收微波的能量进行自身加 热，这种加热方式称为微波加热。微波加热是一种全新的热能技术，与传统加热不同， 微波加热不需要外部热源，而是向被加热材料内部辐射微波电磁场，推动其偶极子运动， 使之相互碰撞、摩擦而生热。其加热原理是：当有极分子电介质和无极分子电介质置于 微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变 电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排 列，就必须克服分子间作用力的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，实现分子水平的 “搅拌 ，从而产生大量的热。如极性分子放到频率为2 4 5 0 m h z 的交变电场中，电场方 向每秒变化达几十亿次，则极性分子也随之摆动几十亿次，使极性分子在很短的时间之 内产生类似摩擦的热。 根据电磁原理，人们1 主t m a x w e l l 方程组出发，推导出了单位体积所加热物质在微波 场内吸收的微波功率表达式如下【1 0 】： p 2 去归2 留以1 0 1 2 ( w c m 3 ) ( 1 - 1 ) 式中：p 微波吸收功率； 厂微波频率； e 电场强度； ，物质的介质常数，它表示物质将电磁能转换为热能的效率。 在有耗的实际介质中，介质常数具有复数的形式唧，即： f 。= q + 鸬( 1 2 ) 广西大掌硕士掌位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 式中，蜀为介o g - g 数； 乞为介电损耗因子。 物质吸收微波的能力，主要由介电常数和物质的介电损耗因子来决定。介电常数是 介质“阻止”微波能通过的量度。介电损耗因子是介质耗散微波能量的“效率”。这两 种因素的综合效果可用介质损耗角的正切函数t 9 8 来表示，以描述微波被介电物质吸收 的程度，物质吸收微波能的能力随t 9 8 增大而增加。其计算公式为： t 9 8 = 岛岛( 1 3 ) 1 3 3 微波加热特点 微波加热是物体内部的分子相互摩擦发热，对物质内部直接加热，具有以下一些优 占【9 ，3 s ( 1 ) 高效快速：微波加热属内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且 透射使介质内外同时受热，直接吸收微波能，因此能快速到达预定温度，所需加热时间 只是一般加热方法的1 l o j ! e j i 1 0 0 。 ( 2 ) 节能省电：微波加热是在物体的内部进行的，并只对特定的需要加热的物体加热， 微波源本身不产生热辐射，除少量传输损耗外，几乎没有其它损耗，故热效率高，热效 率可到达8 0 左右，与常规方法相比，可节电3 0 - - 5 0 。 r 3 ) j n 热均匀：由于微波加热是物体表面和内部同时加热，并存在分子意义下的搅拌， 加热无滞后效应，因此可避免出现表面硬化或内外加热不均匀的现象。 ( 4 ) 清洁安全：微波热源不与危险的加热材料直接接触，同时微波加热设备体积小、 占地面积小，不会向外产生热辐射，避免了高温环境，改善了劳动条件。 1 3 4 国内外理论研究现状 理论研究的任务就是要通过理论分析、实验研究和数学模拟，深入研究微波场中物 料传热、传质机制、建立热、质迁移模型。 研究物料吸收微波能的大小，物料内部温度场分布规律，要十分准确计算微波能需 要求解复杂的m a x w e l l 方程组，假设从物料表面输入的微波能是大小均匀且电场与表面 6 广西大掌硕士学位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 垂直，微波能在物料内部呈指数衰减，利用有限差分法或有限元法数值计算物料内部温 度。这方面的研究如曾有国外学者采用有限元模拟微波加热长方体和圆柱体食品内的温 度场分布，1 2 , 1 3 , 1 4 】；c h e n 等( 1 9 9 3 ) t 1 5 1 用有限元模拟了微波加热圆柱状土豆内温度分布， 得到中心轴线附近区域加热效果最为显著；k r a i s h e h 等【1 6 1 7 】研究了考虑物料大小时吸收 微波能的计算，简化了微波干燥的计算过程，得到了微波能吸收与样品直径之间的线性 关系； o l i v e i r a & f r c a n c a ( 2 0 0 3 ) t 1 8 】模拟了任意形状食品微波加热的温度分布，模拟结果 显示，样品的形状和大小对微波加热效果影响明显，同时微波频率也是重要因素之一， 样品在低频下吸收微波能比在高频下要好。 微波热效应过程可以分离为电磁过程和热过程，微波作用于被加热物体，由于材料 介电特性使微波产生耗散，于是电磁能转换成为热能。因此电磁特性会影响温度的分布， 温度的分布又会影响材料的介电特性。这种模型的研究就是电磁场分布和温度分布两个 过程。电磁场分布问题和工程传热问题的数值模拟都比较成熟，对应的是分别对m a x w e l l 方程组和热传输方程进行求解。研究微波加热模型就是选择合适的数值分析方法求解这 两个方程【1 9 , 2 0 , 3 9 1 。 从我国目前现状来看，1 9 9 6 年连续召开了六次微波应用会议，对中国的微波加热研 究起了重要作用。但对微波加热机理、影响加热均匀性等理论方面的研究的报道还较少。 要深入地应用和开发微波技术，理论研究非常必要。预计理论研究的突破性进展将会带 来真正意义上的微波技术应用的时代。 总的来讲，理论研究或数学模拟还未完全成熟，仍需迸一步研究和完善。 1 3 5 国内外应用研究现状 在国外，从2 0 世纪6 0 年代起就开始研究微波加热技术，目前已广泛应用于轻工、食 品、化学、农业和农产品加工业等许多领域。 1 9 5 4 年，当时的研究内容是微波材料之间相互作用的理论与数据。到了6 0 年代微 波加热在铸造和热压注等方面获得了应用：模型与注坯的低温热处理。利用微波作高温 加热是在7 0 年代开始的，1 9 7 6 年a j b e r t e a u d 币1 j c b a d o t 首先报道了在实验室中用微波烧 结a 1 2 0 3 成功的试验【2 1 】【2 2 1 。进x , 2 0 世纪8 0 年代中后期，微波烧结陶瓷新技术受到美国、 加拿大及其他发达国家的高度重视，并相继开展广泛深入的研究。迄今为止，几乎对所 有陶瓷材料微波烧结的可行性都进行过研究。美国、加拿大等国用微波炉批量烧制出 7 广西大学硕士掌位论文糖厂粳阱微波加热蒸发浓缩实验装，：设 5 - 及工艺研究 s i 3 n 4 、s i c 、b a t i 0 3 、p z t 、t i 0 3 、l i h 、a 1 2 0 3 t i 0 2 及a 1 2 0 3 s i c 晶须等陶瓷和陶瓷复 合材料 2 3 l 。法国学者对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究，指出微波 加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡，并研究了控温和进行选择性加热的方法【2 4 】。2 0 世纪8 0 年代，美国、加拿大、英国和德国开始研究微波真空干燥技术，主要集中在美国的 w i s c o n s i n 大学、c a l i f o r n i a 大学，加拿大的b r i t i s hc o l u m b i a 大学，英国的q u e e n s u n i v e r s i t y ，希腊的国立科技大学，法国的a l b i 研究所等f 2 5 , 3 0 。 在工业用微波设备方面，1 9 6 5 年由美 c r y o d e y c o m p o r a t i o 公司成功地研制出世界上 第一台9 1 5 m h z 5 0k w 隧道式微波加热设备。随后，美国、日本、加拿大和欧洲等发达 国家皆利用微波能技术解决食品工业中的加热、焙烤、杀菌、催陈等方面的问题，并相 继取得了成功。日本采用2 4 5 0 删1 6 奉5 k w 微波加热设备生产出膨化加热蛋黄粉。美国 研制出9 1 5 m h z 6 0 k w 的通心面微波加热机。法国国际微波公司的2 4 5 0 m h z 4 8 k w 微波 真空加热设备用于速溶桔粉生产。德国l b b o h l e 机械工程公司研究开发了带有加热气 体喷流的真空加热装置v a g a s 系列单锅式造粒机1 2 4 1 。而目前国际上主要生产厂商有美 国的f e r r i t e 公司、c o b e r 公司和a m a n a ) 直用公司，德国的p u e s c h n e r 公司等，所生产设备的 自动化程度高，采用p l c 控制，兼有数据实时记录系统，加工过程还可实现监控，并可 与上位p c 机连接进行加工过程的数据图像处理t 2 6 , 3 0 1 。 在我国，近2 0 年来，微波加热技术在许多领域的应用得到了迅速发展，并取得了良 好的经济效益。 微波加热干燥：我国在8 0 年代后期就已开始这方面的研究，目前主要的研究单位有 江南大学、华南理工大学、中国农业大学、大连水产大学、中国农业机械化科学研究院、 南京三乐微波技术有限公司等。微波加热干燥具有加热干燥时间比较短、干燥均匀、便 于控制、热效率高等优点。有人曾设计了一条竹料的微波干燥线，由3 台2 4 5 0 m h z 、5 k w 的微波源提供微波功率，实行流水作业，每小时能将l1 5 k g 、含水率为2 0 的竹筷干燥 至1 0 。该生产线具有干燥时间短，杀虫、防霉效果好的特点【2 7 1 。微波加热真空干燥研 究方面，有人曾成功地研制了一种实验室规模的微波真空干燥设备，对大蒜片和胡萝卜 片、绿叶蔬菜等的微波真空干燥工艺进行了研究，建立了薄片物料的微波真空干燥动力 学数学模型和温度分布和变化的数学模型 2 8 , 2 9 】。 微波烧结：1 9 8 8 年我国将微波烧结技术列入“8 6 3 ”计划，取得了极为可喜的研究 成果。自1 9 8 8 年由武汉工业大学研制成功国内第一台微波烧结试验装置以来，中科院金 属研究所、上海硅酸盐研究所、清华大学等也相继研制了实验用微波烧结炉，成功地进 8 广西大学硕士掌位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 行了陶瓷材料的微波烧结试验。不仅用微波炉批量烧结出a 1 2 0 3 瓷舟，而且成功烧出不 开裂、组织均匀的发动机增压器涡轮转子，其坯体直径为9 6 r a m ，最终致密度为理论密 度的9 7 ，这是迄今报道的最为复杂的微波烧结陶瓷件 2 3 , 2 5 j 。 其它：目前微波加热技术已被广泛应用于造纸与印刷、纺织与印染、药物和药材、 化工产品、皮革、陶瓷、煤炭、橡胶、化纤、烟草、木材、医疗等行业，它所表现出的 优点是传统加热方法无法比拟的。 1 4 微波加热技术在制糖工业的应用研究现状及前景 微波加热技术在制糖工业领域的研究及应用相关报道比较少，且大多研究集中在制 糖化学分析方面，而在工业应用研究方面并不多见，华南理工大学较早地开展了这方面 的研究，他们曾采用微波加热技术，根据微波热效应特性，进行了微波技术用于改善与 强化蔗糖结晶过程的探索研究，将过饱和度1 0 15 - - 1 0 5 5 的糖汁分别用微波加热与电炉 加热进行晶体生长速率、表面结构、内部结构的研究，证明该方法对蔗糖晶体的生长有 强化作用 7 1 。 而本文提出的微波加热技术应用于糖厂的蒸发工艺过程尚属首次，目前未见有其它 相关报道。由于微波加热能使物料表里整体受热，加热均匀，且加热效率高、不存在温 度梯度。如以微波为蒸发热源，取代传统的高温高压蒸汽蒸发浓缩糖汁，简化了工艺， 同时大大缩短了加热驻在时间，从而提高糖汁的蒸发效率，将会大大降低糖厂的能耗而 产生良好的经济效益。因此，微波加热技术应用于制糖工业将大有可为。 1 5 本文研究的主要内容 1 、自行设计加工制造用于糖汁蒸发浓缩的微波加热实验装置，从简单、经济、实 用角度出发，要求装置加热尽量均匀，微波功率可调，装置内部要有一定的真空度，同 时安全可靠，无过大的微波泄露。通过对装置的调试及相关试验测定出装置的各项性能 参数。 2 、采用有限元法对实验装置谐振腔内部电磁场分布进行计算，同时通过有限元分 析软件a n s y s 对t e 模式下的电磁场分布进行仿真分析。 3 、对微波加热蒸发浓缩糖汁过程进行分析，根据能量守恒及物料守恒原理，建立 9 广西大掌硕士掌位论文 糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 起微波加热蒸发浓缩的数学模型，并进行能耗计算。 4 、对糖汁微波加热蒸发浓缩工艺进行试验研究，通过一系列微波加热蒸发浓缩糖 汁特性试验，对微波蒸发浓缩糖汁工艺的各种因素进行试验分析，总结出影响微波加热 蒸发浓缩糖汁的原因，为下一步的微波加热蒸发浓缩设备设计筛选条件。 5 、对微波加热蒸发浓缩工艺进行经济性分析，同时对中小型糖厂工业化微波加热 浓缩设备提出设想和观点。 1 0 广西大学硕士学位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 第二章微波加热蒸发浓缩实验装置设计 微波加热蒸发浓缩实验装置的设计、加工制造是本研究的关键部分之一，装置设计 除了要考虑到微波设备的功能性之外，还要考虑到便于操作、清洁卫生等特点。本章主 要内容包括：加热室即谐振腔形式和基本尺寸的确定、关键零部件设计、。微波传输系统 设计、微波功率源的确定、控制电路设计、及真空系统设计及温度测量方案等内容。 2 1 实验装置系统组成 实验装置系统由以下几个部分组成： 微波功率源：为微波加热系统提供稳定度高，具有特定功率并连续可调的微波功率 输出。 微波传输系统：它是微波源产生的微波经传输波导进入加热室谐振腔的窗口，要求 微波功率能够将所输出的微波功率以最低损耗传输到终端加热室，并确保被加热的负载 在较大范围内变化时，均能良好传输，不影响微波功率源的稳定工作。 加热室：即微波谐振腔，是整个微波加热系统最为核心部分之一，它一般根据微波 频率特性、所加热物料状态、单位时间处理量以及其它具体要求进行专门设计。要求确 保所设计加热室微波能够与所加热负载产生最有效的相互作用，以期望达到最佳加热效 果。 控制系统：对整个微波加热系统进行电气控制，保证微波功率源有效输出微波能量， 要求能够对微波功率、加热时间等参数进行实时控制，并保证系统稳定、安全可靠工作。 测温系统：对加热物料温度进行实时在线测量，能够安全读取目标温度，并能确保 所测温度的准确性。 真空系统：能为系统提供一定的真空度，以满足试验需要。 实验装置系统组成框图如图2 1 所示。 广西大学硕士学位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工t ：研究 图2 1 实验装置系统组成框图 f i g 2 一lt h ec o n s t i t u t i o n a ld i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u ss y s t e m 2 2 微波总功率及最大耗散功率的计算 2 2 1 总功率的计算 在设计或选用微波加热设备时，先要估算设备的功率容量。设按每小时处理物料3 k g 来设计计算总功率，物料温升8 0 ( 2 ，限于我国目前的水平，许多物料的喀艿没有设备进 行测量。因此，根据经验一般按每千瓦微波功率每小时去水o 8 1 2 k g 估算实际所需 的微波功率大小。 物料蒸发所需微波功率由下式计算： p ：a t c w + q w ：8 0 x l x 3 + 5 4 0 x 0 8 ：0 7 8 1 4 仪哪( 2 - 1 ) ，= 一= 一= ， l ( wi 860t8 6 0 x 1 、7 式中，p 为物料耗用的微波功率，千瓦； a t 为物料的温升，； c 为物料的比热，千卡k g ； 矿为每小时要加工的物料质量，k g ； ，为微波作用的时间，小时； q 为液体蒸发汽化潜热，或汽化热，千卡千克； 为每小时要求蒸发的液体质量，埏。 以上是一般的计算方法，在实际推广应用中，一般是通过试验来判断物料对微波吸 收的情况。 考虑到微波的加热效率及热转换效率，微波总功率的计算如下： 1 2 广西大学硕士掌位论文 糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 尸：一p ：0 7 8 1 4 ：1 2 0 2 ( k w ) 7 7 0 6 5 r 7 式中，尸一选择的微波加热设备功率容量，千瓦； ( 2 - 2 ) r 一微波吸收效率，一般在5 0 8 0 左右。 为了降低成本，本设计考虑选用家用微波炉磁控管，输入功率在1 1 0 0 1 5 0 0 w 之 间，可基本满足设计要求。 2 2 2 最大耗散功率密度的计算 如加热室内设计压力为0 0 8 0 m p a 一- - 0 1 0 1i v i p a ，则由击穿场强与压强的相互关系如 图2 - 2 ，取最大安全工作电场强度= 1 5 0 k v m 。 名 喜 矮 露 镪 催 6 5 4 3 2 1 o oiz 3 456t891 0l ll z1 31 41 5 点k 强( m m x g ) 图2 2 空气、水蒸汽的击穿场强与工作压强的关系 ( 图中， l 毫米水银柱的压强相当于i t o r r ，1t o n = 1m mh g = 1 3 3 3n m 2 ) f i g 2 - 2t h er e l a t i o n so fa i r , s t e a mp u n c t u r ef i e l di n t e n s i t ya n dw o r ki n t e n s i t yo fp r e s s u r e ( i nt h ec h a r t , 1m i l l i m e t e rm e r c u r yc o l u m n si n t e n s i t yo fp r e s s u r ei se q u a lt o1t o r r , lt o r t = 1m m h g = 1 3 3 3n m 2 ) 将各参数代入，可得最大耗散功率密度： 匕，= k c o e o e ：e 磕= 3 2 n 2 4 5 0 1 0 6 x8 8 5 4 x1 0 - 1 2x 1 2 0 4 1 9 ( 1 5 1 0 5 ) 2 = 11 3 ( k w m 3 ) ( 2 3 ) 式中，。，为最大耗散功率密度，k w 佃3 ； k 为安全系数； 13 广西大学硕士掌位论文糖厂糖汁微波加热蒸发浓缩实验装置设计及工艺研究 缈为微波场的角频率，缈= 2 万厂r a d s ； 氏为真空介电常数，f m ； 为介电损耗因子； 瓦。为最大安全工作电场强度，v m 。 矩形谐振腔即为加热室，加热室内的单位微波功率应小于工作负载的最大功率耗散 密度，否则有可能会发生击穿现象【2 8 ，3 0 1 ，由此可计算出加热室的最小体积： 。乏= 等_ 0 0 1 0 6 3 7 m 3 _ l o 6 ( 三) ( 2 - 4 ) 因此，为防止可能发生的击穿现象，谐振腔体积控制在1 0l 以上，是非常安全的。 2 3 实验装置加热室一谐振腔的设计 2 3 1 设计原则和步骤 微波加热器谐振腔具有多