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干燥機的發展前景

我有新說法

一種利用熱能降低物料水分的機械設備,用于對物體進行干燥操作。干燥機通過加熱使物料中的濕分(一般指水分或其他可揮發性液體成分)汽化逸出,以獲得規定濕含量的固體物料。干燥的目的是為了物料使用或進一步加工的需要。


目錄

  微波技術是在第二次世界大戰期間為了研制雷達而成熟起來的。當大戰將結束時,美國調整雷達的工程師發現自己口袋里的巧克力經常熔化了!立刻明白,這是電磁波對物質的作用所引起的,是和大功率電纜中絕緣介質損耗發熱是一回事。好奇心驅使他們用微波裝置作爆米花取得成功。這就是微波功率應用設備的雛形。早在三十年代在調試大功率無線電發射機時,常常發現蒼蠅或昆蟲干癟的死在空心螺線管中,這些 偶然發現,明白的向人們啟示了微波和無線電波均可造成加熱、干燥現象。其實,微波和無線電波均是電磁波,只是微波的頻率在300兆赫以上,而無線電波的頻率在300兆赫以下。當然,發展無線電技術早期的工作技術重點,是采用各種頻率的電磁波運載信息或獲取信息,以構造現代絢麗多彩的生活。初創階段不可能把昂貴的無線電和雷達設備用于加熱干燥。采用無線電波加熱作為工業應用,早于微波加熱,稱為射頻加熱。隨著微波技術的發展,所產生的微波功率不斷提高,成本降低,就有可能將微波電磁場的能量轉變為物質分子的能量,作為科研、生產和醫療的手段。這種透入物質內部,即時轉化為分子熱能的方法,改變了傳統加熱由表及里的概念,創造了快速升溫的新技術。

  

  1.原理和微波功率應用設備微波電磁波具有兩種傳送狀態。

  

  種,是由天線定向向空間傳播,和光線一樣,是直線傳播。

  

  第二種,是由人為設置的導行傳輸狀態,也就是制約電磁波在空心管道中傳送,這種空心管道稱為波導管,一般是矩形或圓形,由銅或鋁等良導體制成。波導管采用的截面尺寸和所用微波的頻率有關。在空心波導管中傳播的微波電磁波,是將能量封閉起來傳送。可以遠距離傳送,能量損失極小。若在波導管中充以非金屬物質,造成傳輸功率的損耗,傳送的距離就有限。是由于產生了電磁場和物質的相互作用,已將電磁波的部份能量轉變為物質分子的能量,其轉換比例是和電磁波的頻率與該物質的損耗因子有關。從原理上說,可以把引入波導管中封閉傳送的電磁波能量全部轉變為物質分子的能量。溫度的升高是物質分子增加能量的主要標志。電磁波是以光的速度傳播的,電磁波透入物質的速度也是和光的速度傳播速度相接近的;而將電磁波的能量轉變為物質分子的能量的時間近似是即時的,在微波頻段轉換時間快于千萬分之一秒。這就是微波可構成內外同時快速加熱的原理。傳統加熱固體物料,必須處在一個加熱的環境中,然后由表及里,逐漸傳導入固體的內部,獲得熱平衡的條件,這就需要較長的時間。加熱環境,一般不可能很嚴格的絕熱封閉,在很長的加熱時間,就可能對環境散發了很多的熱量。而微波功率是全部牌封閉狀態,以光速滲入物體內部,即時轉變為熱量,就節省了長時間加熱過程中的熱散失,這就是微波加熱的節能原理。

  

  微波加熱和射頻加熱相比的特點:   a. 場能轉變為熱能的比例高;     b. 容易將電磁波屏蔽起來,不逸散實際的微波功率設備,一般由(1)微波功率源(2)應用器(3)波導元件和應用器饋能結構(4)傳感和控制四個部份組成。

  

  產生微波功率的微波功率源,一般采用磁控管作振,在該管中,熱陰極發射電子,在強恒磁場作用下,電子作圓周運動;磁控管內部的諧振腔使電子減速,這樣就使電子的動能,轉變為電磁波的能量,在諧振腔中積累,送入波導管中,再送入應用器供使用。磁控管需要直流高壓供電,燈絲加熱供電及恒磁場線圈供電并需要相應的保護和控制電路,組成微波功率源的整機。直流高壓或恒磁場的勵磁電流,均可控制微波功率的輸出量。微波應用器是擴大了的波導管,采用它作為電磁波和物質相互作用的場所。設計考慮是適應加工物料的形態和處理要求,可分為行波型和諧振型。波導元件是微波功率源和應用器之間的連結部件,是為了解決既讓磁控管獲得佳的負載工作條件,而又使應用器能獲得有效的饋入效果,從微波技術的角度來考慮,是通過多種波導元件和饋能結構來完成的,同時波導元件提供了入射功率量和溢出反射功率量的數據。傳感器的配置,是為了覺察場和物質作用的程度,是否符合加工需要,如溫度傳感和濕度傳感等。設備可根據實時的傳感數據和微波功率源實時工作狀態,對功率源的輸出及傳送速度等實施有效的控制。

  

  將微波功率應用設備分為四部份,是非常必要的。一般而言,應用設備均是單件生產或小批量的生產,是必須按照特定的使用要求進行設計的,是一種類似“量體裁衣”的過程。將微波功率應用設備分為四部份,其中微波功率源和波導元件是微波工程設計、傳感和控制工程設計。這三部份具有較強的通用性,并不受應用對象不同而變更。多年來,我們強化了這三部份的標準化和系列化工作,提高了這些部件的可靠性和穩定性,為整機的可靠性提供了有力的基礎,并縮短了研制整機的周期。微波應用器設計具有較強的針對性,因不同的應用對象的處理要求、不同的狀態、形狀、大小而異,是多學科會合的工程設計,近年來,我們采用微波應用器系列設計的方法,不同的系采用特定的通用部件組裝,將新設計的部件降到極少,這樣,進一步縮短了設備的研制周期,并保證了設備的可靠質量。

  

  2. 我國微波功率應用的現狀我國在七十年代的初期,就關注著國外微波功率應用技術的發展。早在1972年底電子工業部在南京772廠(即三樂電氣總公司)召開的一次微波電子管技術研討會上,著重討論了微波電子管在新領域中的應用可能發展,新領域即是微波加熱干燥的工業應用、微波治療、微波診斷及微波等離子體等領域。而開展新領域的研究工作的先導,必須研制大功率連續波磁控管。當年772廠即著手研制915MHz和450MHz的連續波磁控管,并在研制成功兩個頻段連續波磁控管的基礎上,又研制了我國首臺2450MHz微波理療儀,及915MHz微波加熱設備。1974年春首臺微波加熱設備在北京展出,展示的微波快速加熱現象,吸引了工業界人士的普遍關注。1974年11月電子工業部在南京772廠召開了微波能應用技術座談會,會議介紹了國外微波功率在工業生產、農業生產和醫療事業中的應用,討論了在我國發展的前景。經過二十多年的努力,我國已經將微波功率應用這個研究領域初步建立了基礎,772廠研制的微波功率設備已在食品、木材和竹制品加工、制藥、紙品、釀酒、橡膠、化工等工業生產中站穩了腳根,改善了生產條件,提高了產品的質量,所研制的多種微波等離子設備、微波高溫設備和微波真空干燥設備已成為多種學科的重要科研手段。

  

  就全國的情況來說,我國微波功率應用技術的推廣,二十多年來是一段十分艱辛的路程,目前取得了初步成績,奠定了繼續發展的基礎,這個基礎的主要標志是:(1)微波加熱干燥、微波食品加工和微波殺菌、殺蟲已在多種工業中廣泛應用(2)家用微波爐已形成規模生產的能力;(3)微波醫療儀的臨床應用已取得了普遍的成功;(4)目前多個領域前沿課題,采用微波功率這個有力工具,已取得了許多可喜進展,拓展新領域研究陣地,已跟上了世界的步伐。

  

  3.微波功率應用正在走向高科技領域從世界各國研究動向來看,微波功率應用正處在向新領域發展的時期,即研究的重點已從傳統的加熱干燥、食品加工轉向多個高新技術領域,作為研究工作的一種嶄新工具。

  

  主要的領域有:微波催化化學反應、新材料微波加工處理、微波氣體放電的多種應用的研究等。微波化學的實驗研究,幾乎遍及化學、化工所有領域,大量的文選報告顯示了微波電磁場可以加速化學反應,可將反應時間縮短到原需時間的十分之一到千分之一,給化學工業引入了誘人的前景。微波高溫技術可以燒結精細陶瓷,可焊接陶瓷,并可加工和處理材料,如高分子材料的熱定型,非金屬材料熱處理,微波方法優于常規方法。微波氣體放電,即以微波電磁場形成低溫等離子體,是微波功率應用研究的一個主要方面。微波等離子體化學氣相沉積制膜(MPCVD)和等離子體刻蝕,是微電子加工的主要工藝手段,金剛石薄膜的制備和光纖的制備也采用MPCVD方法,超細粉末的制取,微波等離子體方法,具有多種優點。微波等離子體中,多種粒子的活性強于射頻等離子體,用于化學反應及材料處理具有更有利的條件。此外,由微波無電極放電構成強照明光源(如硫燈),微波臭氣發生器等,有可能逐步走向產業化。

  

  據初步的文選調研,我國正在進行的微波功率新領域研究工作的熱點,可以列舉如下:(1)微波選礦(微波輔助熱解)的研究,有色金屬的硫化物轉化為氧化物,鎳的碳酸鹽轉化為氧化鎳,金礦砂的脫硫和放射性同位素的硝酸鹽轉化為氧化物等已取得了實驗室成果。(2)微波輔助有機和無機化學反應,提高化學反應速率做了大量的實驗室工作。(3)微波輔助萃取技術的研究。微波電場能加快溶解速率,改善溶解度,已在多種實驗室取得了顯著成效。用微波輔助萃取方法,科學規范生產,將是必然趨勢。(4)以天然氣代石油制取乙烯等化工原料,采用微波輔助催化化學反應和微波等離子體技術,在實驗室中已取得了較好的收率。(5)活性碳和柴油過濾器的微波再生方法,已得到了良好的實驗效果。(6)我國早在八十年代初期就開始研制多種微波等離子設備,如MPCVD設備,等離子刻蝕設備,激光的微波泵源的研制工作。近年來又開始研制微波無線電極放電硫燈強光源,微波氣體放電構成臭氧發生器(在臭氧的環境下,延長糧食的保質期,是一種有效方法)。(7)微波高溫技術,用于燒結陶瓷和焊接陶瓷,我國已經取得了許多實驗成果。國外的趨勢是常規加溫技術并結合微波高溫方法,以改進陶瓷工業的生產,已有小規模的生產設備。我國也具有這方面的基礎和經驗,應早日啟動該項工作。(8)從八十年代初就已經立項從事煤和石油的微波脫硫的研究工作,目的希望早日形成燃燒過程中清潔排放。對固、液、氣三態的廢物處理,也結合微波方法,進行了初步的實驗研究。從這些課題的內容可以看到,對新領域的研究工作,我國和國外的差距并不太大。目前應切實解決許多實際難題,以加強向產業化轉化的力度,才能對我國的經濟建設和生態環境的改善見實效。

  

  4.加強微波應用基礎研究是進一步發展的基本條件如上所述,我國對微波功率應用對新領域開拓性的實驗研究工作涉及的面很廣,積累了很多經驗,取得了許多開創性的研究成果,這是令人鼓舞的。但是,把這些實驗室的結果轉變為生產力,使產業化的進程趕上世界前進的步伐,還不容樂觀。從微波工程的角度來看,我國用于新領域實驗研究的設備,尚屬較原始的狀態,而且處理量一般較小,擴大到產業化的規模,還有許多具體難點需要解決,走向產業化還有一段艱苦奮斗的路程。從國外新領域的實驗研究表明:需要對微波功率應用設備有更高的要求。停留在原有水平的設備,難于適應新領域研究的需要。首先,對微波功率源就有較高的要求,要求工作高可靠,輸出的微波功率具有高穩定度和重調度,低波紋因素,并具有調制功能,以適應改變條件,取得較佳的實驗效果,并具有可靠的重復性。第二,設備遠實時傳感,監示和高速是需要的。傳感設置,是目前國產設備的薄弱環節,需要完善這些功能。為了確保監示的性,及調整的可靠性,需要著手改進目前大功率波導元件的性能,及研制應用器的多種適應性強的饋入結構。

  

  由此可見,為適應新領域應用研究的需要,微波功率源、波導元件及傳感和控制這三部份通用性強的基礎部件,還有大量的改進工作要做,使這些基礎部件的技術指標,國外先進的水平。目前已成功運用的微波功率生產設備,還需要改進和提高。這些通用基礎部件質量的提高,將為改進目前的應用設備,提供扎實的基礎。就可能使目前的微波功率應用設備更規范化,使工作更穩定可靠,加熱更均勻,并配以可靠的傳感功能,可使設備的工作狀態得到實時監示,使電磁場和物質相互作用的狀態具有可覺察性,具有配置閉環自控的基本條件,設備日趨完善,這樣就可縮小和國外先進同類產品的差距,使目前國內以進口設備為主的橡膠微波硫化設備和印刷干燥設備,全部采用國產設備。一旦我們的應用設備的質量躍上一個臺階,就有可能將微波功率應用于加熱的領域不斷拓寬。如化工材料、玻纖的干燥、陶瓷坯體的干燥和定型、紡織、印染、印刷工業的應用,大型冷凍肉食品解凍的應用,完全可以采用微波功率設備,改善生產條件并縮短生產時間。現有微波功率應用設備的改進和提高,并可靠的運用,無疑將為新領域應用設備提供了有益的經驗和基礎部件。

  

  5.多學科會合攻關使研究工作早日轉向產業化微波功率應用是多學科交叉的課題,就新領域的研究而言,多學科的充分滲透猶為重要。二十多年的經驗表明,應用學科的許多研究工作若不清楚微波原理的基本框架、主要原則和現狀,所立的研究課題往往會多次反復,長期在實驗室中徘徊,研究工作進展的速度不快,而不清楚應用學科具體課題的基本要求,處理的主要環節,所作的微波應用器的工程設計,將會造成使用不當,造成大量浪費。這些雖然都是過去的歷史,但是這些應該吸取的經驗,必須給予高度的重視,對于開拓新的應用領域,更具重要意義。微波應用的研究課題,必然存在著多學科能夠從充分對話、滲透,然后找到多學科規律的會合點的過程。不能忽視多學科從理論角度深入對話的必要性,因為多學科的理論規律,可以預示許多方向性的原則,就可以較可靠的給出應用器設計的具體要求,及實驗的實際運作程序,避免多走彎路,節省時間。多學科的會合既應包括研究工作策略、方案和設計,又應包括失敗和成功的經驗的討論和總結,才能涵蓋研究工作的完整規律,而找到前進的方向。預計將科研成果轉化為生產力,更要注意從多學科會合來考慮,一個科研項目的成果應還要充分重視類似產業或現有同類規模生產產業的成功經驗,作出向產業化轉化的方案。微波技術并不能替代原有生產流程的一切規律,微波技術可以找到原有生產流程的薄弱環節,在這個環節上補充、加強或代替,而使原有的流程得到一個很大跨度的改進。如微波橡膠硫化設備的研制就是一個明顯的例子。硫化溫度和硫化時間對一定的產品均有一個確定的佳區間,常規方法是升溫時間和硫化時間的矛盾,對大體積的產品而言,由表及里的常規加熱,欲使內部達到預定的硫化溫度,需要很長的時間,表層橡膠已超過了硫化時間,達到了過硫化狀態,而內部尚處于硫化處理不足。傳統方法對整個產品難于達到均勻一致的硫化處理。微波橡膠硫化設備的設計、微波加熱僅用于迅速升溫到預定的硫化溫度一段區間,而已到達硫化溫度后,立即由傳統的加熱方法作保溫處理,如此安排,微波橡膠硫化設備,既加快了生產時間、節約了能源,又得到均勻硫化處理的效果,改善了產品質量。再如微波高溫燒結陶瓷的研究工作表明,微波高溫方法升溫快,可縮短生產時間,改善陶瓷產品的質量。但是實驗研究燒結過程燒成率低,難于掌握迅速升溫的各個環節。冷靜的思考,改進陶瓷燒結的工藝,還應該是常規加熱和微波加熱相結合的方法,初始升溫不必采用微波方法,待到達500°C以上,(陶瓷坯體吸收微波能量的系數受溫度升高而提高),此時,用微波方法即可將坯體內外一致達到燒結溫度,而保溫、降溫仍然采用常規方法。這個想法和看到的報導不謀而合,國外已在這個思路的前提下,研制小型微波燒結和傳統燒結相結合的傳送式窯爐,得到了很好的燒結效果。利用微波功率所進行的多項科學研究,實際上是在尋求相關多學科規律會合點上下功夫。微波功率工程方面的技術工作,正在積累經驗,逐漸探索和相關應用學科相配合,在不同領域共同找到攻克研究工作難點的方法,使各項高科技研究早日向產業化轉化。

  

  6.微波與傳統加熱干燥技術相結合目前,大型微波功率應用設備主要在加熱干燥和食品加的生產中運用。但從目前需求的情況來看,微波功率應用設備尚未能滿足多個領域需求。由于家用微波爐的普及,許多企業改進生產的意圖已在家用微波爐中做成了可行性試驗,或者已經看到了改進的預兆,需要進一步促成,但是目前已有的微波功率設備又不可能完全適應這些要求,也就是說,就微波加熱干燥而言,微波功率工程仍然還有大量的開拓性工作可做。這些領域大致是非金屬材料的高溫處理、高分子熱定型、化工材料的絕度干燥、脫結晶水、玻璃纖維的干燥、各種生物化學材料、食品的低溫干燥、真空脫水干燥。有些領域的加熱和干燥,傳統方法已進行大量的研究工作。例如干燥方法,著眼于在不同狀態有效地將水分疏導排出、噴霧干燥、硫化床干燥、振動硫化床干燥、騰干燥、真空干燥都是應物料的不同狀態和熱風刻分相接觸而排出水分。如果適當的引入微波能量,完全可能將干燥過程加快,并改善干燥質量。這些領域微波方法宜與傳統方法相結合,補充向物料提供熱量不足的弱點,可采用微波加熱。疏導排出水分的方法,還應采用傳統方法的優點,這就需要對原有設備進行改革,以兼容饋入微波功率及防止微波泄漏的措施。許多材料的絕干處理,及非金屬材料的熱處理方面的應用,目前大型微波功率設備密度還不夠高,設計高場強密度的設備,有望而卻步微波功率設備可以改善對非金屬材料的熱處理方法,從理論上估計,對化工材料的絕干處理會取得良好的效果。

  

  統一電磁場功率工程方法,為改善生產條件,為前沿研究工作的進展作出努力從許多報導文獻來看,國外射頻加熱設備其設計方法擬逐步和微波功率相接近,即發展所謂50Ω射頻工業加熱技術,標準射頻設備應由如下四部份組成:(1)具有50Ω輸出阻抗的射頻振蕩器;(2)連結射頻振蕩器和匹配盒的50Ω同軸線;(3)具有控制和鑒別器discrimmatic的匹配盒;(4)應用器。也就是說,射頻功率設備發展方向不再是統一體的設備,也可以用通用件組裝設備,而且將振蕩源和應用器可以按需要拉開距離(目前的f工業設備根本無法達到這種要求)。這樣的工作方法,實際是和微波功率設備的研制的方法是一致的;即按標準件組裝設備的方法。同時射頻功率輸出擬改用晶振饋入放大器,以便于穩定頻率與控制功率;此種方案和進一步改進微波功率源;應用正交場放大器,由有源微波網絡組成振蕩電路稱為穩頻管(Stabililotron)思路是一致的。穩頻管的輸出功率在2450MHz是10—50KW和10—100KW。典型的Rf使用頻率是13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz目前有提高使用頻率的趨勢,所試制的Klystron采用267MHz作為高功率工業應用,而微波功率應用的頻率目前是2450MHz,915MHz,目前在發展434MHz的趨勢。上從設備設計方法來看,射頻設備和微波設備正在逐步接近,而微波使用頻率在向下擴展,射頻使用頻率在向上升。即二者上下延展,進一步連結成統一的電磁場功率設備,實際上微波功率設備和射頻功率設備是電磁場功率設備的二葉,應該用電磁場功率應用統一的角度來處理方案,射頻和微波各有特長,各有短處,應該用其所長,避其所短,使人國的電磁場功率設備做得更合理,更貼近實用。微波與射頻電磁場功率工程工作領域主要是加熱干燥、材料處理和氣體放電,應用面非常廣,非常貼近生產實際,既是對傳統的加熱干燥方法的改進,又是當前許多重要研究方法的重要工具。當前應該是在調查研究的基礎上作一些總體規劃。哪些行業加熱干燥存在著薄弱環節,電磁場功率設備應以何種頻段采用哪些技術手段處理,這些環節較為合理。當前采用射頻和微波方法的前沿研究工作,設備基礎的薄弱環節存在什么問題,應該逐步加強基礎建設,以有力地促進前沿的研究工作。

參考資料

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