一種微波物料乾燥裝置的製作方法

2023-05-20 18:12:52 2

本發明屬於微波能應用技術領域，具體涉及一種微波物料乾燥裝置。

背景技術：

水稻乾燥是收穫後倉儲、加工的首要環節。隨著我國水稻產量的不斷提高，由於乾燥處理不及時導致的黴變損失也隨之增加，造成大量的浪費，成為農業豐產增收急待解決的問題。

水稻屬於熱敏性物料，乾燥過程中必須嚴格控制物料溫度(一般不超過40℃)，否則會帶來品質下降、爆腰率增加的問題。目前使用最為廣泛的水稻乾燥設備多採用循環式乾燥工藝，其原理框圖如圖1所示。燃料(常用煤、生物質等)在熱風爐PR1內燃燒，通過換熱器將所產生的熱能交換給傳熱媒質—空氣，形成熱風；熱風在熱風機PR2的作用下獲得足夠的風壓，再由閥門PR3混合適量冷空氣以獲得所需要的風溫。混合後的熱風進入加熱倉PR4內的熱風風道，在風壓作用下穿過加熱倉內的稻穀，將自身攜帶的熱能交換給待乾燥的水稻，同時帶走水稻顆粒表面的水分，最後成為廢氣由出風口排出。加熱倉內的水稻在分糧機構PR5的作用下排出到螺旋輸送機PR6內，由螺旋輸送機PR6送至提升機PR7。提升機PR7將水稻運送至緩蘇倉PR8，進入緩蘇過程。緩蘇過程中，獲得內能的水分子由水稻顆粒內部遷移至表面。隨著加熱倉4內水稻的排出，緩蘇倉PR8內部的水稻會補充流入加熱倉，從而形成「加熱」—「緩蘇」交替循環的乾燥過程。根據水稻初始含水率不同，需要循環的次數也不盡相同。

上述傳統乾燥機雖然能地解決了乾燥速度、破碎率等問題，但是不足之處也是明顯的。

首先，加熱過程中水稻是通過熱傳導的方式從熱風中吸取熱能，熱能在水稻顆粒中的傳遞也是以傳導的方式進行。由於空氣、水稻均是熱的不良導體，熱傳導過程一方面造成稻穀顆粒內存在較大溫度梯度，容易破碎，另一方面傳導速度慢，傳熱時間長，傳熱過程中的熱損失增加，從而增加了能耗。第二，熱風加熱方式所排出的廢氣溫度勢必高於稻穀溫度，仍攜帶較大比例的熱能，進一步降低了整機的能量利用效率。最後，熱風爐燃燒產生的煙氣含有較多汙染性排放，大量使用會帶來嚴重的環境汙染。

微波加熱具有速度快，穿透深度大的優點，在食品、冶金、化工、環保等領域已有較多應用。但在大體量的工業應用中，微波作用器的尺寸會達到幾個甚至幾十個波長，微波場分布具有很強的不均勻性，導致物料溫度空間分布不均勻，不適合用來加熱溫度敏感的物料。將微波用於水稻乾燥已經有較多的公開研究成果，但都局限於實驗室、採用2.4GHz家用微波爐作為實驗手段，其成果無法推廣到實際工業生產，一個主要原因就是不能很好地解決微波加熱的均勻性問題。水稻作為一種溫度敏感型物料，乾燥過程對最高溫度有嚴格限制，如果控制整個空間內最高溫度不超限，則大量分布的低溫區內的水稻無法獲得足夠的熱能，加熱的速度和效率都會受限，從而失去微波特有的優勢。到目前為止，尚未見可用於實際工業生產的微波水稻乾燥裝置。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的物料乾燥工業化應用中的技術問題，本發明提出一種微波物料乾燥裝置，通過設計微波加熱倉，並優化整個乾燥裝置的結構組成，可以利用微波能實現高效、節能、環保的工業化水稻乾燥生產，具體方案如下：

一種微波物料乾燥裝置，其特徵在於，所述裝置包括微波發生器、微波加熱倉、緩蘇倉、輸送機構以及通風設備；所述微波發生器與所述微波加熱倉連接；所述輸送機構連接於所述緩蘇倉和所述微波加熱倉之間；所述通風設備包括風機和風道，所述風道用於將風機出口與所述微波加熱倉和所述緩蘇倉聯通；所述微波熱倉包括物料容器、進料口和出料口，物料由進料口進入所述微波加熱倉，填充到所述物料容器內，並在所述輸送機構的推動下由所述進料口向所述出料口移動；所述微波加熱倉還包括微波天線和葉片組，所述微波天線的輸入埠與所述微波發生器連接，所述微波天線的輻射口朝向所述物料容器；所述葉片組中葉片的至少部分表面被所述物料容器中的待乾燥物料覆蓋，並且以所述進料口到所述出料口水稻流動的方向作為參考方向，所述葉片被水稻覆蓋部分的表面法線方向與所述參考方向之間具有一夾角。

優選地，所述微波加熱倉還包括多個獨立的功率分配器，所述功率分配器的輸入埠與所述微波發生器連接，所述功率分配器的輸出埠數目與所述獨立的微波天線數目相同，每個輸出埠與一個獨立的微波天線連接。

優選地，所述微波天線包括一根矩形波導，在所述矩形波導的寬邊表面開有若干縫隙，在所述縫隙表面蓋有絕緣介質板。

進一步地，所述矩形波導開有縫隙的寬邊與所述物料之間具有一距離。

進一步地，所述微波天線還包括臺錐形喇叭，所述臺錐形喇叭具有小口徑端面和大口徑端面，所述小口徑端面與所述矩形波導的開有縫隙的寬邊連接固定，形成電接觸，所述大口徑端面朝向所述物料容器。

優選地，所述微波加熱倉包括若干根金屬軸，所述金屬軸位於所述微波加熱倉的物料容器內，其軸線方向與所述物料容器內物料的流動方向一致；所述微波加熱倉內的葉片設置於所述金屬軸上，且呈螺旋線分布。

優選地，所述物料容器為圓筒形狀、軸線呈水平方向放置；所述葉片安裝於所述物料容器內壁，葉片沿所述軸線呈螺旋分布；所述微波天線由所述物料容器的一個端面探入所述物料容器的上部空間。

優選地，所述微波加熱倉包括隧道狀容器，和水平放置於所述隧道狀容器內的若干條傳送帶，所述物料位於所述傳送帶上；所述微波天線位於所述傳送帶上方；所述葉片部位於所述傳送帶的上方，所述葉片部分伸入所述傳送帶上的所述物料內。

優選地，所述緩蘇倉包括左右方向或前後方向的管道；所述管道的橫截面為多邊形，兩端與所述緩蘇倉的倉壁固定，所述管道表面密布小孔；所述管道在所述緩蘇倉的高度方向分布若干層，如果其中某一層管道的一端與所述通風設備的風道連接、另一端封閉，則其相鄰兩層管道的一端對外開放、另一端封閉。

優選地，所述微波發生器與所述微波加熱倉通過微波傳輸線連接。

本發明能夠達到的有益效果：

一、使用微波作為工業化乾燥物料的熱源，在保證水稻溫度不超限的前提下，充分發揮出微波加熱速度快、作用深度大的優勢，實現可用於工業化生產的水稻乾燥加工，乾燥過程節能環保。

二、設計了高效的送風通道，使用流通空氣替代熱風，減少了物料與空氣之間的溫度梯度，提高了乾燥後的物料品質，同時減少了熱風的排放，更加節能。

三、採用微波天線將微波發生器產生的微波能輻射傳遞給待乾燥的水稻，並利用一組法線方向不平行於水稻流動方向的葉片，使水稻流經葉片表面時產生空間位置的交換，解決了大體量微波作用器中微波場分布不均勻帶來的加熱不均勻問題。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明；

圖1為傳統熱風稻穀乾燥機原理示意圖；

圖2為本發明一個實施例提供的工作原理示意圖；

圖3(a)為本發明一個實施例提供的葉片排列方式橫截面圖；

圖3(b)為本發明一個實施例提供的葉片排列方式頂視圖；

圖4為本發明一個實施例提供的微波天線示意圖；

圖5為本發明一個實施例提供的微波天線局部剖視放大圖；

圖6為本發明一個實施例提供的緩蘇倉風道橫截面示意圖；

圖7(a)為本發明一個實施例提供的微波加熱倉側視圖；

圖7(b)為本發明一個實施例提供的微波加熱倉橫截面示意圖；

圖8(a)為本發明一個實施例提供的微波加熱倉側視圖；

圖8(b)為本發明一個實施例提供的微波加熱倉頂視圖。

說明書附圖中涉及的附圖標記解釋如下：

波發生器-1，微波加熱倉-2，緩蘇倉-3，輸送機構-4，通風設備-5；物料容器-21，進料口-22，出料口-23，微波天線-24，葉片-25，軸-26，傳動輪-27；矩形波導-241，臺錐狀喇叭-242，縫隙-243，絕緣介質板-244；管道-31，管道-32；分糧輪-41、斜板-42，提升機-43；抽風風機-51，風道-52。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

在本發明中物料是指待乾燥的物料，具體地，可以包括水稻、小麥等具有一定含水量需要進行乾燥的穀物；瓜子、花生、開心果、松子等需要進行乾燥保存的堅果；葡萄乾、香蕉片、芒果乾等需要進行乾燥的乾果，需要乾燥保存運輸的飼料，海帶等需要乾燥的海產品；不局限於農副產品，需要去除水分的沙土、土壤、木屑等等也屬於本實施例中的物料範疇；總之，本實施例並不對物料的具體類型進行限定，其為需要進行乾燥處理的生產和生活用品。

下面結合說明書附圖對本發明實施例詳細說明如下：

本實施例提供一種微波物料乾燥裝置，如圖2所示，包括微波發生器1，微波加熱倉2，緩蘇倉3，輸送機構4和通風設備5。其中微波發生器1與微波加熱倉連接，微波發生器產生的微波能輸送至微波加熱倉內；緩蘇倉3位於微波加熱倉上部；輸送機構位4於微波加熱倉和緩蘇倉之間，推動物料循環流動；通風設備5通過風機和風道的共同作用，在微波加熱倉和緩蘇倉的待乾燥物料內形成空氣流，帶走物料顆粒表面的水分。

如圖2所示，本發明的一種微波物料乾燥裝置實施例1的微波加熱倉2，包括位於倉體下部的盛放物料的容器21，位於倉體一側的進料口22，位於進料口對側的出料口23，位於容器21上面的微波天線24，一組葉片25，以及安裝葉片的軸26和帶動軸26轉動的傳動輪27。其中，微波天線24的輸入埠與微波發生器1的輸出端連接，輻射口面朝向下方容器21中的物料；葉片25被容器21中的物料覆蓋。

在一個示例中，葉片25由多個金屬薄片製成，這些金屬薄片固定在軸26表面、按照螺旋線(圖2中軸26表面的點劃線)方式排列；軸26的一端安裝有傳動輪27，外部動力機械帶動傳動輪27從而帶動軸26轉動；軸26的轉動方向保證葉片25所排列的螺旋線由進料口22向出料口23方向運動。

在一個示例中，如圖3(a)所示，在面向傳動輪27的橫截面上看，一個圓周內有三個葉片，葉片之間夾角為120°。如圖3(b)所示，葉片25的法線方向292與軸26軸線方向291之間具有一夾角，在圖3(b)中葉片排列方式下，傳動輪需按箭頭28所示方向轉動，則軸26帶動葉片25運動，會對物料產生軸向(291)的推動作用，使物料由進料口向出料口運動，同時也會翻攪物料使其產生徑向和切向運動，實現物料在加熱倉內三個維度的位置交換，克服微波場分布不均的問題。具體地，夾角可以採用不同的角度，例如30°，35°，40°，45°，50°等等，根據物料不同以及不同的乾燥設定，該夾角可以在0°(不包含0°)至90°之間選擇。以進料口到出料口水稻流動的方向作為參考方向，葉片被水稻覆蓋部分的表面法線方向與參考方向之間夾角的絕對值大於0度。

在一個示例中，葉片25的面積、分布所依據螺旋線的螺距與微波加熱倉的尺寸、容器21內物料的厚度以及軸26的轉速相關，一般地，在轉速固定時，葉片面積越大、螺距越大，則物料在加熱倉內流動速度越快，加熱時間越短。當微波加熱倉橫截面較大時，也可以採用多個安裝有葉片的軸並行使用，確保葉片作用充分均勻。

優選的，本實施例的微波天線24採用波導縫隙天線，如圖4所示，包括矩形波導241，該矩形波導的一個埠2411為天線的輸入口，另一個埠2412短路。微波天線24沿矩形波導241軸線方向劃分為若干區域，每個區域的結構形式相似，僅尺寸有所差別，以保證每個區域的輻射功率值是相同的。本實施例中微波天線共劃分了五個區域，分別記為A1～A5，下面以A1區域為例，結合圖6說明具體實施方案。在每個區域的波導寬邊上，開有一組縫隙243，該縫隙將波導241的內部和外部空間連通。縫隙的位置、形狀和面積可根據所需輻射功率的大小仿真設計，不作為本發明的技術特徵。本實施例中縫隙採用矩形狹長縫隙，縫隙的寬邊垂直于波導241的軸線方向。在所述縫隙243的外表面覆蓋有絕緣介質板244，用來防止波導外部的塵土和水汽進入波導，降低波導的功率容量。作為本發明的一項技術特徵，在矩形波導開有縫隙的寬邊上安裝有臺錐狀喇叭242，該臺錐狀喇叭的小口面與波導寬邊固定形成電接觸，大口面作為輻射口面朝向物料。臺錐喇叭242對縫隙243的微波輻射場起到一定的匯聚作用，使微波輻射場集中作用於臺錐大口面下方的物料中。臺錐狀喇叭的高度和大口面尺寸要根據微波加熱倉的橫截面尺寸設計，保證其下方物料分布區域內的場強儘可能均勻。所述臺錐狀喇叭可以使用例如金屬材料製成。

在一個示例中，所述微波物料乾燥裝置的緩蘇倉3，包括第一組橫截面為多邊形的管道31和第二組橫截面為多邊形的管道32。管道31和32的形狀尺寸相同、平行放置；管道31和32的兩端分別固定於緩蘇倉壁。如圖2所示的管道31的一端對外部空間開放，另一端封閉；管道32在管道31開放端一側是封閉的、在管道31封閉端一側與風道52連通，進而與抽風風機51連接。管道31和32的表面密布小孔；管道31和32按層交錯分布，如果管道31佔據奇數層，則管道32佔據偶數層，反之亦然。管道31和32橫截面分布如圖6所示。當抽風風機51工作時，風道51以及管道32內形成負壓，將物料中的空氣抽出，進而在物料中產生負壓；外部空氣通過管道31及其表面的小孔進入物料，形成空氣流，帶走物料顆粒表面水氣。

在一個示例中，如圖2所示，提供一種微波物料乾燥裝置，其中包含輸送機構，所述輸送機構包括緩蘇倉下方的分糧輪41、斜板42，以及提升機43；分糧輪通過轉動將緩蘇倉內的物料撥至斜板42上，斜板42與水平面的傾角可以大於45°、使物料在重力作用下流入微波加熱倉的進料口21，也可以採用小於45°的傾角、並藉助傳送帶或刮板輸送機構使物料流入微波加熱倉的進料口21；微波加熱倉出料口23流出的物料進入提升機43，由該提升機將物料輸送至緩蘇倉頂部，完成循環。

在一個示例中，通風設備5包括抽風風機51、風道52、吹風風機53和風道54。其中抽風風機51通過風道52與緩蘇倉連接；風道54表面密布的小孔將風道內部與微波加熱倉連通，吹風風機53在風道內產生正壓，空氣通過小孔進入微波加熱倉、並穿過物料層。

在一個實施例中，如圖7(a)和圖7(b)所示，微波加熱倉包括圓筒狀容器71，該容器的兩個端面711和722固定不動，中間部分可以繞自身軸線轉動。圓筒71軸線水平或接近水平放置。進料口72位於固定端面711上；出料口位於固定端面712上；物料盛放於容器71的下部空間。微波天線74由固定端面711探入容器71的上部空間，輻射口面朝向容器下部的物料。微波天線74也可以有固定端面712探入，其進入微波容器71的方向不作為本發明的技術特徵。一組葉片75由多個金屬薄片製成，站立安轉於容器71的內表面，葉片按照容器71內表面上的一個螺旋線76排列，葉片的重要技術特徵在於，其表面法線方向與容器軸線方向夾角θ不為零，即葉片表面法線方向不平行於軸線方向。在容器71轉動時，葉片排列所依據的螺旋線76的前進方向是由進料口72指向出料口73。上述實施方案保證在容器71轉動時，進入到物料內部的葉片會產生軸向的推進力，推動物料由進料口向出料口運動，同時由於葉片表面法線與軸向不平行，也會產生徑向和切向的推動力，帶動物料沿徑向和切向運動，同時圓筒狀容器內壁的摩擦力也會帶動物料沿切向運動，最終實現物料在微波場內三個維度的空間位置交換。本實施例2中葉片75的具體形狀、尺寸可根據容器的轉速、物料容量以及乾燥工藝設計，不屬於本發明的技術特徵。另外，帶動容器轉動的動力機械系統屬成熟技術，本實施例中不做詳述。

在另一個實施例中，如圖8(a)和圖8(b)所示，與之前實施例不同之處在於微波加熱倉的具體結構。本實施例中的微波加熱倉包括隧道裝容器81，容器81的下部有傳送帶82，容器81的一端有進料口83，另一端有出料口84。物料由進料口83進入容器，並在傳送帶82上形成一定厚度的堆高；傳送帶在外部動力機械結構的帶動下由進料口向出料口運動，從而將物料由進料口帶到出料口。微波天線85位於容器81的上部空間，其輻射口面朝下下方傳送帶上的物料。本實施例還包括一組葉片86，該葉片由多個薄金屬片組成；葉片通過連杆與容器81的倉壁固定；葉片部分或全部埋在傳送帶82上的物料中；如圖8(a)所示，物料流動方向由進料口(左端面)流向出料口(右端面)，即x方向，則本發明的重要技術特徵在於，每個葉片的表面法線方向在垂直平面(XOZ平面)內與物料流動方向呈夾角θ，且θ不為0；如圖8(b)所示，同樣作為本發明的重要技術特徵，每個葉片的表面法線方向在水平平面(XOY平面)內與物料流動方向呈夾角φ，且φ不為0。在上述葉片安裝條件下，當傳送帶帶動物料流動時，物料相對於葉片表面產生運動，則會被葉片表面改變運動方向，產生Y和Z方向的運動，產生空間位置的交換。

在一個示例中，為了在容器內實現充分的位置交換效果，本實施例優選的採用如圖8(b)所示的葉片排列方案，即將葉片86分為兩組，第一組葉片861法線方向在XOY平面內與物料流動方向夾角為φ，則第二種葉片862法線方向在XOY平面內與物料流動方向夾角為-φ；每組葉片中，由若干個葉片固定於一個連杆863上構成一列；連杆863與容器81的倉壁固定；優選的，第一組葉片861如果排布在奇數列，則第二組葉片862則排布在偶數列，反之亦然；優選的，第一組葉片861在Y方向的位置，與第二組葉片862在Y方向的位置交錯開。

在一個實施例中，提供一種微波物料乾燥方法，所述方法使用微波物料乾燥裝置，具體包含如下步驟：

步驟1、對所述物料進行除雜處理，通過物料輸送裝置將所述的物料裝入物料乾燥裝置。

在所述步驟1中，對所述物料進行除雜處理可以使用例如篩選或者磁選的方式。以物料是物料為例，篩選方式可以去除物料中的大顆粒物，而磁選則可以去除物料中的重金屬雜質。根據微波加熱倉的額定功率和體積不同，加入的物料量也有所不同，在一個示例中微波加熱倉內的物料裝入量在6～10kg/kW範圍內、緩蘇倉的物料裝入量是微波加熱倉的8～10倍。

步驟2、啟動所述物料輸送裝置，以使得所述物料在微波加熱倉和緩蘇倉之間連續循環流動後，開啟微波功率，同時對微波加熱倉的物料進行充分攪拌，確保其受熱均勻。

在所述步驟2中，在所述物料輸送裝置中的物料在所述微波加熱倉與所述緩蘇倉中循環，在所述微波加熱倉中被加熱，然後在所述緩蘇倉中，所述物料逐漸冷卻，並且其中水分隨空氣流動而被帶走，如此循環，從而達到使所述物料乾燥的目的。

步驟3、實時測量微波加熱倉進糧口的物料含水率和微波加熱倉出糧口的物料溫度；實時控制所述微波加熱倉出糧口的溫度處於預設的溫度範圍；若微波加熱倉進糧口的物料含水率低於或等於標準含水率，則進行之後的步驟；

如果物料在微波加熱倉中被加熱的溫度過高會導致高「爆腰率」，嚴重影響物料乾燥的品質。通過控制微波的功率可以控制控制微波加熱倉中的溫度，除功率控制外，還可以採用控制物料通過所述微波加熱倉的時間來實現溫度控制。

以微波加熱的物料為稻米為例，控制溫度在38-40°之間是比較合適的溫度，那麼需要測量微波加熱倉的出糧口的溫度，若微波加熱倉出糧口的物料溫度超過40℃，則減少微波加熱時間；若微波加熱倉出糧口的物料溫度低於38℃，則增加微波加熱時間。在控制加熱溫度的同時，測量稻米的含水率，如果含水率小於或者等於預設含水率，則繼續之後的步驟。

在步驟3中，對於緩蘇倉和所述微波加熱倉採用不同的送風方式，依據以待乾燥物料為水稻為例，對於微波加熱倉，採用鼓風機按照2.4m3/h·kg的風流量向微波加熱倉內的水稻通風；對於緩蘇倉，採用抽風機，按照1.8m3/h·kg的風流量對緩蘇倉內的水稻抽風。實時測量微波加熱倉進料口的水稻含水率，當該含水率小於等於15％時，執行之後的步驟。

步驟4、關閉微波功率，打開微波物料乾燥裝置的排糧出口，保持微波物料乾燥裝置內部物料運動，直到排糧完畢。

下表1為採用本實施例方法的技術參數測量結果：

表1微波乾燥裝置技術參數測量結果

可見，基於上述方法，稻米的含水率已經達到15％以下的乾燥要求，而破碎率增加數值僅為0.1％，重度裂紋率僅為1.8％，符合對於水稻的乾燥要求。

請參閱表2，表2為本發明穀物乾燥裝置和傳統熱風烘乾設備參數對比表。

表2穀物乾燥裝置和熱風烘乾設備參數對比

如表2所示，本發明穀物乾燥裝置利用微波的穿透性加熱提高物料的溫度，使物料中的水分汽化蒸發，蒸發出來的水蒸汽由排溼系統排走而達到烘乾穀物的目的。本發明的微波烘乾裝置具有烘乾速度快，效率高，環保節能，穀物內外加熱均勻一致等特點，是響應低碳經濟的新型設備。

與現有物料乾燥方法相比，本發明的優勢在於採用微波能替代傳統熱風，環保無汙染，加熱過程快，穿透深度大，能耗低，結合充分的攪拌可以實現均勻、快速、高效率的加熱。在保持微波功率不變的前提下通過控制物料流動速度控制加熱後的物料溫度，實現產能最大化。

應當理解的是，在本文中提及的「多個」是指兩個或兩個以上。「和/或」，描述關聯對象的關聯關係，表示可以存在三種關係，例如，A和/或B，可以表示：單獨存在A，同時存在A和B，單獨存在B這三種情況。字符「/」一般表示前後關聯對象是一種「或」的關係。

上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。