用于转化材料的设备和方法

本发明涉及一种用于通过将材料暴露于高功率电磁场以执行其体积加热来转化材料的设备。

本发明还涉及一种用于转化材料的方法并且涉及经转化材料的用途。

背景技术

公开号为EP 3 293 478的欧洲专利申请公开了一种逆流陶瓷热交换器组件及其制造方法。所引用的陶瓷为氮化铝、氧化铝和氮化硅，已知它们能承受至少800℃的高温。

公开号为WO 2014206905的国际专利申请涉及一种用于食品制备机中的饮料的体积加热设备，其包括：发射源，该发射源被设计用于发射电磁辐射并且将能量传递到至少部分地围绕该发射源的液体；液体传导装置；和隔离装置，该隔离装置对发射光谱中的电磁辐射基本上透明并且被设计为将发射源与液体电隔离。

发明内容

本发明的主要目的是提供能够承受超高温或已经经受超高温的材料。

为了实现该目的，本发明人构想了一种用于处理或转化材料的设备，该设备包括：用于将材料暴露于高功率电磁场以对材料执行体积加热的装置。此类设备的特殊性在于，所述装置包括彼此上下叠置的至少两个环形波导，每个环形波导在一侧与磁控管向管理并且在另一侧具有垂直延伸的孔，这些孔对齐并且形成用于接收待转化的材料的大致垂直孔。

根据另一方面，本发明涉及一种用于转化材料的方法，该方法包括以下步骤：

-将待转化的材料引入上述设备的大致垂直孔中；以及

-激活磁控管以便将材料暴露于高功率电磁场并且执行其体积加热。

本发明的其他方面涉及本发明的方法的用途以及根据本发明转化的材料的用途。

本发明的其他特征和优点现在将在下面的描述中详细描述，该描述参考附图，附图示意性地示出：

[图1]：根据本发明的实施例的设备的俯视图；以及

[图2]：图1的设备的侧视图。

具体实施方式

用于转化材料的设备

就体积加热而言，必须理解材料会经历固有加热。这种固有材料，加热是在材料内的电荷由于暴露于电磁场而发生反应时获得——对于介电通过偶极极化和离子传导而发生。通过介电加热，电能转化为动能，最终转化为热能。换句话说，热量是由材料本身产生的，这取决于其机械特性、热特性和介电特性以及电磁场。

本发明的设备和方法提供了优异的加热均匀性，任意两点间的温度变化被限制为约2℃。

图1和图2中示出了本发明的设备的实施例。该设备包括彼此上下叠置的至少两个环形波导1、2。每个环形波导在一侧与磁控管3相关联，并且具有垂直延伸穿过另一侧的孔。在这些孔的内部插入管6。管6可由金属制成。在这种情况下，它们优选地在必要时绝缘，以便避免与通常由金属制成的支撑结构7的任何电接触。

波导的孔对齐，并且这些孔形成大致垂直孔4，其中它们的管6也对齐并且被设计成接收待转化的材料。

对于高于1500℃的加工温度，管6优选由适应该温度的陶瓷材料制成。用于保持管6的装置还应能够承受比加工温度高出至少200℃的温度，以便保持其形状。此外，保持装置必须对电磁波基本透明。

如图1所示，本发明的设备优选地包括至少三个环形波导1、2、5，它们彼此偏移120度的角度。

孔和相应的磁控管3优选地对称地布置在波导的相对位置上。

环形波导可以不是严格意义上的环形：它们可具有细长的环形形式，如附图所示，每个磁控管和每个相应的孔优选地处于细长波导的相应长方形部分，优选地处于其中间。

优优选地提供了用于将材料在大致垂直孔4中垂直地移动的装置，优选地从底部到顶部移动。

当材料是固体，特别是粉末形式时，也可提供用于使材料旋转的装置。

液体材料不需要搅拌，因为它们的流动要么是湍流的，要么是分层的，但由于使用了泵，它们大多是湍流的。

优选地，还提供了用于使惰性气体比如氮气流过大致垂直孔4的装置，优选地从底部到顶部流动。

利用本发明的设备，可考虑对材料进行多种转化或处理。

例如，转化可包括对液体比如牛奶进行超高温(UHT)灭菌。用于牛奶灭菌的超高温(UHT)优选地为138℃至142℃。

转化也可以是粉末材料的熔化、材料的烧结、原子转变(比如晶体结构改变)或者分子结构改变(比如重新布置)。在这种情况下，超高温(UHT)意味着温度优选地高于2000℃，并且更优选地超过3000℃。

在优选实施例中，转化是固体材料比如陶瓷材料(优选地为粉末形式)的UHT转化。

于是，该设备可优选地包括：

-用于测量材料在由体积加热引起的温度上升期间的介电演变的装置；和

-用于使材料的暴露适应测量的介电值以及材料的性质的电子控制装置。

用于测量材料介电演变的装置可为传感器，优选地分别垂直布置在每个波导处。

电子控制装置通常包括具有适当计算机程序的计算机，该计算机程序基于各自测量的介电常数和所转化的材料的种类，连续地计算和调整待由每个磁控管供应的能量的量。

波导将磁控管产生的电磁波引导到波导的相应孔。通过使用电磁波的单模以及H弯和E弯的组合，保证了暴露完全均匀。

当材料处于大致垂直孔6内时，该材料会由于其介电特性而吸收能量并且将其转化为热能。再次介电特性既为介电常数也为损耗系数(即吸收的能量转化为热量的部分)。

例如，使用陶瓷材料，可达到2200℃及以上的温度。

垂直运动可以是上下运动，例如30次/分钟和/或旋转速度为30转/分钟。这提高了暴露的均匀性。

磁控管通常由水或另一种液体或气体制冷剂冷却。

根据规定，暴露执行通常被称为“体积”的加热，这意味着整个材料质量立即受到温度升高的影响，这与来自磁控管的功率注入和材料中随温度变化而变化的介电特性有关并适用。计算机程序规定了在整个大致垂直孔6中与传感器相关的变化，该传感器测量介电特性，即材料的介电常数和损耗系数。介电特性(介电常数和损耗系数)优选地利用经转化并被馈送到计算机程序的摄谱仪或网络分析仪来确定。

这样，就能够进行快速且准确的调整，特别是在陶瓷的情况下，这降低了破裂和裂缝的风险。

用于转化材料的方法

本发明的设备可有利地用于执行用于转化材料的方法，该方法包括以下步骤：

-将材料引入设备的大致垂直孔中；以及

-激活磁控管以便将材料暴露于高功率电磁场并且执行其体积加热。

该方法优选地还包括将材料在大致垂直孔4中移动的步骤，优选地从底部到顶部移动。

该方法还优选地包括当材料是固体时使材料旋转的步骤。

材料暴露于高功率电磁场的持续时间优选地取决于材料的特性和质量。

根据优选实施例，本发明的方法还包括以下步骤：测量材料在温度上升期间的材料介电演变；以及使材料的暴露适应测量的介电值以及材料的性质。

对通过本发明的方法处理或转化的材料进行分析，并且该材料看起来不仅是经处理/经转化的，而且是新的。此外，与根据本发明的处理或转化前相比，它们具有更好的性能。

本发明的方法的用途

如上所述，本发明的方法可有利于用于将牛奶转化为超高温灭菌牛奶。

在试验性实验中，用图1和图2的设备对牛奶进行转化。磁控管用空气来冷却。牛奶流量为250l/h，并且向磁控管提供12kW的总功率。向牛奶施加142℃的温度，这会使牛奶中的热回收率达到117℃。换句话说，达到但不超过设定温度142℃，因此可激活在156℃发生的美拉德反应。因此温度差ΔT仅为25℃(即142-117)。

作为对比，在传统的UHT牛奶灭菌方法中，通常将温度提高到200℃，以确保达到142℃的温度。然而，这种高温的缺点是会破坏牛奶中的多种蛋白质。

相比之下，本发明的方法能够使加工温度保持在142℃。

在根据本发明转化的牛奶中，未检测到细菌，并且与传统的UHT牛奶相比，检测到34％以上的可溶性蛋白质。此外，在工艺管中没有观察到沉积/结垢，这证实了蛋白质没有发生显著的破坏。

本发明的方法还可用于将陶瓷材料转化为超高温陶瓷(UHTC)。

在实验中，将温度达到2400℃，并且将该温度用于利用本发明的方法来处理γ-氧化铝。获得了一种新型氧化铝，该新型氧化铝在用作在室温下置于标准空气中的卤素灯的玻璃罩时，可承受2400℃的温度。

用于减少温室气体排放的方法

由于根据本发明转化的陶瓷可耐更高的温度，因此通过将其用于燃烧器中，能够提高该燃烧器的工作温度。

当向燃烧器提供纯氧而不是空气时，能够提高燃烧器的工作温度。

当使用纯氧时，未燃烧气体和二氧化碳的形成会减少达75％。

总体结果是减少了温室气体的排放。

此外，装备的尺寸可减小，因为对于相同体积的纯氧，通常需要5倍以上的空气。

用于提高导弹、火箭或飞机的行进速度的方法

由于根据本发明转化的陶瓷可耐更高的温度，因此通过将其用在导弹的机头、火箭的尖端或飞机的机翼前缘中，能够提高导弹、火箭或飞机的行进速度。

用于提高导弹、火箭或飞机的升力或抵抗与大气层摩擦的方法

由于根据本发明转化的陶瓷可耐更高的温度，因此其可抵抗更高的气体(空气)摩擦并且因此抵抗更高的气体速度，这意味着可提高导弹、火箭或飞机的升力。

因此，经转化的材料可有地被放置在导弹的机头、火箭的尖端或飞机的机翼前缘。

根据本发明的热交换器

通过本发明的方法转化的陶瓷材料可有利地用于热交换器中，从而使得能够生产出能够在超高温比如2250℃下以及在腐蚀性介质(液体或气体，比如由氧气或蒸汽构成的大气)中工作的热交换器。

因此，此类交换器可有利地用在用于通过水的热解将水分解成氢气和氧气的装置中，比如上述美国专利第7,935,254号中公开的装置。

经转化的陶瓷材料最优选地用于以下申请中描述的设备和方法：申请人于2021年2月4日以申请号EP21315016.2提交的欧洲专利申请。

特别地，由混合离子电子传导(MIEC)陶瓷材料获得的经转化陶瓷材料可有利地用作氧气或氢气的过滤器。

加热单元

通过本发明的方法转化的陶瓷材料可有利地用于加热单元，例如，比如在以下申请中描述的加热单元：申请人于2021年2月5日以申请号EP21315017.0提交的欧洲专利申请。