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            微波高溫?zé)Y(jié)設(shè)備_微波真空爐_微波馬弗爐|管式爐-湖南華冶微波科技有限公司  
            
        
            
            
            
            
            
        
            
        
            
    
            

            


            
    
            
        
        
            
            

        
            
    
            

            

             
            

            
      
            
    
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            多模微波加熱器的建模與仿真
            
          
            作者：發(fā)布時(shí)間：2013-10-29 17:19:55點(diǎn)擊率：4797
            
          
             作者：孫鵬，楊晶晶，黃銘，余江，朱書(shū)燈
            
 1云南大學(xué)信息學(xué)院，昆明650091；
            
 2昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，昆明650093；
            
 3昆明金匯通無(wú)線與微波技術(shù)研究所，昆明650091
            

            
 摘要：利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics仿真了饋口位里、樣品大小、樣品位里和多債口激勵(lì)對(duì)微波加熱效率的影響，并與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。研究表明，饋口位置、樣品大小和樣品位置對(duì)微波吸收效率有較大的影響；多饋口激勵(lì)時(shí)微波加熱的均勻性得到了改善。
            

            
 關(guān)鍵詞：多模腔  微波加熱  有限元法
            

            
 0引言
            
 自1947年美國(guó)雷聲公司發(fā)明微波爐以來(lái)，微波技術(shù)更廣闊的應(yīng)用空間被打開(kāi)。尤其是近年來(lái)，微波在化學(xué)和冶金中的應(yīng)用引起了人們的極大興趣。然而，由于機(jī)理研究滯后，缺乏高性能的專(zhuān)用微波化學(xué)反應(yīng)器和微波冶金反應(yīng)器，限制了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，如何突破這些瓶頸，是近年研究的熱點(diǎn)。
            
 由于多模微波加熱器的熱效率和加熱均勻性與饋口位置、被處理樣品電磁特性、形狀、轉(zhuǎn)盤(pán)、攪拌器和材料位置等因素有關(guān)，理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究極其復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外雖然有許多學(xué)者研究過(guò)上述問(wèn)題，例如:Geedipalli等利用有限元分析軟件ANSYS仿真了轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)微波加熱均勻性的影響；Plaza-Gonzalez等用FEM方法分析了攪拌器位置對(duì)二維微波加熱器場(chǎng)分布的影響；Knoerzer等用Quick-Wave3D軟件模擬了微波加熱的均勻性，并用磁諧振成像技術(shù)證實(shí)了仿真結(jié)果；Shou-Zheng等用解析方法從理論上研究了矩形微波加熱器內(nèi)多層介質(zhì)中的功率分布；Nott等用MRI技術(shù)和光纖測(cè)溫法測(cè)量了微波爐內(nèi)樣品的溫度分布；Pandit等用計(jì)算機(jī)可視系統(tǒng)研究了微波消毒處理過(guò)程中食品內(nèi)的冷點(diǎn)和熱點(diǎn)分布；Pedreno-Monlina等基于自動(dòng)溫度測(cè)量設(shè)備尋找到了微波爐內(nèi)被處理材料的最佳位置；Sundberg等用FDTD方法和FDTD-FEM方法模擬了微波加熱過(guò)程，但目前仍有許多問(wèn)題尚待解決。本文采用COMSOLMultiphysics軟件仿真了饋口位置、樣品大小和樣品位置對(duì)微波加熱效率的影響，以及多饋口激勵(lì)對(duì)改善微波加熱均勻性的作用。
            

            
 1多模微波加熱器模型
            
 多模微波加熱器模型見(jiàn)圖1所示，圖中腔體尺寸為290mm x 285mm x 200mm ,饋口在模型的右側(cè)，位于x =290mm的平面上，其尺寸和中心坐標(biāo)分別為109.2mm x54.6mm和( 290mm ,107.34mm , 41.84mm )；樣品形狀為正立方體(25mm x25mm x25mm)，位于:=30mm的平面上，其中心坐標(biāo)為(145mm ,142.5mm , 42.5mm)；饋口的激勵(lì)頻率為2450MHz ,功率為SOOW。樣品的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)為50-1 Sj，熱傳導(dǎo)率為0.4W/(m.K)，密度為1000kg/m3，初始溫度為20℃.
            
 聯(lián)合求解有源邊界條件下的Mawell方程組和熱傳導(dǎo)方程，即可計(jì)算上述模型的電磁場(chǎng)分布、溫度分布、微波加熱效率和微波加熱均勻性，詳細(xì)的論述見(jiàn)參考文獻(xiàn)
            

            
	 

            

            
	2仿真結(jié)果與討論
            
 2.1饋口位t對(duì)微波加熱效率的影響
            
 為了研究饋口位置對(duì)微波加熱效率的影響，仿真饋口位于x=290mm的平面上121個(gè)不同位置時(shí)樣品吸收功率的百分比。仿真時(shí)，首先建立模型，并設(shè)置饋口中心位置((290mm,54.6mm, 27.3mm )、激勵(lì)頻率(24501v1}Iz)和功率(SOOW)等參數(shù)，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解，最后在后處理中得到饋口的電壓反射系數(shù)，并由此計(jì)算出微波加熱效率。類(lèi)似的，沿Y軸以17.58mm為步長(zhǎng)平行移動(dòng)10次；沿z軸以14.54mm為步長(zhǎng)平行移動(dòng)10次，在整個(gè)平面上即可計(jì)算得到121個(gè)饋口位置的微波加熱效率。計(jì)算結(jié)果表明.饋口位置不同時(shí)，微波加熱效率以y=142.5mm平面為對(duì)稱(chēng)面，并且最大微波加熱效率約為70，其位置為(290mm,107.34mm,41.84mm)和(290mm,177.66mm,41.84mm ) o饋口寬邊平行于z軸移動(dòng)也可得到類(lèi)似的結(jié)果。
            

            
 2.2樣品大小對(duì)微波加熱效率的影響
            
 當(dāng)樣品體積增大時(shí)，微波加熱效率的變化見(jiàn)表1。從表1可以看出，樣品體積越大，則微波加熱效率越高。由于受計(jì)算機(jī)內(nèi)存和處理速度的限制，本文尚未涉及更大樣品的微波加熱效率計(jì)算問(wèn)題。
            
2.3樣品位置對(duì)微波加熱效率的影響
            
 為計(jì)算樣品處于不同位置時(shí)的微波加熱效率，本文設(shè)置樣品初始位置的中心坐標(biāo)為(22.Smm,22.5mm,42.5mm )，在Z=
            
 42.Smm的平面上樣品沿x和Y軸以30~為步長(zhǎng)，分別移動(dòng)8次，在整個(gè)平面上即可計(jì)算得到81個(gè)不同位置的微波加熱效率。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)樣品中心坐標(biāo)為(142.5mm, 82.Smm,42.Smm)時(shí)，最大微波加熱效率達(dá)99。
            

            
 2.4多饋口激勵(lì)對(duì)微波加熱均勻性的影響
            
 本文比較了單饋口、雙饋口和三饋口激勵(lì)時(shí)，多模腔內(nèi)場(chǎng)分布及樣品內(nèi)的溫度分布，其結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3。圖2為微波爐內(nèi)Z=42.5mm平面上的電場(chǎng)分布。(a)單饋口激勵(lì)，微波功率為SOOW( b )雙饋口激勵(lì)，每個(gè)饋口微波功率為250W，最小電場(chǎng)為0 V/m，最大為1.55x100V/m； (c)三饋口激勵(lì)，每個(gè)饋口的微波功率為166.7W，最小電場(chǎng)為0 V/m，最大為1.26x 10'V/m。圖3為微波爐內(nèi)樣品上表面的溫度分布。(a)為單饋口激勵(lì)；(b)為雙饋口激勵(lì)；(c)為三饋口激勵(lì)。從圖中可以看出，多饋口激勵(lì)時(shí)，多模腔內(nèi)的場(chǎng)分布和樣品內(nèi)溫度分布的均勻性都得到改善。為了定量研究樣品內(nèi)溫度分布的均勻性，本文計(jì)算了多饋口激勵(lì)條件下樣品內(nèi)最高溫度、最低溫度,和平均溫度，并根據(jù)公式Uni=T最高一T最低)/T平均，計(jì)算了樣品內(nèi)溫度分布的均勻性，結(jié)果表明，單饋口、雙饋口和三饋口激勵(lì)時(shí)Uni分別等于67% ,18.9%,11%，即多饋口激勵(lì)條件下樣品內(nèi)的溫度分布均勻性得到了極大改善。
            
 

            

            
	2.5仿真結(jié)果的驗(yàn)證
            
 為了驗(yàn)證以上仿真結(jié)果的有效性，本文仿真了文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真條件如下:饋口中心坐標(biāo)(600mm, 300mm,
            
 300mm)；饋口尺寸86.36mmx43.18mm；樣品中心坐標(biāo)(xmm,300mm,300mm)，計(jì)算時(shí)樣品平行于x軸移動(dòng)。仿真值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)圖4所示。由圖可見(jiàn)，仿真值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本吻合。
            
 

            

            
	
            
 3結(jié)論
            
 多模微波加熱器中，微波加熱效率與饋口位置、樣品大小和樣品位置有關(guān)；多饋口激勵(lì)能改善微波加熱的均勻性；針對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步證實(shí)了本文仿真微波加熱效率結(jié)果的有效性，進(jìn)一步的研究成果待發(fā)表。