一种具有极化搅拌圆盘的矩形微波反应腔的均匀性优化研究.docx

? ? 一种具有极化搅拌圆盘的矩形微波反应腔的均匀性优化研究 ? ? 齐家瑞，姚 斌，王均委 （云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650092） 0 引言 微波加热的应用越来越广泛，其研究热度一直未减，在食品加工、贵重药材干燥、微波消毒等方面均有应用［1-3］。微波加热是当微波源产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波辐射到物料上时，物料中含有的水分子和带电粒子将随微波影响而发生剧烈运动，其运动频率与微波频率相同，这样的高运动速度会使粒子间产生剧烈摩擦与撞击，导致温度上升，使物料本身温度升高。用微波加热食品，其内部与外部是同时被加热的，所以升温速度快，但微波加热的均匀性是困扰学者们的首要问题。在加热过程中，会出现热点和冷点，并且位置无法控制，这可能造成热点失控，甚至会引起火灾等安全事故。现如今微波腔中提高加热效率和改善均匀性的方法有馈口位置、模式搅拌器、双端口选频加热、凹弧面结构腔体等［4-7］。以上研究中反应腔体均为固定模型结构，本文提出一种具有极化搅拌圆盘的矩形微波反应腔，对其进行仿真计算获得高效、高均匀性的普适结论。 1 模型构造 本文设计了一款具有极化搅拌圆盘的矩形微波反应腔，由矩形腔体、腔体上方垂直放置的2个馈口、2个圆盘、14条黄铜片、步进电机以及内部圆柱体物料组成。腔体尺寸大小为490 mm×490 mm×490 mm，两馈口尺寸为84 mm×58.6 mm×100 mm，馈入反应腔中的功率归一化为1 kW。圆盘圆心与腔体前后表面的中心在一条直线上，并在腔体前后两表面向外凸出20 mm，形成凹槽。每7条铜片平行排列并嵌入凸槽之中，每条铜片中心之间距离为60 mm，厚度为2 mm，宽度width。位于圆盘圆心的步进电机带动2个圆盘与铜条沿相反方向转动相同的角度θ。结合实际，选用尺寸为r＝30 mm和h＝30 mm的马铃薯(ε′＝5.7，tanσ＝0.298）作为加热物料。圆盘使用的材质为陶瓷(ε′＝5.7，tanσ＝0），加热频率为微波加热常用的2.45 GHz。 2 相关理论 2.1 计算方程 在本文模型中，对于内部电磁场部分，使用Maxwell方程计算电磁场在反应腔体中的分布。 对于能量部分，使用电磁损耗公式计算电磁能量损耗： 根据能量守恒定律，双馈口微波反应腔的加热效率η可表示为： 公式(3）中，power11为馈口1自身的反射功率，W；power22为馈口2自身的反射功率，W；power21为馈口1耦合到馈口2的功率，W；power12为馈口2耦合到馈口1的功率，W。η越大，表示微波反应腔的加热效率越高。 2.2 边界条件 在仿真模型中，计算电磁场部分时，将金属表面认为是完美电导体，与它相切的电场为0，满足下面方程： 2.3 均匀性评价方法 电场是微波加热的能量来源，通过分析电场分布的均匀性可获得微波加热的均匀性情况。本文采用目前常用的电场分布均匀性评价方法——电场分布图示法和电场分布取样的标准偏差分析法进行分析。 电场分布图示法即利用视觉观察评价对象区域的电场分布情况；电场分布取样法则利用取样点的标准偏差大小来衡量电场分布的均匀性，标准偏差越小，则均匀性越好。标准偏差可表示为： 公式(5）中，σ为导向标准偏差，V/m；Ei为i点的电场值，V/m；E-为所有取样点Ei的平均值，V/m；m为电场取样点的总数量。σ越小，代表电场分布的均匀性越好，微波加热均匀性也越好。在负载中进行电场取样时，以坐标轴原点为起点，沿Z轴竖直向上，在［55 mm，75 mm］范围内采样，每间隔1 mm取1个平面，共计21个平面，且每个平面上的采样点坐标间隔为2 mm。 3 不同width条件下，加热效率η和标准偏差σ随旋转角度θ的变化 如图1所示为加热效率η随旋转角度θ的变化趋势，可以看出width的改变对于加热效率有一定的影响，通过计算整体和不同宽度时的平均加热效率，得到整体平均加热效率为46.68%，对于不同宽度，其中只有width＝2 mm时的平均加热效率明显高于其他宽度和整体的平均加热效率，其值为53.33%。如图2所示为标准偏差σ随铜片旋转角度θ的变化趋势，可以看出旋转角度θ的变化对标准偏差的影响很小，表明铜片的宽度width对加热物料中的电场分布情况影响可以不用考虑。 图1 不同width条件下，加热效率η随铜片旋转角度θ的变化 图2 不同width条件下，标准偏差σ随铜片旋转角度θ的变化 选用width＝2 mm，平均加热效率最高。width＝2 mm时马铃薯的加热效率η以及标准偏差σ对比如图3所示，由此可知标准偏差值较低的情况下，反而加热效率也越低，这表明较均匀的电场分布，馈入反应腔中的微波利用率也变低。但当旋转角度满足θ＝10°×n(n＝0，2，3，4，6，8，9）时，标准偏差值较低，为0.45～