微波加热过程中热点效应的试验与模拟研究

发布时间：2018-03-25 10:32

  本文选题：微波　切入点：热点效应　出处：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：最近几十年,微波热利用技术发展迅速,在许多行业中发挥着越来越重要的作用,人们对于微波加热的认识也在逐渐加深。研究发现,将活性炭、碳化硅等材料作为微波吸收剂加入被加热物料可大幅度强化加热过程、加快反应速率,有些情况下还能提高目标产物的转化率,降低能耗。这些材料具有较强的微波吸收能力,能在较短的时间内耗散电磁波而温度迅速上升,成为一定范围内的高温位点,常被称作"热点"。热点现象及其在微波加热过程中的重要作用已经得到了较为广泛的认可和关注,但是到目前为止,关于热点的文献大都是对某些特定试验现象的描述或者是基于麦克斯韦方程的单纯模拟计算,并没有详细揭示高温位点和温度梯度的具体程度。另外,微波诱导放电现象也会伴随产生显著的局部高温,被认为对于某些废弃物的降解和化学反应有大幅强化作用,因此放电瞬间热点的程度同样值得探讨。本课题主要研究了微波加热过程中因选择性加热和放电带来的的热点效应,通过试验和模拟计算相结合的手段对局部高温和温度梯度进行了较为系统的讨论,同时描述了微波诱导非金属放电现象。针对微波加热过程温度较难直接准确测量的现实,通过间接量热法测量热效应并计算产热功率,最后建立了合适的模型并借助ANSYS等软件模拟不同情况下热点的程度和影响范围。针对微波诱导非金属放电鲜有文献报道的情况,通过利用内置摄像头进行图像捕捉,XRD、热重等进行成分分析和光谱分析仪进行光谱采集等表征手段,研究了微波诱导非金属放电的现象及规律。首先,论文进行了由于吸波性能差异导致的热点效应的试验与模拟研究。利用量热法测量SiC等材料将微波能转化为热能的能力,并研究了材料种类、质量、加热时间、颗粒粒径等对热效应的影响;计算出SiC在800W微波辐射条件下单位体积平均产热功率约为4×107W/m3;并以此为基础进行多种情形的数值模拟,揭示不同情况下热点的程度及影响范围,讨论了粒径、时间、热量分配比等对温度梯度的影响,发现在某些条件下,热点温度可在短时间内达到100℃。其次,研究了微波诱导非金属放电现象并测量了放电过程产生的热量,进而讨论由于放电带来的热点效应。各种表征手段表明微波诱导非金属放电的发生受周围介质、颗粒粒径、堆积状态、颗粒形状等多种因素的影响;放电的发生是一个积累的过程,材料内部分外层电子获得能量从基态变成激发态,发生跃迁并做定向移动,在相对的形态学尖端形成电子聚集现象并产生瞬间高电势,相邻颗粒间在电势差达到一定程度时击穿之间的介质,出现放电现象,激发态的电子极不稳定,很容易在短时间内迅速变回基态,这个过程便激励产生了光子,出现光效应;量热法结果表明相同的SiC颗粒放电情况下产生的热量超过不放电时的8倍;模拟结果显示放电诱发更加显著的局部高温和温度梯度,可在瞬间超过1000℃,与表征结果一致。总的来说,本文详细探讨了微波加热过程中由选择性加热和放电诱发的高温位点和温度梯度的具体程度,研究结果对于指导微波加热的高效利用和强化污染物脱除、废弃物降解等化学反应过程具有重要意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM924.76

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本文编号：1662737