圆柱形凸槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响
发布时间：2020-03-13 00:01
【摘要】：加热不均匀和微波能利用效率偏低是制约微波技术在食品生产过程中规模化应用的瓶颈.提出在腔体内壁设置圆柱形凸槽的优化策略,利用有限元法仿真研究凸槽结构参数对微波反应器加热效率和均匀性的影响.研究结果表明:圆柱形凸槽结构能有效提升微波反应器的加热效率和加热均匀性,且彼此之间存在着一系列规律,优化后微波反应器的加热效率达到98.53%,均匀性最大提升幅度达到54.12%.
【图文】：
计算凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响，通过综合分析获得一系列可用于同时优化微波反应器加热效率和均匀性的基本规律，为微波反应器的优化设计提供理论支持．1模型和理论1．1模型研究模型以项目组正在使用的箱式炉为基础，在内腔壁四周设置半圆柱型凸槽，如图1所示．腔体内部尺寸为400mm×380mm×240mm，圆柱体负载的半径为Ｒ、高度为h，负载底面距离箱底的高度为H，馈口中心离腔体顶面中心的水平距离为99．3mm，馈口激励源中心频率为2．45GHz，腔内所加负载材料为混合粉末物料，其等效介质参数ε'r=5、tanδ=0．0025．定义半圆柱型凸槽的底面半径为r，圆心到腔壁的垂直距离为d，模型如图2所示．根据文献［17］的微波反应器优化参数，选取负载的最优尺寸及位置参数为Ｒ=150mm，h=140mm，在此基础上设置2个凸槽均匀分布于内腔体壁上(如图3所示)，分析研究凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响．图1具有半圆柱型凸槽的箱式炉模型Fig．1Box－typemodewithsemicylindricalconvexgroovestructure1．2理论1．2．1微波吸收功率由微波与介质的相互作用理论可知，在微波加热腔内，被加热介质单位体积所吸收微波的功率P为［26］:P=12ωε″|E|2，(1)式中:ω为微波角频率(rad/s);E为电场强度图2凸槽平面模型Fig．2Innerconvexgroovestructuremodel图3凸槽分布模型Fig．3Innerconvexgroovedistributionmodel(V/m);ε″为介质介电常数的虚部．由(1)式可知，在其它条件不变的情况下，介质材料吸收功率P与电场强度E成正比，即介质负载吸收的微波功率取决于加热腔体内的电场强度E．微波的吸收效率η可表示为:η=1－(P11+P22)/2－P21，其中，P11、P22分别为馈口1和馈
微波反应器加热效率和均匀性的基本规律，为微波反应器的优化设计提供理论支持．1模型和理论1．1模型研究模型以项目组正在使用的箱式炉为基础，在内腔壁四周设置半圆柱型凸槽，如图1所示．腔体内部尺寸为400mm×380mm×240mm，圆柱体负载的半径为Ｒ、高度为h，负载底面距离箱底的高度为H，馈口中心离腔体顶面中心的水平距离为99．3mm，馈口激励源中心频率为2．45GHz，腔内所加负载材料为混合粉末物料，其等效介质参数ε'r=5、tanδ=0．0025．定义半圆柱型凸槽的底面半径为r，圆心到腔壁的垂直距离为d，模型如图2所示．根据文献［17］的微波反应器优化参数，选取负载的最优尺寸及位置参数为Ｒ=150mm，h=140mm，在此基础上设置2个凸槽均匀分布于内腔体壁上(如图3所示)，分析研究凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响．图1具有半圆柱型凸槽的箱式炉模型Fig．1Box－typemodewithsemicylindricalconvexgroovestructure1．2理论1．2．1微波吸收功率由微波与介质的相互作用理论可知，在微波加热腔内，被加热介质单位体积所吸收微波的功率P为［26］:P=12ωε″|E|2，(1)式中:ω为微波角频率(rad/s);E为电场强度图2凸槽平面模型Fig．2Innerconvexgroovestructuremodel图3凸槽分布模型Fig．3Innerconvexgroovedistributionmodel(V/m);ε″为介质介电常数的虚部．由(1)式可知，在其它条件不变的情况下，，介质材料吸收功率P与电场强度E成正比，即介质负载吸收的微波功率取决于加热腔体内的电场强度E．微波的吸收效率η可表示为:η=1－(P11+P22)/2－P21，其中，P11、P22分别为馈口1和馈口2本身的反射功率，P21为馈口1和2之间的透射功率．1．2．2均匀性评价方法微波场分布的
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计算凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响，通过综合分析获得一系列可用于同时优化微波反应器加热效率和均匀性的基本规律，为微波反应器的优化设计提供理论支持．1模型和理论1．1模型研究模型以项目组正在使用的箱式炉为基础，在内腔壁四周设置半圆柱型凸槽，如图1所示．腔体内部尺寸为400mm×380mm×240mm，圆柱体负载的半径为Ｒ、高度为h，负载底面距离箱底的高度为H，馈口中心离腔体顶面中心的水平距离为99．3mm，馈口激励源中心频率为2．45GHz，腔内所加负载材料为混合粉末物料，其等效介质参数ε'r=5、tanδ=0．0025．定义半圆柱型凸槽的底面半径为r，圆心到腔壁的垂直距离为d，模型如图2所示．根据文献［17］的微波反应器优化参数，选取负载的最优尺寸及位置参数为Ｒ=150mm，h=140mm，在此基础上设置2个凸槽均匀分布于内腔体壁上(如图3所示)，分析研究凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响．图1具有半圆柱型凸槽的箱式炉模型Fig．1Box－typemodewithsemicylindricalconvexgroovestructure1．2理论1．2．1微波吸收功率由微波与介质的相互作用理论可知，在微波加热腔内，被加热介质单位体积所吸收微波的功率P为［26］:P=12ωε″|E|2，(1)式中:ω为微波角频率(rad/s);E为电场强度图2凸槽平面模型Fig．2Innerconvexgroovestructuremodel图3凸槽分布模型Fig．3Innerconvexgroovedistributionmodel(V/m);ε″为介质介电常数的虚部．由(1)式可知，在其它条件不变的情况下，介质材料吸收功率P与电场强度E成正比，即介质负载吸收的微波功率取决于加热腔体内的电场强度E．微波的吸收效率η可表示为:η=1－(P11+P22)/2－P21，其中，P11、P22分别为馈口1和馈
微波反应器加热效率和均匀性的基本规律，为微波反应器的优化设计提供理论支持．1模型和理论1．1模型研究模型以项目组正在使用的箱式炉为基础，在内腔壁四周设置半圆柱型凸槽，如图1所示．腔体内部尺寸为400mm×380mm×240mm，圆柱体负载的半径为Ｒ、高度为h，负载底面距离箱底的高度为H，馈口中心离腔体顶面中心的水平距离为99．3mm，馈口激励源中心频率为2．45GHz，腔内所加负载材料为混合粉末物料，其等效介质参数ε'r=5、tanδ=0．0025．定义半圆柱型凸槽的底面半径为r，圆心到腔壁的垂直距离为d，模型如图2所示．根据文献［17］的微波反应器优化参数，选取负载的最优尺寸及位置参数为Ｒ=150mm，h=140mm，在此基础上设置2个凸槽均匀分布于内腔体壁上(如图3所示)，分析研究凸槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响．图1具有半圆柱型凸槽的箱式炉模型Fig．1Box－typemodewithsemicylindricalconvexgroovestructure1．2理论1．2．1微波吸收功率由微波与介质的相互作用理论可知，在微波加热腔内，被加热介质单位体积所吸收微波的功率P为［26］:P=12ωε″|E|2，(1)式中:ω为微波角频率(rad/s);E为电场强度图2凸槽平面模型Fig．2Innerconvexgroovestructuremodel图3凸槽分布模型Fig．3Innerconvexgroovedistributionmodel(V/m);ε″为介质介电常数的虚部．由(1)式可知，在其它条件不变的情况下，，介质材料吸收功率P与电场强度E成正比，即介质负载吸收的微波功率取决于加热腔体内的电场强度E．微波的吸收效率η可表示为:η=1－(P11+P22)/2－P21，其中，P11、P22分别为馈口1和馈口2本身的反射功率，P21为馈口1和2之间的透射功率．1．2．2均匀性评价方法微波场分布的
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