微波热加工农产品的腔体结构优化与物料介电特性研究

发布时间：2020-07-26 14:48

【摘要】：微波加热技术由于其独特的优势而被广泛应用于工业生产及农业生产等领域,其学科基础涉及电磁理论、传热传质、电磁计算等多个学科。物料介电特性是研究物料微波热加工问题不可缺少的特征参数,等效介电特性是表征混合物料吸收微波能量的重要参数,因此,颗粒型混合物料的等效介电特性研究是一项具有理论意义和实际应用价值的课题。论文在综合分析微波在农业领域的应用现状、多模微波加热目前面临的主要问题,以及颗粒型混合物等效介电特性的理论研究、数值模拟研究、实验测量研究等研究进展的基础上,针对微波热加工农产品所涉及的基础性问题进行深入研究。主要研究工作如下:(1)从电磁理论出发,综合分析了介质的极化机理,阐述了微波能量转化的原理和物料介质特性在微波热加工物料中的作用原理,探讨了物料电磁特征参数(?)、(?)、(?)、(?)、(?)在微波热加工物料过程中的作用原理,并据此分析了理想介质、理想导体、一般导体、极性介质等典型介质的吸波特性。(2)提出通过优化微波反应腔腔体内壁结构的方式,提高微波加热效率和微波加热均匀性的路径和方法。分析计算了在腔体内壁分别设置半圆柱型凸槽、凹球面、凸球面和脊形凹槽时的微波加热效率和加热均匀性参数指标,获得了既能提高加热效率、又能提高加热均匀性的相关基本规律。模拟仿真结果表明:通过优化腔体的内部结构既可提高微波加热效率,又可改善加热的均匀性,且能抑制腔内高电场聚集区域的形成。与常规光滑腔壁反应腔相比,在腔体内壁设置半圆柱型凸槽和脊型凹槽结构装置,能使加热效率和均匀性获得大幅度的提升(加热效率的最大值达98.75%,均匀性最大提升幅度达57.54%),且最优结构参数的分布区间相对较广,为微波热加工物料过程中的“热点”预警和反应器设计优化提供了理论和技术支持。(3)提出应用Monte Carlo(蒙特卡罗,MC)随机模拟方法和COMSOL Multiphysics有限元计算软件(简称MC-FEM方法)分析计算颗粒随机分布混合物的等效介电特性,并通过大量数值实验验证了MC-FEM方法的正确性。提出了计算颗粒型二元混合物等效介电特性(等效介电常数和等效介电损耗因子)的通用MGEM修正公式(Modified General Effective Medium),并将MGEM公式计算结果与实验测量值、数值方法计算值、经典理论公式计算值等进行了大量实例数据比较,验证了MGEM公式的正确性、准确性和有效性,为颗粒型农产品的等效介电特性分析提供一个准确性高且方便使用的计算公式。(4)运用MC-FEM方法,分析研究了双组分、三组分和核壳颗粒型混合物料中,各组分的空间位置、体积分数、电导率、介电特性等因素对混合物等效介电特性、吸波特性和局域电场分布的影响。研究结果表明:(1)可采用球体+立方体的颗粒结构形状模拟椭球型颗粒(农产品)物料的等效介电特性;(2)各组分物理特性、介电特性等均对混合物的等效介电特性和吸波特性有影响,会使混合物中的局域场出现增强现象。(5)设计了基于无校准同轴传输/反射法的农产品介电特性测量方案,以及基于MGEM公式的农产品介电特性测量实施方案。实验测量了微波频段下粉末状农(副)产品(马铃薯、三七、天麻、石斛)、菜籽颗粒(白叶苋菜、包心芥、大红苋菜、香菜籽、白菜籽、野荠菜、油菜籽)、杂粮颗粒(黑芝麻、玉米渣粒、紫米和小米)和草籽颗粒(熟禾、白三叶、虞美人、剪股银、狗牙根、黑心菊)等农(副)产品的介电特性,拟合得到不同农(副)产品的介电常数、损耗因子与微波频率、含水率之间的数学关系式和不同农产品在2.45GHz处介电特性与含水(油)率之间的数学表达式,实验测量结果表明:室温下,所测量农产品在含水率(?)和微波频率2.45GHz条件下的介电常数介于3.5-9之间、介电损耗因子介于0.1-3.0之间,此结论可用于预测其它农产品的介电特性。同时,本文所提出的实验测量方案解决了传统测量方法中遇到的夹具校准、多样品测量、样品位置难以确定等问题。以上研究相关结论可为农产品的微波热加工器件设计、微波能利用效率提升和微波辅助应用推广提供依据,相关研究结果对其它颗粒型混合物料的微波热加工处理也同样适用。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS205;TM924.76
【图文】：

第 2 章 微波与物质相互作用的机理子极化：在外电场作用下，杂乱分布的偶极子转动到电场的方最低。就介质整体而言，无外场时不带极性，在外电场作用下极矩，故这种极化也叫转向极化。极化过程变电场下，极化需要一定的建立时间，故加上或去除外电场时时间而变化，如图 2-1 所示，位移极化强度P 瞬时就可建立强度 ( )rP t 则需要一个建立或去除的过程，极化强度 ( )rP t 一般可

第 3 章 腔体结构调控对加热效率及均匀性影响的数值仿真3.2 脊形凹槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响3.2.1 仿真模型在 3.1.4 节基本模型的腔体内壁四周设置外脊形凹槽，箱式炉模型如图 3-1所示。定义脊形凹槽的脊高为b ，脊深为d ，外脊形凹槽模型如图 3-2 所示，计算得出脊形凹槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响。

第 3 章 腔体结构调控对加热效率及均匀性影响的数值仿真3.2 脊形凹槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响3.2.1 仿真模型在 3.1.4 节基本模型的腔体内壁四周设置外脊形凹槽，箱式炉模型如图 3-1所示。定义脊形凹槽的脊高为b ，脊深为d ，外脊形凹槽模型如图 3-2 所示，计算得出脊形凹槽结构参数对微波吸收效率和加热均匀性的影响。

本文编号：2770897