多馈口微波加热数值仿真及温度控制研究
发布时间：2020-12-11 12:10
微波加热被认为是科学研究历史上的重要发现,在食品加工、陶瓷烧结、金属冶炼、废物处理和肿瘤治疗等生产生活领域得到了广泛应用,为社会带来了巨大效益。但是其存在的媒质加热均匀性,局部热点和热失控等问题仍然是制约微波加热进一步发展的重要难题。特别是在工业应用中,微波加热设备因功率原因通常具有多个微波源馈口,因此,对多馈口微波加热设备进行热性能分析以及媒质过程温度实施精确高效的反馈控制有着重要意义。微波加热技术属于交叉学科,涉及微波电磁场、加热媒质温度场、材料特性分析以及基于自控原理的控制系统设计。本文针对一个高功率多馈口微波加热装置的加热均匀性及温度控制问题进行研究,主要研究内容包括:装置热性能数值仿真、控制系统设计、系统简化模型辨识及ANFIS控制策略仿真和实验分析。首先,在装置的热性能分析部分。基于COMSOL构建了1/2全尺寸有限元模型,并通过实验进行了验证,证明了模型的有效性。在此验证模型的基础上分析了馈口数量对媒质加热均匀性的改善效果及局部测温点的温升特性,并且局部测温点的温升特性亦通过实验进行了验证。其次,设计多馈口微波加热过程温度控制系统及组态人机交互界面,并基于自回归历遍（AR...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型微波加热系统构成[24]
撸?虼私?存在暂态热平衡状态，这成为微波加热过程温度控制的困难之处。1.2.2微波加热技术发展现状早在1897年，人类就开始进行空心管中传播电磁波的理论研究，此后1939年，维利安兄弟制造出了第一支速调管[28]。20世纪五十年代开始了微波加热的研究，1940年，英国伯明翰大学旳教授发明生产了大功率的微波元件--磁控管，1945年美国雷声（Raytheon）公司的斯潘塞博士意外发现微波的加热效应，同年，Percy提出了微波能应用于食品加热，1947年，第一个微波加热装置在美国雷声（Raython）公司赞助的一个比赛中诞生[29]，如图1-3所示。该装置的型号为Radarange1132，微波输出功率为1.6kW，微波管为水冷永磁磁控管。此后，1950年斯潘塞获得了美国专利局颁发的微波炉专利[29]，自此开启了应用微波进行加热的历史。图1-3第一个微波加热设备Figure1-3ThefirstRadarange早期的微波加热装置炉门具有安全联锁功能，类似如今的家用微波炉在门打开时
西南科技大学硕士学位论文160.007469，网格总体积0.2011立方米，如图2-5所示。图2-4多馈口微波加热有限元模型Figure2-4Finiteelementmodelofmulti-feedermicrowaveheating图2-5COMSOL网格单元质量统计信息Figure2-5COMSOLmeshelementqualitystatistics2.3仿真结果与分析以上完成了有限元模型的构建和参数设置，接下来需要首先对模型的合理性和有效性进行验证，然后在基于验证模型的基础上仿真分析馈口数量对媒质整体均匀性的影响，测温点的温升特性。2.3.1模型验证模型验证仿真时，为更好的符合实际情况，将媒质相对介电常数设置为较为精确的去离子水德拜模型[69]，式(2-12)。相对磁导率为1，电导率为0，导热系数κ为0.521-1WmK，导热系数表示扩散过程中能量传输的速率，密度ρ为1000-3kgm，比热容Cp为4200-1-1JkgK，传热系数h为10-2-1WmK，传热系数表示对流热流密度同媒质温度与环境温度之差的比值，入射微波频率f为2.45GHz，功率为5kW。仿真时长200s，步长为1s，初始温度15.8℃，室温20℃。仿真结果如图2-6所示，图（a）可以看出温度场分布是比较均匀的。图（b）所示的温升曲线表示坐标点(-98,0,358)mm处的温度过程值，可以看出模拟温度与测量温度变化相比具有很好的一致性，因此认为所建立的模型是合理的[70,71]。图2-7为加热过程
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属微波熔炼技术研究与应用进展[J]. 刘泾源,陈道明,苏斌,张新建. 微波学报. 2019(06)
[2]基于数值仿真的多馈微波加热温度控制系统[J]. 周明长,李少甫. 微波学报. 2019(05)
[3]热风微波耦合干燥系统的设计与试验[J]. 宋瑞凯,张付杰,杨薇,李淑国,郝铎,姚斌. 包装与食品机械. 2019(01)
[4]德拜媒质微波加热过程的H_∞保性能温度跟踪控制[J]. 钟佳岐,梁山,熊庆宇. 自动化学报. 2018(08)
[5]基于动网格的微波加热温度均匀性数值计算方法[J]. 杨彪,王世礼,郭林嘉,彭金辉. 控制与决策. 2019(01)
[6]Numerical modeling dynamic process of multi-feed microwave heating of industrial solution media[J]. 杨彪,孙俊,李玮,彭金辉,李幼灵,罗会龙,郭胜惠,张竹敏,苏鹤州,史亚鸣. Journal of Central South University. 2016(12)
[7]微波加热均匀性评价模型研究[J]. 石欣,李剑南,熊庆宇,袁宇鹏. 仪器仪表学报. 2014(09)
[8]微波辅助水处理研究应用进展[J]. 纪仲光,王军,栾兆坤. 给水排水. 2013(S1)
[9]随机相位微波功率的空间合成效率[J]. 任学尧,陈星. 强激光与粒子束. 2009(07)
[10]微波加热化学反应中热失控条件的定量研究[J]. 黄卡玛,卢波. 中国科学(E辑:技术科学). 2009(02)
博士论文
[1]利用微波能对褐煤干燥提质处理的基础研究[D]. 朱洁丰.浙江大学 2017
[2]微波加热过程有限维热—电磁耦合建模及鲁棒温度控制[D]. 钟佳岐.重庆大学 2017
[3]基于热动力学模型的液—固媒质微波加热过程优化控制[D]. 袁宇鹏.重庆大学 2016
[4]大功率微波加热系统热性能数值模拟及智能控制研究[D]. 杨彪.昆明理工大学 2014
硕士论文
[1]多源多频微波炉的关键技术研究[D]. 赵虹.电子科技大学 2019
[2]碳纤维增强树脂基复合材料微波间接加热固化工艺研究[D]. 成李冰.南京航空航天大学 2018
[3]基于多率自适应的微波加热过程的温度控制研究[D]. 宋俊蓉.重庆大学 2017
[4]PID控制器参数整定方法研究及其应用[D]. 叶政.北京邮电大学 2016
[5]基于ANFIS的温度控制系统的应用研究[D]. 王龙奎.兰州大学 2014
[6]PID控制器参数整定方法及应用研究[D]. 韩帮华.青岛科技大学 2009
本文编号：2910498
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型微波加热系统构成[24]
撸?虼私?存在暂态热平衡状态，这成为微波加热过程温度控制的困难之处。1.2.2微波加热技术发展现状早在1897年，人类就开始进行空心管中传播电磁波的理论研究，此后1939年，维利安兄弟制造出了第一支速调管[28]。20世纪五十年代开始了微波加热的研究，1940年，英国伯明翰大学旳教授发明生产了大功率的微波元件--磁控管，1945年美国雷声（Raytheon）公司的斯潘塞博士意外发现微波的加热效应，同年，Percy提出了微波能应用于食品加热，1947年，第一个微波加热装置在美国雷声（Raython）公司赞助的一个比赛中诞生[29]，如图1-3所示。该装置的型号为Radarange1132，微波输出功率为1.6kW，微波管为水冷永磁磁控管。此后，1950年斯潘塞获得了美国专利局颁发的微波炉专利[29]，自此开启了应用微波进行加热的历史。图1-3第一个微波加热设备Figure1-3ThefirstRadarange早期的微波加热装置炉门具有安全联锁功能，类似如今的家用微波炉在门打开时
西南科技大学硕士学位论文160.007469，网格总体积0.2011立方米，如图2-5所示。图2-4多馈口微波加热有限元模型Figure2-4Finiteelementmodelofmulti-feedermicrowaveheating图2-5COMSOL网格单元质量统计信息Figure2-5COMSOLmeshelementqualitystatistics2.3仿真结果与分析以上完成了有限元模型的构建和参数设置，接下来需要首先对模型的合理性和有效性进行验证，然后在基于验证模型的基础上仿真分析馈口数量对媒质整体均匀性的影响，测温点的温升特性。2.3.1模型验证模型验证仿真时，为更好的符合实际情况，将媒质相对介电常数设置为较为精确的去离子水德拜模型[69]，式(2-12)。相对磁导率为1，电导率为0，导热系数κ为0.521-1WmK，导热系数表示扩散过程中能量传输的速率，密度ρ为1000-3kgm，比热容Cp为4200-1-1JkgK，传热系数h为10-2-1WmK，传热系数表示对流热流密度同媒质温度与环境温度之差的比值，入射微波频率f为2.45GHz，功率为5kW。仿真时长200s，步长为1s，初始温度15.8℃，室温20℃。仿真结果如图2-6所示，图（a）可以看出温度场分布是比较均匀的。图（b）所示的温升曲线表示坐标点(-98,0,358)mm处的温度过程值，可以看出模拟温度与测量温度变化相比具有很好的一致性，因此认为所建立的模型是合理的[70,71]。图2-7为加热过程
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属微波熔炼技术研究与应用进展[J]. 刘泾源,陈道明,苏斌,张新建. 微波学报. 2019(06)
[2]基于数值仿真的多馈微波加热温度控制系统[J]. 周明长,李少甫. 微波学报. 2019(05)
[3]热风微波耦合干燥系统的设计与试验[J]. 宋瑞凯,张付杰,杨薇,李淑国,郝铎,姚斌. 包装与食品机械. 2019(01)
[4]德拜媒质微波加热过程的H_∞保性能温度跟踪控制[J]. 钟佳岐,梁山,熊庆宇. 自动化学报. 2018(08)
[5]基于动网格的微波加热温度均匀性数值计算方法[J]. 杨彪,王世礼,郭林嘉,彭金辉. 控制与决策. 2019(01)
[6]Numerical modeling dynamic process of multi-feed microwave heating of industrial solution media[J]. 杨彪,孙俊,李玮,彭金辉,李幼灵,罗会龙,郭胜惠,张竹敏,苏鹤州,史亚鸣. Journal of Central South University. 2016(12)
[7]微波加热均匀性评价模型研究[J]. 石欣,李剑南,熊庆宇,袁宇鹏. 仪器仪表学报. 2014(09)
[8]微波辅助水处理研究应用进展[J]. 纪仲光,王军,栾兆坤. 给水排水. 2013(S1)
[9]随机相位微波功率的空间合成效率[J]. 任学尧,陈星. 强激光与粒子束. 2009(07)
[10]微波加热化学反应中热失控条件的定量研究[J]. 黄卡玛,卢波. 中国科学(E辑:技术科学). 2009(02)
博士论文
[1]利用微波能对褐煤干燥提质处理的基础研究[D]. 朱洁丰.浙江大学 2017
[2]微波加热过程有限维热—电磁耦合建模及鲁棒温度控制[D]. 钟佳岐.重庆大学 2017
[3]基于热动力学模型的液—固媒质微波加热过程优化控制[D]. 袁宇鹏.重庆大学 2016
[4]大功率微波加热系统热性能数值模拟及智能控制研究[D]. 杨彪.昆明理工大学 2014
硕士论文
[1]多源多频微波炉的关键技术研究[D]. 赵虹.电子科技大学 2019
[2]碳纤维增强树脂基复合材料微波间接加热固化工艺研究[D]. 成李冰.南京航空航天大学 2018
[3]基于多率自适应的微波加热过程的温度控制研究[D]. 宋俊蓉.重庆大学 2017
[4]PID控制器参数整定方法研究及其应用[D]. 叶政.北京邮电大学 2016
[5]基于ANFIS的温度控制系统的应用研究[D]. 王龙奎.兰州大学 2014
[6]PID控制器参数整定方法及应用研究[D]. 韩帮华.青岛科技大学 2009
本文编号：2910498
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