頻率和功率對(duì)輪胎微波加熱的影響

李 濤，張 偉，陳海龍，梁 云，李慶領(lǐng)

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

微波加熱[1]是將電磁能轉(zhuǎn)變成熱能的過(guò)程，其能量通過(guò)空間或媒質(zhì)以電磁波形式傳遞，對(duì)物質(zhì)的加熱過(guò)程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有十分緊密的關(guān)系。微波交變電場(chǎng)變動(dòng)過(guò)程中，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，相鄰分子之間的相互作用和極性分子的“變極”效應(yīng)，產(chǎn)生了類似摩擦的作用，使極性分子獲得能量，并以熱量的形式表現(xiàn)出來(lái)[2]。頻率越高，取向按交變電磁的頻率變化越快，導(dǎo)致偶極子的取向發(fā)生滯后，因此微波作用頻率會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生一定的影響。

近年來(lái)微波加熱逐漸得到研究人員的關(guān)注[3-5]。唐偉強(qiáng)等[6]對(duì)橡膠輪胎胎坯硫化前進(jìn)行了微波預(yù)熱試驗(yàn)，使胎坯達(dá)到一定的起始溫度，提高了硫化效率。唐蜜等[7]通過(guò)微波非相干功率合成數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，證明利用多個(gè)小功率源非相干功率合成的方式能夠?qū)崿F(xiàn)微波化學(xué)反應(yīng)所需的大功率，可以保證加熱的均勻性。

本工作研究微波入射頻率和雙波導(dǎo)功率分配對(duì)微波加熱效率和輪胎溫度場(chǎng)分布均勻性的影響規(guī)律，以確定本研究條件下的最佳頻率和功率分配。

1 傳熱模擬研究

1.1 數(shù)學(xué)模型

式 中，ρ為 密 度，kg m-3；Cp為 常 壓 比 熱 容，J （kg·℃）-1；T為溫度，℃；t為時(shí)間，s；u為流速，m s-1（固相時(shí)為零）；k為熱導(dǎo)率；Q為單位體積的微波耗散功率，W；Qrh為歐姆損耗功率，W；Qml為磁滯損耗功率，W；Re為雷諾數(shù)；J為傳導(dǎo)電流密度，A m-2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；N C-1；j為虛部單位；ω為角頻率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

微波加熱模型為

式中，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，H m-1；k0為自由空間電磁波波數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn) m-1；σ為電導(dǎo)率，S m-1；ε0為真空中的介電常數(shù)，F(xiàn) m-1。

1.2 模擬條件

（1）邊界條件：模擬中假定諧振腔和波導(dǎo)表面金屬均為完美電導(dǎo)體，銅材，模式為TE10。

（2）劃分網(wǎng)格：諧振腔網(wǎng)格為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，輪胎采用細(xì)化網(wǎng)格。

（3）諧振腔尺寸為1 050 mm 500 mm 1 000 mm，諧振腔圓角半徑為60 mm，波導(dǎo)型號(hào)為BJ9（247.65 mm 123.82 mm），長(zhǎng)為50 mm，輪胎規(guī)格為195/65R15，位于諧振腔中心。

（4）設(shè)定橡膠的物理參數(shù)為：電導(dǎo)率 0 S m-1；熱導(dǎo)率 0.3 W （m·℃）-1；相對(duì)介電常數(shù) 2.5－0.75j；密度 1 120 kg m-3；相對(duì)磁導(dǎo)率 1；常壓比熱容 1 500 J （kg ℃）-1。

2 模擬結(jié)果與討論

設(shè)定雙波導(dǎo)放置位置均平行于底面，微波入射功率均為5 kW，輪胎不旋轉(zhuǎn)，研究微波入射頻率對(duì)加熱效率的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：當(dāng)微波入射頻率為890，895，900，905，910，915，920，925，930，935和940 MHz時(shí)，加熱效率分別為74.6%，79.4%，68.2%，66.7%，70%，75.9%，82.5%，86.5%，84.1%，73%和76.1%。

可見，微波頻率對(duì)加熱效率的作用類似于正/余弦曲線，加熱效率值在915 MHz的76%附近進(jìn)行波動(dòng)，當(dāng)微波頻率為905 MHz時(shí)，加熱效率達(dá)到最小值（66.7%），925 MHz時(shí)達(dá)到最大值（86.5%）。選擇加熱效率高于76%的微波入射頻率，設(shè)定輪胎以6 r min-1的速率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，仿真模擬取至輪胎膠料硫化所需的最高溫度（140 ℃）附近時(shí)的時(shí)間，其溫度場(chǎng)分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)加熱時(shí)輪胎的溫度場(chǎng)分布

由圖1可見，以上各頻率下均存在微波加熱的“相對(duì)盲區(qū)”，除895 MHz外，加熱的“相對(duì)盲區(qū)”均在胎圈處。然而，微波頻率為925 MHz時(shí)，加熱效率最高，溫差最小，胎圈區(qū)的“相對(duì)盲區(qū)”范圍最小。因此，微波頻率為925 MHz時(shí)輪胎膠料的加熱效果最佳。

選擇925 MHz作為微波入射頻率，為研究雙波導(dǎo)功率分配對(duì)加熱效率的影響，設(shè)置雙波導(dǎo)入射功率組合分別為（1＋9），（2＋8），（3＋7），（4＋6）和（5＋5） kW。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：當(dāng)雙波導(dǎo)功率差為0，2，4，6和8 kW時(shí)，微波加熱效率分別為86.5%，86.4%，86.1%，85.5%和84.6%。

可見，隨著雙波導(dǎo)功率差的增大，加熱效率下降；當(dāng)雙波導(dǎo)的入射功率相同時(shí)，加熱效率達(dá)到最大。總體來(lái)看，雙波導(dǎo)的功率差異對(duì)加熱效率影響不大。為考察雙波導(dǎo)功率分配對(duì)輪胎溫度場(chǎng)分布的影響，分別對(duì)雙波導(dǎo)入射功率組合（1＋9），（2＋8），（3＋7）和（4＋6） kW進(jìn)行仿真模擬，其溫度場(chǎng)分布結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙波導(dǎo)功率分配對(duì)輪胎溫度場(chǎng)分布的影響

通過(guò)對(duì)比圖1和2可知，（3＋7），（4＋6）和（5＋5）kW功率分配時(shí)的輪胎溫度場(chǎng)分布較為均勻。結(jié)合雙波導(dǎo)功率差對(duì)加熱效率的影響數(shù)據(jù)可知，（5＋5）kW時(shí)的微波加熱效率最高。因此，雙波導(dǎo)功率一致性越強(qiáng)，輪胎的溫度場(chǎng)分布越均勻，微波加熱效率也越高，即加熱效果越好。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)雙波導(dǎo)功率組合為（5＋5） kW時(shí)，微波加熱效率隨微波頻率的變化類似于正/余弦曲線波動(dòng)，在（915 25） MHz范圍內(nèi)，微波作用頻率為925 MHz時(shí)的微波加熱效率最高，輪胎的被加熱“相對(duì)盲區(qū)”范圍最小，溫度場(chǎng)分布最為均勻。

（2）雙波導(dǎo)功率分配越趨近于一致，微波加熱效率越高，溫度場(chǎng)分布也更為均勻。

（3）針對(duì)本研究條件，選擇925 MHz的微波入射頻率，雙波導(dǎo)功率均為5 kW時(shí)，輪胎的加熱效果最好。