波導管中調諧螺釘位置對廢橡膠裂解能耗的影響

李志華，郭 楠

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

廢橡膠主要來源于廢輪胎、廢膠管、廢膠鞋和廢膠帶等橡膠制品，其次來源于橡膠制品生產過程中產生的邊角料和廢品，屬于工業固體廢料[1]。廢橡膠屬于熱固性聚合物材料，在自然條件下難以降解。它不溶于水，難溶于有機溶劑，棄于地表或埋于地下幾十年都不會腐爛變質[2]。大量的廢橡膠對環境造成了污染，且是一種資源浪費。在自然資源日趨減少和能源相對緊缺的今天，應用現代科技手段實現廢橡膠高值化再利用具有重大意義[3]。

廢橡膠裂解受到國內外專家學者的關注[4]。經過多年的探索和研究，裂解被公認為處理廢橡膠的最佳途徑之一，可實現廢橡膠的高值化循環再利用[5]。

微波裂解是廢橡膠裂解的新興方向。與傳統裂解不同，微波裂解無需通過外部熱傳導，而是直接向廢橡膠內部輻射微波電磁場，其粒子運動摩擦產生熱量使其發生斷鍵分解。微波裂解具有升溫速率快、受熱均勻和環境清潔等特點[6]。廢橡膠在裂解過程中會產生大量可燃氣體，為防止可燃氣體從裂解設備的腔體沿波導管進入微波發生器而導致其損壞，在波導管中設置了密封隔板（高溫透波材料）[7]，但密封隔板的設置使得駐波比和局部場強增大，提高了微波反射率，不僅微波能損耗增大，密封隔板也因溫升易破碎，造成微波發生器損壞。為解決因設置密封隔板導致的微波反射率過大問題，可以考慮在微波發生器與密封隔板之間的波導管某個位置設置調諧螺釘，相當于在微波發生器與密封隔板之間加入一個匹配裝置，使反射僅存在于調諧螺釘與密封隔板之間，密封隔板反射的能量再次被調諧螺釘反射回去，從而降低微波發生器的駐波比。

本工作采用HFSS三維結構電磁場仿真軟件，對波導管中設置調諧螺釘進行仿真分析，得到調諧螺釘在波導管中的最佳位置和最佳探入深度，為降低廢橡膠裂解能耗提供依據。

1 散射參數

波導管模型見圖1。

圖1 設置調諧螺釘的波導管模型

散射參數又稱為S參數，表示微波功率的傳輸和損耗。S參數包括S11和S21，S11表示微波功率的反射損耗，即從饋電端口1發射出去的能量經反射重新回到端口1的能量，S11越小，反射損耗越小，微波的反射率越低，微波能利用率越高。S21表示微波功率的有效傳輸，即饋電端口1發射出去的微波能經有效傳輸到達端口2的能量，S21越大，有效傳輸越大，微波能的利用率越高。

以P表示微波入射功率，P1表示端口1到端口2的微波傳輸功率，P2表示微波反射功率，S參數用對數形式表示，對應關系如下：

根據式（1）和（2）分別求出對應的效率為

式中，η1為能量反射效率，η2為能量傳輸效率。

2 有限元仿真及分析

新設計的廢橡膠微波裂解設備選用BJ-22標準矩形波導管[8]，截面a邊的長為109 mm，b邊的長為54 mm，波導管總長度為200 mm；密封隔板設在波導管的中間位置，材料為石英，厚度為4 mm，相對介電常數為3.78，相對磁導率為1。波導管側面設置為理想金屬導體邊界條件，兩端面饋口的激勵方式為波端口激勵，工作頻率為2.45 GHz。

2.1 波導管未設置調諧螺釘

對設置密封隔板而未設置調諧螺釘的波導管模型進行仿真，求解頻率范圍設置為2～3 GHz，得到S參數隨頻率的變化曲線，如圖2所示。

圖2 未設置調諧螺釘時的參數S11和S21變化曲線

通過仿真結果可知，在頻率為2.45 GHz時，S11＝-9.916 9，S21＝-0.467 0，計 算 可 得η1＝10.193 2%，η2＝89.804 9%。設置密封隔板而未設置調諧螺釘時微波的反射率較高，傳輸效率較低。設置密封隔板后不僅能耗增加，由于反射率的提高，微波發生器和密封隔板的損壞可能性也增加。

2.2 設置調諧螺釘的L和H

設置調諧螺釘，其直徑為6 mm、長度為54 mm，材料為不銹鋼，相對介電常數為1，相對磁導率為1。設置調諧螺釘在端口1與密封隔板之間、兩側端面之間的波導管中（見圖1）。

設定W為54.5 mm，L在3～95 mm連續變化，H取值范圍為0～54 mm。考慮到雙變量求解S參數計算量較大，將L的求解步長設置為4 mm，H的求解步長設置為2 mm。

仿真得到參數S11隨H和L變化的曲面見圖3。

圖3 參數S11隨H和L的變化曲面

由圖3可見：從H方向上看，H取值不同，S11取得極值點時所對應的L值并不同，分布在67～75 mm之間；由L方向上看，S11取得極值點時所對應的H值也不同，分布在17～23 mm之間。仿真得到的S21隨H和L變化的曲面圖與S11的極值點分布值一致。為滿足仿真精確，設置L的取值范圍為67～75 mm，求解步長為1 mm，H的取值范圍為16～23 mm，求解步長為1 mm。仿真得到的參數S11和S21如表1所示。

從表1可以看出，當L＝71 mm、H＝19 mm時，S11達到最小值，同時S21達到最大值，此時S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，計 算 可 得η1＝0.030 7%，η2＝99.884 9%，即W＝54.5 mm、L＝71 mm、H＝19 mm時，能夠把有密封隔板的不匹配情況調諧到接近于無密封隔板的匹配情況，解決了由于密封隔板的設置導致的反射率過大的問題。

表1 極值領域內各點的參數S11和S21

2.3 設置調諧螺釘的W

設定L＝71 mm，H＝19 mm，W取值范圍為3～106 mm，每變化1 mm仿真一次。仿真得到S參數隨W的變化曲線，如圖4所示。

圖4 S參數隨W的變化曲線

由圖4可以看出，隨著W的增大，S11和S21保持不變，S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，與表1中對應的數值完全一致。進一步的多次仿真也得到了任意改變L和H，仿真后得到的S參數只與L和H有關，而不隨W的變化發生變化。

3 結論

（1）在設有密封隔板的波導管中設置調諧螺釘，可以降低駐波比，改善密封隔板導致的微波反射率過大情況。

（2）沿著垂直于饋電的方向改變調諧螺釘的位置對微波的傳輸效率不產生影響，調諧螺釘的最佳位置只與波導管傳輸方向距饋電端口的距離有關。

（3）在饋電端口與密封隔板之間存在調諧螺釘的最佳放置位置和最佳探入深度。在BJ-22標準矩形波導中，當密封隔板的材料為石英、厚度為4 mm，調諧螺釘的直徑為6 mm時，調諧螺釘的最佳位置為距離饋電端口71 mm處，最佳探入深度為19 mm，此時的能量傳輸效率為99.884 9%。

（4）試驗數據驗證了仿真結果，即在饋電端口與密封隔板之間合理放置調諧螺釘，可以有效提高微波傳輸率，有利于節能降耗。