凹凸型內(nèi)表面微波加熱腔體的研究

顏 彬，李 凱，任必銳

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇 淮安 223000；2.江蘇省制鹽工業(yè)研究所有限公司，江蘇 淮安 223000)

1 微波加熱技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信、國(guó)防等領(lǐng)域，微波加熱技術(shù)在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用是一個(gè)具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d課題。微波加熱不同于傳統(tǒng)的加熱方式，微波本身就是一種能量的形式，在對(duì)介質(zhì)加熱時(shí)中可以將微波能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的內(nèi)能，使介質(zhì)溫度均勻升高[1]。與傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)方式對(duì)介質(zhì)加熱的不同，微波加熱主要采用“內(nèi)摩擦熱”原理對(duì)極性介質(zhì)進(jìn)行加熱[2-3]，主要表現(xiàn)為微波在加熱腔體內(nèi)形成電場(chǎng)，而極性分子會(huì)根據(jù)腔體內(nèi)電場(chǎng)形成規(guī)律的排布，當(dāng)電場(chǎng)方向改變時(shí)介質(zhì)的方向也隨之改變，介質(zhì)方向的改變會(huì)產(chǎn)生分子間的摩擦，當(dāng)微波頻率加大時(shí)極性分子方向加快，分子間產(chǎn)生劇烈摩擦產(chǎn)生分子間的摩擦能，就是微波對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生的“內(nèi)摩擦熱”。“內(nèi)摩擦熱”加熱主要是對(duì)介質(zhì)內(nèi)外部同時(shí)加熱，介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱，達(dá)到介質(zhì)加熱的均勻性。

通過微波在介質(zhì)內(nèi)部的能量耗散來(lái)直接加熱物料，可避免傳統(tǒng)加熱方式的不足。微波加熱較之傳統(tǒng)加熱具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如選擇性加熱物料、升溫速度快、熱效率高、加熱均勻、易于控制等，微波作為加熱源對(duì)易腐蝕介質(zhì)進(jìn)行加熱是必然趨勢(shì)。

2 凹凸型內(nèi)表面加熱腔體結(jié)構(gòu)的提出

微波加熱時(shí)，微波加熱腔體內(nèi)表面結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響微波束反射，對(duì)微波加熱的均勻性也會(huì)產(chǎn)生影響。主要原因是設(shè)計(jì)的饋口固定在加熱器上方位置，當(dāng)電磁波束射入加熱器腔體光滑內(nèi)表面時(shí)，會(huì)以對(duì)稱角度反射，當(dāng)加熱器內(nèi)壁反射角度相同時(shí)，導(dǎo)致微波束在加熱器內(nèi)以平行束反射，也必然導(dǎo)致在加熱器腔體內(nèi)產(chǎn)生微波死角，影響微波的加熱均勻性。為了提高微波加熱的均勻性，將加熱腔體的內(nèi)壁加工成有多個(gè)凹弧面，具體反射結(jié)構(gòu)原理如圖1、圖2所示。

圖1 微波束在光滑表面反射原理圖

圖2 微波束在具有凹弧面表面反射原理圖

通過圖1可知，當(dāng)由微波饋口反射向光滑的加熱器微波加熱腔體內(nèi)表面時(shí)，微波束會(huì)以平行方式射入光滑內(nèi)表面后按平行的方向進(jìn)行反射，在反射腔體內(nèi)會(huì)按平行的方向進(jìn)行規(guī)則的反射，直至微波被全部吸收，在按規(guī)則的反射時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生微波的加熱不均勻性。但如果表面采用凹弧面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，平行微波束經(jīng)過凹弧面的反射可使微波束反射后產(chǎn)生亂序如圖2所示，使得微波加熱腔體中的微波束經(jīng)過表面反射達(dá)到亂序的狀態(tài)，有利于提高微波的均勻性，提高了微波對(duì)稠油加熱的均勻性。

3 凹弧面內(nèi)表面的設(shè)計(jì)

為了改善該微波腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布的不均勻性，提高微波加熱器對(duì)稠油加熱的均勻性，將加熱腔體內(nèi)表面制造成凹弧面，利用凹弧面可對(duì)微波產(chǎn)生散射的原理改善腔體內(nèi)的磁場(chǎng)分布，提高了加熱器對(duì)稠油加熱均勻性。具體微波加熱腔體內(nèi)表面結(jié)構(gòu)如圖3所示，在微波加熱腔體內(nèi)表面等距離設(shè)計(jì)球形的曲面凹坑，其中，所有凹弧面的球心全部落于微波腔體內(nèi)表面平面上。

圖3 凹弧面型微波加熱腔體剖面圖

4 基于HFSS軟件模擬實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

運(yùn)用磁場(chǎng)分析軟件HFSS對(duì)該光滑內(nèi)表面和凹凸內(nèi)表面進(jìn)行建模。進(jìn)行模擬分析，保持在解析器微波加熱腔體的相同平面分別加入稠油進(jìn)行比較，分析兩種情況下該平面的電場(chǎng)分布情況。通過HFSS軟件模擬實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)于加熱器微波加熱腔體在加稠油時(shí)電場(chǎng)分布如圖4、圖5所示。

圖4 光滑表面負(fù)載稠油時(shí)電場(chǎng)分布云層圖

圖5 凹凸表面負(fù)載稠油時(shí)電場(chǎng)分布云層圖

根據(jù)圖可知，光滑內(nèi)表面加熱器，電場(chǎng)分布如圖4所示，兩側(cè)邊緣處會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)較低，電磁場(chǎng)分布情況均勻性差，場(chǎng)強(qiáng)在加熱器內(nèi)整體分布不均勻，相對(duì)集中于三個(gè)區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)最大處達(dá)到1.63×102V/m，最弱處達(dá)到3.03 V/m。

而內(nèi)表面為凹弧面且微波腔體內(nèi)加入稠油負(fù)載時(shí)，電場(chǎng)分布如圖5所示，加熱器微波加熱腔體內(nèi)表面改為凹弧面結(jié)構(gòu)時(shí)，電場(chǎng)分布更加均勻，電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)在6.0×101～8.0×101V/m之間的場(chǎng)強(qiáng)分布占整個(gè)腔體的80%以上，較圖4所示電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布的均勻性有著明顯的改善。

5 內(nèi)表面結(jié)構(gòu)的改變對(duì)加熱效率的影響

根據(jù)上述分析，對(duì)微波腔體內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)的改變可提高腔體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布的均勻性，提高微波加熱腔體對(duì)稠油加熱的均勻性。

由微波理論[5]可知，微波對(duì)稠油的吸收功率P為：

(1)

式中：f——微波頻率，Hz;

E——腔體內(nèi)的向量電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm；

tanδ——介質(zhì)的損耗系數(shù)；

r——物質(zhì)的介電常數(shù)；

P——微波吸收功率，w/cm3。

由上述式(1)可知，當(dāng)加熱器中電場(chǎng)強(qiáng)度E上升時(shí)稠油的吸收功率P也隨之上升，因此設(shè)計(jì)的微波加熱對(duì)稠油的吸收功率主要取決于腔體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度E。而對(duì)于所設(shè)計(jì)的加熱器內(nèi)表面凹弧面的半徑也會(huì)影響解析的電場(chǎng)分布。

取內(nèi)表面帶凹弧面結(jié)構(gòu)的加熱器微波加熱腔體進(jìn)行模擬仿真，并代入上述建模數(shù)據(jù)，凹弧面內(nèi)表面中加載稠油時(shí)反射功率隨頻率(2.40～2.50 GHz)的變化見圖6。

圖6 饋口的反射功率隨加熱器頻率變化仿真數(shù)據(jù)圖

根據(jù)圖6所示，微波加熱腔體的內(nèi)表面加工成凹弧面結(jié)構(gòu)時(shí)，在2.45～2.47 GHz范圍內(nèi)負(fù)載稠油對(duì)微波吸收的平均效率為99.93%。內(nèi)壁為光滑時(shí)，負(fù)載稠油對(duì)微波吸收的平均效率為99.6%。

6 總 結(jié)

綜合以上研究分析，加熱器的內(nèi)表面加工成凹弧面的結(jié)構(gòu)，可利用凹弧面對(duì)微波具有多次漫反射的特點(diǎn)來(lái)提高電磁場(chǎng)分布的均勻性，達(dá)到提高對(duì)稠油加熱均勻的目的。在建模的基礎(chǔ)上，利用HFSS軟件仿真研究了相關(guān)參數(shù)對(duì)微波反應(yīng)腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布的影響，研究結(jié)果表明：

相比光滑內(nèi)表面結(jié)構(gòu)，加熱器內(nèi)表面采用凹弧面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)介質(zhì)整體加熱均勻性提升10.3%，最高則可達(dá)21.96%；對(duì)介質(zhì)的吸收功率提高0.37%。