杨继孔, 郑勤红, 曹湘琪, 徐鹏, 钟小青, 姚斌, 钟汝能
(云南师范大学 物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)
微波炉发明之后,微波加热已广泛应用于生产和生活中[1].微波的有效利用率一直是微波加热技术的重要指标,为提高微波加热效率,国内外许多学者做了大量研究.Geedipallia等利用ANSYS仿真了转盘对微波加热均匀性的影响[2];雷文强等利用Microwave Studio进行建模仿真,将仿真结果与实验结果进行比较,从微波反射角度分析了负载尺寸对微波加热效率的影响[3];王维等利用ANSYS设计了一个圆柱形微波加热器,并分析微波加热器波导数量、馈口位置对电场分布的影响[4];孙鹏等利用COMSOL Multiphysics仿真了馈口位置、样品大小、样品位置和多馈口激励对微波加热效率的影响[5];Monzó-Cabrera等利用反馈控制实验研究了样品位置对微波的加热效率的影响[6];李承跃等利用HFSS 11设计了一种新型六角微波谐振腔,研究了馈口位置及谐振腔的高度对微波加热均匀性的影响[7];姚斌等利用HFSS 11研究了矩形微波反应器加载矩形粉煤灰负载时馈口位置和长度、负载尺寸对微波加热效率的影响[8].上述研究主要针对某个具体问题研究其微波加热效率,本文将用不同的负载材料,对高功率矩形微波反应器加热效率建模仿真,获得加热效率优化的普适结论.
本模拟实验利用高频电磁仿真软件HFSS 13进行建模,仿真馈口夹角对高功率矩形微波反应器加热效率的影响,选择最优角度,再对馈口距离、负载尺寸、位置等参数进行逐个仿真,在仿真结果的基础上,分析总结出一系列可用于改善微波加热效率的结论,有助于高功率微波加热器的优化设计.
图1为本文所仿真的高功率矩形微波反应器,腔体尺寸为400 mm×370 mm×240 mm,负载为圆柱体,R=150 mm,h=100 cm,馈口尺寸为84 mm×58.6 mm×60 mm,馈口激励频率为2.45 GHz,功率为2 000 W,腔内所加负载材料分别为粉煤灰(ε′=2.5,tanσ=0.025)和玻璃(ε′=4.9,tanσ=0.006).利用高频电磁仿真软件HFSS 13求解腔体内电磁场分布,负载对微波的吸收效率可根据η=1-(power11+power22)/2-power21计算得出.
图1 高功率矩形微波反应器模型图
取R=150 mm,h=100 mm,H=40 mm,d=60 mm,馈口反射功率随馈口夹角θ的变化规律如图2所示.当θ≥50°时,两馈口不再相交,此时开始计算.计算结果显示,θ=90°和θ=140°时馈口间的反射功率出现极大值,在高功率矩形微波反应器设计时为提高微波加热效率应避开此角度;馈口夹角150°≤θ≤180°时,馈口本身的反射功率均不超过1%,馈口间的耦合功率逐渐增大,θ=180°时出现极大值,过量的电磁波返回磁控管,会使磁控管工作恶化,严重时可能致使磁控管烧毁.为提高负载对微波的吸收效率,同时保证返回磁控管的电磁波量较少,馈口夹角可选择θ=160°.
图2 馈口及馈口间反射功率随夹角变化
取θ=160°,h=100 mm,H=40 mm,馈口反射功率随馈口距离d变化规律如图3所示.当0 mm
图3 馈口及馈口间反射功率随d的变化
取θ=160°,d=56 mm,H=40 mm,馈口反射功率随负载厚度h的变化规律如图4所示.当h=20 mm时,馈口本身及馈口间的反射功率均获得极小值,电磁波在粉煤灰中的有效波长为λef=77.4 mm,比较可得,h约为λef/4时,馈口本身及馈口间的耦合功率获得极小值;当h>2λef时负载厚度对微波吸收效率影响较小.
图4 馈口及馈口间反射功率随h的变化
图5 馈口及馈口间反射功率随H的变化
取各优化后的参数(θ=160°,d=46 mm,h=100 mm,H=56 mm)重新进行建模仿真.图6为优化后频率在2.40~2.50 GHz范围内馈口的反射功率随频率的变化图.选取工作频带宽度Δf=50 MHz,优化后负载在频率为2.425~2.475 GHz范围内平均吸收效率为96.3%,频率为2.46 GHz时微波吸收效率高达99%,中心频率2.45 GHz时效率为98.5%.
图6 馈口及馈口间反射功率随频率变化
按照优化加载粉煤灰时的优化方法对加载圆柱形玻璃材料负载的矩形微波反应器进行仿真优化,获得最优化参数为θ=154°,d=50 mm,h=101 mm,H=40 mm,在此参数下的各馈口的反射功率如图7.结果显示,在频率为2.425~2.475 GHz范围内玻璃负载对微波的平均吸收效率为94.7%;中心频率2.45 GHz时的吸收效率可达95.3%.
图7 馈口及馈口间反射功率随频率变化
参 考 文 献:
[1] OSEPCHUK J M.A history of microwave heating applications[J].IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,1984,32(9):1200-1224.
[2] GEEDIPALLI S S R,RAKESH A V, DATTA A K.Modeling the heating uniformity contributed by a rotating turntable in microwave ovens[J].Food Engineering,2007,82(3):359-368.
[3] 雷文强,曾葆青,张海.微波炉腔体阻抗匹配的计算机模拟[C].成都:第十二届全国微波能应用学术会议,2005:70-74.
[4] 王维,孙以泽.纤维改性设备中微波加热器波导分布对电场的影响[J].现代制打造工程,2013,34(6):132.
[5] 孙鹏,,杨晶晶.多模微波加热器的建模与仿真[J].材料导报,2007,21(11A):269-271.
[7] 李承跃,王浩儒.一种新型微波加热器的建模与仿真[C].佛山:第十四届全国微波能应用学术会议暨2009年微波创造美的生活高峰论坛,2009,126-128.
[8] 姚斌,郑勤红.馈口位置及负载对微波加热效率的影响及其优化[J].材料导报,2012,26(4):161-163.