一种提高微波加热效率的方法与流程

本发明属于微波加热技术领域，特别是涉及一种提高微波加热效率的方法。

背景技术：

微波是一种可以快速、原位传递能量的电磁波，是一种绿色、快速、高效、易于自控的新型能源。微波加热与常规加热不同，它不需由表及里的热传导，而是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热物料，具有选择性加热物料、升温速率快、加热效率高、降低反应温度，缩短反应时间等优越特性。

微波加热不均匀性是目前制约微波加热技术发展的重要难题之一，目前现存的微波加热装置中，辅助加热材料普遍杂乱盛放，没有合理性的分布。过多的辅助加热球往往导致加热腔电磁场分布紊乱，被加热物料与加热球接触地方的电磁场值强度差值较大，导致热传递效果参差不齐，被加热物料受热不均匀，产成品质量低下。

吸波效率高的材料如氧化锆是一种十分重要的结构和功能材料，是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料。在各种金属氧化物中，氧化锆是唯一与钢及其他有马氏体相变的合金相似性能的材料。同时氧化锆熔点和沸点高、硬度大，常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性、耐腐蚀和可塑性优异等性能使其成为新材料领域重要的基础原料，除传统应用于耐火材料和陶瓷颜料外，其在生物陶瓷、电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等高科技领域的应用也引起广大学者的重视；氧化锆球具有高密度、高硬度、高韧性等特点，使其具有传统研磨介质所无法比拟的研磨效率磨损率小、使用寿命长、可大幅减少研磨原料的污染，能够很好地保证产品质量，同时氧化锆材料密度大，用做研磨介质时撞击能量强，可大大提高研磨分散效率，可有效缩短研磨时间。良好的化学稳定性决定了其耐腐蚀性，可以在酸性和碱性介质中使用。高纯氧化锆微珠是目前最为理想的研磨介质。现已广泛应用于非金属矿、涂料、油墨、油漆、染料、钛白粉、农药、磁性材料等行业物料的超细研磨与分散。目前对氧化锆的微波加热研究并没有从氧化锆的形态以及排列方式出发，对微波加热的效果进行测试研究，这就造成了氧化锆形态的变化对加热效果或者热传递效果影响并不明确，因此同样的加热设备对不同形态的氧化锆加热的效果出现差异性。

技术实现要素：

针对上述背景技术存在的问题及不足，本发明提供一种提高微波加热效率的方法，将3个及以上的小球设置在微波谐振器腔体内，进行微波加热的时候被加热物与小球接触，小球为吸波效率高的材料制得，吸波效率高的材料快速升温辅助吸波性能较差的被加热物料进行加热，达到热传递的效果，有效的解决微波加热不均匀的难题。

所述吸波效率高的材料为氧化锆、石墨或碳化硅。

所述微波谐振器腔体内为圆柱形腔体。

所述3个以上的小球中有一个小球位于微波谐振器腔体的中轴线上，以该小球为圆心，以微波谐振器腔体横截面的1/4-1/3为半径画圆，其他小球分布在圆周上。

所述小球放置在托盘上，托盘通过可伸缩支架设置在微波谐振器腔体底部，被加热物料放置于托盘上与小球接触。

本发明采用了矩阵阵列分布，将不规则矩阵与完整矩阵分别通过实验和comsolmultiphysics拟合，确定微波加热升温速度。

本发明的有益效果是：

1、设置阵列小球进行微波加热，达到提高微波加热反应效率和均匀性的目的。

2、小球进行阵列排布的方式进行微波加热，提高对该频率波段微波的吸收效果。

3、小球阵列单元进行缺失加热，使小球吸收微波的效果更显著，达到微波加热的速度更快、效率更高、成本更低等一系列优势显著的特点。

附图说明

图1为本发明使用的圆柱形微波谐振器腔体的结构示意图；

图2为本发明实施例1氧化锆小球a阵列的结构示意图；

图3为本发明实施例1氧化锆小球b阵列的结构示意图；

图4为本发明实施例1和实施例2微波谐振器腔体内的加热效果图；

图5为本发明实施例3和实施例4微波谐振器腔体内的加热效果图；

图6为本发明实施例5、实施例6、实施例7微波谐振器腔体内的加热效果图；

图7为本发明实施例8和实施例9微波谐振器腔体内的加热效果图；

图中：1~5-小球阵列；6-微波馈口；7-微波谐振器腔体；8-红外测温计；9-真空气氛阀；10-托盘；11-波导连接器；12-可伸缩支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明不受下述实施例的限制。

本发明实施方式中的微波加热装置如图1所示，包括三个以上小球阵列、微波馈口6、微波谐振器腔体7、红外测温计8、真空气氛阀9、托盘10、波导连接器11，工作频率为2.45ghz、工作波长为122.4mm的微波源经微波馈口6将微波能馈入到微波谐振器腔体7中，微波谐振器腔体7为直径250mm、高600mm的圆柱形加热腔体，微波谐振器腔体7材质为不锈钢金属导体；微波馈口6与微波谐振器腔体7用波导连接器11连接，连接面与波导连接器11通过法兰固定，连接面通口为长190mm、宽为140mm的矩形，波导连接器11位于圆柱波导管的侧面且与微波谐振器腔体7焊接，波导连接器11长度为147mm；微波馈口6为bj-22型号的标准矩形波导管，小球嵌入放置在托盘10的凹槽上，托盘10通过可伸缩支架12设置在微波谐振器腔体7底部，红外测温计8、真空气氛阀9位于微波谐振器腔体7顶部。

打开真空气氛阀9抽真空后，打开微波发射源（图中未示出）开关，微波作用于微波谐振器腔体7内，提供真空环境来降低其他因素的影响；小球阵列排布，使得微波在传输到微波馈口6以及微波谐振器腔体7外壁接触面时，达到最佳的匹配状态，微波源此时以最小的反射被馈入至微波谐振器腔体内，从而有效提高了微波加热的反应速率和效率。

实施例1

小球为氧化锆小球，氧化锆小球的成分及质量百分比含量为：zro292%，cao7.1%，sio20.3%，tio20.2%，al2o30.2%，fe2o30.1%，其他不可避免杂质，按照图2所示的a矩阵阵列排布在托盘10上，a阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆小球阵列分布，有一个小球位于微波谐振器腔体7的中轴线上，以该小球为圆心，以微波谐振器腔体横截面的1/4（62.5mm）为半径画圆，其他4个小球分布在圆周上，另外四个小球中任意相邻的两个小球之间的圆心角为90°，四个小球形成正方形，正方形的两条对角线分别与微波馈口6中轴线形成的夹角为45°、135°，小球1和小球2距离微波馈口6较近，小球3和小球4距离微波馈口6较远。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆小球阵列高度在距离微波谐振器腔体7底部150-450mm，通过可伸缩支架12调整高度，步长50mm进行参数化扫描，在微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图4所示实施例1的a阵列矩阵温度随着阵列高度的变化呈现先增后减的二元函数趋势，初始温度为17.5℃，最高温度值出现在300mm到400mm区间内，其中峰值在340mm处达到486℃，最低温度值出现在200mm到300mm区间内，其中在250mm处达出现最小温度278℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10的表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例2

本实施例采用实施例1的小球，按照图3所示的b矩阵阵列排布在托盘10上，b阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆小球阵列分布，有一个小球位于微波谐振器腔体7的中轴线上，以该小球为圆心，以微波谐振器腔体横截面的1/4（62.5mm）为半径画圆，其他4个小球分布在圆周上，另外四个小球中任意相邻的两个小球之间的圆心角为90°，四个小球形成正方形，正方形的两条对角线分别与微波馈口6中轴线形成夹角为0°、90°，小球1′距离微波馈口6最近，小球1′、小球5′和小球3′位于同一条直线，且该直线与微波馈口6的中轴线平行，小球2′、小球5′、小球4′位于同一条直线，且该直线与微波馈口6的中轴线垂直。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆小球阵列高度在距离微波谐振器腔体7底部150-450mm，通过可伸缩支架12调整高度，步长50mm进行参数化扫描，在微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图4所示实施例2的b阵列矩阵最高温度随着阵列高度的变化呈现波动性趋势，初始温度为17.5℃，最高温度值出现在300mm到400mm区间内，其中峰值在340mm处达到562℃，最小温度值出现在初始高度150mm处。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10的表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。通过实施例1和实施例2均得出小球平面设置在在距离微波谐振器腔体7底部340mm，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，相同时间达到的温度最高的结论。

实施例3

本实施例采用实施例1的小球，在实施例1的a阵列矩阵的排布基础上，a阵列矩阵设置在距离微波谐振器腔体7底部340mm的高度，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，a阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆球阵列缩减至3个，去掉小球1和2后的缺失矩阵与微波馈口6方向呈现三角形矩阵分布。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆球缺失阵列，在步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图5所示实施例中a阵列矩阵缺失1，2球后温度变化呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到457℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例4

本实施例采用实施例1的小球，在实施例1的a阵列矩阵的排布基础上，a阵列矩阵设置在距离微波谐振器腔体7底部340mm的高度，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，a阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆球阵列缩减至3个，去掉小球3和4后的缺失矩阵与微波馈口6方向呈现倒三角形矩阵分布。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆球缺失阵列，在步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图5所示实施例中a阵列矩阵缺失3、4球后温度变化呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到652℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例5

本实施例采用实施例1的小球，在实施例2的b阵列矩阵的排布基础上，b阵列矩阵设置在距离微波谐振器腔体7底部340mm的高度，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，b阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆球阵列缩减至4个，去掉小球1′后的缺失矩阵与微波馈口6方向呈现三角形矩阵分布。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆球缺失阵列，在步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图6所示实施例中b阵列矩阵缺失1′球后温度变化呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到422℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例6

本实施例采用实施例1的小球，在实施例2的b阵列矩阵的排布基础上，b阵列矩阵设置在距离微波谐振器腔体7底部340mm的高度，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，b阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆球阵列缩减至4个，去掉小球3′后的缺失矩阵与馈口方向呈现倒三角形矩阵分布。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆球缺失阵列，在步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图6所示实施例中b阵列矩阵缺失3′球后温度变化呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到341℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例7

本实施例采用实施例1的小球，在实施例2的b阵列矩阵的排布基础上，b阵列矩阵设置在距离微波谐振器腔体7底部340mm的高度，距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm，b阵列矩阵由5个直径为20mm的氧化锆球阵列缩减至3个，去掉小球2′和4′后的缺失矩阵与微波馈口6方向呈现线形矩阵分布。

本实施例通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对氧化锆球缺失阵列，在步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆小球快速吸收微波发热，温度由红外测温仪8测得托盘10在300s内的升温变化；图6所示实施例中b阵列矩阵缺失2′球和4′球后温度变化呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到278.3℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得托盘10表面温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例8

本实施例的小球以及小球布置与实施例7相同，但是在每个小球旁边再放置被加热材料zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末，通过仿真模拟软件comsolmultiphysic进行模拟，步长50mm进行参数化扫描，微波功率为1000w条件下，氧化锆球快速吸收微波发热，将热量传递给升温较慢的zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末；温度由红外测温仪8测得zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末在300s内的升温变化；图7所示本实施例中b阵列矩阵缺失2′球和4′球后温度变化（添加氧化锆阵列）呈指数型函数增长，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到231.5℃。通过实验室同等条件下对比实验，测得被加热材料zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末温度均与comsolmultiphysic仿真模拟软件结果一致。

实施例9

本实施例在实施例8的基础上不添加小球阵列，被加热材料zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末同等比例放置于托盘上，通过仿真模拟软件comsolmultiphysic对无氧化锆小球，高度在340mm，微波功率为1000w条件下，zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末吸收微波损耗发热，温度由红外测温仪8测得zn-ti钡铁氧体陶瓷粉末在300s内的升温变化；如图7所示（未添加氧化锆阵列）为实施例8和实施例9的升温曲线，初始温度为17.5℃，当加热时间300秒时，最高温度达到178.2℃。从图中可知实施例8的升温速率比实施例9高，即添加氧化锆小球阵列被加热物料升温优于未添加氧化锆小球阵列。

通过上述实施例可以得出，添加氧化锆小球阵列后的微波加热装置的加热效率比没有添加氧化锆小球阵列的高；当氧化锆小球数量为5个的时候，在阵列平面距离微波谐振器腔体7底部340mm、距波导连接器11与微波谐振器腔体7的连接面通口底部直线所在的与阵列平面平行的平面的垂直距离为272mm的时候，氧化锆小球辅助微波加热效率最优；当氧化锆小球阵列为3个或4个，氧化锆小球辅助加热效果a阵列矩阵的缺失矩阵优于b阵列矩阵。

将三个以上小球中的一个小球位于微波谐振器腔体7的中轴线上，以该小球为圆心，以微波谐振器腔体横截面的1/4-1/3为半径画圆，布置小球也可以得到上述结论。

将实施例1-8的氧化锆小球替换为其他吸波效率高的小球比如石墨小球、碳化硅小球等，按照上述实施例进行矩阵排布并进行实验，也可以得到上述结论，当小球按照本发明的矩阵进行排布时，可以提高微波的加热效率。