专利名称：一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及木材微波预处理技术领域，具体的说是用于直接向木材提供微波能量的谐振腔。
背景技术：
微波干燥木材是以均匀的微波场使木材自身整体生热，可消除干燥过程中的温度梯度及含水率梯度，其中水分由内向外同时排出使木材的膨胀收缩系数基本一致，这样木材在干燥过程中可最大限度避免变形、开裂、干枯、碳化等损失，能提高木材的成材率。与传统干燥方式相比，具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点，微波干燥过程中易于控制；且没有噪音和有害气体排放，属于环保干燥技术。微波加热干燥使的木材内部温度高于表面。使木材内部形成向外的压力差，加速了水分的表面迁移，所以微波干燥木材的速度远大于对流干燥速度快20 - 30倍。比远红外和蒸汽干燥能耗降低25%以上。微波干燥物料可使木材内部的温度高于60°C，使用木材中寄生的虫卵很快杀灭、达到防蛀、防霉的作用。对于各种不同性质的木材要先取合适的微波加热速度，达到最佳的工艺条件，可获得更佳的效益。我国速生人工林面积和蓄积量均居世界首位，但速生材普遍存在着渗透性差、干燥与后期防腐、阻燃等缺陷，使得其实木高附加值利用一直未取得突破性进展。高强度微波预处理是近年来出现在 木材改性领域的新技术，其基本原理是利用高强度微波对湿木材进行瞬时处理，使木材内水分在短时间内获得足够多的能量，产生相变和气体热压效应，在蒸气膨胀动力带动下，破坏木材内部构造，提高流体迁移能力，为木材后期的干燥、浸注处理，甚至新材料制备创造极为有利的前提条件。目前，美国、澳大利亚和中国等国家都已开始试制高强木材微波预处理专用设备，并研究了微波预处理对木材体积膨胀率、渗透性和干燥速率的影响规律。其初步研究结果表明，优化的高强度微波预处理可使木材体积增大10%以上，防腐剂渗透量增加10-14倍，干燥速率提高5-10倍，干燥质量显著改善。澳大利亚墨尔本大学甚至还通过该技术对木材进行拆解和重构处理，试制出了具有高渗透性、低密度的新型木材与具有高强度、高表面硬度的新型木质复合材料。这一研究为速生人工林木材资源的高质化利用开辟了一条崭新的道路。但在木材微波预处理研究过程中，研究人员发现:木材经过微波预处理后，其内部的微观和宏观孔隙分布不够均匀，给木材的后期浸注处理和高性能新材料的制备带来了很大困难。这些不均匀与木材本身的性质和介电常数分布不均匀有一定关系，然而我们无法改变木材本身的属性，只能改善其加热外部条件以减少其干燥损失。与加热条件有关的主要有微波频率和微波加热腔体，这两者共同决定加热时木材的温度分布。用于微波干燥木材的微波频率有0.915Ghz和2.45Ghz两种,在实践中发现，频率为0.915Ghz的微波对木材加热温度分布均匀性较为有利，在设计中可以更多地考虑使用该频率。频率选定后，问题的中心就转移到微波腔的设计了，因此，如何通过研制微波能分布均匀的微波谐振腔来开发高效微波预处理设备，已经成为制约木材高强微波预处理技术研发的核心和关键问题。目前，有一种用于木材微波预处理的谐振腔，为单口斜入射结构，存在的问题是加热时温度分布均匀性不够，导致预处理后的木材质量不高。
发明内容本发明所要解决的问题是如何提高木材微波预处理时温度分布的均匀性。结合微波木材干燥理论，我们模拟分析了多口馈入的各种情况，下面是温度分布均匀性较好的一个加热谐振腔的设计。一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，包括一个水平长方体微波腔A、两个竖直方向的长方体微波腔B、C和两个水平方向的长方体微波腔D、E，B、C分别与A的上下两面相接，B、C与A的接触面都是一个镂空的矩形，该矩形左右宽为0.24765m,前后长为
0.12382m, B的上口和C的下口为开口，D、E分别与A的左右两面相接，D、E与A的接触面都是一个镂空的矩形，该矩形前后长为0.24765m,上下高为0.07-0.09m, D的左口和E的右口为开口，A前后两口开口，A左右宽度和B、C相等，上下高度与D、E相等，A的上下高度范围 0.08m〈h〈0.11m。A的前后长度大于0.20m。B、C的高度与D、E的宽度都大于0.02m。B、C和D、E的前后位置在A的中点。木材上下左右四面有同相位的对称微波能量馈入，这种馈入方式使电磁能量更均匀地分布于木材，从而温度升高比较均匀。提高木材微波预处理温度分布的均匀性对木材的后期浸注处理和高性能新材料的制备都有重要的意义。
图1是四口馈入谐振腔结构示意图图2是单口馈入谐振腔结构示意图图3是四口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布图图4是单口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布图图5是四口馈入木材中心截面上的温度分布图图6是单口馈入木材中心截面上的温度分布图图7是 高度h为0.07时木材中心截面上的温度分布图图8是高度h为0.08时木材中心截面上的温度分布图图9是高度h为0.09时木材中心截面上的温度分布图图10是高度h为0.10时木材中心截面上的温度分布图图11是高度h为0.11时木材中心截面上的温度分布图图12是高度h为0.12时木材中心截面上的温度分布图图13是高度h为0.13时木材中心截面上的温度分布图图14是高度h为0.14时木材中心截面上的温度分布图图15是温度分布标准差与高度h的变化关系图具体实施方式
具体实施此发明的关键因素在于腔的结构和尺寸参数，我们将更精确地确定尺寸参数，以使该谐振腔达到其最佳工作效果。下面用模拟计算的方法来说明四口馈入与单口馈入的温度分布均匀性。我们采用了有限元分析软件COMSOL Multiphysics来进行模拟,在本次模拟计算中，选用含水量为60%的木材，其导热系数为0.23* (1-0.72* (25-T)/100) [w/ (m°C ) ] (T 为该时的温度)比热为2650*(1+Τ/100) ~0.2 ( J/kg °C )密度为570(kg/m3)吸收系数为9.97 (1/m)介电常数为7.40-1.42 j初始温度为25°C馈入的微波均为TElO 波，频率是0.915GHz，四口馈入时每口 5kw，单口馈入时20kwo要计算出木材每一点上的温度，需要把木材划分成很多个微小部分，分别研究每一部分的能量和温度关系(当然，需要考虑与其余部分的热传递)，然后再把每一步的结果综合到一起，从而完成了整个的计算，这就是有限元分析的基本思想。在我们的模拟计算中，木材的比热、与导热系数随着温度变化的，由于温度是随时间变化的，因此，比热、导热系数、温度都是时间的函数，如果要保证这三者都是同一时刻的取值，那就必须把每一步的计算时间划分地相当小，这显然是十分繁琐而没有必要的。可以采取这样的计算方法，先在很短的一段时间内假定木材温度是不变的，因此比热与导热系数也是常数，就能用这两个常数计算在这段时间内木材吸收的能量，同时求出木材的温度变化，将新温度值代入比热与导热系数继续如此循环计算，一直计算到预定的时间。下面以四口馈入为例加以说明，单口馈入只是端口数和馈入功率不同。下列表达式以微波腔A后表面右下边交点为坐标原点，参数f为微波频率，w为波导长度，d为波导宽度，ε、μ为空气的介电常量和磁导率。传播常数
权利要求1.一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，其特征为包括一个水平长方体微波腔A、两个竖直方向的长方体微波腔B、C和两个水平方向的长方体微波腔D、E, B、C分别与A的上下两面相接，B、C与A的接触面都是一个镂空的矩形，该矩形左右宽为0.24765m,前后长为0.12382m，B的上口和C的下口为开口，D、E分别与A的左右两面相接，D、E与A的接触面都是一个镂空的矩形，该矩形前后长为0.24765m，上下高为0.07-0.09m, D的左口和E的右口为开口，A前后两口开口，A左右宽度和B、C相等，上下高度与D、E相等，A的上下高度范围0.08m〈h〈0.11m。
2.根据权利要求1中的一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，其特征为A的前后长度大于0.20m。
3.根据权利要求1中的一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，其特征为B、C的高度与D、E的宽度都大于0.02m。
4.根据权利要求1或2或3或4中的一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，其特征为B、C和D、E的前后位置在A的中点。
专利摘要一种用于木材微波预处理的四口馈入谐振腔，包括一个水平长方体微波腔A、两个竖直方向的长方体微波腔B、C和两个水平方向的长方体微波腔D、E，B、C分别与A的上下两面相接，B的上口和C的下口为开口，D的左口和E的右口为开口，A前后两口开口，A左右宽度和B、C相等，上下高度与D、E相等，A的上下高度范围0.08m<h<0.11m。这种谐振腔能够提高木材微波预处理温度分布的均匀性，对木材的后期浸注处理和高性能新材料的制备都有重要的意义。
文档编号H05B6/64GK203120201SQ20132007248
公开日2013年8月7日 申请日期2013年2月10日 优先权日2013年2月10日
发明者罗勇锋, 李羲, 李贤军, 柴媛 申请人:中南林业科技大学