微波热利用过程中能量利用效率及介质吸波特性的试验研究

摘要

微波最早于20世纪30年代发展起来并最早被应用于通信行业之中。随着微波技术的不断发展，人们对微波能的应用和微波加热特性的认知不断深入，微波加热应用技术不断向纵深发展，微波能的应用范围也在不断地被扩大并在一些新的领域被应用。目前，微波加热已经被广泛地应用在冶金、化工、石油、食品加工、医药等行业。微波加热是一种新型的加热方式，它通过物料的能量耗散而对介质进行直接加热，具有选择性加热、快速加热、体积加热和缩短反应时间等优点。因而，开展微波加热的研究对于更加深入的了解微波加热特性，高效利用微波能具有十分重要的意义。
　　微波加热伴随两个能量转化过程，即从电能到微波能和从微波能到热能的转化。关于两个过程转化机理研究已十分充分，但目前关于微波加热过程中能量转化效率还缺乏定量的研究数据，有关影响加热过程中转化效率的因素也缺乏一定的认识。基于此，本文以水作为典型介质，设计了试验台架定量测定了不同因素下电能到微波能以及微波能到热能的转化效率，分析并研究了微波能量利用率的变化规律，从而为微波加热效能的优化提供了依据。同时，在微波加热领域，介质的微波吸收特性的研究受到越来越多的关注。介质吸波特性的强弱直接影响介质在微波场中的温升行为。同时，强吸波介质在微波煅烧领域及污泥处理领域内的作用愈加明显。然而，对于介质微波吸收特性的测定方法比较单一，已有的测定方法也存在着较多问题。本文通过对介质热能的测定定量比较了几种常见介质的微波吸收能力。该方法有效地表征并分析了影响介质吸波特性的因素，为深入研究介质微波吸收特性规律提供了基础。
　　首先，论文以水作为主要的加热介质，对微波加热过程中消耗的电能以及产生的微波能和热能进行定量的测定。在保证其他试验条件不变的情况下，分析了微波输出功率、加热时间、介质的体积、种类以及摆放位置对能量利用效率的作用规律，对影响能量利用效率的因素进行了理论分析，发现在本文的微波加热系统中，从净电能到微波能的转化效率η1保持在0.6左右。这个数值表明所用的微波系统仍有较大的提升空间。介质最终吸收的有效热能和微波能到有效热能的转化效率η2则会由不同影响因素的改变产生明显的数值改变。介质在微波腔体中的位置，加热介质的种类，加热时间，微波输出功率以及加热介质容器的几何外形可能都会成为影响η2的因素。
　　其次，研究了基于不同介质在微波场中的微波吸收特性，提出了一种有效准确测定微波吸收能力的方法。选取石蜡油作为蓄热载体，将介质分散在石蜡油中，通过石蜡油和介质的热能对介质微波吸收能力进行比较，分析了介质质量，微波功率及粒径等因素对于微波吸收特性的影响，考察了微波条件下介质吸波特性的作用规律。
　　微波加热以及不同微波吸收能力介质的应用在材料处理、化合物分解及废弃物处理方面显示出很强的优越性。研究吸波介质与微波相互作用的机制，对于开展吸波材料的应用，开发在常规加热条件下无法实现的加热新技术拥有十分重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 微波加热概述

1．1．1 微波概念

1．1．2 微波加热物质原理

1．1．3 微波加热特点

1．2 微波加热过程中的能量利用效率

1．2．1 微波能量转化设备

1．2．2 微波加热能量转化率的研究现状

1．3 介质微波吸收特性

1．3．1 介质微波能量损耗机理

1．3．2 介质微波吸收特性的研究及测试现状

1．4 课题的研究目的及研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第2章 微波热效应测定试验系统

2．1 引言

2．2 微波热效应测定系统设计

2．2．1 微波加热总体试验装置

2．2．2 介质微波吸收特性测定试验台设计

2．3 试验材料选择

2．3．1 微波能量利用率测定试验材料选取

2．3．2 介质微波吸收特性测定材料选取

2．4 试验步骤

2．4．1 微波能量利用率测定步骤

2．4．2 介质吸波特性测定步骤

第3章 微波加热过程的能量利用率及影响因素研究

3．1 微波加热各能量的表征及数据优化

3．1．1 净电能和微波能的表征

3．1．2 微波能转化为热量的表征

3．1．3 数据优化

3．2 微波加热能量利用率结果及影响因素分析

3．2．1 炉中物体的摆放位置对微波炉能量利用的影响

3．2．2 加热时间对能量利用效率的影响

3．2．3 微波加热功率对能量利用效率的影响

3．2．4 被加热物体体积对能量利用效率的影响

3．2．5 不同加热介质对能量利用效率的影响

3．3 本章小结

第4章 介质微波吸收特性及影响因素研究

4．1 试验介质吸波能力的表征及数据优化

4．1．1 介质微波吸收能力的表征

4．1．2 数据优化

4．2 微波场下介质吸波特性影响因素试验结果及分析

4．2．1 加热时间对介质的微波吸收能力的影响

4．2．2 介质添加质量对微波吸收能力的影响

4．2．3 不同微波功率对微波吸收能力的影响

4．2．4 介质不同粒径对微波吸收能力的影响

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的文章