微波加熱過程中熱點效應的試驗與模擬研究.pdf

1、最近幾十年，微波熱利用技術(shù)發(fā)展迅速，在許多行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，人們對于微波加熱的認識也在逐漸加深。研究發(fā)現(xiàn)，將活性炭、碳化硅等材料作為微波吸收劑加入被加熱物料可大幅度強化加熱過程、加快反應速率，有些情況下還能提高目標產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，降低能耗。這些材料具有較強的微波吸收能力，能在較短的時間內(nèi)耗散電磁波而溫度迅速上升，成為一定范圍內(nèi)的高溫位點，常被稱作“熱點”。熱點現(xiàn)象及其在微波加熱過程中的重要作用已經(jīng)得到了較為廣泛的認可和關(guān)注，但

2、是到目前為止，關(guān)于熱點的文獻大都是對某些特定試驗現(xiàn)象的描述或者是基于麥克斯韋方程的單純模擬計算，并沒有詳細揭示高溫位點和溫度梯度的具體程度。另外，微波誘導放電現(xiàn)象也會伴隨產(chǎn)生顯著的局部高溫，被認為對于某些廢棄物的降解和化學反應有大幅強化作用，因此放電瞬間熱點的程度同樣值得探討。
　　本課題主要研究了微波加熱過程中因選擇性加熱和放電帶來的的熱點效應，通過試驗和模擬計算相結(jié)合的手段對局部高溫和溫度梯度進行了較為系統(tǒng)的討論，同時描述了微

3、波誘導非金屬放電現(xiàn)象。針對微波加熱過程溫度較難直接準確測量的現(xiàn)實，通過間接量熱法測量熱效應并計算產(chǎn)熱功率，最后建立了合適的模型并借助ANSYS等軟件模擬不同情況下熱點的程度和影響范圍。針對微波誘導非金屬放電鮮有文獻報道的情況，通過利用內(nèi)置攝像頭進行圖像捕捉，XRD、熱重等進行成分分析和光譜分析儀進行光譜采集等表征手段，研究了微波誘導非金屬放電的現(xiàn)象及規(guī)律。
　　首先，論文進行了由于吸波性能差異導致的熱點效應的試驗與模擬研究。利用量

4、熱法測量SiC等材料將微波能轉(zhuǎn)化為熱能的能力，并研究了材料種類、質(zhì)量、加熱時間、顆粒粒徑等對熱效應的影響;計算出SiC在800W微波輻射條件下單位體積平均產(chǎn)熱功率約為4×107W/m3;并以此為基礎(chǔ)進行多種情形的數(shù)值模擬，揭示不同情況下熱點的程度及影響范圍，討論了粒徑、時間、熱量分配比等對溫度梯度的影響，發(fā)現(xiàn)在某些條件下，熱點溫度可在短時間內(nèi)達到100℃。
　　其次，研究了微波誘導非金屬放電現(xiàn)象并測量了放電過程產(chǎn)生的熱量，進而討論

5、由于放電帶來的熱點效應。各種表征手段表明微波誘導非金屬放電的發(fā)生受周圍介質(zhì)、顆粒粒徑、堆積狀態(tài)、顆粒形狀等多種因素的影響;放電的發(fā)生是一個積累的過程，材料內(nèi)部分外層電子獲得能量從基態(tài)變成激發(fā)態(tài)，發(fā)生躍遷并做定向移動，在相對的形態(tài)學尖端形成電子聚集現(xiàn)象并產(chǎn)生瞬間高電勢，相鄰顆粒間在電勢差達到一定程度時擊穿之間的介質(zhì)，出現(xiàn)放電現(xiàn)象，激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，很容易在短時間內(nèi)迅速變回基態(tài)，這個過程便激勵產(chǎn)生了光子，出現(xiàn)光效應;量熱法結(jié)果表明相同的