多孔介质转动式微波加热均匀性及热质传递过程的研究

微波能通过在物料内部的能量损耗选择性地加热物料，具有热效率高、过程清洁和操作控制容易等特点，在食品、化学化工等行业具有很好的应用前景。尽管微波对物料整体加热，但是微波加热室内电磁场强分布不均匀、被加热材料物理参数的非线性以及微波频率对物料穿透深度的制约等因素实际上导致了微波加热的不均匀性，另外实时温度等参数的计测很困难，其工业化应用仍存在技术瓶颈难题。本课题以转鼓装置为微波谐振腔，通过设置抄板/加入导电性材料颗粒（反射微波）对微波进行"模式搅拌"，提高微波电磁场强分布的均匀性。数学模拟对于微波加热过程优化和装置设计具有很好的指导意义，所以本课题构建多物理场耦合方程，通过设计多孔介质材料研究其在微波场中的传递规律，从而真实地获知微波辐射对不同内孔结构多孔介质内液体/气体相的驱动机制。最后，采用光纤温度传感器及湿度传感器分析物料内部温度及水分的时空分布规律，从而验证/修正模型。

本项目针对微波加热的瓶颈，即微波加热的不均匀性从两个方面提出改善措施。其一，通过设计微波转鼓干燥装置，利用物料在转鼓内的随机运动，近似吸收相同的微波能，以达到微波加热均匀的目的。由于物料在转鼓内的运动越随机，加热均匀性越好。课题基于DEM法，利用商业软件EDEM®对微波转鼓干燥器内大豆颗粒的随机运动和混合特性进行研究，优化微波转鼓干燥器的运动参数。其二，提出在微波腔内置入导电粒子提高微波腔内电场分布均匀性的方法，进而改善微波加热的均匀性。利用多物理场耦合软件COMSOL®模拟微波腔内置入导电粒子对电场分布的影响，指出静置导电粒子大小、位置及数量对电场分布影响的规律，并以物料边角过热现象为例，验证合理放置导电粒子对边角过热的改善。在微波转鼓干燥腔内，导电粒子呈随机运动状态，自由随机运动导电粒子会因集聚而导致场强局部增强，不利于电场均匀性的改善，但在粒子沿转鼓轴向方向随机运动的前提下控制导电粒子在转鼓径向方向的间距，可以大大提高转鼓腔内电场分布的均匀性。微波入射口的设计对微波转鼓腔内电场分布的均匀性影响较大，课题对溃能口的数量及分布进行模拟研究，优化溃能口设计，提高腔内电场分布的均匀性。微波加热中物料特性影响热质传递过程，本项目将Maxwell方程与传热方程相耦合，以土豆为物料，对其形状与大小对物料温度及温度分布均匀性的影响进行模拟研究，并探讨了微波吸收效率与物料体积和表面积的关系。