波导管中调谐螺钉位置对废橡胶裂解能耗的影响

李志华，郭 楠

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

废橡胶主要来源于废轮胎、废胶管、废胶鞋和废胶带等橡胶制品，其次来源于橡胶制品生产过程中产生的边角料和废品，属于工业固体废料[1]。废橡胶属于热固性聚合物材料，在自然条件下难以降解。它不溶于水，难溶于有机溶剂，弃于地表或埋于地下几十年都不会腐烂变质[2]。大量的废橡胶对环境造成了污染，且是一种资源浪费。在自然资源日趋减少和能源相对紧缺的今天，应用现代科技手段实现废橡胶高值化再利用具有重大意义[3]。

废橡胶裂解受到国内外专家学者的关注[4]。经过多年的探索和研究，裂解被公认为处理废橡胶的最佳途径之一，可实现废橡胶的高值化循环再利用[5]。

微波裂解是废橡胶裂解的新兴方向。与传统裂解不同，微波裂解无需通过外部热传导，而是直接向废橡胶内部辐射微波电磁场，其粒子运动摩擦产生热量使其发生断键分解。微波裂解具有升温速率快、受热均匀和环境清洁等特点[6]。废橡胶在裂解过程中会产生大量可燃气体，为防止可燃气体从裂解设备的腔体沿波导管进入微波发生器而导致其损坏，在波导管中设置了密封隔板（高温透波材料）[7]，但密封隔板的设置使得驻波比和局部场强增大，提高了微波反射率，不仅微波能损耗增大，密封隔板也因温升易破碎，造成微波发生器损坏。为解决因设置密封隔板导致的微波反射率过大问题，可以考虑在微波发生器与密封隔板之间的波导管某个位置设置调谐螺钉，相当于在微波发生器与密封隔板之间加入一个匹配装置，使反射仅存在于调谐螺钉与密封隔板之间，密封隔板反射的能量再次被调谐螺钉反射回去，从而降低微波发生器的驻波比。

本工作采用HFSS三维结构电磁场仿真软件，对波导管中设置调谐螺钉进行仿真分析，得到调谐螺钉在波导管中的最佳位置和最佳探入深度，为降低废橡胶裂解能耗提供依据。

1 散射参数

波导管模型见图1。

图1 设置调谐螺钉的波导管模型

散射参数又称为S参数，表示微波功率的传输和损耗。S参数包括S11和S21，S11表示微波功率的反射损耗，即从馈电端口1发射出去的能量经反射重新回到端口1的能量，S11越小，反射损耗越小，微波的反射率越低，微波能利用率越高。S21表示微波功率的有效传输，即馈电端口1发射出去的微波能经有效传输到达端口2的能量，S21越大，有效传输越大，微波能的利用率越高。

以P表示微波入射功率，P1表示端口1到端口2的微波传输功率，P2表示微波反射功率，S参数用对数形式表示，对应关系如下：

根据式（1）和（2）分别求出对应的效率为

式中，η1为能量反射效率，η2为能量传输效率。

2 有限元仿真及分析

新设计的废橡胶微波裂解设备选用BJ-22标准矩形波导管[8]，截面a边的长为109 mm，b边的长为54 mm，波导管总长度为200 mm；密封隔板设在波导管的中间位置，材料为石英，厚度为4 mm，相对介电常数为3.78，相对磁导率为1。波导管侧面设置为理想金属导体边界条件，两端面馈口的激励方式为波端口激励，工作频率为2.45 GHz。

2.1 波导管未设置调谐螺钉

对设置密封隔板而未设置调谐螺钉的波导管模型进行仿真，求解频率范围设置为2～3 GHz，得到S参数随频率的变化曲线，如图2所示。

图2 未设置调谐螺钉时的参数S11和S21变化曲线

通过仿真结果可知，在频率为2.45 GHz时，S11＝-9.916 9，S21＝-0.467 0，计 算 可 得η1＝10.193 2%，η2＝89.804 9%。设置密封隔板而未设置调谐螺钉时微波的反射率较高，传输效率较低。设置密封隔板后不仅能耗增加，由于反射率的提高，微波发生器和密封隔板的损坏可能性也增加。

2.2 设置调谐螺钉的L和H

设置调谐螺钉，其直径为6 mm、长度为54 mm，材料为不锈钢，相对介电常数为1，相对磁导率为1。设置调谐螺钉在端口1与密封隔板之间、两侧端面之间的波导管中（见图1）。

设定W为54.5 mm，L在3～95 mm连续变化，H取值范围为0～54 mm。考虑到双变量求解S参数计算量较大，将L的求解步长设置为4 mm，H的求解步长设置为2 mm。

仿真得到参数S11随H和L变化的曲面见图3。

图3 参数S11随H和L的变化曲面

由图3可见：从H方向上看，H取值不同，S11取得极值点时所对应的L值并不同，分布在67～75 mm之间；由L方向上看，S11取得极值点时所对应的H值也不同，分布在17～23 mm之间。仿真得到的S21随H和L变化的曲面图与S11的极值点分布值一致。为满足仿真精确，设置L的取值范围为67～75 mm，求解步长为1 mm，H的取值范围为16～23 mm，求解步长为1 mm。仿真得到的参数S11和S21如表1所示。

从表1可以看出，当L＝71 mm、H＝19 mm时，S11达到最小值，同时S21达到最大值，此时S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，计 算 可 得η1＝0.030 7%，η2＝99.884 9%，即W＝54.5 mm、L＝71 mm、H＝19 mm时，能够把有密封隔板的不匹配情况调谐到接近于无密封隔板的匹配情况，解决了由于密封隔板的设置导致的反射率过大的问题。

表1 极值领域内各点的参数S11和S21

2.3 设置调谐螺钉的W

设定L＝71 mm，H＝19 mm，W取值范围为3～106 mm，每变化1 mm仿真一次。仿真得到S参数随W的变化曲线，如图4所示。

图4 S参数随W的变化曲线

由图4可以看出，随着W的增大，S11和S21保持不变，S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，与表1中对应的数值完全一致。进一步的多次仿真也得到了任意改变L和H，仿真后得到的S参数只与L和H有关，而不随W的变化发生变化。

3 结论

（1）在设有密封隔板的波导管中设置调谐螺钉，可以降低驻波比，改善密封隔板导致的微波反射率过大情况。

（2）沿着垂直于馈电的方向改变调谐螺钉的位置对微波的传输效率不产生影响，调谐螺钉的最佳位置只与波导管传输方向距馈电端口的距离有关。

（3）在馈电端口与密封隔板之间存在调谐螺钉的最佳放置位置和最佳探入深度。在BJ-22标准矩形波导中，当密封隔板的材料为石英、厚度为4 mm，调谐螺钉的直径为6 mm时，调谐螺钉的最佳位置为距离馈电端口71 mm处，最佳探入深度为19 mm，此时的能量传输效率为99.884 9%。

（4）试验数据验证了仿真结果，即在馈电端口与密封隔板之间合理放置调谐螺钉，可以有效提高微波传输率，有利于节能降耗。