不同参数对微波除冰效果的影响

2020-11-20任常愚金永君

黑龙江科技大学学报 2020年5期

任常愚，王俊，金永君

(黑龙江科技大学理学院, 哈尔滨 150022)

0 引言

地处高纬度的国家和地区，道路在冬季容易积雪结冰，导致路面的摩擦因数急剧下降，进而引发一系列交通事故。据研究显示，冬季交通事故发生概率比其他季节增加了20%[1]。目前主流的清雪方法大致分为3种：热力法、传统机械法和化学法。化学法主要是以掺有盐类和醇类的融冰雪剂为主，对清理薄的冰层具有效果，但对厚冰层显效甚微，同时也会造成路面建筑钢材腐蚀，而且对环境产生很大的破坏，存在反结冰现象[2]。热力法面临能耗大、施工困难等一系列问题[3]。传统机械法无法分离与路面贴近的冰层，一年之中使用时间短，造成了资源的闲置，而且对路面的伤害较大，长时间的清理结冰也导致机器的磨损加重，维修成本增加[4]。针对上述问题，自20世纪80年代以来，就有学者提出将微波加热运用于除冰方向。1986年，Howard K . Long率先申请了微波除冰车专利，但是由于技术原因并未制造出实体机械车辆。1987年，美国公路战略研究计划项目(SHRP)中，Jack Monson等在道路非接触除冰项目中对微波除冰进行了研究, 并设计了微波除冰车的模型，因为除冰效率低而终止项目。2005年，Hopstock等[5-6]提出将铁燧岩按比例加入沥青路面中, 提高路面表层的微波吸收能力，来提高微波加热效率。美国自然研究所 (NRRI)也将研究方向转向路面吸波材料，并发现一种吸波能力强的材料，利用该材料铺设地面，可大幅度缩短微波除冰时间[7]。据文献[8-10]，国内学者也进行了相关微波除冰效率的研究以及除冰车的设计。但微波加热除冰雪, 仍处于起步阶段, 尚有很多问题需要解决，除冰效率有待提升。此外，大部分研究学者未对波导口高度对微波加热除冰的影响进行研究。笔者利用COMSOL Multiphysics软件仿真模拟微波加热除冰过程，以冰层和沥青混凝土层接触面温度达到0 ℃的温升速率和所需时间作为微波除冰效率的判定指标，研究微波加热所使用频率、波导口距地面高度、沥青混凝土地面电导率对微波加热除冰效率的影响，以期为提高微波加热除冰效率提供理论依据。

1 微波加热理论和除冰原理

1.1 微波加热理论

介质大多数由极性分子和非极性分子构成，它们都能在不同层次下吸收微波。在电磁场的作用下，介质内极性分子极化，分子呈有序性排列。当电磁场交变变化，分子排列随之改变，极距转向。由于微波的高频性，导致介质内部极性分子频繁转向，分子之间相互振动、摩擦、碰撞以及分子间的化学键断裂，释放出来大量的热，这就是微波加热的原理。即物质自身吸波转化热能，其核心为电介质损耗。

根据微波加热理论，大部分物料介质在微波环境下都能吸收微波并产生一定的热量，但吸收微波的能力有强有弱，产生的热量也有多有少。一般介质在单位体积内消耗微波功率P与各种因素参量有如下的表示式，即

P=2πε0εr′fE2tanδ，

(1)

式中：ε0——真空中的介电常数；

εr′——材料介质的相对介电常数，在一定程度上反映物体吸收微波的能力；

f——微波工作时的频率；

E——材料介质所处位置的电场强度有效值；

tanδ——材料介质的损耗角正切，反映材料介质的吸收微波能的程度。

根据式(1)可知εr′和tanδ越大，物质吸波能力越强。

1.2 微波加热除冰原理

沥青混凝土地面的损耗机理主要为极化型损耗，吸收微波时，材料的介质参数可用εr复介电常数表示，即

εr=εr′-jεr″。

(2)

tanδ介质的损耗角正切还可以表示为

(3)

εr″=σ/ωε0，

(4)

式中：εr′——介质的复介电常数实部，即相对介电常数代表微波穿透介质能力；

εr″——复介电常数虚部，代表介电损耗因子，表示材料吸波能力；

σ——介质材料的电导率；

ω——微波入射角频率。

这里已知冰的εr′范围为3.0～3.2，介质的损耗角正切tanδ为0.000 9；沥青混凝土地面εr′为4.6～9.4，介质的损耗角正切tanδ为0.015 0～0.056 0，而水的εr′在0 ℃环境时约为 80，介质的损耗角正切tanδ约为0.157 0。物质相对介电常数和介质损耗角正切越大，物质吸波能力越强，处在微波环境时自身温度上升越快，因此，根据以上数据可推断：在实际的微波加热除冰过程中，冰层吸收微波的能力并不强，自身温度变化不明显，反而是微波穿过冰层后，由于沥青混凝土层的相对介电常数和介质损耗角正切大于冰层，故吸波能力也大于冰层，沥青混凝土地面温度上升。热量经热传导，使接触面冰层融化成水，而水的相对介电常数和介质损耗角正切远大于冰层与沥青混凝土地面，吸收微波时，温度上升速度最快，导致冰层与地面结合力快速下降，实现冰层与地面的分离[11-13]。

2 微波加热仿真

2.1 微波加热所用数学模型

COMSOL Multiphysics是一款大型的基于有限元法分析高级数值多物理场仿真软件，文中使用RF模块下的微波加热板块来对整个微波加热除冰过程进行仿真模拟。COMSOL Multiphysics微波加热板块的主要原理是依据介电损耗，电介质受到电磁波影响，产生极化损耗，因为整个过程满足能量守恒，电磁场的损耗将转化成热效应,致使介质自身温度上升。材料的属性(σ，ε，μ)随着温度变化，而属性的改变影响电磁场分布和麦克斯韦方程组，进而导致热传导方程的变化，故任何求解电磁问题计算得到的损耗都能够双向耦合至热传导方程。在COMSOL Multiphysics软件中，微波加热下热传导方程以及单位体积内介质损耗平均功率即微波热源可以表示为

(5)

(6)

式中：ρ——介质密度；

κ——介质热导率；

CP——恒压热容；

ω——微波入射角频率；

Qmic——介质损耗平均功率；

▽——那勃勒算子。

材料相对介电常数虚部εr″数值对微波热源有很大的影响，而电导率又是材料εr″大小的关键因素。

2.2 仿真模型的建立

为简化分析，采用单个波导和磁控管为研究对象建立仿真模型，仿真模型相关物质的参数见表1。

表1 相关物质的特性参数

图1为自行设计微波加热除冰模型，顶部为波导端口，输入功率为2 000 W，下方为100 mm×100 mm×20 mm 冰层, 100 mm×100 mm×80 mm 沥青混凝土地面层，环境初始温度设为-10 ℃。由于路面结冰导致沥青混凝土表面湿润，沥青混凝土电阻下降，因此，起初设置材料参数中设电导率为0.01 S/m。

图1 微波加热除冰模型Fig. 1 Microwave heating deicing model

2.3 不同频率微波对加热效果的影响

目前，广泛用于微波加热的频率是2.45和5.80 GHz，在同等情况下，分别对2.45和5.80 GHz这两种微波加热效果进行仿真模拟。由于在0 ℃时判定冰层与沥青混凝土层分离，在这里忽略接触面冰融化成水对整体效果的影响，因为在加热过程中冰融化成水，水的介质损耗角较大，会加快加热效率，不易得到2.45和5.80 GHz的加热效果比对。加热10 s后，得到图2所示的多切面温升图。

由图2可以很明显的观察到，微波加热除冰温度的主要变化是由于沥青混凝土层吸波引起的，导致沥青混凝土地面温度迅速升高，而冰层几乎不吸波，所以冰层的温度不发生明显变化。温度变化主要集中于冰层与沥青地面的接触处，且加热频率越大，温度上升越快，加热效果越好，接触面的冰层最先融化，结合力下降，证明了微波除冰的可行性。

图2 微波加热10 s温升Fig. 2 Microwave heating 10 s temperature rise

分别选取在2.45和5.80 GHz频率加热下沥青混凝土地面与冰层接触面中心一点，并描绘此点的温度变化，如图3所示。

图3 微波加热中心点温度Fig. 3 Microwave heating center point temperature

由图3可知，在2.45 GHz频率加热下，中心处温升速率约为0.2 ℃/s，而在5.80 GHz频率加热下，中心处温速率升约为1.4 ℃/s。经过多次实验对比，得出5.80 GHz频率加热下的效率是2.45 GHz频率加热下效率的5～7倍。与焦生杰[11]、李笑[12]、陆松[13]等人实验得出的结论基本一致，同时也验证了仿真的正确性。

2.4 介质电导率对加热效果的影响

在上述实验设置材料的电导率的基础上增大一个数量级(10倍)，现使沥青混凝土层电导率为0.100 S/m。选择使用在2.45 GHz的微波对导电率为0.100 S/m的沥青混凝土地面加热除冰效果进行仿真模拟，并探测接触面中心点温度变化，如图4所示。

图4 2.45 GHz微波加热中心点温度Fig. 4 2.45 GHz Microwave heating center point temperature

计算出当沥青混凝土地面电导率为0.100 S/m时，在2.45 GHz微波加热下中心处温升速率约为0.6 ℃/s。由图3a结论可知，当初始电导率为0.010 S/m时，中心处温升速率为0.2 ℃/s，证实了增大介质导电率可以加快加热效率，减少加热时间。从本质上来说，增大沥青地面的电导率就是增大了介质的损耗角正切tanδ，使沥青材料吸波能力增加，温度上升加快。而增大沥青地面的电导率，目前已经被使用的方式是在建筑地面的材料中增添铁磁性以及炭黑等吸波材料。

再使沥青混凝土层电导率为0.001 S/m，并在5.80 GHz频率下对其进行加热除冰仿真，得到中心点温度变化如图5所示，中心处温升速率约为0.45 ℃/s。由图3b结论可知,当初始电导率为0.010 S/m时，温升速率为1.4 ℃/s。经过多次在不同频率以及不同电导率的仿真实验，笔者发现,不论是2.45 GHz还是5.80 GHz加热下，当沥青混凝土材料的电导率每提升一个数量级(10倍)，加热除冰效率就会相应的提升为原来的3～4倍，且增大沥青混凝土材料的电导率，是提升加热效率的关键。

图5 5.80 GHz微波加热中心点温度变化Fig. 5 5.80 GHz Microwave heating center point temperature chart

2.5 波导口距地面高度对加热效果的影响

电磁波在空气中传播，会有明显的能量衰减现象。为了提高加热除冰效率，理论上波导口距离冰面的高度越近越好, 但距离减小会导致加热器磁控管阵列中波导间的加热盲区比较明显, 加热很不均匀，除冰效果不理想。目前大部分学者未对波导口的理想高度进行探究，笔者通过对2.45和5.80 GHz微波加热时波导口距地面的高度进行仿真，以冰层与地面之间温度达到0 ℃判定满足除冰要求，观察不同距离所需加热时间，寻找最佳距离以提高加热除冰效率。通过反复的仿真计算，绘制不同频率下不同距离冰层与地面之间温度达到0 ℃所需时间曲线如图6所示。