凹凸型内表面微波加热腔体的研究

颜 彬，李 凯，任必锐

(1.江苏苏盐井神股份有限公司第三分公司，江苏 淮安 223000；2.江苏省制盐工业研究所有限公司，江苏 淮安 223000)

1 微波加热技术的应用

近年来，随着微波技术的发展，其被广泛应用于工业、农业、医疗、通信、国防等领域，微波加热技术在石油工程领域中的应用是一个具有发展潜力的新兴课题。微波加热不同于传统的加热方式，微波本身就是一种能量的形式，在对介质加热时中可以将微波能转化为介质的内能，使介质温度均匀升高[1]。与传统热传导方式对介质加热的不同，微波加热主要采用“内摩擦热”原理对极性介质进行加热[2-3]，主要表现为微波在加热腔体内形成电场，而极性分子会根据腔体内电场形成规律的排布，当电场方向改变时介质的方向也随之改变，介质方向的改变会产生分子间的摩擦，当微波频率加大时极性分子方向加快，分子间产生剧烈摩擦产生分子间的摩擦能，就是微波对介质产生的“内摩擦热”。“内摩擦热”加热主要是对介质内外部同时加热，介质内外同时受热，达到介质加热的均匀性。

通过微波在介质内部的能量耗散来直接加热物料，可避免传统加热方式的不足。微波加热较之传统加热具有独特的优势，如选择性加热物料、升温速度快、热效率高、加热均匀、易于控制等，微波作为加热源对易腐蚀介质进行加热是必然趋势。

2 凹凸型内表面加热腔体结构的提出

微波加热时，微波加热腔体内表面结构会直接影响微波束反射，对微波加热的均匀性也会产生影响。主要原因是设计的馈口固定在加热器上方位置，当电磁波束射入加热器腔体光滑内表面时，会以对称角度反射，当加热器内壁反射角度相同时，导致微波束在加热器内以平行束反射，也必然导致在加热器腔体内产生微波死角，影响微波的加热均匀性。为了提高微波加热的均匀性，将加热腔体的内壁加工成有多个凹弧面，具体反射结构原理如图1、图2所示。

图1 微波束在光滑表面反射原理图

图2 微波束在具有凹弧面表面反射原理图

通过图1可知，当由微波馈口反射向光滑的加热器微波加热腔体内表面时，微波束会以平行方式射入光滑内表面后按平行的方向进行反射，在反射腔体内会按平行的方向进行规则的反射，直至微波被全部吸收，在按规则的反射时必然会产生微波的加热不均匀性。但如果表面采用凹弧面的结构设计时，平行微波束经过凹弧面的反射可使微波束反射后产生乱序如图2所示，使得微波加热腔体中的微波束经过表面反射达到乱序的状态，有利于提高微波的均匀性，提高了微波对稠油加热的均匀性。

3 凹弧面内表面的设计

为了改善该微波腔内电磁场分布的不均匀性，提高微波加热器对稠油加热的均匀性，将加热腔体内表面制造成凹弧面，利用凹弧面可对微波产生散射的原理改善腔体内的磁场分布，提高了加热器对稠油加热均匀性。具体微波加热腔体内表面结构如图3所示，在微波加热腔体内表面等距离设计球形的曲面凹坑，其中，所有凹弧面的球心全部落于微波腔体内表面平面上。

图3 凹弧面型微波加热腔体剖面图

4 基于HFSS软件模拟实验的验证

运用磁场分析软件HFSS对该光滑内表面和凹凸内表面进行建模。进行模拟分析，保持在解析器微波加热腔体的相同平面分别加入稠油进行比较，分析两种情况下该平面的电场分布情况。通过HFSS软件模拟实验分析，对于加热器微波加热腔体在加稠油时电场分布如图4、图5所示。

图4 光滑表面负载稠油时电场分布云层图

图5 凹凸表面负载稠油时电场分布云层图

根据图可知，光滑内表面加热器，电场分布如图4所示，两侧边缘处会出现场强较低，电磁场分布情况均匀性差，场强在加热器内整体分布不均匀，相对集中于三个区域，场强最大处达到1.63×102V/m，最弱处达到3.03 V/m。

而内表面为凹弧面且微波腔体内加入稠油负载时，电场分布如图5所示，加热器微波加热腔体内表面改为凹弧面结构时，电场分布更加均匀，电场中场强在6.0×101～8.0×101V/m之间的场强分布占整个腔体的80%以上，较图4所示电场场强分布的均匀性有着明显的改善。

5 内表面结构的改变对加热效率的影响

根据上述分析，对微波腔体内表面的结构的改变可提高腔体内场强分布的均匀性，提高微波加热腔体对稠油加热的均匀性。

由微波理论[5]可知，微波对稠油的吸收功率P为：

(1)

式中：f——微波频率，Hz;

E——腔体内的向量电场强度，V/cm；

tanδ——介质的损耗系数；

r——物质的介电常数；

P——微波吸收功率，w/cm3。

由上述式(1)可知，当加热器中电场强度E上升时稠油的吸收功率P也随之上升，因此设计的微波加热对稠油的吸收功率主要取决于腔体内电场强度E。而对于所设计的加热器内表面凹弧面的半径也会影响解析的电场分布。

取内表面带凹弧面结构的加热器微波加热腔体进行模拟仿真，并代入上述建模数据，凹弧面内表面中加载稠油时反射功率随频率(2.40～2.50 GHz)的变化见图6。

图6 馈口的反射功率随加热器频率变化仿真数据图

根据图6所示，微波加热腔体的内表面加工成凹弧面结构时，在2.45～2.47 GHz范围内负载稠油对微波吸收的平均效率为99.93%。内壁为光滑时，负载稠油对微波吸收的平均效率为99.6%。

6 总 结

综合以上研究分析，加热器的内表面加工成凹弧面的结构，可利用凹弧面对微波具有多次漫反射的特点来提高电磁场分布的均匀性，达到提高对稠油加热均匀的目的。在建模的基础上，利用HFSS软件仿真研究了相关参数对微波反应腔内电磁场分布的影响，研究结果表明：

相比光滑内表面结构，加热器内表面采用凹弧面结构的设计，对介质整体加热均匀性提升10.3%，最高则可达21.96%；对介质的吸收功率提高0.37%。