介电材料辅助的微波冷冻干燥的数值模拟
第２６卷第４期 ２０１２年８月 高校化学工程学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ＮＯ．４、，０１．２６ Ａｕｇ． ２０１２
文章编号：１００３—９０１５ｆ２０１２）０４－０５７５－０６
介电材料辅助的微波冷冻干燥的数值模拟
王 维 一，许英梅 ，马鸿信 ，陈国华。
（１．大连民族学院生命科学学院，辽宁大连ｌ１６６００；２．北京航空航天大学航空发动机气动热力国家
重点实验室，北京１００１９１；３．香港科技大学化学与生物分子工程系，香港）
摘要：通过数值求解一个考虑吸湿效应的带有移动升华界面的多孔介质热、质传递耦合模型，理论考察介电材料对 微波加热冷冻干燥过程的影响。介电材料用烧结的碳化硅（ＳｉＣ）。甘露醇，一种典型的药物赋形剂被选为待千溶液中的 溶质。模拟结果表明在微波冷冻干燥过程中使用介电材料可以加快冷冻干燥速率，特别是在待干溶液的固含量很低或 者固体产品的介电损耗因子很小的情况下尤为有效。模型预测和实验测定的干燥曲线相比较显示了良好的一致性。通 过考察冰饱和度和温度的分布侧形，研究分析了物料内部的质热传递机理，并讨论了干燥速率的控制因素。 关键词：微波冷冻干燥；介电材料；干燥曲线；多孔介质；传热传质 中图分类号：ＴＱ０２６．６；ＴＱ０２８．６７８ 文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｆｒｅｅｚｅ Ｄｒｙｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ
Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｈｅａｔｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉ ．一，ＸＵ Ｙｉｎｇ．ｍｅｉ ，ＭＡ Ｈｏｎｇ．ｘｉｎ２，ＣＨＥＮ Ｇｕｏ．ｈｕａａ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＬｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １６６００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ａｅｒｏ－Ｅｎｇｉｎｅ Ａｅｒｏ－ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｈｅ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａＩ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｅｚｅ－ｄｒｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｙｇｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｔｈ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ．Ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｎｎｉｔｏｌ，ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ ｅｘｃｉｐｉｅｎｔ，ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｅ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｅｚｅ ｄｒｙｉｎｇ ｒａｔｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｅ ｄｒｉｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｏｒ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｓｍａｌｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｓｓ ｆａｃｔｏｒ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ＣＵｌ－Ｖｅｓ ｄｉｓｐｌａｙ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｉｃｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｒａｔｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｆｒｅｅｚｅ ｄｒｙｉｎｇ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｄｒｙｉｎｇ ｃｕｒｖｅ；ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ； ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ
１ 引 言
良好的数学模型能够对过程进行预测和再现，而建模过程还能加深对过程的理解…。例如冷冻干燥
数学模型不仅可以预测适宜的操作条件，也可以分析传递机 。绝大部分经历干燥的固体物料都可视
收稿日期：２０１１４）１－２５：修订日期：２０１１－０６．２６。 基金项目：国家自然科学基金（２１０７６０４２／Ｂ０６０３０２）：香港研资局（ＲＧＣ）基金（ＨＫＵＳＴ６００７０４／Ｃ４５８６）；大连民族学院自主科研基金（ＤＣｌ２０ｌＯ２Ｏ９）。 作者简介：ｔ￣（１９６２－）－男，辽宁大连人ｔ大连民族学院教授．博士。通讯联系人：王维，Ｅ－ｍａｉｌ： ｗｊｗａｎｇ＠ｄｌｎｕ．ｅｄｕ．
ｃａ ５７６ 高校化学工程学报 ２０１２年８月
为吸湿的多孔介质并伴随着质、热的多相传递。现有的模型都是基于Ｌｕｉｋｏｖ［ 】体系和Ｗｈｉｔａｋｅｒｔ 】理论，
但是两人的工作都没有考虑结合水。对于吸湿多孔介质，热力学平衡关系应被吸附平衡关系所替代Ｉ 。
微波加热被认为是强化冷冻干燥的独一无二的方法。微波加热的效果取决于待干物料介电损耗因子 的大小。对于冷冻干燥液体物料，Ｗａｎｇ和Ｃｈｅｎ［。１提出了介电材料辅助的微波冷冻干燥。最近的实验研 究结果表明使用介电材料确实可以有效地强化微波冷冻干燥过程【７Ｊ。而前期的理论研究结果也得到相同 结论Ｄ，８，９１。然而，任何模型须经实验检验。因此，非常有必要基于实验操作条件进行进一步的理论研究，
预测和再现真实的干燥过程，使理论分析和实验结果相吻合。本文是介电材料辅助的微波冷冻干燥系列
研究的理论部分，通过将球坐标系数学模型转换为柱坐标系，并且修正已建的吸附平衡关系，首次将一 个考虑吸湿效应的带有移动升华界面的多孔介质热、质传递耦合模型【５】应用于真实操作条件下的干燥过 程【７】。本研究的目的是：（１）数值求解一个考虑吸湿效应的带有移动升华界面的多孔介质热、质传递耦合
模型，理论验证介电材料在微波冷冻干燥中的强化作用；（２）将模型预测与实验测定的干燥曲线相比较， 以检验其是否能获得良好的一致性：（３）通过考察冰饱和度和温度的分布侧形，分析物料内部的质、热传
递机理，讨论干燥速率的控制因素。
２数学模型
２．１传质传热方程
本研究使用饱和的冷冻物料，内部有一个升华界面，如图１所
示。由于吸湿效应，升华界面的移动只除去部分水分，仍有一定量
水分处于吸附一解吸平衡。界面移动后的区域称做干燥区；界面移
动前的区域为冷冻区。模型及其主要假设参阅文献【５】。为配合实验
条件，本研究将原来的球坐标系方程转换成柱坐标系方程。
在干燥区，质量和热量守恒方程可得如下： 国
图ｌ干燥样品示意圈 Ｆｉｇ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ ｓａｍｐｌｅ
ＯＳ＝ １ ｃ３（ｒＫｓ雾）＋ 昙（， ） ㈣
舯 ＝ Ｒ ＫＤＫ
，ｒ＆ｐ，Ｔ＋（Ｉ－
ｆＳ）ｅ．。 ＯＴ ｒ Ｒ￣ｐ，Ｔ＋ 。 ｌ ｖ ｚ． Ｉ ｖ ｆ ｌ（
＝ 导ｌ，（ ＋ △Ⅳ） ｌ＋ （ △喀）＋寸 ｃ２
其中：ｐｃ＝（１－６）ｐｓＣｓ＋￣Ｓｐｉｃｉ＋，０－Ｓ）ｐｖｃ ， ＝（１一占） 十 ＋ （１一ｓ）ｚ，寸－－［０一 ） ＋ｓＳｋｉ］Ｅ 。
为干燥多孔物料的固有渗透率， 为相对渗透率。 在冷冻区，热量守恒方程可以表示为：
詈＝Ｔ㈤－＇￣ ｋ （３、 Ｊ＋ｇ 【ｊ
其中：ｐｃ＝（１—６）ｐ￣ｃ。＋蜀 ｃｉ， ＝（１一 ） ＋以，尊＝［（１一 ） ＋６ｋｉ］Ｅ 。
在介电材料区只有热量传递，守恒方程是：
ａｔ＝ ， Ｄ０一＝一一ｌ， 一Ｉ十曰 Ｉ‘．Ｊ ， ｌ ／ 一
其中：ｐｃ＝ ｃ ， ＝ ，，寸＝ｋｍＥ 。
２．２边界条件和初始条件 在样品内部：ｃａＴＩＯｒＩｒ：０＝０，ａｓ／￣Ｉ，：‰ ０。
在样品表面：ｑｌ ＝ｃｒｅＦ（Ｔ Ｌ 一Ｔ￣ａｍｂ）， ｆ，： 只ｍｂ／（／Ｌ ＴＩ￣＝ｎｐ）。
在升华界面：．，§ｆ：一 （ — ｉ）￣，ｄＲ／ｄｔＩ 一， Ｉ ＋＝ 和口ｌ 一一ｑｌ ＝ △Ⅳ。
第２６卷第４期 王维等：介电材料辅助的微波冷冻干燥的数值模拟
样品的初始温度和冰的饱和度分布均匀： ＝Ｔｏ，ｓｌ ＝Ｓｏ；升华界面从样品表面开始：Ｒ ＝ 。
３ 数值模拟 表ｌ模拟所用物性数据
３．１物性Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕＩａｔｉｏｎ
在冷冻多孔介质内，分子扩散和Ｋｕｎｄｓｅｎ扩散是主要的传递 ： ！坚 机理。与分子扩散相比，分子平均自由程要远大于平均孔隙半径嘲， ｃＩＣ ｉ １７９ｌ３５０ ；．（ ｋｇ＿．Ｋ）一－ １ １７６
因此Ｋｕｎｄｓｅｎ扩散是控制步骤。扩散系数可以写出如下式子【ｌ０】： ｃｓ ｌ３１０ Ｊ‘（ｋｇ‘Ｋ）＿】 【１８
Ｄ＝９７．０Ｆｅ／ｒ√ ／ ２．８３９￣１０６ Ｊ．ｋｇ－ 【ｌ８】 其中 是空隙半径。根据类似物料的实验数据［２】，确定干燥多 ｗ．ｒｎ＿ ｍ（ｖ２．旷 广禺
孔产品的平均空隙半径为２．６５￣１０ ｍ。 岛 １．５ Ｗ．ｍ－３（Ｖ・ｍ－ ）－２【ｌ７】
根据刚性多孔介质的假设，干燥多孔物料的固有渗透率硒不 ：．０．０６ ２ｉ 变。根据ＮｉｅＩｄ和Ｖｌｅｊａｎ… ，相对渗透率是： 三 ８．８０５．４８９ ０ｌｏ７ Ｆ．ｍ－￣ 【 】
Ｋｒ＝ｌ— ＾ ２．２２ Ｊ・（ｓ・ｍ・Ｋ） 【１ ６］
式中Ｓ为饱和度。 。 １．０６ Ｊ．；ｓ．ｍ．Ｋ，－Ｊ ２０ｊ
吸附＿解吸平衡采 关系 ／ ／ｖ ｏ．ｏ・・ ， 三 １６４
ｓ ／（Ｔ＋９６１） （ ， ）／只（ ）＝ …… 该处理类似Ｄ。的修正Ａｎｔ。ｉｎｅ方程【ｌ２】。按照Ｎｉ等【ｌ３ 建议，吸附 ：． ：：：
一解吸平衡在整个干燥过程有效。发射率Ｐ与孔隙率相等。根据 １４８９ ．ｋｇ．，ｍ－：． 【６ ． 仃 ５．５７６￣１０ Ｗ・（ｍ ・ ｆ１４］ Ｂｉｒｄ等建议【¨】，角系数Ｆ等于１。其他物性见表１。 １．２ 一 ２ ３．２计算步骤 在第１干燥阶段，用有限差分法求解方程（１）～（４）以及初始和边界条件方程。在第２干燥阶段，只需
微波吸收材料的吸波特性的计算仿真与预报
《计算材料学》课程设计
指导老师：江建军 教授
电子科学与技术系
2004年6月
微波吸收材料的吸波特性的计算仿真与预报
陈卉 陈晓 黄涛 李飞 李舜 李源
孙超 苏绍斌 许东华 尹传涛 易法友
（华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074）
摘 要： 简述了微波吸波原理；详细介绍了多层介质微波吸波模型的建立过程，
导出了反射系数与材料诸参量间的关系；运用所编制的计算机程序对材料诸参
量的影响进行了计算仿真及预报；得出了一些有用的结论。
关键词： 微波吸收材料，吸波特性的计算仿真，给定条件下的带宽最优化解
Simulation and Forecasting of Absorbing Property
for Microwave Absorbing Materials
Cheng Hui Cheng Xiao Huang Tao Li Fei Li Shun Li Yuan Sun Chao Su Shaobin Xu Donghua Yin Chuantao Yi Fayou （Department of Electronic Science and Technology, HuaZhong Univercity of Science and Technology,Wuhan 430074） Abstract: This paper first summarizes simply the mechanism of the
Microwave absorbing as a background knowledge. Secondly,the mode of
multi–film medium is reviewed in detail and the connection between
parameters of microwave materials and reflection modulus is derived
基于MATLAB的微波加热腔内介质扰动下的数值模拟研究
基于MATLAB的微波加热腔内介质扰动下的数值模拟研究
汪维军;林欢;陈华
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2018(000)003
【摘 要】时域有限差分法(FDTD)是分析微波加热腔体的一种常用方法.采用微分高斯脉冲激励源,通过施加UPML边界条件来改善边界处的吸波效果.应用MATLAB软件编程对传输波导和谐振腔内的电磁场分布进行了数值计算分析.计算出了波导内的反射参量,分析了在不同介质加载的情况下,腔体内介质的扰动对电磁场分布的影响,同时研究了反射参量曲线图,进而得到了不同条件下传输波导的最好匹配频率.结果表明,随着腔体内填充介质的相对介电常数的增大,吸收电磁波的效果增强.
【总页数】5页(P22-26)
【作 者】汪维军;林欢;陈华
【作者单位】昆明理工大学 理学院,云南 昆明 650500;昆明理工大学 理学院,云南
昆明 650500;昆明理工大学 理学院,云南 昆明 650500;昆明理工大学 非常规冶金省部共建教育部重点实验室,云南 昆明 650093
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合 [J], 张翔;蔡青
2.腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析 [J], 张翔;蔡青;朱兴华 3.鼻咽癌腔内微波加热的实验研究 [J], 吴敬波;陈成钦
4.基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟研究 [J], 董非; 苑天林; 武志伟; 倪捷
5.微波加热与高频介质加热的原理、应用领域与购入时的注意事项 [J], 陈留根
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
微波真空冷冻干燥中试设备的设计
２０１２年第４期 总第２４２期 中国农机化 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｎｏ．４，２０１２ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２４２
微波真空冷冻干燥中试设备的设计木
钟挺，胡志超，王海鸥，彭宝良．吴峰
（农业部南京农业机械化研究所，南京市，２１００１４１
摘要：本论文以实现工业化生产为目标，充分考虑中试试验要求，研制出一种微波冻干中试试验设备。重点介绍了设备 的系统构成、功率配置、主机总体结构和关键部件设计。各系统功率配置为：微波系统１３ｋＷ、制冷系统８．３５ｋＷ、真空 系统４．５ｋＷ。设备干燥仓与捕水仓呈上下连体配置，中间通过屏蔽过流板相隔，可以允许水蒸气自由透过．同时也能防 止微波进入捕水仓。微波系统采用小功率多口馈人方式，微波馈人Ｅｌ沿干燥仓周向交错排列 每只微波磁控管可独立启
闭，功率连续可调（０～１００％），冻干过程中可对微波系统进行精细化调节。本设备在测控方面，具备光纤实时测温、实 时称重、视频监视、能耗跟踪等功能，非常便于微波冻干干燥特性研究、干燥工艺优化等研究
关键词：微波冷冻干燥；中试设备：设计
中图分类号：￥２２６．６ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７２０５．２０１２．０４．０００
钟挺，胡志超，王海鸥，彭宝良，吴峰．微波真空冷冻干燥中试设备的设计ｆＪ１．中国农机化，２０１２，（４）：００ ００
ＺＨＯＮＧ Ｔｉｎｇ，ＨＵ Ｚｈｉ—ｃｈａｏ，ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ＯＵ，ＰＥＮＧ Ｂａｏ－ｌｉａｎｇ，ＷＵ Ｆｅｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｐｉｌｏｔ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｖａｃｕｕｍ
ｆｒｅｅｚｅ－ｄｒｙｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１２，（４）：００￣００
０ 引言
微波真空冷冻干燥是以微波替代传统加热隔板作 为热源的新型冻干技术．与常规冻干技术相比．在提
基于ANSYS的复合材料等效介电常数数值模拟
第２８卷第９期 ２０１２年５月 甘肃科技 Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ ｆ．２８ Ｎｏ．９ Ｍａｙ． ２０１２
基于ＡＮＳＹＳ的复合材料等效介电常数数值模拟 王丽芳，李旭东，曲宝龙 （兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，甘肃兰州７３００５０） 摘要：在ＡＮＳＹＳ中建立随机分布模型，利用有限元方法计算模型中的电场强度、电位移矢量，通过本构方程法求解 得到添加相对应不同百分含量的等效介电常数，将计算结果与经典的公式计算结果进行比较。在此基础上建立的 不同的计算模型，研究了复合材料等效介电常数的影响因素。 关键词：复合材料；本构方程；等效介电常数 中图分类号：ＴＮ７３１；ＴＮ７５９ 复合材料（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）是将不同性质 的两种或两种以上的材料结合为一体而达到预期的 使用特性而设计制造的新材料。复合材料是继钢 铁、塑料之后从本世纪后期开始应用的新材料。由 于其优越的性能被广泛应用于航空航天、电气、机械 等多个方面，复合材料可以通过改变基体及添加相 的体积百分含量、几何结构等来获得不同的性 能【１．２Ｊ。为了更好更快地得到性能优越的复合材 料，生产之前通过模拟先预测材料的介电性能具有 重要的意义 ．４ Ｊ。因此，近年来已有众多的研究者 致力于复合材料介电性能的研究。目前主要有结构 抽象化和弥散体微粒规则化两种研究方法 Ｊ。 所谓结构抽象化 就是将复合介质等效为多 层单一均匀介质，通过等效电路的方式计算多层介 质的介电性能，从而求解出复合介质的等效介电常 数、介电损耗等介电参数。利用结构抽象化计算介 电性能已比较成熟，弥散体微粒规则化的研究较为 复杂，平均场理论和有限元方法（ＦＥＭ）是在此基础 上提出来的两种重要的方法－６ Ｊ。Ｃｈｅｎｇ等 提出一 种立方单元随机分布模型，利用有限元方法计算了 模型中的电位分布，通过能量平衡法得到介电常数。 在随机分布模型的基础上，在有限元软件ＡＮ— ＳＹＳ中利用电磁本构方程计算得到复合材料等效介 电常数，运用该方法计算得到的复合材料介电常数， 结果与数值计算结果相差较小，在此基础上计算了 不同几何结构的介电常数，并分析了介电常数的影 响因素。 ． １ 电磁控制方程 从理论框架上看，麦克斯韦方程组加上洛伦兹 力的计算公式，合起来构成了静止及运动媒质中电 动力学的基础，概括了发电机、电动机和其他电磁装 置的工作原理，也概括了电磁波的发射、传播和接收 的原理 。 麦克斯韦方程组的微分形式表达式： Ｖ・Ｈ＝－，＋ｏ ｕ。 （１） Ｏ＇ｂ Ｖ．Ｈ：一丝 （２） ‘ Ｖ・Ｂ＝０ （３） Ｖ・Ｄ＝ｐ （４） 式中：日为电磁场强度（Ａ／ｍ）；Ｂ为磁感应强度（或 称磁通密度）（Ｔ）；Ｄ为电位移（或称电通密度） （Ｃ／ｍ ）；Ｅ为电场强度（Ｖ／ｍ）；Ｊ为电流密度 （Ａ／ｍ ） 为电荷密度（Ｃ／ｍ ）。 前两个方程，即式（１）和式（２）分别称为麦克斯 韦第一方程和麦克斯韦第二方程，在这两个方程中， 含有五个独立的矢量函数，为了得到确定的解，还需 要增加三个独立的矢量方程，这就是： Ｄ＝８Ｅ （５） Ｂ＝ｇｎ （６） Ｊ＝ｔｒＥ （７） 式中： 为介电常数（或称电容率）； 为磁导 率； 为电导率。式（５）一（７）说明了五个场矢量之 间的关系，通常称为电磁性能关系式或本构方程。 对于式（１）一（７），如果假设所有场矢量的分量 在所考察点的邻域内是连续可微的，且在该邻域内 媒质的电磁参数 和 线性且各向同性的，则这 些参数可以分别用标量来表示。 ２仿真预测原理及结果 ２．１预测原理
微波辅助干燥
微波辅助干燥
杨平
【期刊名称】《耐火与石灰》
【年(卷),期】2001(026)005
【摘 要】在德国慕尼黑2000年陶瓷技术会议上，EA技术公司推出了新的试验室规模的微波辅助炉。
【总页数】1页(P61)
【作 者】杨平
【作者单位】无
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ17
【相关文献】
1.微波辅助泡沫干燥过程中浆果营养成分降解模型 [J], 郑先哲;张宝辉;梁玉朋;沈卉芳;孟祥国
2.微波辅助泡沫干燥蓝靛果果粉工艺的研究 [J], 孙宇;郑先哲;李强;许相雯;张芹芹
3.木瓜果浆微波辅助泡沫干燥工艺 [J], 许龄方;张伟敏;唐辉;陈文学;胡月英
4.正交试验优化怀山药微波辅助真空冷冻干燥工艺 [J], 任广跃;任丽影;张伟;段续;罗磊;朱文学
5.微波辅助热风干燥预处理对油炸紫薯片品质的影响 [J], 张鸿;郑志;熊宇豪;于世朗;赵妍嫣
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
微波和高频干燥
微波 和高频干燥
概述
本世纪前叶，随着无线电工程技术的发展，科学家们开始使用无线电频率(理论上，其频率范围为104-3×1012Hz)进行金属热处理，以及加热干燥食品、
木材、纸、纺织品等(见图18-1)，从而产生了一种非常规的干燥技术介电干燥。
即在高频率的电磁场作用下;物料吸收电磁能量，在内部转化为热用于蒸发湿分(主要水分)，而普通干燥方法(对流、传导、红外辐射)蒸发水分所需的热量通
过物料的外表面向内部传递。一般地，用于加热和干燥的无线电频率分为两个
范围，即f1100MH(高频，RF)和300MH，300GH(微波，MV)。在这里，实际上将
理论意义上的"高频"(HF，3-30MHz)和"超高频"(VHF，30-300MHz)合称为高频
(RF)。
3介电加热干燥的特点
3.1介电加热的特点
(1)加热速度快普通加热方法采用热空气、燃气、蒸汽(或过热蒸汽)等对物
料进行加热，通过物料内外的温度梯度传递热量，因此加热速度慢。采用介电
加热，电磁场与物料的整体发生作用，在物体内迅速地产生热效应，加热速度很快，通常在几秒钟内便可完成加热过程。如对于塑料丝，加热速度可以达到
30000℃/s，塑料丝被加热100℃左右，大约只需3ms【2】。该加热方法的控制
参数与物料的质量、比热容、介电参数和几何形状、热损耗机理。能量耦合效
率、物料中产生的功率以及介电加热系数的输出功率有关。
(2)均匀加热尽管介电加热并不总是能够保证加热均匀，但通常情况下，其体积热效应将导致均匀加热，避免了普通加热系统中出现大的温度梯度。
(3)有效利用能量电磁能直接与物料耦合，不需要加热空气、器壁及输送设备等，而且加热室为由金属制造的密封空腔，它们反射电磁波，使之不向外泄
漏，而只能被物料吸收。
(4)过程控制迅速能量的输出可通过开或关闭发生器的电源而实现，操作便
利;而且加热强度可通过控制功率的输出而实现。
(5)选择性加热一般地，电磁场只与物料中的溶剂而不与基质耦合。因此，湿分被加热、排出，而湿分的载体(基质)则主要是通过传导给热。但应注意热
微波干燥原理及其应用
收稿日期:2003-06-10作者简介:祝圣远(1978)),男,硕士研究生.研究方向为微波干燥的原理和应用. 文章编号:1001-6988(2003)03-0042-04
微波干燥原理及其应用
祝圣远,王国恒(东北大学热能工程系,沈阳110004)摘要:介绍了微波干燥的原理和主要特点及其应用的现状,并且给出了微波干燥经济核算的计算方法。关键词:微波干燥;原理;应用;经济核算中图分类号:TK173 文献标识码:BPrincipleandApplicationofMicrowaveDrying
ZHUSheng_yuan,WANGGuo_heng(ThermalEngineeringDepartmentofNortheastenUniversity,Shenyang110004,China)
Abstract:Thispaperintroducestheprinciple,thebasiccharacteristicsandapplicationofmicrowavedrying,andshowsamethodtocarryouttheeconomyevaluationofmicrowavedrying.Keywords:micorowavedrying;principle;application;economyevaluation 微波是波长在1mm~1m之间,频率在310@102~3.0@105MHz具有穿透性的一种电磁波。在工业加热上只允许使用特定的频率,在我国为915MHz和2450MHz。微波干燥起源于20世纪40年代,到60年代末,微波已能应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等领域。由于微波具有的独特优点,使其发展很快,微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我国/十五0计划重点研发项目。1 微波干燥机理
111 微波加热原理当介电质置于交变电磁场中时,带有不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励,产生转动,由于物质内部原有的分子无规律热运动和相邻分子之间作用,分子的转动受到干扰和限制,产生/摩擦效应0,结果一部分能量转化为分子热运动功能,即以热的形式表现出来,从而物料被加热。也就是电场能转化为势能,尔后转化为热能。单位体积内介质吸收的微波功率P与该处的电场强度和频率f有下列关系:P=2PE0EctnDE2f(1)式中:E0)真空中的介电常数,E0=8.85@10-12(A#s)/(V#m);Ec)介质的/介电系数0,是表征介质极化程度的参量,(A#s)/(V#m);tnD)介质的/损耗正切0,是表征介质损耗的参量;E)电场强度,V/m。112 微波加热的特点微波加热具有以下几个主要特点。11211 就地加热,里外一起热,加热速度快这是微波加热的最大特点,不管是传导、对流、辐射的加热方式,热源都是在外面,物料温度的升高是由外及里,将表面加热之后再传导到内部,这要受到傅立叶定律的限制,通常被加热物料是热的不良42导体,有很大的热阻,加热时间自然很长。微波加热热量在被加热物料内部产生,这样里外一起热,不仅温度很均匀,而且不会带来夹生现象。常规加热时,温度表面高,内部低,这种温度分布,不利于水分迅速蒸发。而微波加热里外一起热,同时因为表面较容易散热,往往是内部温度高于外部,温度梯度方向和水分梯度的方向相同,传热和传质方向一致,促使内部水分迅速蒸发,形成内部压力梯度,使水分很快扩散到表面挥发掉,这就使干燥时间大为缩短。11212 穿透能力与加热均匀性穿透能力是指电磁波穿透到物体内部的本领,电磁波透入介质表面并向里传播时,能量不断被吸收转化成热能,波所携带的能量由表向里以指数衰减,电磁波的能量衰减到只有表面处的1/e2U1/2.722U13.5%时所能透入的介质的深度D,称为/穿透深度0,大约有8615%的能量在介质表面深度为D的一层内消耗掉,也就是说热量主要在这一层产生。近似地有:D=KPEctnD(2) 上式表明,一般介质的穿透深度大致与波长是同一数量级。以915MHz(K=33cm)和2450MHz(K=12.2cm)的常用加热频率来讲,通常被干燥物料的D值大约为几十cm到几cm的范围,除很大的物体外,一般可以大致做到表里一致均匀加热。故被干燥物料的尺寸大小,主要取决于穿透深度。11213 介质电性质和选择加热效应微波干燥的效果和被加热物料的电性质有着密切的联系。P与介质的介电常数Ec和损耗正切tnD之积成正比。各种物质的Ec各不相同,但除高含水物料和某些/铁电0物质外,一般介质的Ec在1~10之间,水的Ec特别大,为78154。所以含水量越高,微波所能发挥的效能越好。基于这一点,一般微波源应安装在物料的入口处。各种介质的损耗正切相差更大,优良介质(如石英、聚四氟乙烯等)的tanD<1/1000,所以在微波加热器中,采用聚四氟乙烯作为传送带或者托滚的材料,用玻璃器皿盛放物料,为的是减少对微波的吸收。吸收性介质的tanD最大可以达到十分之几,如水的tanD约为013,故无论从tanD还是Ec来看水都能强烈地吸收微波。一般含水量在百分之几到百分之几十的各种含水物质的Ec和tanD都很大,能有效吸收微波,适用于微波加热。但是由金属或者是优良介质作成的产品不适于用微波加热。因此不同物质微波加热的效果不同,这就是微波加热的选择性。这种选择性使得一些产品不能用微波来直接加热。但是在某些产品干燥中却十分有利。在使用微波干燥产品时,物料中的水分比其中的干物质对微波吸收大的多,温度也就高的多,这种产品内部微波对水的选择加热的结果,使得水分迅速蒸发,使产品不至于过热。特别应该指出的是,其中的干物质主要是通过传导传热,温度会相对地低,这样在物料内部就产生温度均衡的作用。11214 温度效应物料内部水分有两种状态:自由水和结合水。自由水和结合水的损耗因子是不同的。在加热过程刚开始时,物料含水量高,自由水分子占多数,此时Ed是负温度系数(dEd/dt<0,即温度升高Ed下降),故温度低的地方Ed大,吸收功率多,温度高的地方Ed小,吸收功率少,有利于均匀加热。而且随着温度升高,Ed下降,使吸收的微波功率自动减少,这种自动调节是十分有利的。但在干燥后期,自由水分子已经大部分蒸发,剩下的主要是结合水分子,此时Ed变成正温度系数(dEd/dt>0,即温度升高Ed升高),越是温度高的地方,Ed越是大,吸收越是多,而且随着温度的升高,吸收功率随之增多,温升更大,最后会有失去控制的危险。结果会使温度急剧上升,造成过热,使产品烧焦,在严重时甚至能着火。为了保证产品质量,这种现象必须防止,例如在产品将要烘干时,应降低输入的微波功率。从上面对微波加热原理及特点的介绍,不难看出微波干燥具有以下几个优点:1)微波加热可以提高热扩散和质扩散率;2)形成内部的压力梯度而提高干燥速度;3)提高干燥速度并不提高物料表面温度和内部温度;4)选择性加热使能量在物料中按需分配;5)具有更好的产品质量。2 微波干燥的应用
介电材料辅助的微波冷冻干燥的数值模拟
第２６卷第４期 ２０１２年８月 高校化学工程学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ＮＯ．４、，０１．２６ Ａｕｇ． ２０１２
文章编号：１００３—９０１５ｆ２０１２）０４－０５７５－０６
介电材料辅助的微波冷冻干燥的数值模拟
王 维 一，许英梅 ，马鸿信 ，陈国华。
（１．大连民族学院生命科学学院，辽宁大连ｌ１６６００；２．北京航空航天大学航空发动机气动热力国家
重点实验室，北京１００１９１；３．香港科技大学化学与生物分子工程系，香港）
摘要：通过数值求解一个考虑吸湿效应的带有移动升华界面的多孔介质热、质传递耦合模型，理论考察介电材料对 微波加热冷冻干燥过程的影响。介电材料用烧结的碳化硅（ＳｉＣ）。甘露醇，一种典型的药物赋形剂被选为待千溶液中的 溶质。模拟结果表明在微波冷冻干燥过程中使用介电材料可以加快冷冻干燥速率，特别是在待干溶液的固含量很低或 者固体产品的介电损耗因子很小的情况下尤为有效。模型预测和实验测定的干燥曲线相比较显示了良好的一致性。通 过考察冰饱和度和温度的分布侧形，研究分析了物料内部的质热传递机理，并讨论了干燥速率的控制因素。 关键词：微波冷冻干燥；介电材料；干燥曲线；多孔介质；传热传质 中图分类号：ＴＱ０２６．６；ＴＱ０２８．６７８ 文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｆｒｅｅｚｅ Ｄｒｙｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ
Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｈｅａｔｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉ ．一，ＸＵ Ｙｉｎｇ．ｍｅｉ ，ＭＡ Ｈｏｎｇ．ｘｉｎ２，ＣＨＥＮ Ｇｕｏ．ｈｕａａ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＬｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １６６００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ａｅｒｏ－Ｅｎｇｉｎｅ Ａｅｒｏ－ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｈｅ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
211171485_煤泥间歇微波干燥模拟及介电性质
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 4 期
煤泥间歇微波干燥模拟及介电性质
王光宇1，2，孟境辉1，2，张锴1，2（1 华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206；2 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京 102206）
摘要：微波干燥是一种提高煤泥干燥效率的先进技术，其中间歇式在能耗和超温问题上具有更大的改进潜力。在微波干燥过程中，煤泥的介电性质会显著影响干燥性能，然而当前缺乏介电性质影响煤泥微波干燥的机理研究。本文首先建立了一种适用于间歇微波干燥的多相多孔介质模型，通过与实验数据对比，验证了模型的有效性。由于介电性质实际是温度和水分含量的函数，从机理上着重分析了温度、水分含量相关的介电性质（VP）对煤泥平均温度、水蒸气质量分数、气相压力及液态水饱和度的影响，通过与以往处理成常数的介电性质（CP）相对比，结果发现，CP平均温度明显低于VP，并且温升速率在干燥过程中没有显著变化，而VP的平均温度表现出先急剧升高后维持稳定的趋势。CP水蒸气质量分数和气相压力分布虽然与VP分布趋势相同，但是CP明显低于VP。VP能够模拟出间歇微波干燥期间的“泵送效应”，而CP不能有效显示此现象。因此在煤泥间歇微波干燥中VP比CP更加符合实际。关键词：煤泥；间歇微波；干燥；多孔介质；介电性质；数值模拟中图分类号：TQ536 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）04-1779-08Simulation of intermittent microwave drying of coal slime and dielectric propertiesWANG Guangyu1，2，MENG Jinghui1，2，ZHANG Kai1，2(1 Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2 Key Lab of Power Station Energy Transfer Conversion and System (North China Electric Power University)，Ministry of Education, Beijing 102206, China)Abstract: Microwave drying is an advanced technology to improve the drying efficiency of coal slime and intermittent drying technology has greater improvement potential in energy consumption and overtemperature. In microwave drying process, dielectric properties of coal slime can significantly affect the drying performance. However, there is a lack of research on the mechanism of influence of dielectric properties on microwave drying of coal slime. A multiphase porous media model was developed for intermittent microwave drying. Then the validity of the model was verified by comparing with experimental data in literature. Considering that the dielectric properties were function of temperature and moisture content, the influence of temperature and moisture content-related dielectric properties (VP) on the average temperature, vapor mass fraction, gas phase pressure and liquid water saturation of coal slime was analyzed in this paper by comparing with 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1054
冻干机干燥室内热质传递的数值模拟
安徽科技学院学报，２０１３，２７（１）：８６—８９ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
冻干机干燥室内热质传递的数值模拟
姚智华，张华
（安徽科技学院机电与车辆工程学院，安徽凤阳２３３１００１）
摘要：以某国产冻干机冻干室为研究对象，建立了其三维结构模型。采用计算流体力学方法，推导了冻干 过程的热质传递模型，并用计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ６．３对冻干室内的流场进行数值模拟。模拟结果表
明，在冻干室内部，在靠近冷阱部分，水蒸气的扩散流速较大，最大速率达到０．０６５ｒｎ／ｓ，流速的最小值位于冻 干室入口处，且方向与流向冷阱方向的水汽速率相反。模拟结果对深入研究冻干过程中的热质传递机理有
一定的指导作用。 关键词：冻干机；热质传递；数值模拟；计算流体力学 中图分类号：ＴＢ６５７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—８７７２（２０１３）０１—００８６—０４
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｓｓ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｉｎ Ｆｒｅｅｚｅ Ｄｒｙｉｎｇ Ｃｈａｍｂｅｒｓ
ＹＡＯ Ｚｈｉ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
Ａｎｈｕｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｅｎｇｙａｎｇ ２３３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｏｌｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｒｅｅｚｅ ｄｒｉｅｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｂｕｉｌｔ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｓｉｍｕ—