石炭のマイクロ波加熱過程に関する検討

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序章

従来の加熱プロセスでは、熱は熱伝導と対流によって加熱源から対象物に伝達されます。加熱効果は不均一で、材料特性 (熱伝導率、比熱容量、質量密度など)、材料全体の温度差、および対流に大きく依存します。したがって、内部サンプルに到達する前に他の媒体を介して伝達されるため、加熱速度は遅くなることが多く、エネルギーの大部分が失われます。

マイクロ波加熱プロセスでは、ターゲット サンプルをマイクロ波周波数範囲の電磁放射にさらすことで、その誘電材料の特性により、この電磁エネルギーが熱エネルギーに変換されます。マイクロ波パワーを吸収する各素材の容量は、その中のマイクロ波の浸透度に直接関係しています。吸収が発生すると、EM エネルギーの熱への変換は、加熱された材料の誘電損失に依存します。熱は照射されたサンプルの内部で放散され、媒体から外部に伝達されます。

マイクロ波加熱は、体積加熱、短い処理時間、および導波路エネルギー伝達を介したリモートソースを使用した危険な環境での加熱能力などの利点により、さまざまな産業用途に実装されています。

この論文では、石炭のマイクロ波加熱プロセスを検討するために、HFWorks を使用して数値連成電磁方程式と熱伝達方程式をうまく解くことができました。

問題の説明

ここ数十年で、電子レンジはほとんどのキッチンで不可欠な加熱技術になっただけでなく、さまざまな工業用加熱アプリケーションの可能性も秘めています。家庭用および実験室用の MW オーブンは、多くの場合、2.45 GHz 周波数で動作して、マイクロ波を材料により深く浸透させ、より均一な加熱動作を可能にします。

検討対象のモデルは、空気で満たされた長方形の電子レンジでできており、TE10 モードで動作する長方形の導波路を介して 2.45 GHz のマイクロ波源に接続されています。オーブンの底近くに、円筒形の石炭サンプルが入ったガラス板が挿入されます。表 1 と表 2 は、モデルのグローバル パラメーターと使用される材料特性をそれぞれ示します。

計算時間を短縮するために、図 1 に示す対称ジオメトリを使用して、モデルの半分だけをシミュレートしました。

電磁境界条件

ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、横方向電波 (TE) で導波路入口ポートに適用され、2450 MHz で 500 ワットのマイクロ波電力が供給されます。
不完全な電気伝導体: IEC 境界条件は、銅金属を使用して外側のオーブンと導波路の壁に適用されます。
完全な磁気導体対称性: PMC-Symmetry は、モデルの垂直対称境界を定義するために使用されます。

メッシュ

結果

得られた結果は、石炭サンプルによるマイクロ波励起電力の吸収がオーブン空気キャビティ内の電場と磁場の有意な再分布を誘発することを示しています。それらは、低エネルギーゾーンと高エネルギーゾーンを持つ不均一な電磁分布を形成します。次の図のように 2.45GHz で。

図 4 - a)- 電気および b)- 磁場分布

マイクロ波照射後、発生した損失により石炭は徐々に加熱されます。誘電損失が計算され、図 5-a に示されています。ガラス板と周囲の空気では無視でき、加熱されたサンプルの中心で最も高くなります。石炭内部の総誘電損失は約 321 ワット (励起電力の 64.2%) です。

金属製の周囲の壁によって誘導される導体損失は、図 5.b に示されています。それらは誘電損失と比較して重要ではなく、500 ワットの励起電力でわずか 75 W/m ² しか達成しません。

図 5 - a)-体積および b)-表面損失密度の分布

MW 加熱プロセスの熱挙動を解析するために、定常熱解析が実行されます。対流境界条件は、周囲温度が 25°C、対流係数が 10 W/m² .C に設定された周囲の空気キャビティに適用されます。

サンプルのみが 1.31 E+4 °C の最高温度まで加熱され、MW 加熱の選択的加熱特性が確認されます。

結論

空洞を介したマイクロ波加熱は、安全で選択的な加熱ツールとして、多くの家庭用および産業用アプリケーションで広く普及しています。電磁気解析と熱伝達解析の間の数値連成により、研究対象のプロセスの MW 電力伝達、誘電損失、および熱挙動を実行できました。 HFWorks は、将来の拡張作業で熱応力の側面を調査するために使用できます。

参考文献

[1]。 Huang, Jinxin, et al. "Simulation of microwave’s heating effect on coal seam permeability enhancement." International Journal of Mining Science and Technology 29.5 (2019): 785-789.