[发明专利]一种改善微波加热温度均匀性的方法

说明书

本发明涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制技术领域。本发明提出间歇式微波加热方法，根据预先设置的温度变化率上限tanθ和期望温度变化率tanα，自适应调整加热时间和停止加热时间，直到满足整个加热时长，结束整个加热过程。本发明不但对加热物料具有适用于不容易发生热失控的物料，也适用于易发生热失控的物料同样，最终提高温度的均匀性，因此具有普适性。

技术领域

本发明涉及一种改善微波加热温度均匀性的方法，属于冶金工程控制技术领域。

背景技术

微波加热作为一种快速、有效的加热方式，已经广泛应用于冶金、食品及化学等领域。然而，在微波加热过程中，有些加热的平衡温度对输入功率很敏感，输入功率的微小改变，会引起过程体系温度迅速发生很大变化，将这种变化过程的物理现象称为热失控。热失控一旦发生，会烧毁物料，损坏微波加热装置，严重时可能发生爆炸，它严重阻碍了微波加热在工业上的应用。

一般认为热失控是微波和反应体系相互作用形成的正反馈结果。在微波加热过程中，微波电磁场遵循麦克斯韦方程组，温度场遵循热传导方程，被加热物料耗散电磁能直接转化为热能使其温度升高。研究表明，加热体系的电磁特性，如电导率、介电常数、磁导率等都是温度的非线性函数。一般而言，随着温度的上升，会引起加热体系电磁特性改变，当加热体系内耗散的微波电磁能不断增加导致热通量密度增大时，形成正反馈，加热体系温度会不断上升，最终形成正反馈过程，引发热失控，这种热失控产生的空间分布性，是导致微波加热温度分布不均匀性的最主要因素。在工业上，热失控有时是有利的，如使用微波陶瓷焊接，但更多的时候是有害的，应用中需要微波加热体系有一个均匀的温度分布。为了避免热失控，使加热体系内温度分布均匀，众多学者提出了很多避免热失控的方法。美国的新泽西理工学院的Kriegsmann提出先用较大功率的微波加热，然后再用减小功率的方法来避免热失控；荷兰瓦赫宁根农学院的Vriezinga提出被加热物的厚度小于一个值后，热失控就不会发生；美国乔治梅森大学的Beal等人提出了反馈控制系统的方法；美国弗吉尼亚理工学院的Wu提出在谐振腔体中防止热失控的方法，这些讨论虽然从不同的角度分析了热失控的特性即防止热失控的方法。但是，目前实际的应用现状为，微波处理的物料种类繁多，其电磁特性也差异大，只能开发出相对专用的微波加热装置。大量研究表明，由于微波加热物料的温度变化率正比于物料损耗因子(其大小为介电常数的虚部与实部之比)，而介电常数虚部的温度特性则根据物料种类而定，其温度特性通常可分为两大类：即正温度特性和负温度特性两种。对于具有正温度特性的物料来说，随着温度的上升，物料介电常数虚部也增大，即物料介电常数虚部随温度的变化曲线的斜率为正。由于温度升高使得介电常数虚部增大，介电常数虚部的增大反过来又使温度上升，如此连续不断往复循环导致物料损坏，这就是微波加热过程中的热失控效应产生的本质原因。因此本发明紧扣这一物理机理，从实际应用出发，考虑间歇式微波加热，提出一种相对普适避免微波与物料热效应过程产生的热失控现象的方法。

发明内容

本发明提供了一种改善微波加热温度均匀性的方法，以用于解决实际加热中微波与物料热效应过程产生的热失控，提高温度均匀性和装置的通用性。

微波加热是一个涉及到物料与多个物理场方程的耦合，热失控又是一个紧密依赖具体被加热物料物理属性的问题，其控制策略的研究适用性单一。另一方面，在实际加热过程中，缺乏物料的先验信息，尤其是不清楚该物料的温升属性。考虑以上两个方面，本发明首先从数学角度阐明控制策略，再详细分析该控制策略的普适性。