專利名稱：一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木材微波預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是用于直接向木材提供微波能量的諧振腔。
背景技術(shù)：
微波干燥木材是以均勻的微波場(chǎng)使木材自身整體生熱，可消除干燥過程中的溫度梯度及含水率梯度，其中水分由內(nèi)向外同時(shí)排出使木材的膨脹收縮系數(shù)基本一致，這樣木材在干燥過程中可最大限度避免變形、開裂、干枯、碳化等損失，能提高木材的成材率。與傳統(tǒng)干燥方式相比，具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、干燥均勻、清潔生產(chǎn)、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，微波干燥過程中易于控制；且沒有噪音和有害氣體排放，屬于環(huán)保干燥技術(shù)。微波加熱干燥使的木材內(nèi)部溫度高于表面。使木材內(nèi)部形成向外的壓力差，加速了水分的表面遷移，所以微波干燥木材的速度遠(yuǎn)大于對(duì)流干燥速度快20 - 30倍。比遠(yuǎn)紅外和蒸汽干燥能耗降低25%以上。微波干燥物料可使木材內(nèi)部的溫度高于60°C，使用木材中寄生的蟲卵很快殺滅、達(dá)到防蛀、防霉的作用。對(duì)于各種不同性質(zhì)的木材要先取合適的微波加熱速度，達(dá)到最佳的工藝條件，可獲得更佳的效益。我國(guó)速生人工林面積和蓄積量均居世界首位，但速生材普遍存在著滲透性差、干燥與后期防腐、阻燃等缺陷，使得其實(shí)木高附加值利用一直未取得突破性進(jìn)展。高強(qiáng)度微波預(yù)處理是近年來出現(xiàn)在木材改性領(lǐng)域的新技術(shù)，其基本原理是利用高強(qiáng)度微波對(duì)濕木材進(jìn)行瞬時(shí)處理，使木材內(nèi)水分在短時(shí)間內(nèi)獲得足夠多的能量，產(chǎn)生相變和氣體熱壓效應(yīng)，在蒸氣膨脹動(dòng)力帶動(dòng)下，破壞木材內(nèi)部構(gòu)造，提高流體遷移能力，為木材后期的干燥、浸注處理，甚至新材料制備創(chuàng)造極為有利的前提條件。目前，美國(guó)、澳大利亞和中國(guó)等國(guó)家都已開始試制高強(qiáng)木材微波預(yù)處理專用設(shè)備，并研究了微波預(yù)處理對(duì)木材體積膨脹率、滲透性和干燥速率的影響規(guī)律。其初步研究結(jié)果表明，優(yōu)化的高強(qiáng)度微波預(yù)處理可使木材體積增大10%以上，防腐劑滲透量增加10-14倍，干燥速率提高5-10倍，干燥質(zhì)量顯著改善。澳大利亞墨爾本大學(xué)甚至還通過 該技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行拆解和重構(gòu)處理，試制出了具有高滲透性、低密度的新型木材與具有高強(qiáng)度、高表面硬度的新型木質(zhì)復(fù)合材料。這一研究為速生人工林木材資源的高質(zhì)化利用開辟了一條嶄新的道路。但在木材微波預(yù)處理研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn):木材經(jīng)過微波預(yù)處理后，其內(nèi)部的微觀和宏觀孔隙分布不夠均勻，給木材的后期浸注處理和高性能新材料的制備帶來了很大困難。這些不均勻與木材本身的性質(zhì)和介電常數(shù)分布不均勻有一定關(guān)系，然而我們無法改變木材本身的屬性，只能改善其加熱外部條件以減少其干燥損失。與加熱條件有關(guān)的主要有微波頻率和微波加熱腔體，這兩者共同決定加熱時(shí)木材的溫度分布。用于微波干燥木材的微波頻率有0.915Ghz和2.45Ghz兩種,在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，頻率為0.915Ghz的微波對(duì)木材加熱溫度分布均勻性較為有利，在設(shè)計(jì)中可以更多地考慮使用該頻率。頻率選定后，問題的中心就轉(zhuǎn)移到微波腔的設(shè)計(jì)了，因此，如何通過研制微波能分布均勻的微波諧振腔來開發(fā)高效微波預(yù)處理設(shè)備，已經(jīng)成為制約木材高強(qiáng)微波預(yù)處理技術(shù)研發(fā)的核心和關(guān)鍵問題。目前，有一種用于木材微波預(yù)處理的諧振腔，為單口斜入射結(jié)構(gòu)，存在的問題是加熱時(shí)高溫區(qū)域偏離中心區(qū)域，不利于形成內(nèi)高外低的溫差，導(dǎo)致預(yù)處理效果不佳。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問題是如何使木材微波預(yù)處理時(shí)高溫區(qū)域分布在正中心并保證溫度分布的均勻性。結(jié)合微波木材干燥理論，我們模擬了多種情況，下面是溫度分布均勻性較好的一個(gè)加熱諧振腔的設(shè)計(jì)。一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，包括一個(gè)水平長(zhǎng)方體微波腔A和兩個(gè)豎直方向的長(zhǎng)方體微波腔B和C，B和C分別與A的上下兩面相接，B和C與A的接觸面都是一個(gè)鏤空的矩形，該矩形左右寬為0.24765m，前后長(zhǎng)為0.12382m, B的上口和C的下口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，A的上下高度范圍在0.08-0.10m。A的前后長(zhǎng)度大于0.20m。B和C的高度都大于0.02m。B和C的前后位置在A的中點(diǎn)。木材上下兩面有同相位的對(duì)稱微波能量饋入，這種饋入方式使電磁能量更均勻地集中于木材，選擇微波腔A的最佳高度可使溫度升高比較均勻，同時(shí)由于微波能量相對(duì)集中于木材中部，導(dǎo)致中部溫度較高，有利于木材的干燥。改善木材微波預(yù)處理效果對(duì)木材的后期浸注處理和高性能新材料的制備都有重要的意義。
圖1是雙口饋入諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖圖2是單口饋入諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖圖3是雙口饋入平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖4是單口饋入平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖5是雙口饋入木材中心截面上的溫度分布圖圖6是單口饋入木材中心截面上的溫度分布圖圖7是h=0.07m平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖8是h=0.08m平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖9是h=0.09m平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖10是h=0.1Om平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖11是h=0.1lm平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖12是h=0.12m平行yz平面的木材多截面溫度分布圖圖13是h=0.07m中心截面上木材溫度分布圖圖14是h=0.08m中心截面上木材溫度分布圖圖15是h=0.09m中心截面上木材溫度分布圖圖16是h=0.1Om中心截面上木材溫度分布圖圖17是h=0.1lm中心截面上木材溫度分布圖[0030]圖18是h=0.12m中心截面上木材溫度分布圖圖19是溫度分布方差與A高度h的變化關(guān)系圖
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施此發(fā)明的關(guān)鍵因素在于腔的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，我們將更精確地確定尺寸參數(shù)，以使該諧振腔達(dá)到其最佳工作效果。下面用模擬計(jì)算的方法來說明雙口饋入與單口饋入的溫度分布特征。我們采用了有限元分析軟件COMSOL Multiphysics來進(jìn)行模擬,在本次模擬計(jì)算中，選用含水量為60%的木材，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.23* (1-0.72* (25-T)/100) [w/ (m°C ) ] (T 為該時(shí)的溫度)比熱為2650*(1+Τ/100) ~0.2 ( J/kg °C )密度為570 (kg/m3)吸收系數(shù)為9.97 (1/m)介電常數(shù)為7.40-1.42j初始溫度為25°C饋入的微波均為TElO波，頻率是0.915GHz，每口饋入的功率均為10kw。要計(jì)算出木材每一點(diǎn)上的溫度，需要把木材劃分成很多個(gè)微小部分，分別研究每一部分的能量和溫度關(guān)系(當(dāng)然，需要考慮與其余部分的熱傳遞)，然后再把每一步的結(jié)果綜合到一起，從而完成了整個(gè)的計(jì)算，這就是有限元分析的基本思想。在我們的模擬計(jì)算中，木材的比熱、與導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度變化的，由于溫度是隨時(shí)間變化的，因此，比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度都是時(shí)間的函數(shù)，如果要保證這三者都是同一時(shí)刻的取值，那就必須把每一步的計(jì)算時(shí)間劃分地相當(dāng)小，這顯然是十分繁瑣而沒有必要的?？梢圆扇∵@樣的計(jì)算方法，先在很短的一段時(shí)間內(nèi)假定木材溫度是不變的，因此比熱與導(dǎo)熱系數(shù)也是常數(shù)，就能用這兩個(gè)常數(shù)計(jì)算在這段時(shí)間內(nèi)木材吸收的能量，同時(shí)求出木材的溫度變化，將新溫度值代入比熱與導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)如此循環(huán)計(jì)算，一直計(jì)算到預(yù)定的時(shí)間。下面以雙口饋入為例加以說明，單口饋入只是端口數(shù)和饋入功率不同。下列表達(dá)式以微波腔A后表面右下邊交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，參數(shù)f為微波頻率，w為波導(dǎo)長(zhǎng)度，d為波導(dǎo)寬度，ε、μ為空氣的介電常量和磁導(dǎo)率。傳播常數(shù)[_] β =饋入端口 I輸入功率
則
z H 輸入電場(chǎng)
權(quán)利要求1.一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，其特征為包括一個(gè)水平長(zhǎng)方體微波腔A和兩個(gè)豎直方向的長(zhǎng)方體微波腔B和C，B和C分別與A的上下兩面相接，B和C與A的接觸面都是一個(gè)鏤空的矩形，該矩形左右寬為0.24765m，前后長(zhǎng)為0.12382m, B的上口和C的下口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，A的上下高度范圍在0.08-0.1Om0
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，其特征為A的前后長(zhǎng)度大于0.20m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，其特征為B和C的高度都大于0.02m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4中的一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，其特征為B和C的前后 位置在A的中點(diǎn)。
專利摘要一種用于改善木材微波預(yù)處理效果的諧振腔，包括一個(gè)水平長(zhǎng)方體微波腔A和兩個(gè)豎直方向的長(zhǎng)方體微波腔B和C，B和C分別與A的上下兩面相接，B和C與A的接觸面都是一個(gè)鏤空的矩形，該矩形左右寬為0.24765m，前后長(zhǎng)為0.12382m，B的上口和C的下口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，A的上下高度范圍在0.08-0.10m。該諧振腔能夠改善木材微波預(yù)處理效果，對(duì)木材的后期浸注處理和高性能新材料的制備都有重要的意義。
文檔編號(hào)H05B6/64GK203120203SQ201320072588
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月10日
發(fā)明者羅勇鋒, 李羲, 李賢軍, 柴媛 申請(qǐng)人:中南林業(yè)科技大學(xué)