频率和功率对轮胎微波加热的影响

时间：2024-05-22

李涛，张伟，陈海龙，梁云，李庆领

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061）

微波加热[1]是将电磁能转变成热能的过程，其能量通过空间或媒质以电磁波形式传递，对物质的加热过程与物质内部分子的极化有十分紧密的关系。微波交变电场变动过程中，由于分子的热运动，相邻分子之间的相互作用和极性分子的“变极”效应，产生了类似摩擦的作用，使极性分子获得能量，并以热量的形式表现出来[2]。频率越高，取向按交变电磁的频率变化越快，导致偶极子的取向发生滞后，因此微波作用频率会对温度产生一定的影响。

近年来微波加热逐渐得到研究人员的关注[3-5]。唐伟强等[6]对橡胶轮胎胎坯硫化前进行了微波预热试验，使胎坯达到一定的起始温度，提高了硫化效率。唐蜜等[7]通过微波非相干功率合成数值仿真和试验研究，证明利用多个小功率源非相干功率合成的方式能够实现微波化学反应所需的大功率，可以保证加热的均匀性。

本工作研究微波入射频率和双波导功率分配对微波加热效率和轮胎温度场分布均匀性的影响规律，以确定本研究条件下的最佳频率和功率分配。

1 传热模拟研究

1.1 数学模型

式中，ρ为密度，kg m-3；Cp为常压比热容，J （kg·℃）-1；T为温度，℃；t为时间，s；u为流速，m s-1（固相时为零）；k为热导率；Q为单位体积的微波耗散功率，W；Qrh为欧姆损耗功率，W；Qml为磁滞损耗功率，W；Re为雷诺数；J为传导电流密度，A m-2；E为电场强度；N C-1；j为虚部单位；ω为角频率；B为磁感应强度，H为磁场强度。

微波加热模型为

式中，μr为相对磁导率，H m-1；k0为自由空间电磁波波数；εr为相对介电常数，F m-1；σ为电导率，S m-1；ε0为真空中的介电常数，F m-1。

1.2 模拟条件

（1）边界条件：模拟中假定谐振腔和波导表面金属均为完美电导体，铜材，模式为TE10。

（2）划分网格：谐振腔网格为标准尺寸，轮胎采用细化网格。

（3）谐振腔尺寸为1 050 mm 500 mm 1 000 mm，谐振腔圆角半径为60 mm，波导型号为BJ9（247.65 mm 123.82 mm），长为50 mm，轮胎规格为195/65R15，位于谐振腔中心。

（4）设定橡胶的物理参数为：电导率 0 S m-1；热导率 0.3 W （m·℃）-1；相对介电常数 2.5－0.75j；密度 1 120 kg m-3；相对磁导率 1；常压比热容 1 500 J （kg ℃）-1。

2 模拟结果与讨论

设定双波导放置位置均平行于底面，微波入射功率均为5 kW，轮胎不旋转，研究微波入射频率对加热效率的影响。统计结果为：当微波入射频率为890，895，900，905，910，915，920，925，930，935和940 MHz时，加热效率分别为74.6%，79.4%，68.2%，66.7%，70%，75.9%，82.5%，86.5%，84.1%，73%和76.1%。

可见，微波频率对加热效率的作用类似于正/余弦曲线，加热效率值在915 MHz的76%附近进行波动，当微波频率为905 MHz时，加热效率达到最小值（66.7%），925 MHz时达到最大值（86.5%）。选择加热效率高于76%的微波入射频率，设定轮胎以6 r min-1的速率进行旋转，仿真模拟取至轮胎胶料硫化所需的最高温度（140 ℃）附近时的时间，其温度场分布结果如图1所示。

图1 旋转加热时轮胎的温度场分布

由图1可见，以上各频率下均存在微波加热的“相对盲区”，除895 MHz外，加热的“相对盲区”均在胎圈处。然而，微波频率为925 MHz时，加热效率最高，温差最小，胎圈区的“相对盲区”范围最小。因此，微波频率为925 MHz时轮胎胶料的加热效果最佳。

选择925 MHz作为微波入射频率，为研究双波导功率分配对加热效率的影响，设置双波导入射功率组合分别为（1＋9），（2＋8），（3＋7），（4＋6）和（5＋5） kW。统计结果为：当双波导功率差为0，2，4，6和8 kW时，微波加热效率分别为86.5%，86.4%，86.1%，85.5%和84.6%。

可见，随着双波导功率差的增大，加热效率下降；当双波导的入射功率相同时，加热效率达到最大。总体来看，双波导的功率差异对加热效率影响不大。为考察双波导功率分配对轮胎温度场分布的影响，分别对双波导入射功率组合（1＋9），（2＋8），（3＋7）和（4＋6） kW进行仿真模拟，其温度场分布结果如图2所示。

图2 双波导功率分配对轮胎温度场分布的影响

通过对比图1和2可知，（3＋7），（4＋6）和（5＋5）kW功率分配时的轮胎温度场分布较为均匀。结合双波导功率差对加热效率的影响数据可知，（5＋5）kW时的微波加热效率最高。因此，双波导功率一致性越强，轮胎的温度场分布越均匀，微波加热效率也越高，即加热效果越好。