波導(dǎo)管中調(diào)諧螺釘位置對廢橡膠裂解能耗的影響

李志華，郭 楠

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

廢橡膠主要來源于廢輪胎、廢膠管、廢膠鞋和廢膠帶等橡膠制品，其次來源于橡膠制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角料和廢品，屬于工業(yè)固體廢料[1]。廢橡膠屬于熱固性聚合物材料，在自然條件下難以降解。它不溶于水，難溶于有機(jī)溶劑，棄于地表或埋于地下幾十年都不會(huì)腐爛變質(zhì)[2]。大量的廢橡膠對環(huán)境造成了污染，且是一種資源浪費(fèi)。在自然資源日趨減少和能源相對緊缺的今天，應(yīng)用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)廢橡膠高值化再利用具有重大意義[3]。

廢橡膠裂解受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注[4]。經(jīng)過多年的探索和研究，裂解被公認(rèn)為處理廢橡膠的最佳途徑之一，可實(shí)現(xiàn)廢橡膠的高值化循環(huán)再利用[5]。

微波裂解是廢橡膠裂解的新興方向。與傳統(tǒng)裂解不同，微波裂解無需通過外部熱傳導(dǎo)，而是直接向廢橡膠內(nèi)部輻射微波電磁場，其粒子運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量使其發(fā)生斷鍵分解。微波裂解具有升溫速率快、受熱均勻和環(huán)境清潔等特點(diǎn)[6]。廢橡膠在裂解過程中會(huì)產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，為防止可燃?xì)怏w從裂解設(shè)備的腔體沿波導(dǎo)管進(jìn)入微波發(fā)生器而導(dǎo)致其損壞，在波導(dǎo)管中設(shè)置了密封隔板（高溫透波材料）[7]，但密封隔板的設(shè)置使得駐波比和局部場強(qiáng)增大，提高了微波反射率，不僅微波能損耗增大，密封隔板也因溫升易破碎，造成微波發(fā)生器損壞。為解決因設(shè)置密封隔板導(dǎo)致的微波反射率過大問題，可以考慮在微波發(fā)生器與密封隔板之間的波導(dǎo)管某個(gè)位置設(shè)置調(diào)諧螺釘，相當(dāng)于在微波發(fā)生器與密封隔板之間加入一個(gè)匹配裝置，使反射僅存在于調(diào)諧螺釘與密封隔板之間，密封隔板反射的能量再次被調(diào)諧螺釘反射回去，從而降低微波發(fā)生器的駐波比。

本工作采用HFSS三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，對波導(dǎo)管中設(shè)置調(diào)諧螺釘進(jìn)行仿真分析，得到調(diào)諧螺釘在波導(dǎo)管中的最佳位置和最佳探入深度，為降低廢橡膠裂解能耗提供依據(jù)。

1 散射參數(shù)

波導(dǎo)管模型見圖1。

圖1 設(shè)置調(diào)諧螺釘?shù)牟▽?dǎo)管模型

散射參數(shù)又稱為S參數(shù)，表示微波功率的傳輸和損耗。S參數(shù)包括S11和S21，S11表示微波功率的反射損耗，即從饋電端口1發(fā)射出去的能量經(jīng)反射重新回到端口1的能量，S11越小，反射損耗越小，微波的反射率越低，微波能利用率越高。S21表示微波功率的有效傳輸，即饋電端口1發(fā)射出去的微波能經(jīng)有效傳輸?shù)竭_(dá)端口2的能量，S21越大，有效傳輸越大，微波能的利用率越高。

以P表示微波入射功率，P1表示端口1到端口2的微波傳輸功率，P2表示微波反射功率，S參數(shù)用對數(shù)形式表示，對應(yīng)關(guān)系如下：

根據(jù)式（1）和（2）分別求出對應(yīng)的效率為

式中，η1為能量反射效率，η2為能量傳輸效率。

2 有限元仿真及分析

新設(shè)計(jì)的廢橡膠微波裂解設(shè)備選用BJ-22標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管[8]，截面a邊的長為109 mm，b邊的長為54 mm，波導(dǎo)管總長度為200 mm；密封隔板設(shè)在波導(dǎo)管的中間位置，材料為石英，厚度為4 mm，相對介電常數(shù)為3.78，相對磁導(dǎo)率為1。波導(dǎo)管側(cè)面設(shè)置為理想金屬導(dǎo)體邊界條件，兩端面饋口的激勵(lì)方式為波端口激勵(lì)，工作頻率為2.45 GHz。

2.1 波導(dǎo)管未設(shè)置調(diào)諧螺釘

對設(shè)置密封隔板而未設(shè)置調(diào)諧螺釘?shù)牟▽?dǎo)管模型進(jìn)行仿真，求解頻率范圍設(shè)置為2～3 GHz，得到S參數(shù)隨頻率的變化曲線，如圖2所示。

圖2 未設(shè)置調(diào)諧螺釘時(shí)的參數(shù)S11和S21變化曲線

通過仿真結(jié)果可知，在頻率為2.45 GHz時(shí)，S11＝-9.916 9，S21＝-0.467 0，計(jì) 算 可 得η1＝10.193 2%，η2＝89.804 9%。設(shè)置密封隔板而未設(shè)置調(diào)諧螺釘時(shí)微波的反射率較高，傳輸效率較低。設(shè)置密封隔板后不僅能耗增加，由于反射率的提高，微波發(fā)生器和密封隔板的損壞可能性也增加。

2.2 設(shè)置調(diào)諧螺釘?shù)腖和H

設(shè)置調(diào)諧螺釘，其直徑為6 mm、長度為54 mm，材料為不銹鋼，相對介電常數(shù)為1，相對磁導(dǎo)率為1。設(shè)置調(diào)諧螺釘在端口1與密封隔板之間、兩側(cè)端面之間的波導(dǎo)管中（見圖1）。

設(shè)定W為54.5 mm，L在3～95 mm連續(xù)變化，H取值范圍為0～54 mm。考慮到雙變量求解S參數(shù)計(jì)算量較大，將L的求解步長設(shè)置為4 mm，H的求解步長設(shè)置為2 mm。

仿真得到參數(shù)S11隨H和L變化的曲面見圖3。

圖3 參數(shù)S11隨H和L的變化曲面

由圖3可見：從H方向上看，H取值不同，S11取得極值點(diǎn)時(shí)所對應(yīng)的L值并不同，分布在67～75 mm之間；由L方向上看，S11取得極值點(diǎn)時(shí)所對應(yīng)的H值也不同，分布在17～23 mm之間。仿真得到的S21隨H和L變化的曲面圖與S11的極值點(diǎn)分布值一致。為滿足仿真精確，設(shè)置L的取值范圍為67～75 mm，求解步長為1 mm，H的取值范圍為16～23 mm，求解步長為1 mm。仿真得到的參數(shù)S11和S21如表1所示。

從表1可以看出，當(dāng)L＝71 mm、H＝19 mm時(shí)，S11達(dá)到最小值，同時(shí)S21達(dá)到最大值，此時(shí)S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，計(jì) 算 可 得η1＝0.030 7%，η2＝99.884 9%，即W＝54.5 mm、L＝71 mm、H＝19 mm時(shí)，能夠把有密封隔板的不匹配情況調(diào)諧到接近于無密封隔板的匹配情況，解決了由于密封隔板的設(shè)置導(dǎo)致的反射率過大的問題。

表1 極值領(lǐng)域內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù)S11和S21

2.3 設(shè)置調(diào)諧螺釘?shù)腤

設(shè)定L＝71 mm，H＝19 mm，W取值范圍為3～106 mm，每變化1 mm仿真一次。仿真得到S參數(shù)隨W的變化曲線，如圖4所示。

圖4 S參數(shù)隨W的變化曲線

由圖4可以看出，隨著W的增大，S11和S21保持不變，S11＝-35.132 9，S21＝-0.005 0，與表1中對應(yīng)的數(shù)值完全一致。進(jìn)一步的多次仿真也得到了任意改變L和H，仿真后得到的S參數(shù)只與L和H有關(guān)，而不隨W的變化發(fā)生變化。

3 結(jié)論

（1）在設(shè)有密封隔板的波導(dǎo)管中設(shè)置調(diào)諧螺釘，可以降低駐波比，改善密封隔板導(dǎo)致的微波反射率過大情況。

（2）沿著垂直于饋電的方向改變調(diào)諧螺釘?shù)奈恢脤ξ⒉ǖ膫鬏斝什划a(chǎn)生影響，調(diào)諧螺釘?shù)淖罴盐恢弥慌c波導(dǎo)管傳輸方向距饋電端口的距離有關(guān)。

（3）在饋電端口與密封隔板之間存在調(diào)諧螺釘?shù)淖罴逊胖梦恢煤妥罴烟饺肷疃取Ｔ贐J-22標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中，當(dāng)密封隔板的材料為石英、厚度為4 mm，調(diào)諧螺釘?shù)闹睆綖? mm時(shí)，調(diào)諧螺釘?shù)淖罴盐恢脼榫嚯x饋電端口71 mm處，最佳探入深度為19 mm，此時(shí)的能量傳輸效率為99.884 9%。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果，即在饋電端口與密封隔板之間合理放置調(diào)諧螺釘，可以有效提高微波傳輸率，有利于節(jié)能降耗。