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微波加热陶瓷中热失控现象的分析与控制.PDF
中国科学 E 辑 : 技术科学 2008 年 第 38 卷 第 7 期 : 1097 ~ 1105 http:// SCIENCE IN CHINA PRESS 微波加热陶瓷中热失控现象的分析与控制 ①* ② 刘长军 , 申东雨 ① 四川大学电子信息学院, 成都 610064 ② 汉城国立大学数学系, 汉城 151-747, 韩国 * E-mail: cjliu@ 收稿日期: 2007-03-22; 接受日期: 2007-10-26 国家自然科学基金( 批准号: NSCF603010004, 60411140521)和韩国工程与科学基金(KOSEFF01-2004-000-10263-0, R14-2003-019-01000-0, KRF-2006-070-C00014)资助项目 摘要 对微波加热的热失控过程进行模拟, 使用基于时域有限差分法 关键词 (FDTD)的算法求解 Maxwell 方程和热传导方程(HTE)耦合的方程组, 模拟 时域有限差分 了微波加热陶瓷板的温度变化过程. 在施加不同微波功率的情况下, 计算 热传导 了微波加热下多种介质参数的陶瓷板的温度变化, 分析了出现热失控现象 温度 功率阈值 的条件. 提出一种单温度阈值双微波功率的控制方法, 用于提高微波加热 效率并且控制热失控现象. 同时给出了该控制方法中最终施加微波功率与 监视温度阈值的关系. 本文的模拟和分析方法可以在微波加热技术相关的 领域得到应用. [1~6] 微波加热可以加快材料的处理, 在化工、制药、食品、材料、采矿等领域都有广泛应用 . 在微波加热过程中, 材料的电导率、介电常数、热传导系数等特性, 随温度升高而变化[7~10], 导 [11] [6] [1,2,12] 致一些特殊的宏观热现象. 微波加热应用在陶瓷烧结 、矿物粉碎 、化工制药 、橡胶处 理等领域时, 被加热材料可能出现局部“热点”[13], 温度急剧升高, 导致温度失控的现象. 微波 加热中的这类现象称为热失控现象. 热失控是在微波加热过程中出现的一种非稳定宏观热现象. 热失控现象有两种基本的表 述形式[14,15]: 1) 稳态温度的描述; 2) 升温速率的描述. 前者表述为: 在微波加热中介质温度达 到稳定分布状态, 如果施加微波的功率或介质参数出现微小变化, 最终导致稳态温度发生突 变. 后者表述为: 在微波加热过程中某一段时间内介质温度出现急剧升高. 在微波加热陶瓷的 [9,14] 过程中, 陶瓷材料的电导率和热传导系数对温度依赖关系均可导致热失控现象 . 在微波加热陶瓷热失控的初期研究中, 1991 年出现了基于实验的经验公式描述[16]. 1992 年Kriegsmann提出了一种热失控的模型并用渐进法求解稳态温度[14], 吸引很多研究者进行热
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