一种用于木材微波预处理的圆柱形三口馈入谐振腔制造技术

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及木材微波预处理
，具体的说是用于直接向木材提供微波能量的谐振腔。
技术介绍
微波干燥木材是以均匀的微波场使木材自身整体生热，可消除干燥过程中的温度梯度及含水率梯度，其中水分由内向外同时排出使木材的膨胀收缩系数基本一致，这样木材在干燥过程中可最大限度避免变形、开裂、干枯、碳化等损失，能提高木材的成材率。与传统干燥方式相比，具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点，微波干燥过程中易于控制；且没有噪音和有害气体排放，属于环保干燥技术。微波加热干燥使的木材内部温度高于表面。使木材内部形成向外的压力差，加速了水分的表面迁移，所以微波干燥木材的速度远大于对流干燥速度快20 - 30倍。比远红外和蒸汽干燥能耗降低25%以上。微波干燥物料可使木材内部的温度高于60°C，使用木材中寄生的虫卵很快杀灭、达到防蛀、防霉的作用。对于各种不同性质的木材要先取合适的微波加热速度，达到最佳的工艺条件，可获得更佳的效益。我国速生人工林面积和蓄积量均居世界首位，但速生材普遍存在着渗透性差、干燥与后期防腐、阻燃等缺陷，使得其实木高附加值利用一直未取得突破性进展。高强度微波预处理是近年来出现在木材改性领域的新技术，其基本原理是利用高强度微波对湿木材进行瞬时处理，使木材内水分在短时间内获得足够多的能量，产生相变和气体热压效应，在蒸气膨胀动力带动下，破坏木材内部构造，提高流体迁移能力，为木材后期的干燥、浸注处理，甚至新材料制备创造极为有利的前提条件。目前，美国、澳大利亚和中国等国家都已开始试制高强木材微波预处理专用设备，并研究了微波预处理对木材体积膨胀率、渗透性和干燥速率的影响规律。其初步研究结果表明，优化的高强度微波预处理可使木材体积增大10%以上，防腐剂渗透量增加10-14倍，干燥速率提高5-10倍，干燥质量显著改善。澳大利亚墨尔本大学甚至还通过该技术对木材进行拆解和重构处理，试制出了具有高渗透性、低密度的新型木材与具有高强度、高表面硬度的新型木质复合材料。这一研究为速生人工林木材资源的高质化利用开辟了一条崭新的道路。但在木材微波预处理研究过程中，研究人员发现:木材经过微波预处理后，其内部的微观和宏观孔隙分布不够均匀，给木材的后期浸注处理和高性能新材料的制备带来了很大困难。这些不均匀与木材本身的性质和介电常数分布不均匀有一定关系，然而我们无法改变木材本身的属性，只能改善其加热外部条件以减少其干燥损失。与加热条件有关的主要有微波频率和微波加热腔体，这两者共同决定加热时木材的温度分布。用于微波干燥木材的微波频率有0.915Ghz和2.45Ghz两种,在实践中发现，频率为0.915Ghz的微波对木材加热温度分布均匀性较为有利，在设计中可以更多地考虑使用该频率。频率选定后，问题的中心就转移到微波腔的设计了，因此，如何通过研制微波能分布均匀的微波谐振腔来开发高效微波预处理设备，已经成为制约木材高强微波预处理技术研发的核心和关键问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是如何提高木材微波预处理时温度分布的均匀性。结合微波木材干燥理论，我们模拟计算了多口馈入的多种情况，下面是温度分布均匀性较好的一个加热谐振腔的设计。—种用于木材微波预处理的圆柱形三口馈入谐振腔，包括一个水平圆柱形微波腔A、三个围绕A中心对称分布的长方体微波腔B、C、D，B、C、D沿圆柱直径方向两侧都为开口，该开口长w=0.24765m,宽d=0.12382m,长度方向为圆柱形微波腔的圆周方向，宽度方向为圆柱形的母线方向，B、C、D与A的接触面是镂空的，A的半径0.186〈R〈0.235。A的长度在0.3-1.0m之间。B、C、D开口到圆心的距离大于1.lw。B、C、D位于圆柱形长度方向的中点。木材圆周三个方向有同相位的对称微波能量馈入，这种馈入方式使电磁能量更均匀地分布于木材，从而温度升高比较均匀。提高木材微波预处理温度分布的均匀性对木材的后期浸注处理和高性能新材料的制备都有重要的意义。附图说明图1是六口馈入微波腔图2是四口馈入微波腔图3是三口馈入微波腔图4是两口馈入微波腔图5是单口馈入微波腔图6是六口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布7是四口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布8是三口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布9是两口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布10是单口馈入平行yz平面的木材多截面温度分布11是六口馈入木材中心截面上的温度分布12是四口馈入木材中心截面上的温度分布13是三口馈入木材中心截面上的温度分布14是两口馈入木材中心截面上的温度分布15是单口馈入木材中心截面上的温度分布16是三口馈入R=0.7w木材中心截面上的温度分布17是三口馈入R=0.75w木材中心截面上的温度分布18是三口馈入R=0.8w木材中心截面上的温度分布19是三口馈入R=0.85w木材中心截面上的温度分布20是三口馈入R=0.9w木材中心截面上的温度分布21是三口馈入R=0.95w木材中心截面上的温度分布图图22是三口馈入R=L Ow木材中心截面上的温度分布23是三口馈入R=L Iw木材中心截面上的温度分布24是三口馈入R=L 2w木材中心截面上的温度分布25是三口馈入R=L 3w木材中心截面上的温度分布26是三口馈入R=L 4w木材中心截面上的温度分布27是三口馈入木材中心截面上的温度分布标准差与A半径的关系具体实施例方式具体实施此专利技术 的关键因素在于腔的结构和尺寸参数，我们将更精确地确定尺寸参数，以使该谐振腔达到其最佳工作效果。下面用模拟计算的方法来说明六口馈入、四口馈入、三口馈入、两口馈入和单口馈入的温度分布均匀性。我们采用了有限元分析软件COMSOL Multiphysics来进行模拟,在本次模拟计算中，选用含水量为60%的木材，其导热系数为0.23* (1-0.72* (25-T)/100) (T 为该时的温度)比热为2650*(1+Τ/100Γ0.2 ( J/kg °C )密度为570 (kg/m3)吸收系数为9.97 (1/m)介电常数为7.40-1.42 j初始温度为25°C馈入的微波均为TElO波，频率是0.915GHz，保持馈入总功率为40kw，多端口时各端口平分功率。要计算出木材每一点上的温度，需要把木材划分成很多个微小部分，分别研究每一部分的能量和温度关系(当然，需要考虑与其余部分的热传递)，然后再把每一步的结果综合到一起，从而完成了整个的计算，这就是有限元分析的基本思想。在我们的模拟计算中，木材的比热、与导热系数随着温度变化的，由于温度是随时间变化的，因此，比热、导热系数、温度都是时间的函数，如果要保证这三者都是同一时刻的取值，那就必须把每一步的计算时间划分地相当小，这显然是十分繁琐而没有必要的。可以采取这样的计算方法，先在很短的一段时间内假定木材温度是不变的，因此比热与导热系数也是常数，就能用这两个常数计算在这段时间内木材吸收的能量，同时求出木材的温度变化，将新温度值代入比热与导热系数继续如此循环计算，一直计算到预定的时间。下面以四口馈入为例 加以说明，其它各口馈入只是馈入电场表达式和馈入功率不同。下列表达式以圆柱后表面的圆心为坐标原点，参数f为微波频率，w为波导长度，d为波导宽度，ε本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于木材微波预处理的圆柱形三口馈入谐振腔，其特征为包括一个水平圆柱形微波腔A、三个围绕A中心对称分布的长方体微波腔B、C、D，B、C、D沿圆柱直径方向两侧都为开口，该开口长w=0.24765m，宽d=0.12382m，长度方向为圆柱形微波腔的圆周方向，宽度方向为圆柱形的母线方向，B、C、D与A的接触面是镂空的，A的半径0.186

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇锋，李羲，李贤军，柴媛，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43