專利名稱：一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔的制作方法
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)、易實現(xiàn)自動化控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點，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)度微波對濕木材進(jìn)行瞬時處理，使木材內(nèi)水分在短時間內(nèi)獲得足夠多的能量，產(chǎn)生相變和氣體熱壓效應(yīng)，在蒸氣膨脹動力帶動下，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、澳大利亞和中國等國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,在實踐中發(fā)現(xiàn)，頻率為0.915Ghz的微波對木材加熱溫度分布均勻性較為有利，在設(shè)計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溫度分布均勻性不夠，導(dǎo)致預(yù)處理后的木材質(zhì)量不高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問題是如何提高木材微波預(yù)處理時溫度分布的均勻性。結(jié)合微波木材干燥理論，我們模擬分析了多口饋入的各種情況，下面是溫度分布均勻性較好的一個加熱諧振腔的設(shè)計。一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，包括一個水平長方體微波腔A、兩個豎直方向的長方體微波腔B、C和兩個水平方向的長方體微波腔D、E，B、C分別與A的上下兩面相接，B、C與A的接觸面都是一個鏤空的矩形，該矩形左右寬為0.24765m,前后長為
0.12382m, B的上口和C的下口為開口，D、E分別與A的左右兩面相接，D、E與A的接觸面都是一個鏤空的矩形，該矩形前后長為0.24765m,上下高為0.07-0.09m, D的左口和E的右口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，上下高度與D、E相等，A的上下高度范圍 0.08m〈h〈0.11m。A的前后長度大于0.20m。B、C的高度與D、E的寬度都大于0.02m。B、C和D、E的前后位置在A的中點。木材上下左右四面有同相位的對稱微波能量饋入，這種饋入方式使電磁能量更均勻地分布于木材，從而溫度升高比較均勻。提高木材微波預(yù)處理溫度分布的均勻性對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是四口饋入諧振腔結(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是四口饋入平行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是四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 高度h為0.07時木材中心截面上的溫度分布圖圖8是高度h為0.08時木材中心截面上的溫度分布圖圖9是高度h為0.09時木材中心截面上的溫度分布圖圖10是高度h為0.10時木材中心截面上的溫度分布圖圖11是高度h為0.11時木材中心截面上的溫度分布圖圖12是高度h為0.12時木材中心截面上的溫度分布圖圖13是高度h為0.13時木材中心截面上的溫度分布圖圖14是高度h為0.14時木材中心截面上的溫度分布圖圖15是溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差與高度h的變化關(guān)系圖具體實施方式
具體實施此發(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。下面用模擬計算的方法來說明四口饋入與單口饋入的溫度分布均勻性。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7.40-1.42 j初始溫度為25°C饋入的微波均為TElO 波，頻率是0.915GHz，四口饋入時每口 5kw，單口饋入時20kwo要計算出木材每一點上的溫度，需要把木材劃分成很多個微小部分，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，從而完成了整個的計算，這就是有限元分析的基本思想。在我們的模擬計算中，木材的比熱、與導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度變化的，由于溫度是隨時間變化的，因此，比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度都是時間的函數(shù)，如果要保證這三者都是同一時刻的取值，那就必須把每一步的計算時間劃分地相當(dāng)小，這顯然是十分繁瑣而沒有必要的。可以采取這樣的計算方法，先在很短的一段時間內(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)，就能用這兩個常數(shù)計算在這段時間內(nèi)木材吸收的能量，同時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)計算，一直計算到預(yù)定的時間。下面以四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后表面右下邊交點為坐標(biāo)原點，參數(shù)f為微波頻率，w為波導(dǎo)長度，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)
權(quán)利要求1.一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，其特征為包括一個水平長方體微波腔A、兩個豎直方向的長方體微波腔B、C和兩個水平方向的長方體微波腔D、E, B、C分別與A的上下兩面相接，B、C與A的接觸面都是一個鏤空的矩形，該矩形左右寬為0.24765m,前后長為0.12382m，B的上口和C的下口為開口，D、E分別與A的左右兩面相接，D、E與A的接觸面都是一個鏤空的矩形，該矩形前后長為0.24765m，上下高為0.07-0.09m, D的左口和E的右口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，上下高度與D、E相等，A的上下高度范圍0.08m〈h〈0.11m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，其特征為A的前后長度大于0.20m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，其特征為B、C的高度與D、E的寬度都大于0.02m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4中的一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，其特征為B、C和D、E的前后位置在A的中點。
專利摘要一種用于木材微波預(yù)處理的四口饋入諧振腔，包括一個水平長方體微波腔A、兩個豎直方向的長方體微波腔B、C和兩個水平方向的長方體微波腔D、E，B、C分別與A的上下兩面相接，B的上口和C的下口為開口，D的左口和E的右口為開口，A前后兩口開口，A左右寬度和B、C相等，上下高度與D、E相等，A的上下高度范圍0.08m<h<0.11m。這種諧振腔能夠提高木材微波預(yù)處理溫度分布的均勻性，對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H05B6/64GK203120201SQ20132007248
公開日2013年8月7日 申請日期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 申請人:中南林業(yè)科技大學(xué)