摘 要

微波是一种常用电磁波，微波频率在0. 3 GHz到300 GHz左右，微波的波长范围1 mm 到1 m范围内。在电磁波谱中，微波频率适中，位于红外线和无线电波的频率之间^[1]。微波被应用为传输介质和加热能源，目前被广泛的应用于社会的各个方面，应用范围包括生活用品、食品、医药加工，简单分子反应以及复杂生化反应等各种领域。因为早期微波对于物料的作用机理尚不明确，所以社会各界对于微波的作用机理等相关研究并没有深入，在进行微波加热时，有微波利用率较低，能耗较高等各种缺点，对于汽车尾气的处理帮助较小。

在对微波加热的基本原理的基础上，面对微波加热器中能量利用效率的问题，本文提出了新的模型优化设计方法。通过使用电磁场仿真软件FEKO，根据微波加热原理以及相关耦合技术设计一个微波谐振腔模型。微波谐振腔体是一个封闭的腔体，是微波与物质相互作用的场所。因此腔体设计的是否合理关系重大，腔体设计的好坏将直接关系到腔内被加热物体的加热效果与微波能量的利用效率多少问题。因此如何有效的提高腔体内负载对微波能量的吸收是本次微波加热腔设计的主要设计问题。本文通过使用电磁场仿真软件 FEKO对腔体内进行仿真操作，通过建立由铝为主要材料的谐振腔体及其他相关部件，设置微波源频率为2.45 GHz，根据微波截止管半径的计算R=25 mm,谐振腔直径为120 mm，选择圆柱形谐振腔。设置材料反射的介电常数公式，设置电压能源1 V，端口阻抗为50 hm。经过仿真得出结果，分析微波谐振腔内部的电磁场分布，通过对结果的分析，腔体内部经过反射形成的驻波场主要集中在腔体中部，腔体能量主要集中在中心位置。将吸波材料以及活性炭置于此处可进行有效加热，从而达到微波谐振腔的模拟设计。通过腔体结构的模拟设计，使得腔体内电磁场分布均匀，从而达到提高微波使用率，通过微波的快速均匀加热特性，对吸波物质上的三效催化剂进行快速有效催化，且改变活性炭的表面活性以达到脱硫脱硝的目的。

关键词：微波加热；谐振腔；品质因数

Abstract

Microwave is a common electromagnetic wave, the frequency of microwave From 3 GHz to 300 GHz, the wavelength range of microwave is from 1 mm to 1 m. In the electromagnetic spectrum, the microwave frequency is moderate, located between the infrared wave and the radio wave frequency . Microwave is used as transmission medium and heating energy. At present, it is widely used in all aspects of society, including daily necessities, food, medical processing, simple molecular reaction and complex biochemical reaction and other fields. Because the mechanism of early microwave on materials is not clear, the mechanism of microwave from all walks of life is not clear. When microwave heating is carried out, there are many shortcomings, such as low microwave utilization rate, high energy consumption and so on, which is less helpful to the treatment of automobile exhaust gas. On the basis of the basic principle of microwave heating and the problem of energy utilization efficiency in microwave heater, a new model optimization design method is proposed in this paper. A microwave resonator model is designed by using electromagnetic field simulation software FEKO, according to the principle of microwave heating and related coupling technology. Microwave resonant cavity is a closed cavity, which is the place where microwave and matter interact. Therefore, whether the cavity design is reasonable or not is of great importance, and the quality of the cavity design will be directly related. The heating effect of the heated object in the cavity and the utilization efficiency of microwave energy. Therefore, how to effectively improve the absorption of microwave energy by the cavity load is the main design problem of the microwave heating cavity design. In this paper, the electromagnetic field simulation software FEKO is used to simulate the cavity. By establishing the resonant cavity with aluminum as the main material and other related components, the microwave source frequency of 2.45 GHz, is set up to calculate R ≤ 25 mm, according to the radius of microwave cutoff tube. The diameter of the resonator is 120 mm,. The cylindrical resonator is selected. Set the dielectric constant formula of material reflection and set the voltage energy Source 1 V, port impedance 50 hm. The simulation results show that the electromagnetic field distribution in the microwave resonator is analyzed. Through the analysis of the results, the standing wave field formed by reflection in the cavity is mainly concentrated in the middle of the cavity, and the energy of the cavity is mainly concentrated in the central position. The microwave absorbing material and activated carbon can be effectively heated here, so as to achieve the simulation design of microwave resonator. Through the simulation design of cavity structure, the distribution of electromagnetic field in cavity is uniform, so as to improve the utilization rate of microwave. Through the rapid and uniform heating characteristics of microwave, the three-way catalyst on absorbing material can be catalyzed quickly and effectively, and the three-way catalyst on absorbing material can be catalyzed quickly and effectively. The surface activity of activated carbon to achieve the purpose of desulphurization and denitrification.

Keywords: Microwave heating;Resonator; Quality Factor

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究发展现状 1

1.3 本文研究内容 4

第2章 微波谐振腔基础原理 5

2.1 微波加热的基本原理 5

2.2 常规微波加热器的结构 错误！未定义书签。

2.3 谐振腔基础理论分析 7

2.3.1谐振腔基础参数 7

2.3.2 矩形谐振腔基础原理 9

2.3.3 圆柱形谐振腔的基本原理 12

2.4 活性炭加热改性特征 15

2.5 电磁仿真 16

2.6 小结 16

第3章谐振腔优化设计与仿真分析 18

3.1 模型创建 18

3.2 仿真结果分析 22

3.3 小结 24

第4章 总结与展望 25

4.1 本文总结 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

随着新时代的到来，国民经济呈井喷式发展，大量新兴行业的产生使得国家以及个人的可支配财富大量累计，汽车等在以往属于奢侈品的大型机械开始进入平常百姓家。各个城市的汽车数量增长速度极快，大量的汽车消费极大的促进了经济的发展。但是，大量的汽车消费也造成了极大的问题，因为汽车尾气而造成的污染越来越大，汽车尾气污染成为社会不可忽略的问题。汽车尾气中含有的大量污染气体NO_x，SO₂，CO，以及部分碳氢化合物，这些气体排放到大气中会对大气造成极大的污染，在国内较大的城市及地区，由于汽车数量过大的原因，汽车尾气的排放量极大，之前的普通的机内净化以及电加热催化剂净化尾气已经不能满足高排量尾气的净化需求。如何高效降低汽车尾气中的有害气体含量，成为如今社会急需解决的问题。随着科学技术的不断发展，微波的应用不断增加，对于微波的研究也在逐渐深入，研究发现微波的热/非热效应在加热催化剂以及优化活性炭表层活性，提高其净化尾气率方面有极大的帮助。本文基于此背景开始展开使用微波加热辅助汽车尾气净化的相关研究。

1.2 国内外研究发展现状

微波作为一种新型电磁波，慢慢开始受到社会各界的关注。微波作为一种传输介质和替代传统加热方式的加热能源，已经被广泛的运用于各个科学领域，例如冶金加工，食品处理，塑料塑型以及药物处理等各个领域。由于微波加热的快速以及加热的均匀性开始被应用于污染处理以及特定物质改性方面。

国外对于微波的研究起始于1969年，vanderhoff使用微波对丙烯酸酯，丙烯酸进行加热，经过研究，vanderhoff发现微波加热会使α-甲基丙烯酸的聚合速度相比常规的加热聚合速度出现明显提升^[2]。后续的各种微波加速化学反应案例使得微波加热受到的关注越来越多。因此，低频段的微波加热对化学反应的促进作用受到人们的显著关注。截至目前，微波对于化学领域的辅助作用已有大量文献报道^[4-7]。

当前市面对于汽车尾气的净化方法主要分为两种方法：机内净化、机外净化。机内净化是通过改善发动机内部燃油的燃烧程度以及使用更加清洁的燃油等措施, 从燃烧源头来降低有害气体的生成, 但机内净化所采用的这些方法并不能完全消除有害气体，因此还需要研究其他方法对尾气进行更加彻底的净化，因此机外净化方法随之被提出。机外净化是指在尾气排出气缸但未进入大气之前在发动机外部加装外部尾气净化反应装置，将尾气中的HC，CO等有害气体转化为无害气体排出的过程。经过诸多研究机构的实践，机外净化技术因其简便的实施方法和具体净化时的卓越的实效性, 机外净化技术成为当今国际社会普遍采用的汽车尾气净化方法。

机外净化是指发动机燃烧排出的尾气通过安装热反应器，一次反应器，催化转化器等装置进行处理或净化。机外净化使用的主要净化方法有以下几种净化催化法、分催化燃烧法、三效催化法，其中三效催化技术是市面上使用范围最广也是最为高效的汽车尾气催化净化方法^[8]。

三效催化器一般由助催化剂、催化剂和载体 组成。助催化剂主要是对催化剂提供帮助，帮助的形式除了提高催化剂活性以达到节约成本的目的外，还具有提高载体耐热性能的作用。三效催化剂把三效净化催化器的入口的空燃比控制在理论比附近是通过氧传感器的控制，这种效果使汽车尾气中的三种有害成分通过催化氧化作用对汽车尾气进行净化，通过三效净化催化器的净化使得汽车尾气中的三种有害气体含量同时减少。通过催化器的催化氧化可以把HC 氧化为H₂O 和CO₂、CO 氧化为CO₂、NO 还原为N₂。在尾气经过三效催化器的净化后，将气体排放到空气中三效催化氧化系统的还原性气体和氧化性气体需要维持各自的平衡，这是催化净化器最重要的条件^[9]。

关于汽车常用的使用三效催化剂对汽车尾气进行处理的方法事实上存在两个处理盲区,如下：

（1）对于SO₂净化能力的缺失以及关于汽车冷启动排放的处理，现有的三效催化剂并无对SO₂的处理能力，这就导致尾气中的SO₂经过发动机尾气管接排放入大气中，导致雾霾的产生和酸雨的产生。严重降低国民生活质量，解决硫排放问题刻不容缓。

（2)冷启动排放：冷启动排放的根本原因是三效催化剂在温度在400-600℃达到起燃温度，而催化剂在环境温度下启动时催化效果差而导致有毒气体未经处理就直接排入大气，造成严重的污染。近十年来，电辅助加热催化净化、催化剂前移、增设高温紧凑型净化器等方法相继问世。其中，电加热法虽然效果较好，但是功率超过2 Kw，能耗较大，且被加热的金属难以和催化物结合。而其他设计均由于耐高温催化剂需要而大幅度增加成本难以投入生产使用。

由于以上两种问题的存在，微波以及活性炭的使用被提出，通过使用谐振腔使微波在腔内多次反射形成驻波场对腔内物质进行快速均匀加热。装置可以迅速、均匀的升温而工作在最佳状态，能够解决冷启动问题。

微波谐振腔作为微波基础应用器件，谐振腔的结构形式有很多，其中一类微波谐振腔是与微波传输线的模式相对应的，有矩形微波谐振腔，圆柱微波谐振腔，微带谐振腔，介质谐振器等几类传输线型谐振腔。

对于微波加热使活性炭改性的实际效用，活性炭具备高脱硫能力的主要机理在于经过微波加热对活性炭进行处理后,活性炭表面的微观形貌发生了极大的变化,活性炭表面的化学基团发生分解,使得处理后的表面碱性特征加强,同时活性炭表面含氧量减少,使得以CO形式释出的含氧官能团在分解后产生的活性部位和含氮官能团数量增加,让活性炭在吸收SO₂的反应过程所需的表观活化能降低,从而使活性炭的脱硫作用显著增强。

在通过微波加热对活性炭进行性质改变的过程中，由于活性炭在普通条件下对于SO₂以及尾气中的杂质粒子吸收能力较为一般且会使用大量活性炭造成成本的增加，于此同时微波的研究也更在火热的进行中，使用微波对活性炭加热以改变活性炭表面活性，是的活性炭拥有更强的脱硫脱硝能力成为研究的热门，微波加热作为一种全新的加热技术 ,在材料制备上得到了广泛的应用 ,在活性炭制备和微波加热改性中也有较好的效果，活性炭经过高温处理后，经过设备的精确控制，在碳表面可以形成极强的吸附中心，热处理可明显的增加活性炭对SO₂的吸附能力活性炭材料在惰性气体中进行高温热处理，可以得到低含氧量，强碱性，以及亲水性和强抗老化的改性活性炭，经过热处理后会赋予活性炭某种新的特性，可以增强其脱硫特性。。

通过马双忱, 马宵颖等人的实验,实验结果表明微波对活性炭进行加热改性可以改变活性炭的孔隙结构,从而使活性炭表面的大孔减少,微孔数量增多,其中中孔向微孔方向移动,能够促进活性炭吸附 SO₂的能力,但是这种促进作用并不明显。同时,微波加热改性还能够将活性炭的表面化学性质进行改变,可以减少酸性基团,增加碱性基团,从而增强了表面碱性,最终可以增加活性炭对SO₂的吸附容量^[10]。在经过 KOH对活性炭进行化学改性的前提下,以微波改性加以辅佐,通过两者的协同作用,可以显著活性炭对于SO₂的吸附,同时延长穿透时间,虽然经过KOH的化学改性加强了活性炭对于 SO₂的吸附能力，但对于NO的吸附效果不佳;经过实验使用浓硝酸对活性炭进行化学改性同时加上微波改性处理的活性炭会显著提高NO的吸附性能,其原因是活性炭表面产生了大量具有极性的氧化活性点,提高了活性炭对NO的吸附能力。

在微波加热改性活性炭的过程中,除了具有微波热效应,还存在微波的非热效应作用,微波的非热效应使得活化过程所需得速率增强、反应所需的活化能降低,使得含氧官能团更容易进行分解氧化，对SO₂吸附氧化的活性位增加。本文基于微波热/非热效应利用微波加热的快速均匀特性以及相关材料在微波加热条件下的特性对新型的汽车尾气净化装置进行基础研究，对汽车尾气净化使用的微波谐振腔进行模拟优化设计。希望能对当下节能减排的社会研究作出贡献。

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