【正文】 送微波功率相同，所以第一饋源口耦合度為33%[21]。第二饋源口耦合度為50%，如圖所示。圖51 饋源口的位置分布如圖51經(jīng)計算，第一饋源口尺寸為l1w1=270mm40mm，第二饋源口尺寸為l2w2=310mm100mm，第三饋源口要求把剩下微波能饋送加熱器，采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口尺寸l3w3=635mm115mm根據(jù)前面討論當(dāng)磁控管工作頻率為2450MHz，饋源口之間的距離應(yīng)選擇在容易激勵工作主模的位置，可選Dl=D2=/2，D3=。 隧道式微波輻射主要尺寸設(shè)計隧道式微波腔體基本結(jié)構(gòu)如圖52所示圖52 微波腔體基本結(jié)構(gòu)(1) 箱體尺寸設(shè)計選取5kW，2450MHz的磁控管為加熱元件。設(shè)計破乳器最大寬度不超過35cm，考慮到穿透深度的影響及破乳器預(yù)設(shè)計尺寸的限制。由公式(53)可得穿透深度D (56)選取的介質(zhì)管最大管徑為100mm。設(shè)箱體尺寸為ML=2400mm，MW=800mm，MH=800mm；2450177。~，： (57)： (58)在2450177。30MHz頻率范圍內(nèi)，該箱體的可能模式數(shù)△N為： (59)帶入到公式中求解：將在2450177。30MHz頻率范圍內(nèi)，以代入，得以代入，得：由此，諧振頻率在2420MHz~2480MHz范圍內(nèi)得m、n、P值滿足： (510)可用試算法求出滿足式這個關(guān)系的m、n、P值，見表52。表52 模式試算表9m236n2P2912=93612=3612=1922=363622=11422=4932=813632=32432=9942=14442=16952=22552=2562=3672=49從表52可看出，m、n、P的最大可能值分別為7。然后對m、n、P的不同組合，分別求出的值，能滿足式的模式。從表52求解，見表53。表53 符合模式諧振頻率表m、n、p(MHz)738224435385245373882462(2) 介質(zhì)管的材質(zhì)選擇介質(zhì)管材質(zhì)的選擇要考慮到其對微波的吸收和透過能力、對熱的穩(wěn)定性、對水和油的粘附性等因素。聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有介質(zhì)損耗小，對于微波的透過性好，吸收少的特點，而且具有優(yōu)異的耐高低溫性，對溫度的影響變化不大。聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列優(yōu)良的使用性能：耐高溫—長期使用溫度200~260度，耐低溫—在100度時仍柔軟；耐腐蝕—能耐王水和一切有機溶劑；耐氣候—塑料中最佳的老化壽命；高潤滑—具有塑料中最小的磨擦系數(shù)()；不粘性—具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質(zhì)；無毒害—具有生理惰性；優(yōu)異的電氣性能，是理想的C級絕緣材料。由于他的耐輻照性能和較低的滲透性，選取它為輸送污泥的介質(zhì)管材料。(3) 介質(zhì)管位置的確定微波輻射設(shè)備在橫向、縱向位置上場強的分布是不均勻的[18]。從整體上看，在設(shè)備正中央的位置上場強最強，隨著離正中央的距離的增加，場強是逐漸減小的，當(dāng)其達(dá)到一點位置()時場強減弱到最低點，之后場強又會隨著離正中央的距離繼續(xù)增加，過了這兩個峰值點后，場強又會隨著與正中央距離的增加直線下降。因此，在橫向位置的選取中，選擇場強最強、吸熱功率最高的正中央(、)的位置。 漏能抑制器的設(shè)計在微波技術(shù)應(yīng)用日益廣泛的同時，應(yīng)該注意對微波輻射的防護(hù)[16]。有資料表明，微波泄露會給人體造成傷害。因此，各國均制定了微波防泄漏的安全標(biāo)準(zhǔn)，對最高允許泄漏功率密度進(jìn)行限定：我國為38W/cm(每日8h)；美國為10mW/cm(0．1h的平均值)，俄羅斯為10W/cm(整日)。對于隧道式箱形微波加熱器而言，其主要泄漏部位為爐門及物料的出入口。一般微波設(shè)備出入口處大多采用截止波導(dǎo)式漏能抑制器、1/4波長波導(dǎo)槽抑制器和群島式漏能抑制器來防止微波的泄漏。這些方法的缺點在于：或者只對幾個主要高次模進(jìn)行抑制，防泄漏能力較差；或者體積龐大，均需改進(jìn)。因此，本文在出入口處采用了混合型漏能抑制器，并對其主要結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了優(yōu)化，減小了體積，提高了防泄漏能力。抑制器采用混合型漏能控制器，在端口采用1/2波導(dǎo)波長終端短路波導(dǎo)并接，對幾個主要高次模分別進(jìn)行抑制，中段采用梳狀型抑制片組成衰減器，其結(jié)構(gòu)尺寸通過計算機進(jìn)行優(yōu)化，末端加吸收材料，構(gòu)成一個混合結(jié)構(gòu)的微波泄漏抑制器，其結(jié)構(gòu)簡如圖52。圖52 微波漏能抑制器(1) 端口部分的尺寸設(shè)計該段對幾個主要高次模分別進(jìn)行抑制，即抑制HE10故截止波長為： (m=n=0) (511) (m=n=0) (512)式中：n為出口的寬度，b為出口高度。本機頻率為2450MHz，=，則波導(dǎo)波長為： (513) (514)由此可見，只有d≥18．4cm時候，這種結(jié)構(gòu)才有其實際意義這里取a=38cm，所以確定：=，=。(2) 中段結(jié)構(gòu)尺寸ll2尺寸的確定中段有30片梳狀片組成的阻帶衰減器，可認(rèn)為其由主波導(dǎo)(ab)E面雙邊串的n個長為的短路波導(dǎo)組成Z0表示短路波導(dǎo)感抗，l1表示各自短路波導(dǎo)間的距離，因梳狀片厚度與微波工作波長相比小得多，故梳狀片厚度可忽略不計由梳狀片組成阻帶衰減器等效電路如圖53。圖53 衰減器等效電路為了使等效電路計算簡化，圖53可看作一個相同的電路連接，其單個等效電路的A矩陣可寫為：式中，化簡上式可得參數(shù)為：式中：——波導(dǎo)波長；——主波導(dǎo)特性阻抗；——短波波導(dǎo)特性阻抗；——長度為的短路波導(dǎo)特性電抗。梳狀片引起的衰減為： (515)經(jīng)過計算優(yōu)化得出：=160mm、=280mm 微波提取器的設(shè)計(1) 罐體的設(shè)計均為圓柱形結(jié)構(gòu)，易滿足壓力容器的設(shè)計要求。電場分布更均勻，比較適合物料的快速升溫要求。本設(shè)計罐體材料為不銹鋼，鋼板厚度視承受壓力及結(jié)構(gòu)而定。罐體直徑D≤罐體高度H=λ/2n(λ為微波波長，n為大于2的正整數(shù))H為4500mm，h=1550mm，D=2000mm。容積可為10~30m3。(2) 輻射結(jié)構(gòu)的設(shè)計在不銹鋼罐體的同一高度層面上，接入多根不銹鋼矩形波導(dǎo)管，在圓周上對稱布置并焊接密封。罐體內(nèi)的矩形波導(dǎo)管上、下方向開挖有矩形饋口，饋口用聚四氟乙烯密封，饋口的位置及數(shù)量以滿足罐體內(nèi)微波能在這一層面均勻分布。罐體外的矩形波導(dǎo)管上方安裝磁控管及磁控管屏蔽罩，下方焊接防漏截止波導(dǎo)管。加裝多層矩形波導(dǎo)管，實現(xiàn)分層輻射微波萃取。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸，主選兩種矩形波導(dǎo)管型號BJ9和BJ12，截面尺寸(mm)分別為250mm125mm和109mm，材料選用不銹鋼。(3) 防漏結(jié)構(gòu)的設(shè)計接入罐體內(nèi)矩形波導(dǎo)管上的饋口，一旦密封失效，將滲入波導(dǎo)管內(nèi)，這不但影響微波能的傳輸，還將威脅磁控管的安全運行[22]。在微波萃取罐外的波導(dǎo)管下部正中心處，開一窄長孔，焊接一根圓形防漏截止波導(dǎo)管。窄長孔和防漏截止波導(dǎo)管可以將萃取液排出，對微波是防漏的。當(dāng)液體漏出，漏液傳感器將及時報警，以保證安全。圖54 微波提取裝置 壁厚的計算厚度附加量C=2mm。(1) 圓筒壁厚根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)(GB1501998)鋼制壓力容器》中壁厚的計算公式： (516)式中：——筒體內(nèi)徑，mm；——設(shè)計壓力，MPa；——16MnR許用應(yīng)力，；——焊縫系數(shù)(單面焊局部無損探傷，)。①計算壁厚計算壁厚是按照公式(516)得到的厚度；②設(shè)計壁厚設(shè)計壁厚是計算壁厚與厚度附加量之和。；③名義壁厚名義壁厚是將設(shè)計厚度向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即是圖樣上標(biāo)注的厚度。本設(shè)計的名義壁厚：；④有效壁厚有效壁厚是指名義厚度減去厚度附加量，本設(shè)計的有效壁厚為：。(2) 封頭壁厚根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)(GB1501998)鋼制壓力容器》中壁厚的計算公式： (517)式中：——筒體內(nèi)徑，mm；——設(shè)計壓力，MPa；——16MnR許用應(yīng)力；——焊縫系數(shù)(單面焊局部無損探傷，)。①設(shè)計壁厚由(517)計算②設(shè)計壁厚；③名義壁厚；④有效壁厚。 封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)筒體的內(nèi)徑和封頭壁厚的計算，選擇橢圓形封頭(摘自JB/T47462002)如圖55。圖55 橢圓形封頭表54 橢圓形封頭(摘自JB/T47462002)以內(nèi)徑為公稱直徑的封頭公稱直徑DN曲面高度h1直邊高度h2厚度內(nèi)表面積F容積V質(zhì)量Gmmmmmmmmm2m3kg20002752559401018502024封頭的名義壁厚為16mm，所以DN=2000mm，h1=670mm，h2=215mm。 控制系統(tǒng)將冷卻水流量及微波功率作為控制變量，采用多變量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)微波工作下的溫度在線監(jiān)控。溫度調(diào)節(jié)器為PID負(fù)反饋調(diào)節(jié)，液位調(diào)節(jié)器為位式調(diào)節(jié)。當(dāng)提取罐液位到規(guī)定位置時，液位調(diào)節(jié)器打開，則微波調(diào)節(jié)和冷卻水調(diào)節(jié)形成分程控制系統(tǒng)共同控溫。當(dāng)液位未達(dá)規(guī)定位置時，位式調(diào)節(jié)關(guān)閉，只有微波調(diào)節(jié)控溫，屬簡單控制系統(tǒng)[14]。其控制系統(tǒng)的方框圖如圖56所示。圖56 控制系統(tǒng)方框圖 停留時間停留時間對污泥改性的影響：流量一定時，停留時間對離心油相含水率的影響實際上就是溫升速率對離心油相含水率的影響。這可以從下式可以看出。由停留時間t內(nèi)污泥吸收的微波功率為：首先計算停留時間 (518)式中：t——停留在微波輻射器中停留時間，s；R——所用聚四氟乙烯管半徑，dm；B——微波加熱器的寬度，取4dm；V——液體的流量，L/h。min (519)取整數(shù)得停留時間t=2min。 微波功率停留時間t內(nèi)吸收的微波功率為： (520)式中：P——污泥吸收的微波功率；C——污泥的比熱，J/kg k；——污泥密度；V——介質(zhì)管容積；T——停留時間。在設(shè)計或選用微波加熱設(shè)備時，先要估算一下設(shè)備的功率容量。首先要取得幾個必要的數(shù)據(jù)：(1) 加工物料的比熱。水的比熱為1千卡/公斤/℃左右；(2) 每小時要加工的物料重量W；(3) 每小時要求蒸發(fā)的液體重量W；(4)蒸發(fā)液體的汽化潛熱Q，水的汽化熱為540 千卡/公斤；(5) 加工物料的介電常數(shù)ε。一般物料的介電常數(shù)為1~5。水的介電常數(shù)為80，玻璃及陶瓷根據(jù)不同的材料為2~2000甚至更大；(6) 加工物料的介質(zhì)損耗tgδ。~，~。物料加熱所耗用的微波功率：由式(51)可得由式(52)可得所得的效率根據(jù)以上二式所算出的功率P為理想情況下所需要的微波功率，實際上在微波加熱器內(nèi)，微波功率不可能全部為物料所吸收，將有一部分給加熱器本身消耗，一部分損耗在饋送微波的波導(dǎo)內(nèi)。使用行波型加熱器時，未被物料吸收完的功率在終端被水負(fù)載所吸收，因此選擇微波設(shè)備時，微波吸收效率，一般在50%~80%左右。 加熱功率的計算由于電場強度在實際上難以測量得到，只能大略折算[13]。例如，在矩形波導(dǎo)中，由于其阻抗為377歐姆，如微波功率為P(瓦)，波導(dǎo)窄面尺寸為b(厘米)則 (521)(1) 物料溫升計算：式中：f——微波頻率，Hz；E——電場強度，v/cm；——介質(zhì)損耗系數(shù)；——物料的介電常數(shù)；d——物料的密度，g/cm3；c——比熱，cal/g℃。取f=2450Hz，E=343V/cm，=，=80，d=，c=1cal/g℃升高溫度取整。微波產(chǎn)生的電耗L即可為以上一般的計算方法，在實際推廣應(yīng)用中，通過物料對微波吸收的情況，~。(2) 烘干的計算含水分物體質(zhì)量為Mi= M0+W0式中：M0————干物質(zhì)質(zhì)量；W0————所含水份。 (522)通過圖57以溫度升高為核心，考察所需加熱功率和處理時間(kg/h)該圖是以=1為基準(zhǔn)求出P0故實際值P1應(yīng)修正為圖57 微波加熱升溫計算圖簡化公式：1kg的水分被蒸發(fā)所需能量為(設(shè)=)，升高溫度計算得出烘干所消耗的功率為：(1) 費用最小化原則在滿足功能目標(biāo)(特定需要)的前提下，追求所支出的全生命(服務(wù))期費用最小。特別是像污水處理廠這類以環(huán)境保護(hù)、提高環(huán)境質(zhì)量、維護(hù)生態(tài)效益、提高人民生活質(zhì)量、維持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)性發(fā)展為基本任務(wù)的工程項目，往往是以滿足上述功能目標(biāo)為前提的，這樣的項目應(yīng)以追求生命(服務(wù))期費用最小為原則。項目的服務(wù)期費用包含了與項目有關(guān)的一切費用，如項目的前期費用、建設(shè)期費用(含制造、購買、建設(shè)、安裝、試運行等)、生產(chǎn)期運營費用以及工程壽命期結(jié)束時的拆除費用。(2) 經(jīng)濟效益最大化原則效益最大化就是指工程全服務(wù)期的效益是最大化的。當(dāng)一項工程或