【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(jì)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(lì)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(jì)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(jì)選取5kW，2450MHz的磁控管為加熱元件。設(shè)計(jì)破乳器最大寬度不超過(guò)35cm，考慮到穿透深度的影響及破乳器預(yù)設(shè)計(jì)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(gè)關(guān)系的m、n、P值，見(jiàn)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(duì)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(jiàn)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(duì)微波的吸收和透過(guò)能力、對(duì)熱的穩(wěn)定性、對(duì)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(duì)于微波的透過(guò)性好，吸收少的特點(diǎn)，而且具有優(yōu)異的耐高低溫性，對(duì)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(zhǎng)期使用溫度200~260度，耐低溫—在100度時(shí)仍柔軟；耐腐蝕—能耐王水和一切有機(jī)溶劑；耐氣候—塑料中最佳的老化壽命；高潤(rùn)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(wú)毒害—具有生理惰性；優(yōu)異的電氣性能，是理想的C級(jí)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，隨著離正中央的距離的增加，場(chǎng)強(qiáng)是逐漸減小的，當(dāng)其達(dá)到一點(diǎn)位置()時(shí)場(chǎng)強(qiáng)減弱到最低點(diǎn)，之后場(chǎng)強(qiáng)又會(huì)隨著離正中央的距離繼續(xù)增加，過(guò)了這兩個(gè)峰值點(diǎn)后，場(chǎng)強(qiáng)又會(huì)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(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)、吸熱功率最高的正中央(、)的位置。 漏能抑制器的設(shè)計(jì)在微波技術(shù)應(yīng)用日益廣泛的同時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)微波輻射的防護(hù)[16]。有資料表明，微波泄露會(huì)給人體造成傷害。因此，各國(guó)均制定了微波防泄漏的安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)最高允許泄漏功率密度進(jìn)行限定：我國(guó)為38W/cm(每日8h)；美國(guó)為10mW/cm(0．1h的平均值)，俄羅斯為10W/cm(整日)。對(duì)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(zhǎng)波導(dǎo)槽抑制器和群島式漏能抑制器來(lái)防止微波的泄漏。這些方法的缺點(diǎn)在于：或者只對(duì)幾個(gè)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(duì)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(zhǎng)終端短路波導(dǎo)并接，對(duì)幾個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，末端加吸收材料，構(gòu)成一個(gè)混合結(jié)構(gòu)的微波泄漏抑制器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)如圖52。圖52 微波漏能抑制器(1) 端口部分的尺寸設(shè)計(jì)該段對(duì)幾個(gè)主要高次模分別進(jìn)行抑制，即抑制HE10故截止波長(zhǎng)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(jī)頻率為2450MHz，=，則波導(dǎo)波長(zhǎng)為： (513) (514)由此可見(jiàn)，只有d≥18．4cm時(shí)候，這種結(jié)構(gòu)才有其實(shí)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(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)相比小得多，故梳狀片厚度可忽略不計(jì)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(jì)算簡(jiǎn)化，圖53可看作一個(gè)相同的電路連接，其單個(gè)等效電路的A矩陣可寫為：式中，化簡(jiǎn)上式可得參數(shù)為：式中：——波導(dǎo)波長(zhǎng)；——主波導(dǎo)特性阻抗；——短波波導(dǎo)特性阻抗；——長(zhǎng)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(guò)計(jì)算優(yōu)化得出：=160mm、=280mm 微波提取器的設(shè)計(jì)(1) 罐體的設(shè)計(jì)均為圓柱形結(jié)構(gòu)，易滿足壓力容器的設(shè)計(jì)要求。電場(chǎng)分布更均勻，比較適合物料的快速升溫要求。本設(shè)計(jì)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(zhǎng)，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(jì)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(duì)稱布置并焊接密封。罐體內(nèi)的矩形波導(dǎo)管上、下方向開(kāi)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(shí)現(xiàn)分層輻射微波萃取。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，主選兩種矩形波導(dǎo)管型號(hào)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(jì)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(yùn)行[22]。在微波萃取罐外的波導(dǎo)管下部正中心處，開(kāi)一窄長(zhǎng)孔，焊接一根圓形防漏截止波導(dǎo)管。窄長(zhǎng)孔和防漏截止波導(dǎo)管可以將萃取液排出，對(duì)微波是防漏的。當(dāng)液體漏出，漏液傳感器將及時(shí)報(bào)警，以保證安全。圖54 微波提取裝置 壁厚的計(jì)算厚度附加量C=2mm。(1) 圓筒壁厚根據(jù)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB1501998)鋼制壓力容器》中壁厚的計(jì)算公式： (516)式中：——筒體內(nèi)徑，mm；——設(shè)計(jì)壓力，MPa；——16MnR許用應(yīng)力，；——焊縫系數(shù)(單面焊局部無(wú)損探傷，)。①計(jì)算壁厚計(jì)算壁厚是按照公式(516)得到的厚度；②設(shè)計(jì)壁厚設(shè)計(jì)壁厚是計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的有效壁厚為：。(2) 封頭壁厚根據(jù)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB1501998)鋼制壓力容器》中壁厚的計(jì)算公式： (517)式中：——筒體內(nèi)徑，mm；——設(shè)計(jì)壓力，MPa；——16MnR許用應(yīng)力；——焊縫系數(shù)(單面焊局部無(wú)損探傷，)。①設(shè)計(jì)壁厚由(517)計(jì)算②設(shè)計(jì)壁厚；③名義壁厚；④有效壁厚。 封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)筒體的內(nèi)徑和封頭壁厚的計(jì)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(shí)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(shí)，液位調(diào)節(jié)器打開(kāi)，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(shí)，位式調(diào)節(jié)關(guān)閉，只有微波調(diào)節(jié)控溫，屬簡(jiǎn)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(shí)間停留時(shí)間對(duì)污泥改性的影響：流量一定時(shí)，停留時(shí)間對(duì)離心油相含水率的影響實(shí)際上就是溫升速率對(duì)離心油相含水率的影響。這可以從下式可以看出。由停留時(shí)間t內(nèi)污泥吸收的微波功率為：首先計(jì)算停留時(shí)間 (518)式中：t——停留在微波輻射器中停留時(shí)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(shí)間t=2min。 微波功率停留時(shí)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(shí)間。在設(shè)計(jì)或選用微波加熱設(shè)備時(shí)，先要估算一下設(shè)備的功率容量。首先要取得幾個(gè)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(shí)要加工的物料重量W；(3) 每小時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，微波吸收效率，一般在50%~80%左右。 加熱功率的計(jì)算由于電場(chǎng)強(qiáng)度在實(shí)際上難以測(cè)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(jì)算：式中：f——微波頻率，Hz；E——電場(chǎng)強(qiáng)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(jì)算方法，在實(shí)際推廣應(yīng)用中，通過(guò)物料對(duì)微波吸收的情況，~。(2) 烘干的計(jì)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(guò)圖57以溫度升高為核心，考察所需加熱功率和處理時(shí)間(kg/h)該圖是以=1為基準(zhǔn)求出P0故實(shí)際值P1應(yīng)修正為圖57 微波加熱升溫計(jì)算圖簡(jiǎn)化公式：1kg的水分被蒸發(fā)所需能量為(設(shè)=)，升高溫度計(jì)算得出烘干所消耗的功率為：(1) 費(fèi)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(fèi)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(jì)和社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展為基本任務(wù)的工程項(xiàng)目，往往是以滿足上述功能目標(biāo)為前提的，這樣的項(xiàng)目應(yīng)以追求生命(服務(wù))期費(fèi)用最小為原則。項(xiàng)目的服務(wù)期費(fèi)用包含了與項(xiàng)目有關(guān)的一切費(fèi)用，如項(xiàng)目的前期費(fèi)用、建設(shè)期費(fèi)用(含制造、購(gòu)買、建設(shè)、安裝、試運(yùn)行等)、生產(chǎn)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用以及工程壽命期結(jié)束時(shí)的拆除費(fèi)用。(2) 經(jīng)濟(jì)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(xiàng)工程或