微波反应器
外科结-10道砂锅做的菜
2023年2月22日发(作者：激光扩束镜)基于CST仿真软件的微波反应装置设计
杨欣昱;唐钰佳
【摘要】微波具有良好的选择加热性和穿透性,在物料的反应、加热、干燥等方面
有广泛的应用.基于计算机仿真技术(CST)仿真软件设计了单个模块为10kW、6个
模块总计60kW的微波反应装置,包括微波产生单元的微波馈入、供电和控制电路
设计,微波发生模块中的微波产生单元布置,微波反应容器设计,以及微波发生电路的
总体布置和控制设计.
【期刊名称】《上海化工》
【年(卷),期】2018(043)002
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】微波反应装置;模块化设计;CST仿真软件;微波加热
【作者】杨欣昱;唐钰佳
【作者单位】电子科技大学四川成都611731;电子科技大学四川成都611731
【正文语种】中文
【中图分类】TN015
20世纪40年代基于军事需求发明了微波发生器后，人们逐渐发现微波可用于物
料的反应、加热、干燥等方面，目前已在多个领域开展了相关研究与应用，涉及多
种物料状态。微波处理方式已成为提高物料和产品指标的关键[1]。基于计算机仿
真技术（CST）仿真软件，完成了微波发生器、微波馈入单元、微波反应器和微波
屏蔽的电磁仿真设计，实现了对液态物料的处理并确保微波泄露值满足相关标准要
求。
1相关背景
1.1微波效应概述
微波在现代科技中有着广泛的应用，可用于点对点通讯、无限网络、雷达卫星等通
信系统[2]。此外，微波对物质具有加热效应，人们利用其良好的加热性发明了微
波炉[3]。经过半个世纪，食品微波炉已经普及至千家万户。近年来，随着微波化
学效应研究不断取得进展，国外开始研制工业应用的特种微波化工设备和装置，国
内相关行业也基于工业订单展开特种微波设备的研制，有些已经得到成功应用。
微波对物料的作用具有整体性、选择性、快速高效等特点，可用于物料的反应、加
热、干燥、杀菌、保鲜等方面，已在有机合成、高分子聚合、化学萃取、物料膨化、
陶瓷烧结等单元操作中得到研究和应用[4]。国外已在精细化工、食品、烟草、机
械、陶瓷、木材、环保、生物化学、分析测试等行业开展微波效应的研究与应用，
研究对象涉及液态、固态、液体固化、流态颗粒烧结等，几乎每一类物料状态中都
存在多种适宜微波处理的物料。国际上，在某些高品质材料以及由高品质材料制备
高新技术产品的研制过程中，微波处理方式已成为提高物料和产品品质的关键。
1.2基于CST的电路设计
CST由德国开发，是当前微波设计中普遍使用的商业化三维电磁仿真软件。基于
CST可以进行各种仿真模块的开发[5]。根据边界和微波端口，可给出模拟区域的
电磁场分布，适用于对射频、无线通信、封装及光电子产品新功能的开发提供有效
的研究手段，能够计算任意形状无源结构的S参数、全波电磁场。在微波反应装
置设计过程中，利用多台计算机工作站和三维图形系统工作站，基于电磁仿真软件
（CSTMWS）、三维粒子模拟软件(MAGIC和CHIPIC)及有限元分析软件
（ANSYS），完成了电磁仿真设计。
2主体设计
2.1模块化设计
基于已有的装置设计经验和电磁仿真设计知识，确定设计思路为：采用单元+模块
+电路的模块化方式、逐层搭建、构成整体电路。（1）单元：由独立的供电电路、
高压发生器、微波管、控制信号等组成，可独立地产生和控制微波。单元输出微波
功率为1kW，其基本结构如图1所示。（2）模块：10个单元组合在一起成为一
个模块。模块中每个单元的控制信号均连接至装置的中央控制器，且各个单元的控
制信号互相独立。（3）装置：由6个10kW模块进行组合，形成一个整体的微
波装置。设置中央控制系统，可对装置中所有的微波管工况进行互为独立的监测和
调控，与物料处理情况的具体参数相连接并进行反馈，妥善地调控微波工况。
图1基本组成单元（1kW微波管）工作流程
2.2单元（1kW微波管）的供电电路
单元的核心是1kW微波管，拟选型号为M24FB-210A，输出微波功率为1kW，
频率为2450MHz，用电功率为1.4kW。微波管需要由4kV的高压驱动，因此
配设将220V转换为4kV的高压包。图2为1kW微波管单元的供电电路。
3控制设计
3.1各单元独立的供电电路
每个单元有独立的供电电路，利用220V电压转换而来的4kV高压（见图1和图
2）为1kW微波管独立供电，每个单元的供电电路要接收该模块提供的控制信号。
为了避免各个单元之间相互干扰，由控制信号为220V的继电器直接控制供电电
路的输入馈电。
图2单元（1kW微波管）供电电路
3.2每个模块独立工作
每个模块10个单元独立工作（独立接收控制信号），有1个独立的控制系统，该
控制系统接收到的控制信号是小信号（如温度），要将其转换为220V的电压信
号，然后输出到10个单元的控制端，控制输入馈电的继电器。
3.3整体设计
项目选用M24FB-210A型微波管作为微波产生单元，由此，由10个单元构成一
个具有相应功能的10kW微波发生模块，最后形成一套60kW的微波液体处理
装置，如图3所示。
图360kW微波液体处理装置结构
微波装置设立3种工作方式：
（1）一个10kW的微波发生模块，不考虑微波加热对微波化学反应的负作用，
将微波产生的热能通过容器壁传递给大气；
（2）2个10kW的微波发生模块，考虑微波加热，针对不同温度下的微波化学反
应；
（3）3个10kW的微波发生模块，考虑高温下的微波化学反应。
4微波反应器设计
4.1单管馈入设计
装置中的核心器件是微波管（型号为M24FB-210A，输出功率为1kW，频率为
2450MHz，用电功率为1.4kW），产生的微波通过一个模式转换器进入微波反
应器，为被处理物料吸收。
图4所示为微波管馈入单元的结构，其中微波辐射窗（材料为聚四氟乙烯）实现
微波反应容器同微波管之间的隔离。
图4微波管馈入单元的结构
图5为微波管馈入单元的安装图。
图5微波管馈入单元的安装图
4.2十管馈入设计
由于微波反应器的直径（d=100cm）和深度（h=100cm）均大于微波管辐射的
微波波长（λ=12.2cm），因此在理论上，微波反应器对于微波管馈入单元是开
放空间，即微波管通过馈入单元向微波反应器传送微波是无障碍的。
利用CST研究了微波管在中心位置时向微波反应器传送微波的物理过程，微波场
分布见图6。
在图6所示结构中，被处理物料的直径为50cm，厚度为20cm，对应的体积是
4×104cm3，如果被处理物料是水，则一次的处理量是40kg。
图6微波管在中心位置时向微波反应器传送微波的物理过程
4.3物料微波反应均匀化设计
根据CST仿真结果进行微波反应器上馈入单元的安装布置设计，具体如图7所示，
1个微波反应器上安装10个微波单元（微波管和微波馈入结构）。考虑到微波作
用区很难完全均匀，且微波作用过程与物料吸收微波的过程相互耦合、相互影响，
也会使微波的分布均匀性变差，因此需采取图3所示的物料摆动方式，克服微波
场的不均匀性。
图7微波反应器上馈入单元安装图
5屏蔽设计
依照相关微波泄露标准[1]，微波屏蔽设计主要包括以下几个方面:
（1）绝大部分微波沿着设计的路线进入反应器，多数直接被液态物料吸收，少量
达到器壁（特殊材质）后被反射回物料中进行二次吸收，经过多次反射后可以被完
全吸收。这种情况可以不考虑微波泄露和屏蔽。
（2）少部分微波残留在微波管上，为了避免对外释放，设计一个屏蔽罩来消除这
部分泄露微波，屏蔽罩侧面增加铁氧体涂敷层来吸收微波，并避免谐振（如图8
所示）。屏蔽后的微波泄露量低于空气本底值，完全满足相关标准的要求。
图8微波屏蔽设计示意图
6结语
利用CST模拟软件解决了1kW的微波馈入和10kW微波馈入之间的相互干扰问
题，使用1kW的微波管合成出一个10kW的微波反应模块，不仅降低了成本，
而且从技术上大大减轻了10kW微波发生器的开发困难，使微波化学反应装置在
生产上成为可能，同时引入模块（10kW模块）概念，解决大规模、多重化学工
艺的技术困扰。下一步的工作是同相关化学工艺紧密结合，将该类装置推向实用化。
参考文献：
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[3]CookingwithShortWaves[J].ShortWaveCraft,1933,4(7):394.
[4]牟群英,李贤军.微波加热技术的应用与研究进展[J].物理,2004,33(6):438-442.
[5]张敏，王红丽，孙佳伟.基于CST软件的专用仿真平台的开发[C]//中国电子学
会.2007年全国微波毫米波会议论文集（上册）.宁波：2007.