微波加熱輔助多孔介質水合物制樣方法與裝置*

吳冬宇，羅永江，彭枧明，張鑫鑫

(吉林大學 建設工程學院， 吉林 長春　130021)

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微波加熱輔助多孔介質水合物制樣方法與裝置*

吳冬宇，羅永江，彭枧明，張鑫鑫

(吉林大學 建設工程學院， 吉林 長春130021)

摘要：針對多孔介質中人工合成水合物分布不均勻問題，提出采用微波加熱法制備多孔介質水合物樣品的新途徑，并設計了專用微波加熱裝置?；陔姶艌隼碚摷拔⒉訜峋鶆蛐杂绊懸蛩胤治?，設計了多饋源可調式波導加熱系統(tǒng)。通過數(shù)值模擬和加熱試驗分析饋能口與樣品間相對位置變化對裝置加熱均勻性影響，探討該裝置用于水合物樣品制備的可行性。結果表明：裝置加熱均勻性受饋能口與樣品間相對位置影響較大，其加熱均勻性隨二者間距的增加而顯著提高，數(shù)值模擬與試驗結果取得了較好的一致性；加熱時間對裝置的加熱均勻性影響較小，該微波加熱裝置可滿足制備均勻分布水合物樣品的要求，同時對于其他對加熱均勻性有一定要求的試驗裝置的設計具有參考意義。

關鍵詞：微波加熱；多孔介質；水合物樣品；均勻性；微波加熱裝置

鑒于海底高保真原位天然氣水合物樣品獲取的難度較高[1]，目前主要采用實驗室合成的方法對水合物進行研究。為確保測得的地球物理參數(shù)的準確性，人工制樣的水合物在孔隙中應分布均勻[2]。然而，由于“爬壁效應”的存在[3-5]，氣液兩相形成的水合物在多孔介質中分布很不均勻。采用冰與骨架混合制得的水合物樣品雖均勻性較好[6-8]，但水合物會成為骨架顆粒的一部分[9]形成“l(fā)oad-bearing”水合物，無法制得“noncementing”水合物樣品[10-11]，而后者對于研究海底結構穩(wěn)定性具有重要意義。

對此，采用微波加熱法制備冰成水合物樣品是解決目前多孔介質中水合物樣品的分布不均勻問題的一個新途徑。其特點在于既避免了“爬壁效應”的影響，又解決了冰成水合物方法中水合物成為骨架材料一部分的問題，同時還有利于提高水合物合成效率。骨架材料的受熱均勻性會直接決定水合物樣品的分布均勻性，而影響骨架材料受熱均勻性的因素既包括場強分布[12]，還包括骨架材料的介電特性、形狀[13]等。因此為滿足水合物的制備需要，裝置應具備較好的加熱均勻性，同時還需具有較好的可調節(jié)性?，F(xiàn)有微波加熱裝置多采用諧振腔模式，而諧振腔主要用于提高電場強度，并不利于裝置加熱均勻性的提高[14]，且受腔體的尺寸限制調整電場分布會比較困難。針對此種情況，自制了專用微波加熱裝置，并對其加熱均勻性展開研究，探討微波加熱法制樣的可行性，以期為制取多孔介質中均勻分布的水合物樣品提供方法和思路上的借鑒。

1微波加熱法制樣可行性分析

微波加熱是通過介質在電磁場中產生介質損耗而引起發(fā)熱，由電磁場理論可知，在單位體積內，損耗的微波功率計算式為：

P=2πfεoε′E2tanδ

(1)

式中：f為微波頻率；εo為真空介電常數(shù)；ε′為材料介電常數(shù)實部；tanδ為介質損耗角正切，與材料介電常數(shù)虛部ε″正相關，可用來表征介質吸波能力強弱；E為電場強度。由于冰的ε″很小，在2.45 GHz條件下取值在0.008～0.03之間[15]，吸收微波能力很弱，若骨架選用具有良好吸波性能的材質，則可實現(xiàn)對骨架顆粒的選擇性加熱，實現(xiàn)冰顆粒與骨架顆粒的分離。

基于此原理，設計如下水合物制備的基本流程：將水與骨架顆?；旌虾罄鋬觯鋬龊蟮臉悠分糜谖⒉訜岘h(huán)境中，利用微波加熱選擇性、快速性、整體性[16]特點，使升溫較快的骨架顆粒對冰外圍進行加熱，實現(xiàn)冰與骨架顆粒脫離；然后快速排水，采用常規(guī)甲烷水合物合成工藝，在一定圍壓及溫度條件下向樣品中注入甲烷氣體，氣體會經由排水后的通路及骨架顆粒間隙與冰顆粒充分反應制得水合物，最后注入水模擬原位多孔介質水合物賦存環(huán)境。由于微波的穿透性極好，其加熱均勻性明顯優(yōu)于基于熱傳導的水浴加熱以及紅外線加熱[17]，可實現(xiàn)對樣品的整體加熱，而排水后形成的通路可保證氣體與樣品各部分冰顆粒充分反應，提高了合成效率。由上述分析可知，該方法不僅可以解決多孔介質水合物合成分布不均的問題，同時還可以提高水合物的合成效率?？梢娫谘b置加熱均勻性得以保證的情況下，微波加熱法制備均勻多孔介質水合物樣品在原理上具備充分可行性。

2專用微波加熱裝置設計

由式(1)可知，介質損耗發(fā)熱功率P與電場

強度E的平方正相關，可見加熱裝置電場強度分布情況會對裝置加熱均勻性產生重要影響。Dominguez等[18]通過多饋能系統(tǒng)提高了電磁場均勻性，并認為饋能口的位置與饋能系統(tǒng)本身決定了電磁場均勻性；商輝等[19]認為微波采用側向饋入方式其場強分布會比較均勻；Geedipalli等[20]認為加入轉盤可使加熱均勻性提高40%左右；孫斌等[21]認為饋口間距對電場分布均勻性影響較大。自行設計的專用微波加熱裝置如圖1所示，采用了多饋能系統(tǒng)、圓周側向均布、旋轉樣品臺、可調節(jié)間距等設計來提高樣品受熱均勻性，并加入防護系統(tǒng)作為端負載吸收剩余的微波能，防止微波泄漏對人體造成傷害。

1—樣品管　2—波導　3—調節(jié)機構4—防護系統(tǒng)　5—供電及控制系統(tǒng)圖1　多饋源可調式微波加熱裝置Fig.1　Adjustable multi-feeding microwave heating apparatus

3微波加熱均勻性研究

3.1微波場數(shù)值模擬

通過HFSS軟件對微波場進行數(shù)值模擬，端口激勵邊界條件為：饋能口長863.6 mm，寬431.8 mm，頻率為5.45 GHz，功率1500 kW。樣品模型長280 mm，直徑75 mm。樣品與饋能口間距分別為50 mm，110 mm和170 mm，電場空間分布如圖2所示。由電場分布云圖可知，樣品中心位置處的電場強度相對較大，且隨著樣品與饋能口距離增加，場強分布趨于整體均勻。圖2(a)、圖2(b)電場分布表明樣品的上層分布有較多場強值過高區(qū)域，不能滿足加熱均勻性要求；圖2(c)場強分布較為均勻，初步認為可滿足試驗要求。

圖2　饋能口距樣品不同位置時電場分布云圖Fig.2　Electric field nephogram of specimens under different distance away from waveguides

3.2微波加熱試驗

骨架材料選用粒徑3 mm～5 mm的石灰石顆粒；樣品管為尼龍分層樣品管，內徑75 mm，總長210 mm，底層厚度10 mm，其余每層厚度20 mm；按饋能口(波導口)與樣品軸線距離將試驗分五組，分別為50 mm試驗組、80 mm試驗組、110 mm試驗組、140 mm試驗組以及170 mm試驗組，每組試驗中樣品都處于中心位置，9個波導口與樣品間距保持一致。將骨架顆粒裝入分層樣品管，待顆粒壓實后放到旋轉樣品臺上。加熱前初始室溫17 ℃，加熱30 s后快速取出，放到熱成像儀下進行觀測。

3.3試驗結果分析

加熱后溫度分布呈現(xiàn)中心高邊緣低趨勢，與數(shù)值模擬電場的分布情況相一致。去掉樣品管頂部兩層和底部兩層，記錄各試驗組剩余七層各截面的最高溫度Tmax、最低溫度Tmin以及平均溫度Tave，層位由上至下記為層1～層7，結果如圖3所示。

由圖3可知，微波裝置加熱均勻性受間距變化影響顯著。圖3(a)加熱均勻性最差，最高溫度與最低溫度差值可達50 ℃以上，溫差區(qū)間過大可能是由于距離很近的情況下，饋源輸出的能量密度過于集中而導致樣品存在溫度過高的受熱區(qū)域。圖3(b)至圖3(e)所示的加熱區(qū)間相對于圖3(a)較為集中，樣品的最高溫度曲線、最低溫度曲線以及平均溫度曲線都趨于平緩，各層最高溫度與最低溫度差值減小。

通過徑向溫度變化率和軸向溫度變化率變化情況進一步揭示加熱勻性規(guī)律。徑向溫度變化率

ε1，即徑向單位長度溫度變化量，可由式(2)～(4)求得：

rj=Tmaxj-Tminj

(2)

(3)

(4)

式中：Tmaxj，Tminj分別為第j層的最高溫度和最低溫度(j=1，2，…，7)；rj為樣品第j層徑向最高溫度和最低溫度極差；N為層數(shù)；D為樣品內徑。軸向溫度變化率ε2值可由平均值計算求得：

R=T′ave-Tave

(5)

(6)

式中：T′ave和Tave分別為各試驗組層1至層7中平均溫度最大值和最小值；R為樣品軸向平均溫度極差；L為樣品長度。根據(jù)上述計算結果，繪制各試驗組樣品徑向溫度變化率曲線和軸向溫度變化率曲線，如圖4所示。

(a)50 mm

(b)80 mm

(c)110 mm

(d)140 mm

(e)170 mm圖3　樣品各層溫度隨間距變化Fig.3　Curves of temperature distribution varying with distance in specimens

(a)徑向溫度變化率(a) Radial temperature gradient

(b)軸向溫度變化率(b)Axial temperature gradient圖4　溫度變化率曲線Fig.4　Curves of temperature gradient

圖4(a)中除110 mm試驗組外，樣品徑向溫度變化率隨饋能口與樣品間距增加呈現(xiàn)遞減趨勢，說明裝置徑向加熱均勻性隨間距增加而提高；由圖4(b)可知，樣品軸向溫度變化率隨饋能口與樣品間距增加而單調遞減，說明該裝置軸向加熱均勻性也隨間距的增加而提高。這一現(xiàn)象的產生可能是由于距離的增加導致微波加熱區(qū)增大，同時空氣介質對微波能吸收增加，降低了發(fā)射微波能密度，導致了能量發(fā)散，因而樣品的受熱均勻性提高。而圖4(a)中110 mm處的反差可能是由于該點駐波正向疊加引起場強增大所致。170 mm橫向及縱向溫度變化率很小，認為可滿足試驗要求。

3.4加熱效果測試

將表面涂有憎水劑的骨架顆粒裝入樣品管中，壓實平整后緩慢注入水，冷凍48 h。加熱距離調整為加熱均勻性最好的170 mm間距狀態(tài)，加熱時間分別設定為30 s，40 s，50 s和60 s，加熱后溫度變化率如圖5所示。加熱后溫度變化率波動幅度很小，可見在較低的溫度區(qū)間內加熱時間對加熱均勻性影響很小，表明裝置的加熱均勻性較好且受加熱時間影響較小，可滿足冰顆粒加熱的溫控要求。

圖5　不同加熱時間溫度變化率曲線Fig.5　Curve of temperature gradient with different heating time

加熱后樣品中冰顆粒與骨架顆粒已成功實現(xiàn)分離，高倍顯微鏡下兩者間可見明顯間隙，如圖6所示。樣品顆粒空隙中均含有大小不等的冰顆粒，幾乎不存在冰完全融化或仍與骨架材料固結在一起的區(qū)域，試驗重復性較好。結果表明自制的微波加熱裝置加熱均勻性較好，可滿足試驗要求，證實了上述模擬及試驗結果的可靠性。

圖6　高倍顯微鏡下分離的冰與骨架顆粒Fig.6　Separate ice and skeletal grains under high-power microscope

4結論

1) 通過數(shù)值模擬與試驗相結合的手段，對微波加熱裝置性能進行研究，結果表明：多饋源微波加熱裝置加熱均勻性隨饋能口與被加熱體間距增加而提高，隨著饋能口與樣品間距離由50 mm變到170 mm，徑向溫度變化率由0.355 ℃/mm降低到0.057 ℃/mm，軸向溫度變化率由0.197 ℃/mm降低到0.018 ℃/mm，裝置加熱均勻性提高了6～10倍，說明通過饋源位置的調控以改善加熱均勻性的方法可行。數(shù)值模擬結果與加熱試驗所得的規(guī)律取得了較好的一致性。

2) 自行設計的分層可調式多饋源波導加熱系統(tǒng)取得了良好的加熱均勻效果，加熱后冰顆粒分布情況可滿足制備多孔介質中均勻分布水合物樣品的要求，說明微波加熱輔助多孔介質水合物樣品制備的方法可行，為后續(xù)水合物合成提供了重要支撐。同時該裝置對于其他對加熱有特殊要求的微波加熱裝置設計具有參考意義。

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doi:10.11887/j.cn.201602027

*收稿日期：2015-03-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目(40904052)

作者簡介：吳冬宇(1989—)，男，黑龍江佳木斯人，博士研究生，E-mail：wudy14@mails.jlu.edu.cn；彭枧明(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師， E-mail：pengjm@jlu.edu.cn

中圖分類號：TM924.76; P744.4

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-165-06

Sample preparation method and apparatus of porous medium hydrate based on microwave heating

WU Dongyu， LUO Yongjiang， PENG Jianming， ZHANG Xinxin

(College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130021, China)

Abstract：For the problem of uneven distribution of gas hydrate synthesized in porous media, a new method for obtaining hydrate samples in porous media by microwave heating was proposed and a microwave heating apparatus was designed for this method. Based on the electromagnetic theory and the influencing factors of microwave heating uniformity, the adjustable multi-feeding microwave heating system was created. Numerical simulation and relevant heating test were made to analyze the effects of relative positions of the waveguides and specimen on apparatus heating uniformity, by which the feasibility of the apparatus to prepare gas hydrate synthesis was discussed. The results show that the heating uniformity is greatly affected by the variation of distance between the waveguides and specimen and it gets better with distance significantly. The consequence of numerical simulation is consistent with the result of experiment. The heating uniformity of the apparatus is less affected by heating time and the apparatus can meet the requirement of hydrates synthesis in uniformity，and its design may provide certain reference significance for the design of testing devices with some requirements in heating uniformity.

Key words：microwave heating; porous medium; hydrate specimen; uniformity; microwave heating apparatus

http://journal.nudt.edu.cn