李創(chuàng)輝

摘要：本文主要對(duì)于微波加熱技術(shù)相關(guān)機(jī)理等進(jìn)行闡述以及分析，從微波加熱原理、微波產(chǎn)生、系統(tǒng)構(gòu)成及分類及微波加熱技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并在此基礎(chǔ)上和傳統(tǒng)加熱方法進(jìn)行比較，分析不同加熱方法之間的優(yōu)劣勢(shì)。

關(guān)鍵詞：微波加熱;應(yīng)用;機(jī)理[Abstract]Through the analysis of the application of microwave drying mechanism，characteristics，and the comparison of the traditional drying methods，and puts forward the microwave drying and conventional drying methods used in conjunction，can better play to the advantages of different drying methods to optimize the purpose of saving energy.

[Key words]Microwave drying;The application of microwave drying

微波均勻致熱特性在工農(nóng)業(yè)及科學(xué)研究等領(lǐng)域顯示出其優(yōu)異的應(yīng)用。自從1978 年，CEM 推出了第一款用于商用微波系統(tǒng)以來，微波的復(fù)雜性和實(shí)用性不斷提高，各種不同的微波系統(tǒng)受到廣泛的研究，以適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境的需求，微波技術(shù)應(yīng)用研究及微波系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展相互促進(jìn)。隨著微波加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，微波加熱技術(shù)在跨學(xué)科跨領(lǐng)域中越來越顯示其優(yōu)越性。

1微波加熱技術(shù)的原理

1.1原理

微波的頻率范圍在300MHz-3000GHz之間，屬于波長(zhǎng)比較短的電磁波，波長(zhǎng)在物理尺寸上與常見的事物尺寸相當(dāng)或更短。微波主要核心就是能夠穿透物體內(nèi)部，在物體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，物體中的極性分子極性方向?qū)⒂呻s亂無章變成有序排列狀態(tài)，分子這種被稱為極化的有序排列狀態(tài)，使得物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生極化電場(chǎng)，這種電場(chǎng)的方向與外部電場(chǎng)相反，隨著外部電場(chǎng)方向的改變，物質(zhì)中的極性分子極性方向也隨之改變。高頻率的微波意味著外部電場(chǎng)方向隨著時(shí)間高頻率地改變，每秒以數(shù)十億次以上的速度不斷改變方向，物質(zhì)中的極性分子極性方向也這樣高速地有規(guī)律改變，在分子極性方向的高速改變過程中，分子間將產(chǎn)生摩擦，高速地摩擦導(dǎo)致熱的產(chǎn)生，將微波電磁能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，對(duì)于內(nèi)部整體分布比較均勻的物質(zhì)，在外部均勻場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱場(chǎng)分布比較均勻，從而達(dá)到物質(zhì)整體均勻加熱。

1.2微波的產(chǎn)生

在微波設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，主要利用50赫茲交流電通過相關(guān)的器件產(chǎn)生微波。目前產(chǎn)生微波方式主要諧振腔磁控管及固態(tài)微波源，諧振腔磁控管是微波電子管的一種，它具有一個(gè)圓筒狀的陰極及與之同軸的陽極，工作過程中陰極發(fā)射的電子流在外部電場(chǎng)中獲得動(dòng)能，并將動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)變成振蕩體系的交變電場(chǎng)，使振蕩體系保持穩(wěn)定振蕩過程，振蕩體系通過天線耦合發(fā)射出微波。固態(tài)微波源采用固態(tài)有源器件產(chǎn)生微波信號(hào)，能夠更準(zhǔn)確地控制微波信號(hào)輸出功率及信號(hào)的相位和頻率。諧振腔磁控管經(jīng)常使用在微波的相關(guān)工農(nóng)業(yè)加熱領(lǐng)域，其成本相對(duì)較低。固態(tài)微波源主要應(yīng)用在一些對(duì)功率控制精度相對(duì)較高的應(yīng)用中。

1.3微波加熱系統(tǒng)的組成

對(duì)于微波干燥系統(tǒng)而言，主要的組成為以下幾個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)的則是微波發(fā)生器、電源、波導(dǎo)裝置、加熱器、冷卻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[3]（圖1）。主要的核心就是在實(shí)際加熱以及干燥的過程中，

微波管主要的能起到相關(guān)的作用為磁控管以及各種的調(diào)速的管的作用，另外就是對(duì)于相關(guān)的調(diào)速管而言，一般相關(guān)的高頻功率是大于正常我們使用的頻率的，在后期采用的微波管，之后我們常見的加熱器有箱式、極板式和波導(dǎo)管式等類型。

1.4微波加熱系統(tǒng)的分類

隨著微波技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，微波系統(tǒng)的形式也各有不同，根據(jù)不同領(lǐng)域，不同應(yīng)用場(chǎng)景及微波系統(tǒng)的不同特點(diǎn)等，可將微波系統(tǒng)分為不同種類。

按微波源不同分類

根據(jù)微波源結(jié)構(gòu)不同，可分為固態(tài)微波源的微波加熱系統(tǒng)及磁控管微波源的微波加熱系統(tǒng)。前者利用現(xiàn)代有源電子技術(shù)，采用固態(tài)有源器件產(chǎn)生微波信號(hào)，具有工作電壓低、壽命長(zhǎng)、功率及頻率精度高等特點(diǎn);后者則采用技術(shù)更成熟的電子管技術(shù)，其價(jià)格相對(duì)較低。

根據(jù)頻率的不同分類

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用微波加熱采用的頻率主要有915MHz和2450MHz，因此根據(jù)頻率的不同，微波加熱系統(tǒng)可分為915MHz微波加熱系統(tǒng)和2450MHz微波加熱系統(tǒng)。兩種微波系統(tǒng)所采用的頻率不同，其在物品中的穿透厚度不一樣，頻率越高，其穿透厚度越薄，在對(duì)較厚物體進(jìn)行微波加熱處理時(shí)，往往選擇穿透性較好的915MHz微波系統(tǒng)。

根據(jù)功率是否可調(diào)分類

根據(jù)功率是否可調(diào)分為固定功率微波系統(tǒng)和可調(diào)功率微波系統(tǒng)。前者輸出功率在誤差范圍內(nèi)功率固定不變，后者是可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，能實(shí)時(shí)調(diào)整微波輸出功率大小。根據(jù)功率輸出的連續(xù)性不同，后者又可以分為間歇（多段）式可調(diào)和連續(xù)可調(diào)微波系統(tǒng)。間歇（多段）式可調(diào)微波系統(tǒng)僅可在預(yù)先設(shè)定的多種輸出功率之間調(diào)節(jié)，連續(xù)可調(diào)微波功率系統(tǒng)可以在功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

2常規(guī)加熱與微波加熱的比較

2.1常規(guī)方法

常見的為電熱加熱、蒸汽加熱等，將原來含水率較高的物品干燥去水至含水率較低時(shí)，其過程往往較長(zhǎng)，針對(duì)不同材料，這個(gè)過程甚至需要幾十個(gè)小時(shí)甚至幾天才能順利地完成，而采用微波進(jìn)行加熱干燥，其時(shí)間則是大大縮短，只需要十幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)可以完成。而且常規(guī)加熱干燥往往存在相關(guān)環(huán)境以及各種設(shè)備上的熱量的損失，室內(nèi)環(huán)境溫度比較高，而實(shí)際微波加熱能直接在物料內(nèi)部產(chǎn)生熱，環(huán)境熱量主要是物料熱散失，額外損失熱量較少。

2.2與常規(guī)方法相比

對(duì)于設(shè)備而言，微波加熱主要設(shè)備與傳統(tǒng)的加熱設(shè)備相比較，沒有比較繁瑣的線路以及各種的管道系統(tǒng)，一般只需要單純的電能作為相關(guān)的輔助能量，其能量利用率大大提高，微波加熱所需相關(guān)的占地面積也減少，能更有效利用地面面積，減少場(chǎng)地的依賴性。另外可以和相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備等各種的設(shè)備進(jìn)行互相的鏈接，組成具有比較高自動(dòng)化的生產(chǎn)線，這樣較大地提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，減少人力資源成本。在熱傳輸方面，傳統(tǒng)加熱通過在物體外部加熱，物體表面先受熱，通過熱梯度差方式，熱量從溫度較高的物體表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的物體內(nèi)部，在加熱過程的較長(zhǎng)時(shí)間或者在加熱的整個(gè)過程中，物體表面與物體內(nèi)部始終存在較大的溫度差，導(dǎo)致物體內(nèi)外加熱不均勻，速度較慢、品質(zhì)不佳等。

3微波加熱技術(shù)的應(yīng)用

3.1微波在干燥領(lǐng)域應(yīng)用

由于微波加熱具有均勻、高效、潔凈等特點(diǎn)，微波加熱技術(shù)成為微波干燥的一個(gè)重要應(yīng)用之一，利用微波干燥技術(shù)，能更加快速干燥物料，提高干燥物料品質(zhì)。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，采用微波爐所干燥的馬鈴薯片相比較在熱風(fēng)對(duì)馬鈴薯的干燥本質(zhì)上相關(guān)的結(jié)構(gòu)也是發(fā)生了變化，其中隨著研究人員的進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際上干燥過的馬鈴薯比熱風(fēng)的馬鈴薯相關(guān)的維生素C相關(guān)的含量更高，同時(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)人員還發(fā)現(xiàn)，在相關(guān)的馬鈴薯的收縮的系數(shù)和相關(guān)的含水量的減少系數(shù)可以說成線性的關(guān)系，尤其是在對(duì)熱風(fēng)干燥的過程中，兩者之間的曲線的斜率可以說實(shí)際上保持不變，簡(jiǎn)單的概述為隨著相關(guān)的馬鈴薯的含水量的不斷減少，以及馬鈴薯相關(guān)的體積也是在不斷的進(jìn)行收縮，尤其是在相關(guān)微波的干燥下，馬鈴薯收縮的系數(shù)和水分的含量在不斷的減少之間的曲線被分為兩端直線，其中前端的斜率非常的小，也就是隨著水分降低，體積進(jìn)行不斷的緩慢的收縮，這個(gè)也是表明相關(guān)的含水量在不斷的減少，馬鈴薯相關(guān)的體積在不斷的收縮。

3.2微波在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

相比于傳統(tǒng)的加熱方式，微波加熱能夠深入物體內(nèi)部，且不依賴熱傳導(dǎo)，可以快速在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱，熱散失熱小，熱轉(zhuǎn)換效率高，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體及微粒，不污染環(huán)境。因此，可以應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，逐步成為跨學(xué)科的新趨勢(shì)。

微波作用于物料主要在微波系統(tǒng)中的反應(yīng)器完成，常用的微波反應(yīng)器類型有箱式、平板式、曲折波導(dǎo)式和輻射式等一種或多種的組合。微波應(yīng)用于材料科學(xué)是微波加熱技術(shù)的一種重要應(yīng)用，可以同時(shí)應(yīng)用于有機(jī)材料和無機(jī)材料中。丁海 兵等[9，10]利用微波穿透性特點(diǎn)，采用微波加熱處理技術(shù)，將人造有機(jī)大理石固化過程從傳統(tǒng)方法10-15d減縮到2小時(shí)以內(nèi)，極大地減少了固化時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期，減緩存儲(chǔ)難技術(shù)問題，更有效應(yīng)對(duì)市場(chǎng)應(yīng)急需求，大大提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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課題（中英文）"內(nèi)置稱量裝置的功率連續(xù)可調(diào)微波系統(tǒng)研究（賀科攻1908008）