微波加熱技術(shù)

1、微波加熱技術(shù)一、微波加熱技術(shù)的發(fā)展概況微波技術(shù)首先應(yīng)用于通信、廣播、電視技術(shù)中。在這些領(lǐng)域里，微波作為一種 信息或信息的載體被利用。在微波通信工程的數(shù)十年應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)始終伴隨有一種 會引起微波能損耗、需要設(shè)法防止和消除的有害因素一一熱效應(yīng)。早在1945年， 美國就有人提岀利用微波的這種熱效應(yīng)來對材料進行加熱的想法。隨后有不少人對 此課題一一微波加熱一一進行了不段探索、試驗和研究。直到六十年代末。微波能終于被作為一種能源來加以利用，進行加熱、干燥、殺蟲、滅菌、醫(yī)療 等工業(yè)項H上。首創(chuàng)是在食品工業(yè)方面，而家用微波爐的出現(xiàn)更進一步擴大了微波 加熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)在，微波加熱作為一項新技術(shù)已受到各學(xué)

2、科領(lǐng)域的高度重 視和應(yīng)用開發(fā)。國外對微波能應(yīng)用研究及學(xué)術(shù)交流一直很活躍與重視。1966年在北美加拿大的 阿爾伯泰(Alberta)城設(shè)立了國際微波功率學(xué)會(簡稱IMPI),每年舉行一次學(xué)術(shù)討 論會，并定期出版季刊微波功率雜志(The Journal of Microwave Power)o我國在70年代開始微波能應(yīng)用研究工作，于1973年開始微波加熱應(yīng)用技術(shù)的 研究和微波加熱用磁控管的研制。1974年和1980年電子工業(yè)部召開了 “全國微波 能推廣應(yīng)用技術(shù)交流會”，交流微波學(xué)術(shù)及應(yīng)用技術(shù)問題。81年3月經(jīng)四機部批 準，抽調(diào)部屬單位的科技力量，成立了一一中國電子器件工業(yè)總公司微波能推廣應(yīng) 用站，

3、負責全國微波能推廣應(yīng)用的組織、設(shè)計研究工作。1983年10月中國電子學(xué) 會召開了首屆“全國微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會”。嗣后每二年在全國選擇推廣應(yīng)用好 的地區(qū)輪流舉辦微波應(yīng)用技術(shù)交流，以推動國內(nèi)微波事業(yè)的發(fā)展。每屆均有論文集 出版，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、科研等方面的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國已在皮革、木材、彩色印刷、食品、紙張、化工、陶瓷、藥品、煙 葉、建材、橡膠以及醫(yī)療等行業(yè)逐漸采用微波技術(shù)，并取得了良好的經(jīng)濟效益。微 波能技術(shù)作為一種新的加工手段，對各行業(yè)的技術(shù)改造和設(shè)備更新已形成極大地沖 擊。特別是現(xiàn)階段，擺在各經(jīng)營者面詢的是解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與社會需求的問題，適應(yīng) 社會發(fā)展對產(chǎn)品品質(zhì)、品種要求的提高。其

4、焦點之一就是技術(shù)創(chuàng)新不足、品質(zhì)升級 滯后。微波技術(shù)的出現(xiàn)為提高產(chǎn)品檔次、跟上技術(shù)進步、創(chuàng)高附加值產(chǎn)品提供了良 好條件。八食品工業(yè)民以食為天，食品工業(yè)是我國迅速崛起的支柱產(chǎn)業(yè)。利用微波可對食品進行膨 化、烘干、脫腥和保鮮處理。目前已用于糕點、牛肉干、土豆片、魚片干、鹽水 鴨、腰果、花生米、瓜子、大豆等方面的生產(chǎn)中。我公司每年都生產(chǎn)有50, 60套微 波設(shè)備應(yīng)用于食品工業(yè)。,、木材加工微波可對,，公分厚的木板進行均勻、快速烘干，干燥只需十兒分鐘，且不開 裂、變形小，同時殺死木材內(nèi)部的卵蟲和幼蟲;也可對膠合板或拼板膠接的固化處 理;竹制品干燥、滅霉殺菌。,、橡膠工業(yè)日本用2450MHz、5, 10k

5、w微波加熱設(shè)備對輪胎作一次加熱，升溫到硫化溫度后 用熱風保溫，可硫化3, 4噸重量的輪胎;美國采用915MHz、50kw喇叭天線作為輻射 加熱器，利用程序控制對大型輪胎進行旋轉(zhuǎn)掃描，其優(yōu)點是加熱均勻、硫化時間縮 短三分之一。我公司研制的微波設(shè)備在福建用于普通膠條或帶金屬骨架膠條的連續(xù) 硫化，質(zhì)量可與進口設(shè)備媲美，價格是其三分之一。,、殺蟲滅菌用微波可在較低溫度下滅菌殺蟲。處理食品、藥品、煙草、木材等。在70, 80? 時就能起到殺蟲滅菌作用。且升溫速度快，不受物料厚度、形狀影響。八脫硫原煤中的硫以黃鐵礦形式岀現(xiàn)，黃鐵礦比煤有更高的損耗角正切，因此利用微 波可使黃鐵礦得到選擇性加熱與氣體發(fā)生反應(yīng)

6、，進行脫硫。而煤不受影響。理想的 方法是以持續(xù)時間為0. 1秒的脈沖波進行間歇式加熱，將黃鐵礦石加熱到約650? 的高溫。這種方法去硫效果好，不需昂貴的催化劑，節(jié)省資金，能源效率高，環(huán)境 污染小。,、微波等離子體技術(shù)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中已經(jīng)采用微波等離子體技術(shù)，進行刻蝕、濺射、氣相沉積、 氧化硅片;還可用于金屬、合金、非金屬的表面處理;用于等離子體光譜分析，可檢 測十兒種元素。八醫(yī)療微波生物效應(yīng)分熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。其熱效應(yīng)在醫(yī)療方面可進行微波理療、配 合放療和化療進行透熱治癌；另外還可以利用微波加熱血漿、解凍冷藏器官;還可設(shè) 計微波手術(shù)刀，開刀止血快、出血量少。八測量微波測量精度高，適宜于生產(chǎn)中連

7、續(xù)測量和自動控制。已廣泛用于測距、測 溫、測厚、測速等方面。,、陶瓷燒結(jié)微波可進行陶瓷的均勻致密化燒結(jié)，最高溫度可達2000?,獲得大尺寸的精細 陶瓷。,八化學(xué)工業(yè)微波在化學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，如微波消解、萃取、水解、催化反應(yīng)等。二、微波加熱原理及特點,、什么是微波微波與無線電波、電視信號、通訊雷達、紅外線、可見光等一樣，都屬電磁 波，只是波長不相同。微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電磁波（波長1米,1毫米）， 通常用于電視、廣播、通訊技術(shù)中，如圖（一）。而近代把微波作為一種能源，乂拓 展了一個分支技術(shù)，在工農(nóng)業(yè)上進行加熱、干燥;在化學(xué)工業(yè)中進行催化、萃取等 化學(xué)反應(yīng)和激發(fā)等離子體;等等”。

8、家用微波爐的使用更標志微波技術(shù)的日趨成熟。由于電磁波的應(yīng)用極為廣泛和普及，特別是通信領(lǐng)域，為避免相互干擾，國際 無線電管理委員會對頻率的劃分作了具體規(guī)定。分給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)用的頻率有 433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，與通信頻率分開使用。U前國內(nèi)用于工業(yè)加熱的常用頻率為915兆赫和2450兆赫。微波頻率與功率的選 擇可根據(jù)被加熱材料的形狀、材質(zhì)、含水率的不同而定。,、微波加熱原理物料介質(zhì)山極性分子和非極性分子組織，在電磁場作用下，這些極性分子從隨 機分布狀態(tài)轉(zhuǎn)為依電場方向進行取向排列。而在微波電磁場作用下，這些取向運動 以每秒數(shù)十億次的頻率不斷變化，造成分子

9、的劇烈運動與碰撞摩擦，從而產(chǎn)生熱 量，達到電能直接轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能?？梢?，微波加熱是介質(zhì)材料自身損耗電場 能量而發(fā)熱。而不同介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值tg是不同 的，故微波電磁場作用下的熱效應(yīng)也不一樣。山極性分子所組織的物質(zhì)，能較好地 吸收微波能。水分子呈極強的極性，是吸收微波的最好介質(zhì)，所以凡含水分子的物 資必定吸收微波。另一類山非極性分子組成，它們基本上不吸收或很少吸收微波， 這類物質(zhì)有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚硯等、塑料制品和玻璃、陶瓷等，它們能透過微波，而不吸收微波。這類材料可作為微波加熱用的容器或支承物，或做 密封材料。在微波電場中，介質(zhì)吸收微波功率的大小P正比于頻率

10、f、電場強度E的平 方、介電常數(shù)e r和介質(zhì)損耗正切值tg 8 o即：P = 2n f?E2? r?V?tg 8V -物料介質(zhì)吸收微波的有效體積此外，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是有的加熱透，有的加熱不透，這就 存在一個投射能力和加熱深度問題，什么叫穿透能力呢，穿透能力就是電磁波穿入 到介質(zhì)內(nèi)部的本領(lǐng)，電磁波從介質(zhì)的表面進入并在其內(nèi)部傳播時，由于能量不斷被 吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，它所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離，以指數(shù)形式衰 減。透射深度被定義為:材料內(nèi)部功率密度為表面能量密度的1/e或36. 8%處算起 的深度D,即,0 D,2, r, tg,從式中可看出，微波的加熱深度比紅外加熱大得多

11、，因為微波的波長是紅外波 長的近千倍。紅外加熱只是表面加熱，微波是深入內(nèi)部加熱。,、微波加熱的優(yōu)點（1）加熱速度快常規(guī)加熱（如火焰、熱風、電熱、蒸汽等）都是利用熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射將熱 量首先傳遞給被加熱物的表面，再通過熱傳導(dǎo)逐步使中心溫度升高（既常稱的外部 加熱）。它要使中心部位達到所需的溫度，需要一定的熱傳導(dǎo)時間，而對熱傳導(dǎo)率 差的物體所需的時間就更長。微波加熱則屬內(nèi)部加熱方式，電磁能直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱，且透射使介質(zhì)內(nèi)外同時受熱，不需要熱傳導(dǎo)，故可在短時間內(nèi)達到 均勻加熱。(2) 均勻加熱用外部加熱方式加熱時，為提高加熱速度，就需升高外部溫度，加大溫差梯 度。然而隨之就容易產(chǎn)生外焦

12、內(nèi)生現(xiàn)象。微波加熱時不論形狀如何，微波都能均勻 滲透，產(chǎn)生熱量，因此均勻性大大改善。(3) 節(jié)能高效不同物料對微波有不同吸收率，含有水份的物質(zhì)容易吸收微波能。玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等則很少吸收微波，金屬將反射電波，這些物質(zhì)都不 能被微波加熱。微波加熱時，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室內(nèi)，加 熱室對電磁波來說是個封閉的腔體，電磁波不能外泄，只能被加熱物體吸收，加熱 室內(nèi)的空氣與相應(yīng)的容器都不會被加熱，所以熱效率高。同時工作場所的環(huán)境溫度 也不會因此而升高，生產(chǎn)環(huán)境明顯改善。(4)易于控制微波功率的控制是111開關(guān)、旋鈕調(diào)節(jié)，即開既用，無熱慣性，功率連續(xù)可調(diào)， 易于自動化。(

13、5)清潔衛(wèi)生對食品、藥品等加工干燥時，微波熱效應(yīng)與生物效應(yīng)能在較低的溫度下迅速殺 蟲滅均，能最大限度的保持營養(yǎng)成分和原色澤，所以微波加熱在食品工業(yè)中得到廣 泛的應(yīng)用。(6)選擇性加熱不同性質(zhì)的物料對微波的吸收損耗不同，既選擇性加熱的特點，這對干燥過程 有利。因為水分子對微波的吸收損耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多 于含水量較低的部位，從而干燥速率趨一致。但有些物質(zhì)呈負溫度系數(shù)，溫度愈 高，和毘將增大，吸收愈好，造成正反饋使這一部分的溫度急劇上升。對 這類物質(zhì)進行微波加熱就要注意合理制定加工丄藝。（7）安全無害通常微波能是在金屬制成的封閉加熱室、波道管內(nèi)傳輸。公司集多年加工經(jīng)驗 和技術(shù)

14、裝備，采用先進設(shè)計，使進出料口、觀察窗、爐門等處的微波泄漏嚴格控制 在國家安全標準指標內(nèi)，大大低于國家制定的安全標準。而且微波不屬于放射性射 線、乂無有害氣體排放，是一種十分安全的加熱技術(shù)。微波加熱干燥方法與通常加 熱方法（如熱空氣、火焰、電熱器、煤氣爐、紅外線、高頻感應(yīng)加熱等）相比，具有 許多特點。主要是:不需熱量山表及里的傳遞，直接加熱物體內(nèi)部，且熱常場溫度 分布均勻;溫度可瞬時控制，準確控制加熱時間;所需加熱時間短;產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量 及勞動生產(chǎn)率得到提高;適合生產(chǎn)過程自動化;無公害、污染問題。在我國首先是從微波理療機的試制開始，隨后推廣到食品、茶葉、煙草、皮 革、藥品、紙張、木材、橡膠等輕

15、工業(yè)產(chǎn)品的加工方面，以及農(nóng)業(yè)上的糧食烘干、 種子處理等方面。三、微波在食品工業(yè)中的應(yīng)用口前，國外在食品工業(yè)中采用微波技術(shù)最多的是應(yīng)用于“回溫”解凍，食品干 燥、膨化和予烹調(diào)?！盎販亍笔侵笇⒔鈨鍪称返臏囟葟纳疃冉鈨鰻顟B(tài)上升至-4,- 5?o這時食品雖還有一定碩度，但已可切片分割。用微波“回溫”食品比常規(guī)方法 具有許多突出的優(yōu)點:如加工時間大大縮短、容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量好、色澤和鮮度 都能保持，水分和營養(yǎng)成分損失少、含菌量低、處理效率高、成本低、耗能少、占 地面積小、勞動條件和環(huán)境衛(wèi)生得到改善等。一臺915MHz 25Kw的設(shè)備，每小時可 處理1噸凍肉，耗電約40度。美國和日本現(xiàn)以大量采用微波回溫（

16、或解凍）冷凍的 肉、魚和草莓等。美國Microdry公司研制的915MHz 60Kw通心面微波干燥已用于生產(chǎn)。該機先 用71,82?的熱空氣，在35分鐘內(nèi)將面條的含水量降至18%左右，然后采用微波加 熱，同時伴以溫度為80, 90?,溫度為15, 20%的熱風對流。利用微波快速升溫、由里 向外蒸發(fā)水分的優(yōu)點，用熱風加速表面水分的蒸發(fā)，在12分鐘內(nèi)將含水量降至 13%,最后進行冷卻。該機比原設(shè)備節(jié)能25%,加工時間從8小時縮短到1.5小 時，沒小時加工通心面4000磅，產(chǎn)品細菌含量為原來l/15o產(chǎn)品色澤、口味、口 感都比傳統(tǒng)方法好，目前大量投入使用。該機還可以干燥薯片、洋蔥片等。法國國 際微波

17、公司，設(shè)計了微波真空干燥速溶桔粉的膨化裝置。真空室的直徑為1. 5m,長 為12m。饋入2430MHz, 48kw的微波功率，使用玻璃增強聚四氟乙,烯傳輸帶進行傳送。它先將含有63%固形的桔漿抽吸并涂布在寬1. 2m的傳送 帶上，堆高37mm, 80, 100T的低壓下輸入微波能量，加熱40分鐘，可膨化到厚度 80, 100mm,含水量20%的速溶桔粉，其產(chǎn)量58kg/h,年產(chǎn)220噸。產(chǎn)品不僅保持了 桔汁原有的色香味，而且保留的Vc是噴霧干燥法不可能達到的。日本研制的一種 微波膨化干燥蛋黃粉設(shè)備使用16只2450MHz, 5kw的磁控管，總輸出功率90kW, 其方法是先將蛋黃漿料涂布在傳送帶

18、上，用遠紅外預(yù)熱到80?,然后用微波加熱， 膨化至3, 5cm厚，再急速冷卻到40?,切碎后繼續(xù)用常規(guī)方法制成蛋黃粉，日產(chǎn)1 噸。美國將微波與蒸汽結(jié)合預(yù)烹咸肉片或雞塊用于工業(yè)生產(chǎn)。其特點是:處理速度 快、加工質(zhì)量好、不破碎、可節(jié)省原料27%,現(xiàn)已大量投入工業(yè)生產(chǎn)，頻率都是 913MHz,功率150, 240kw,最大300kw,釆用隧道式加熱器或V型加熱器。用微波處 理分割后的雞塊，視不同部位如翅、腿、脯、爪等分別采用不同的功率電平加以處 理。設(shè)備有單獨采用微波的,還有微波與蒸汽相結(jié)合的，微波功率為50, 80kW,頻 率915MHz、2450MHz的均有采用?？商岣弋a(chǎn)量、降低損耗、節(jié)省勞動力。瑞典采 用2450MHz 30kw的微波裝置生產(chǎn)肉餡餅。山自動機械