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微波加热技术原理及运用摘要本文介绍微波加热技术原理，从微波加热与解冻、微波干燥、微波改性、微波烧结、微波杀菌等方面，介绍了微波加热技术的应用情况。关键词微波加热，机理，应用微波是指波长足够短，能在发射和接收过程中实际应用波导和谐振腔技术的电磁波，其波长范围在1—1000mm之间，频率范围为3×105MHz—300MHz。在电子、电信工业及其它相关领域中获得极其广泛的应用。近十余年来,微波作为一种特殊新能源的开发研究引起多方关注，随着研究的不断深入与技术水平的提高，微波加热不断被开发出新的应用途径。1.微波加热原理及特性1．1微波加热的基本原理微波热效应是微波加热的物理基础，它是由材料的介质损耗产生的。微波加热呈辐射加热方式，介质材料吸收微波能量转化为热能，在微波电磁场每秒种千百万次的速度变化的作用下，待加热物质中极性分子随着交变的微波场不断改变排列方向，克服分子原有的热运动与分子间相互作用力的干扰和阻碍，产生类似摩擦的效应使物体内部发热，微波能转化为热能。按加热方式的不同，我们可以把固体物料的加热分为两类:一类是常规加热，该方法是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热固体周围的环境或固体表面，使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部。另一类干燥方法是介质微波加热，其加热原理是:当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，从而产生大量的热。1．2微波加热的特性即时性，用微波加热介质物料时，加热非常迅速。只要有微波辐射,物料即刻得到加热。若物料就得不到微波能量而立即停止加热,它能使物料在瞬间得到或失去热量来源，表现出对物料加热的无惰性。整体性，微波是一种穿透力强的电磁波，它能穿透物体的内部，向被加热材料内部辐射微波电磁场，推动其极化水分子的剧烈运动，使分子相互碰撞、摩擦而生热。选择性，不同材料由于其自身的介电特性不同，其对微波的反应也不相同，根据材料对微波的不同反应，我们可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。高效性，微波进行加热时,介质材料能吸收微波，并转化为热能，而设备壳体金属材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波。所以,微波加热是内部“体热源”，它并不需要高温介质来传热，因此绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需的热量，形成了微波能量利用高效率的特性。微波加热安全、卫生、无污染，具有很强的杀菌能力。除此之外，微波加热还具有加热质量高、营养破坏少、加热设备紧凑、节省空间等优点。2.微波加热的应用2.1微波加热与解冻由于微波加热具有即时性的特点，我们可以使用微波在很短的时间内将物料加热到所要求的温度。目前微波纯加热技术已被广泛应用于工业生产、家庭民用中。据估计，全世界有超过8000万台家用微波炉在使用着，它为人们的生活提供了巨大的方便。微波加热技术可以应用于冻结物料的解冻处理，与传统的解冻方法相比，微波解冻具有解冻时间短，冻品滴水少，无污水排放、工作环境整洁等一系列优点。据报道，仅需几分钟，原木表面的1—1.5cm深处温度能由-20℃上升到0℃，而且此时树皮附着力也随之下降，与蒸汽/热水解冻相比，每生产1吨纸浆可节省能耗100—300MJ。2.2微波干燥微波干燥是把固体湿物料作为一种电介质，置于微波交变电磁场中，在频繁交变电磁场的作用下，物料中的极化水分子迅速旋转，相互摩擦，产生热量，从而加热和干燥物料。用微波对物料进行干燥时，一般物料表面温度低于芯层温度，形成“负温度场”(一般加热方式为正温度场)，且物料内产生较高的蒸汽压力，与环境形成较大的静压力差，使物料中的自由水和水蒸气形成渗透流。负温度场和物料内外静压力梯度的存在，使微波干燥完全不同于传统的物料干燥方法，形成了微波干燥的独特机理。它具有干燥速度快、质量好的优点。于秀荣等曾用微波对玉米进行干燥，并研究了不同加热功率和加热时间对玉米发芽率、暴腰率、过氧化氢酶活性的影响。其研究表明，选择合适的加热功率和时间，在保持玉米良好品质和低暴腰率的前提下，可以实现对玉米的快速干燥。2.4微波烧结微波烧结技术是一门新的烧结工艺。相对于传统的烧结方法，微波烧结具有突出的优势：材料内部结晶结构更加均匀，致密度更高，改善了材料的性；实现选择性烧结，产生具有新的微观结构和优良性能的材料。作为前沿跟踪技术，我国也于1988年将微波烧结技术列入国家高技术研究发展计划(“863”计划)，取得了可喜的成绩。2.5微波杀虫、灭菌很多研究表明：当物料作用于微波场中时，能引起物料的温升,即产生“温度场”，同时，还能造就“电磁场”，对生物体产生比温度场更大的效能，即微波的生物效应，从而达到杀虫、灭菌的目的。但有些学者认为，微波的量子能量只有1.62×10-5eV,而HOH这样的弱化学结合能也有3—6eV，用微波的非热效应达到杀虫、灭菌的目的是不可能的，其影响生物体的只能是微波的热效应由于微波灭菌的效果十分显著，目前微波灭菌技术已经被广泛应用于牛奶、酱油、肉制品、饲料的消毒灭菌处理。用微波对食品进行消毒、灭菌处理后，可以不用在食品中添加防霉、防腐剂等对身体有害的物质，确保了消费者身体健康。此外，微波能有效地杀灭原材料中混杂的昆虫卵,但不会损伤原材料或有任何残留物。据报道,日本东芝公司利用微波对蒲草编织的草进行工业化杀虫处理。谷物中害虫也可用射频或微波有效地杀灭。.2.6微波加热在工业领域中的应用微波加热在工业领域中应用的明显特点是快速、节电、五环境污染，是一伸新的工艺；现已进入国民经济的一些部门，在油田勘探中，利用微波加热方法分析与研究岩芯的特性，测量含水饱和度，烘烤测定全直径孔隙度等等。2.7微波加热在微波医疗中的应用微波医疗是利用微波的穿透性、选择性特点及其介质加热效应来达到治病保健的日的，将微波加热与计算机控制，抗干扰精密测温技术相结含，微波能作热源，使人体内极性分子(各种盐离子、极性蛋白质、水分等)在微波电场作用下，产生离子导电损耗与偶极子介质损耗，微波能被转变成分子内能(生物热效应)，发展为治疗疑难病症的有效手段之一。微波医疗仅由微波源、控制器、辐射器、检测器、变换器、视器等几大部分构成，因病变部位不同，症状各异，需要的微波功率亦相应变化，所以微波功率大小可以调节。微波辐射器有各种不同形状，可最有效而准确地将微波能导引辐射到病变部位。3微波加热技术的应用前景加热过程几乎涉及到国民经济的各个部门，广泛应用于国民生产和人民的日常生活中。微波加热作为是一项新技术，它具有众多其他加热方法无法比拟的优点，无疑将会在各部门得到大力推广和应用。但我们也应认识到微波加热一项新技术、新方法，我们对它的研究还很不深入，它在应用的过程中也表现出了一些缺点和不足。如以微波干燥为例，其所用能源为高价位的电能，与传统能源相比，有时其干燥成本仍然较高；单独用微波干燥物料，若控制不当，容易使物料内产生过快的温升和很高的温度，从而导致物料内部产生“炸裂”，甚至出现烧焦现象。在进入20世纪90年代以后，由于电子技术的飞速发展，微波加热技术也日趋成熟，微波加热设备日渐精良；电力供应得到了很大程度的改善，微波设备电子器件价格的下跌及能源比价的调整，使得微波加热设备及微波加热的直接成本有了大幅度的下降；全球环境的不断恶化，使人们逐步认识到传统的加热方式不再是一种环保良好的作业。这些都为微波加热的应用和发展提供了良好的契机和广阔的前景。我们可以预见：微波加热技术将以其独特的优势在未来的生产和生活中发挥非常重要的作用。周开理2014050205004