微波加熱技術(shù)的研究與應(yīng)用

微波是指具有足夠波長的波形。它可以實際應(yīng)用于傳輸和接收過程中的波和和諧腔技術(shù)。波長范圍為1-1000mm，相應(yīng)頻率范圍為3-105hz-300hz。1936年，波傳輸在美國成功。在此基礎(chǔ)上，微波技術(shù)在通信、廣播和電視領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在使用微波時，由于發(fā)現(xiàn)微波引起了熱效應(yīng)，人們發(fā)現(xiàn)它正在引起世界。1945年，美國人斯皮爾申請了第一個微波加熱技術(shù)專利。1955年，美國泰潘公司向市場推出了世界上第一臺微波加熱技術(shù)。20世紀(jì)70年代初，中國開始研究和使用微波加熱技術(shù)。首先，我們在開發(fā)連續(xù)波管方面取得了重大進(jìn)展，尤其是大波管的精制和制造能力為提高微波加熱技術(shù)的應(yīng)用提供了先決條件。20世紀(jì)80年代，中國開始生產(chǎn)微波。到目前為止，國內(nèi)波調(diào)機(jī)、工業(yè)微波等系列產(chǎn)品的產(chǎn)量已達(dá)到世界先進(jìn)水平。1微波加熱的原理和性能1.1微波加熱干燥按加熱方式的不同,我們可以把固體物料的加熱分為兩類:一類是常規(guī)加熱,該方法是首先通過傳導(dǎo)、對流、輻射的傳熱方式加熱固體周圍的環(huán)境或固體表面,使固體的表面得到熱量,然后再通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳到固體內(nèi)部,其加熱介質(zhì)可以是熱空氣、爐氣、過熱蒸汽,也可以是遠(yuǎn)紅外線輻射等.這種加熱方式效率低,加熱時間長.另一類干燥方法是介質(zhì)微波加熱,這是一種全新的加熱方法.其加熱原理是:當(dāng)有極分子電介質(zhì)和無極分子電介質(zhì)置于微波電磁場中時,介質(zhì)材料中會形成偶極子或已有的偶極子重新排列,并隨著高頻交變電磁場以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動,分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列,就必須克服分子原有的熱運動和分子相互間作用的干擾和阻礙,產(chǎn)生類似于摩擦的作用,實現(xiàn)分子水平的“攪拌”,從而產(chǎn)生大量的熱.可見常規(guī)加熱與微波加熱是兩種迥然不同的加熱方法.微波加熱是一種“冷熱源”,它在產(chǎn)生和接觸到物體時,不是一股熱氣,而是電磁能.它具有一系列傳統(tǒng)加熱所不具備的獨特優(yōu)點.1.2它具有微波加熱性能1.2.1無食性能及熱反應(yīng)用微波加熱介質(zhì)物料時,加熱非常迅速.只要有微波輻射,物料即刻得到加熱.反之,物料就得不到微波能量而立即停止加熱,它能使物料在瞬間得到或失去熱量來源,表現(xiàn)出對物料加熱的無惰性.根據(jù)德拜理論,極性分子在極化弛豫過程中的弛豫時間τ與外加交變電磁場極性改變的角頻率ω有關(guān),在微波段時有ωτ=1的結(jié)果.我國工業(yè)微波爐加熱設(shè)備常用的微波工作頻率為915MHz和2450MHz,根據(jù)計算,其τ約為10-11—10-10s數(shù)量級.因此,微波能在物料內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能的過程具有即時特征.1.2.2微波電磁加熱微波是一種穿透力強(qiáng)的電磁波,如頻率為915MHz的電磁波,其波長為32cm,它能穿透物體的內(nèi)部,向被加熱材料內(nèi)部輻射微波電磁場,推動其極化水分子的劇烈運動,使分子相互碰撞、摩擦而生熱.因此其加熱過程在整個物體內(nèi)同時進(jìn)行,升溫迅速,溫度均勻,溫度梯度小,是一種“體熱源”,大大縮短了常規(guī)加熱中熱傳導(dǎo)的時間.除了特別大的物體外,一般可以做到表里一起均勻加熱.這符合工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)和自動化控制的要求.1.2.3微波加熱對混合物料的制備并非所有材料都能用微波加熱,不同材料由于其自身的介電特性不同,其對微波的反應(yīng)也不相同,根據(jù)材料對微波的不同反應(yīng),我們可將材料分為:微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型.因此,我們可以利用微波加熱的選擇性對混合物料中的各組分或零件的不同部位進(jìn)行選擇性加熱.如:利用微波加熱對物料進(jìn)行膠合加工時,其發(fā)熱和溫升集中在膠層,避免了膠縫周圍物料因高溫而造成的熱損壞.1.2.4微波加熱技術(shù)特點在常規(guī)加熱中,設(shè)備預(yù)熱、輻射熱損失和高溫介質(zhì)熱損失在總的能耗中占據(jù)較大的比例,而微波進(jìn)行加熱時,介質(zhì)材料能吸收微波,并轉(zhuǎn)化為熱能,而設(shè)備殼體金屬材料是微波反射型材料,它只能反射而不能吸收微波(或極少吸收微波).所以,組成微波加熱設(shè)備的熱損失僅占總能耗的極少部分.再加上微波加熱是內(nèi)部“體熱源”,它并不需要高溫介質(zhì)來傳熱,因此絕大部分微波能量被介質(zhì)物料吸收并轉(zhuǎn)化為升溫所需要的熱量,形成了微波能量利用高效率的特性.與常規(guī)電加熱方式相比,它一般可以節(jié)電30%—50%.1.2.5微波加熱處理常規(guī)加熱一般采用礦物燃料作為能源,其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳被稱為產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要成分.而微波加熱所用能源為電能,對環(huán)境沒有污染.用微波輻射生物體時,除了產(chǎn)生微波熱效應(yīng)外,微波還能使生物體的生物活性得到抑制或激勵,即微波的非熱效應(yīng)或生物效應(yīng).在相同溫度條件下,微波對細(xì)菌的致死率遠(yuǎn)高于常規(guī)加熱.除此之外,微波加熱還具有加熱質(zhì)量高、營養(yǎng)破壞少、加熱設(shè)備緊湊、節(jié)省空間等優(yōu)點.2微波加熱技術(shù)應(yīng)用由于微波加熱技術(shù)具有許多常規(guī)加熱技術(shù)所不具備的優(yōu)點,國外從20世紀(jì)60年代起就將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于許多行業(yè).我國從20世紀(jì)70年代開始研究并應(yīng)用微波加熱技術(shù),目前它已被廣泛應(yīng)用于紡織與印染、造紙與印刷、煙草、藥物和藥材、木材、皮革、陶瓷、煤炭、橡膠、化纖、化工產(chǎn)品、醫(yī)療等行業(yè).其應(yīng)用主要反映在微波加熱與解凍,微波改性,微波干燥,微波滅菌與殺蟲等方面.2.1微波解凍法由于微波加熱具有即時性的特點,我們可以使用微波在很短的時間內(nèi)將物料加熱到所要求的溫度.目前微波純加熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家庭民用中.據(jù)估計,全世界有超過8000萬臺家用微波爐在使用著,它為人們的生活提供了巨大的方便.微波加熱技術(shù)可以應(yīng)用于凍結(jié)物料的解凍處理,與傳統(tǒng)的解凍方法相比,微波解凍具有解凍時間短,凍品滴水少,無污水排放、工作環(huán)境整潔等一系列優(yōu)點.據(jù)報道,僅需幾分鐘,原木表面的1—1.5cm深處溫度能由-20℃上升到0℃,而且此時樹皮附著力也隨之下降,與蒸汽/熱水解凍相比,每生產(chǎn)1噸紙漿可節(jié)省能耗100—300MJ.2.2微波干燥玉米微波干燥是把固體濕物料作為一種電介質(zhì),置于微波交變電磁場中,在頻繁交變電磁場的作用下,物料中的極化水分子迅速旋轉(zhuǎn),相互摩擦,產(chǎn)生熱量,從而加熱和干燥物料.用微波對物料進(jìn)行干燥時,一般物料表面溫度低于芯層溫度,形成“負(fù)溫度場”(一般加熱方式為正溫度場),且物料內(nèi)產(chǎn)生較高的蒸汽壓力,與環(huán)境形成較大的靜壓力差,使物料中的自由水和水蒸氣形成滲透流.負(fù)溫度場和物料內(nèi)外靜壓力梯度的存在,使微波干燥完全不同于傳統(tǒng)的物料干燥方法,形成了微波干燥的獨特機(jī)理.它具有干燥速度快、質(zhì)量好的優(yōu)點.于秀榮等曾用微波對玉米進(jìn)行干燥,并研究了不同加熱功率和加熱時間對玉米發(fā)芽率、暴腰率、過氧化氫酶活性的影響.其研究表明,選擇合適的加熱功率和時間,在保持玉米良好品質(zhì)和低暴腰率的前提下,可以實現(xiàn)對玉米的快速干燥.王俊等曾研究了稻谷的微波干燥特性及品質(zhì),其結(jié)果表明,當(dāng)干燥功率不超過0.2W/g時,稻谷的發(fā)芽率高,暴腰率低,總的干燥時間可縮短到熱風(fēng)干燥的1/3以內(nèi).葉宇煌、程文正曾設(shè)計了一條竹料的微波干燥線.該生產(chǎn)線由諧振腔、進(jìn)出口抑制器、波導(dǎo)功率分配系統(tǒng)、物料傳送系統(tǒng)、抽風(fēng)排濕系統(tǒng)和總控制臺組成.由3臺2450MHz、5kW的微波源提供微波功率,實行流水作業(yè),每小時能將115kg、含水率為20%的竹筷干燥至10%.該生產(chǎn)線具有干燥時間短,殺蟲、防霉效果好的特點.國際無線電科學(xué)聯(lián)盟主席JullEV教授來華考察了該生產(chǎn)線后,也表示極為贊賞,并建議推廣使用.王麗宇曾用諧振腔型木材微波干燥機(jī)(工作頻率為915MHz)對刺槐小徑木園、斜截片進(jìn)行干燥.其初步實驗表明,采用微波技術(shù)干燥刺槐小徑木園、斜截片是可行的,但輸入的微波功率不宜過大(不宜超過5—6kW),每次輻射時間不宜過長(不宜超過5min).王俊、王劍平等在Fick擴(kuò)散模型和傳導(dǎo)模型基礎(chǔ)上考慮熱濕擴(kuò)散、水分直接蒸發(fā)及內(nèi)熱源的影響,獲得了微波干燥黃桃時內(nèi)部質(zhì)熱傳遞模型,并采用顯式有限差分法對模型進(jìn)行求解,其計算值與實測值基本吻合.范紅途等曾對以蔬菜為代表的膠體類多孔介質(zhì)物料的微波干燥特性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,除了物料本身的特性對微波干燥的影響外,空氣溫度、帶走水分的空氣速度、物料形狀大小、料層的厚度、微波功率等因素都對微波干燥速度有影響.但各因素的作用各不相同,影響作用大小依次為:溫度>形狀因子>微波時間>物料重量>風(fēng)速.2.3微波處理對米糠穩(wěn)定化效果的影響楊進(jìn)等用微波加熱技術(shù)對米糠進(jìn)行處理,分析了微波處理時間、料層厚度、米糠原始水分、貯藏時間對米糠穩(wěn)定性的影響.工藝試驗表明,當(dāng)含水率為15.8%—21%,料層厚度為30—70mm,微波處理時間為150—200s時,可產(chǎn)生較好的穩(wěn)定效果.實驗結(jié)果表明,微波處理可以明顯地提高米糠的穩(wěn)定性,且微波加熱處理時間是對穩(wěn)定化效果影響最大的工藝參數(shù).趙冬艷等曾用微波處理谷朊粉,發(fā)現(xiàn)微波加熱處理能顯著提高谷朊粉的乳化性,其最佳作用條件是:pH值為10.0,谷朊粉濃度為9.0%,加熱時間為100s,微波能量為560W.在最佳條件下,谷朊粉的乳化活性及乳穩(wěn)定性均為100%,且經(jīng)過改性后,溶解度由7.67%提高到37.62%,從而拓寬了谷朊粉的應(yīng)用范圍.用微波對木材進(jìn)行加熱,可以從內(nèi)部改變木材的構(gòu)造和性質(zhì),極大地提高木材的滲透性,增加木材防腐藥劑的滲透量,從而提高木材的防腐處理效果.例如,對斜葉桉進(jìn)行微波處理后,可使木材防腐藥劑吸入量由18L/m3增加至192—255L/m3;微波處理能使木材的體積膨脹,密度下降,導(dǎo)熱性下降,脹縮性減小,隔音性提高;微波加熱處理還能使樹木的生長應(yīng)力和干燥應(yīng)力得到釋放,提高干燥質(zhì)量.2.4微波加熱燒結(jié)al2o3微波燒結(jié)技術(shù)是一門新的燒結(jié)工藝.相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)方法,微波燒結(jié)具有突出的優(yōu)勢:材料內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加均勻,致密度更高,改善了材料的性能;實現(xiàn)選擇性燒結(jié),產(chǎn)生具有新的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的材料.作為前沿跟蹤技術(shù),我國也于1988年將微波燒結(jié)技術(shù)列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃),取得了可喜的成績.不僅燒結(jié)出了Al2O3瓷舟,而且還成功地?zé)Y(jié)出不開裂、組織均勻的發(fā)動機(jī)增壓器渦輪轉(zhuǎn)子.其坯體直徑為96mm,最終致密度為理論致密度的97%.曲世明針對室溫下介電損耗很小的材料采用微波混合加熱技術(shù),成功地?zé)Y(jié)成ZrO2,Si3O4和Si3N4的樣品,并得出結(jié)論:微波混合加熱技術(shù)具有大幅度縮短燒結(jié)時間和節(jié)約電能的優(yōu)點,其推廣和應(yīng)用必將帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益;為了發(fā)展微波加熱技術(shù),應(yīng)該配合開展材料介電性能的基礎(chǔ)研究,特別是要研究介電損耗隨溫度而改變的情況.馮士明等曾報道微波加熱對陶瓷材料的燒結(jié)具有明顯的促進(jìn)作用:用28GHz微波燒結(jié)Al2O3燒結(jié)陶瓷,可以使其燒結(jié)溫度降低400℃;很多種陶瓷在微波下燒結(jié),使燒結(jié)擴(kuò)散系數(shù)明顯增大,燒結(jié)活化能降低,整個燒結(jié)時間縮短;燒結(jié)溫度的降低都出現(xiàn)在絕緣體或離子型電導(dǎo)材料的燒結(jié)上,而對于電子型電導(dǎo)材料則沒有觀察到,其中在高頻下燒結(jié)溫度和活化能的降低程度要比低頻時大.2.5微波熱效應(yīng)與微生物能量很多研究表明:當(dāng)物料作用于微波場中時,能引起物料的溫升,即產(chǎn)生“溫度場”,同時,還能造就“電磁場”,對生物體產(chǎn)生比溫度場更大的效能,即微波的生物效應(yīng),從而達(dá)到殺蟲、滅菌的目的.但有些學(xué)者認(rèn)為,微波的量子能量只有1.62×10-5eV,而HOH這樣的弱化學(xué)結(jié)合能也有3—6eV,用微波的非熱效應(yīng)達(dá)到殺蟲、滅菌的目的是不可能的,其影響生物體的只能是微波的熱效應(yīng).王紹林曾對微波非熱效應(yīng)進(jìn)行了研究,并專門設(shè)計了一種能分離微波熱效應(yīng),即在恒溫狀態(tài)下測定細(xì)菌致死率的裝置.實驗結(jié)果表明,在相同溫度下,微波加熱法的細(xì)菌致死率高于巴氏加熱法,其殺菌效果得益于另一個與溫度場同時存在的物理環(huán)境——微波電磁場的作用,即微波的非熱效應(yīng)作用;以微波殺菌的物理環(huán)境中存在的溫度場與電磁波場相比較,后者處于使細(xì)菌致死的主導(dǎo)地位,特別是在低溫時.他認(rèn)為微波殺菌是一種新的、能在較低溫度下殺菌的技術(shù)手段,開創(chuàng)了既能殺菌又能保持食品風(fēng)味和品質(zhì)的有效途徑.楊曉蘋等曾用微波加熱技術(shù)對茶葉進(jìn)行處理,試驗結(jié)果表明,微波加熱可以在很短的時間內(nèi),在較低的溫度下對茶葉的內(nèi)部進(jìn)行殺菌,不僅滅菌效果好,而且能在外包裝呈密封狀態(tài)下進(jìn)行殺菌,可有效地避免二次污染.袁泉等曾報道用微波直接輻射到土壤里,可以殺滅影響農(nóng)作物生長的雜草、土壤中的害蟲和真菌等微生物.國外試驗表明,微波直接輻射土壤可使甜瓜增產(chǎn)60%,洋蔥增產(chǎn)35%,且不會造成環(huán)境污染.我國學(xué)者針對一種常見的蘋果樹腐爛病,利用微波進(jìn)行類似的處理,也得到了良好的效果.由于微波滅菌的效果十分顯著,目前微波滅菌技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于牛奶、醬油、肉制品、飼料的消毒滅菌處理.用微波對食品進(jìn)行消毒、滅菌處理后,可以不用在食品中添加防霉、防腐劑等對身體有害的物質(zhì),確保了消費者身體健康.微波加熱技術(shù)除了上述應(yīng)用外,它還可應(yīng)用于物料含水率的測定,化學(xué)反應(yīng)中的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的合成,天然氣轉(zhuǎn)化,物料定型處理,食品膨化處理,醫(yī)療等方面.3微波加熱的優(yōu)缺點加熱過程幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門,廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)和人民的日常生活中.微波加熱作為是一項新技術(shù),它具有眾多其他加熱方法無法比擬的優(yōu)點,無疑將會在各部門得到大力推廣和應(yīng)用.但我們也應(yīng)認(rèn)識到微波加熱一項新技術(shù)、新方法,我們對它的研究還很不深入,它在應(yīng)用的過程中也表現(xiàn)出了一些缺點和不足.如以微波干燥為例,其所用能源為高價位的電能,與傳統(tǒng)能源相比,有時其干燥成本仍然較高;單獨用微波干燥物料,若控制不當(dāng),容易使物料內(nèi)產(chǎn)生過快的溫升和很高的溫度,從而導(dǎo)致物料內(nèi)部產(chǎn)生“炸裂”,甚至出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象.在進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展,微波加熱技術(shù)