微波加熱技術研究進展

李創輝

摘要：本文主要對于微波加熱技術相關機理等進行闡述以及分析，從微波加熱原理、微波產生、系統構成及分類及微波加熱技術的應用進行闡述，并在此基礎上和傳統加熱方法進行比較，分析不同加熱方法之間的優劣勢。

關鍵詞：微波加熱;應用;機理[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業及科學研究等領域顯示出其優異的應用。自從1978 年，CEM 推出了第一款用于商用微波系統以來，微波的復雜性和實用性不斷提高，各種不同的微波系統受到廣泛的研究，以適應不同應用環境的需求，微波技術應用研究及微波系統技術發展相互促進。隨著微波加熱技術的不斷發展，微波加熱技術在跨學科跨領域中越來越顯示其優越性。

1微波加熱技術的原理

1.1原理

微波的頻率范圍在300MHz-3000GHz之間，屬于波長比較短的電磁波，波長在物理尺寸上與常見的事物尺寸相當或更短。微波主要核心就是能夠穿透物體內部，在物體內部產生電場，在電場作用下，物體中的極性分子極性方向將由雜亂無章變成有序排列狀態，分子這種被稱為極化的有序排列狀態，使得物質內部產生極化電場，這種電場的方向與外部電場相反，隨著外部電場方向的改變，物質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方向隨著時間高頻率地改變，每秒以數十億次以上的速度不斷改變方向，物質中的極性分子極性方向也這樣高速地有規律改變，在分子極性方向的高速改變過程中，分子間將產生摩擦，高速地摩擦導致熱的產生，將微波電磁能量轉換成熱能。因此，對于內部整體分布比較均勻的物質，在外部均勻場的作用下，其內部產生的熱場分布比較均勻，從而達到物質整體均勻加熱。

1.2微波的產生

在微波設備實際運行過程中，主要利用50赫茲交流電通過相關的器件產生微波。目前產生微波方式主要諧振腔磁控管及固態微波源，諧振腔磁控管是微波電子管的一種，它具有一個圓筒狀的陰極及與之同軸的陽極，工作過程中陰極發射的電子流在外部電場中獲得動能，并將動能的一部分轉變成振蕩體系的交變電場，使振蕩體系保持穩定振蕩過程，振蕩體系通過天線耦合發射出微波。固態微波源采用固態有源器件產生微波信號，能夠更準確地控制微波信號輸出功率及信號的相位和頻率。諧振腔磁控管經常使用在微波的相關工農業加熱領域，其成本相對較低。固態微波源主要應用在一些對功率控制精度相對較高的應用中。

1.3微波加熱系統的組成

對于微波干燥系統而言，主要的組成為以下幾個部分，分別對應的則是微波發生器、電源、波導裝置、加熱器、冷卻系統、傳動系統、控制系統等組成[3]（圖1）。主要的核心就是在實際加熱以及干燥的過程中，

微波管主要的能起到相關的作用為磁控管以及各種的調速的管的作用，另外就是對于相關的調速管而言，一般相關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、極板式和波導管式等類型。

1.4微波加熱系統的分類

隨著微波技術在各個領域的應用，微波系統的形式也各有不同，根據不同領域，不同應用場景及微波系統的不同特點等，可將微波系統分為不同種類。

按微波源不同分類

根據微波源結構不同，可分為固態微波源的微波加熱系統及磁控管微波源的微波加熱系統。前者利用現代有源電子技術，采用固態有源器件產生微波信號，具有工作電壓低、壽命長、功率及頻率精度高等特點;后者則采用技術更成熟的電子管技術，其價格相對較低。

根據頻率的不同分類

工農業生產及生活用微波加熱采用的頻率主要有915MHz和2450MHz，因此根據頻率的不同，微波加熱系統可分為915MHz微波加熱系統和2450MHz微波加熱系統。兩種微波系統所采用的頻率不同，其在物品中的穿透厚度不一樣，頻率越高，其穿透厚度越薄，在對較厚物體進行微波加熱處理時，往往選擇穿透性較好的915MHz微波系統。

根據功率是否可調分類

根據功率是否可調分為固定功率微波系統和可調功率微波系統。前者輸出功率在誤差范圍內功率固定不變，后者是可以根據實際應用需要，能實時調整微波輸出功率大小。根據功率輸出的連續性不同，后者又可以分為間歇（多段）式可調和連續可調微波系統。間歇（多段）式可調微波系統僅可在預先設定的多種輸出功率之間調節，連續可調微波功率系統可以在功率調節范圍內任意調節。

2常規加熱與微波加熱的比較

2.1常規方法

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，其過程往往較長，針對不同材料，這個過程甚至需要幾十個小時甚至幾天才能順利地完成，而采用微波進行加熱干燥，其時間則是大大縮短，只需要十幾分鐘或幾個小時可以完成。而且常規加熱干燥往往存在相關環境以及各種設備上的熱量的損失，室內環境溫度比較高，而實際微波加熱能直接在物料內部產生熱，環境熱量主要是物料熱散失，額外損失熱量較少。

2.2與常規方法相比

對于設備而言，微波加熱主要設備與傳統的加熱設備相比較，沒有比較繁瑣的線路以及各種的管道系統，一般只需要單純的電能作為相關的輔助能量，其能量利用率大大提高，微波加熱所需相關的占地面積也減少，能更有效利用地面面積，減少場地的依賴性。另外可以和相關的生產設備等各種的設備進行互相的鏈接，組成具有比較高自動化的生產線，這樣較大地提高了生產自動化程度，減少人力資源成本。在熱傳輸方面，傳統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傳導到溫度較低的物體內部，在加熱過程的較長時間或者在加熱的整個過程中，物體表面與物體內部始終存在較大的溫度差，導致物體內外加熱不均勻，速度較慢、品質不佳等。

3微波加熱技術的應用

3.1微波在干燥領域應用

由于微波加熱具有均勻、高效、潔凈等特點，微波加熱技術成為微波干燥的一個重要應用之一，利用微波干燥技術，能更加快速干燥物料，提高干燥物料品質。根據相關的研究發現，采用微波爐所干燥的馬鈴薯片相比較在熱風對馬鈴薯的干燥本質上相關的結構也是發生了變化，其中隨著研究人員的進一步的觀察發現，在實際上干燥過的馬鈴薯比熱風的馬鈴薯相關的維生素C相關的含量更高，同時相關的實驗人員還發現，在相關的馬鈴薯的收縮的系數和相關的含水量的減少系數可以說成線性的關系，尤其是在對熱風干燥的過程中，兩者之間的曲線的斜率可以說實際上保持不變，簡單的概述為隨著相關的馬鈴薯的含水量的不斷減少，以及馬鈴薯相關的體積也是在不斷的進行收縮，尤其是在相關微波的干燥下，馬鈴薯收縮的系數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，體積進行不斷的緩慢的收縮，這個也是表明相關的含水量在不斷的減少，馬鈴薯相關的體積在不斷的收縮。

3.2微波在材料科學領域應用

相比于傳統的加熱方式，微波加熱能夠深入物體內部，且不依賴熱傳導，可以快速在物體內部產生熱，熱散失熱小，熱轉換效率高，同時不會產生污染環境的氣體及微粒，不污染環境。因此，可以應用到各個領域，逐步成為跨學科的新趨勢。

微波作用于物料主要在微波系統中的反應器完成，常用的微波反應器類型有箱式、平板式、曲折波導式和輻射式等一種或多種的組合。微波應用于材料科學是微波加熱技術的一種重要應用，可以同時應用于有機材料和無機材料中。丁海 兵等[9，10]利用微波穿透性特點，采用微波加熱處理技術，將人造有機大理石固化過程從傳統方法10-15d減縮到2小時以內，極大地減少了固化時間，縮短生產周期，減緩存儲難技術問題，更有效應對市場應急需求，大大提高市場競爭力。

參考文獻

[1]F.A.Bassyouni et al.Evolution of microwave irradiation and its application in green chemistry and biosciences[J].

[1]丁澤智，楊晚生.微波干燥技術的研究發展現狀[J].應用能源技術，2019（4）：4.

[2]陳建東，張茜，楊旭海.PLC控制的間歇式微波干燥控制系統研究[J].農機使用與維修，2021（4）：9.

[3]張煒.艦船餐廚垃圾處理機方案設計及評價體系研究[D].東華大學，2019.

[4]劉立山，高春鳳，劉曉紅，等.封閉隧道微波干燥系統：，CN21302 0801U[P].2021.

[5]王慧，秦廣義，繆騫，等.基于PCA的木材微波干燥過程中干燥速度的影響因素分析[J].木工機床，2019（3）：5.

[6]李君，董磊，姜發堂，等.食品中水分含量測定裝置的研究現狀[J].食品工業科技，2019（8）：7

[7]董良東，董云川.微波加熱干燥系統及其方法：，CN109605 931A[P].2019.

[8]董良東，董云川.一種微波加熱干燥系統：，CN209165915U[P].2019.

[9]丁海兵，丁耀根，高冬平，等.利用微波加熱固化人造石的方法：104987126A[P].2015-10-21.

[10]丁海兵，唐亮，李偉松，等.超大尺寸人造大理石微波快速固化技術研究[J].真 空 電 子 技 術，2018（1）：52-56.

課題（中英文）"內置稱量裝置的功率連續可調微波系統研究（賀科攻1908008）