微波加热技术研究进展

李创辉

摘要：本文主要对于微波加热技术相关机理等进行阐述以及分析，从微波加热原理、微波产生、系统构成及分类及微波加热技术的应用进行阐述，并在此基础上和传统加热方法进行比较，分析不同加热方法之间的优劣势。

关键词：微波加热;应用;机理[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

微波均勻致热特性在工农业及科学研究等领域显示出其优异的应用。自从1978 年，CEM 推出了第一款用于商用微波系统以来，微波的复杂性和实用性不断提高，各种不同的微波系统受到广泛的研究，以适应不同应用环境的需求，微波技术应用研究及微波系统技术发展相互促进。随着微波加热技术的不断发展，微波加热技术在跨学科跨领域中越来越显示其优越性。

1微波加热技术的原理

1.1原理

微波的频率范围在300MHz-3000GHz之间，属于波长比较短的电磁波，波长在物理尺寸上与常见的事物尺寸相当或更短。微波主要核心就是能够穿透物体内部，在物体内部产生电场，在电场作用下，物体中的极性分子极性方向将由杂乱无章变成有序排列状态，分子这种被称为极化的有序排列状态，使得物质内部产生极化电场，这种电场的方向与外部电场相反，随着外部电场方向的改变，物质中的极性分子极性方向也随之改变。高频率的微波意味着外部电场方向随着时间高频率地改变，每秒以数十亿次以上的速度不断改变方向，物质中的极性分子极性方向也这样高速地有规律改变，在分子极性方向的高速改变过程中，分子间将产生摩擦，高速地摩擦导致热的产生，将微波电磁能量转换成热能。因此，对于内部整体分布比较均匀的物质，在外部均匀场的作用下，其内部产生的热场分布比较均匀，从而达到物质整体均匀加热。

1.2微波的产生

在微波设备实际运行过程中，主要利用50赫兹交流电通过相关的器件产生微波。目前产生微波方式主要谐振腔磁控管及固态微波源，谐振腔磁控管是微波电子管的一种，它具有一个圆筒状的阴极及与之同轴的阳极，工作过程中阴极发射的电子流在外部电场中获得动能，并将动能的一部分转变成振荡体系的交变电场，使振荡体系保持稳定振荡过程，振荡体系通过天线耦合发射出微波。固态微波源采用固态有源器件产生微波信号，能够更准确地控制微波信号输出功率及信号的相位和频率。谐振腔磁控管经常使用在微波的相关工农业加热领域，其成本相对较低。固态微波源主要应用在一些对功率控制精度相对较高的应用中。

1.3微波加热系统的组成

对于微波干燥系统而言，主要的组成为以下几个部分，分别对应的则是微波发生器、电源、波导装置、加热器、冷却系统、传动系统、控制系统等组成[3]（图1）。主要的核心就是在实际加热以及干燥的过程中，

微波管主要的能起到相关的作用为磁控管以及各种的调速的管的作用，另外就是对于相关的调速管而言，一般相关的高频功率是大于正常我们使用的频率的，在后期采用的微波管，之后我们常见的加热器有箱式、极板式和波导管式等类型。

1.4微波加热系统的分类

随着微波技术在各个领域的应用，微波系统的形式也各有不同，根据不同领域，不同应用场景及微波系统的不同特点等，可将微波系统分为不同种类。

按微波源不同分类

根据微波源结构不同，可分为固态微波源的微波加热系统及磁控管微波源的微波加热系统。前者利用现代有源电子技术，采用固态有源器件产生微波信号，具有工作电压低、寿命长、功率及频率精度高等特点;后者则采用技术更成熟的电子管技术，其价格相对较低。

根据频率的不同分类

工农业生产及生活用微波加热采用的频率主要有915MHz和2450MHz，因此根据频率的不同，微波加热系统可分为915MHz微波加热系统和2450MHz微波加热系统。两种微波系统所采用的频率不同，其在物品中的穿透厚度不一样，频率越高，其穿透厚度越薄，在对较厚物体进行微波加热处理时，往往选择穿透性较好的915MHz微波系统。

根据功率是否可调分类

根据功率是否可调分为固定功率微波系统和可调功率微波系统。前者输出功率在误差范围内功率固定不变，后者是可以根据实际应用需要，能实时调整微波输出功率大小。根据功率输出的连续性不同，后者又可以分为间歇（多段）式可调和连续可调微波系统。间歇（多段）式可调微波系统仅可在预先设定的多种输出功率之间调节，连续可调微波功率系统可以在功率调节范围内任意调节。

2常规加热与微波加热的比较

2.1常规方法

常见的为电热加热、蒸汽加热等，将原来含水率较高的物品干燥去水至含水率较低时，其过程往往较长，针对不同材料，这个过程甚至需要几十个小时甚至几天才能顺利地完成，而采用微波进行加热干燥，其时间则是大大缩短，只需要十几分钟或几个小时可以完成。而且常规加热干燥往往存在相关环境以及各种设备上的热量的损失，室内环境温度比较高，而实际微波加热能直接在物料内部产生热，环境热量主要是物料热散失，额外损失热量较少。

2.2与常规方法相比

对于设备而言，微波加热主要设备与传统的加热设备相比较，没有比较繁琐的线路以及各种的管道系统，一般只需要单纯的电能作为相关的辅助能量，其能量利用率大大提高，微波加热所需相关的占地面积也减少，能更有效利用地面面积，减少场地的依赖性。另外可以和相关的生产设备等各种的设备进行互相的链接，组成具有比较高自动化的生产线，这样较大地提高了生产自动化程度，减少人力资源成本。在热传输方面，传统加热通过在物体外部加热，物体表面先受热，通过热梯度差方式，热量从温度较高的物体表面传导到温度较低的物体内部，在加热过程的较长时间或者在加热的整个过程中，物体表面与物体内部始终存在较大的温度差，导致物体内外加热不均匀，速度较慢、品质不佳等。

3微波加热技术的应用

3.1微波在干燥领域应用

由于微波加热具有均匀、高效、洁净等特点，微波加热技术成为微波干燥的一个重要应用之一，利用微波干燥技术，能更加快速干燥物料，提高干燥物料品质。根据相关的研究发现，采用微波炉所干燥的马铃薯片相比较在热风对马铃薯的干燥本质上相关的结构也是发生了变化，其中随着研究人员的进一步的观察发现，在实际上干燥过的马铃薯比热风的马铃薯相关的维生素C相关的含量更高，同时相关的实验人员还发现，在相关的马铃薯的收缩的系数和相关的含水量的减少系数可以说成线性的关系，尤其是在对热风干燥的过程中，两者之间的曲线的斜率可以说实际上保持不变，简单的概述为随着相关的马铃薯的含水量的不断减少，以及马铃薯相关的体积也是在不断的进行收缩，尤其是在相关微波的干燥下，马铃薯收缩的系数和水分的含量在不断的减少之间的曲线被分为两端直线，其中前端的斜率非常的小，也就是随着水分降低，体积进行不断的缓慢的收缩，这个也是表明相关的含水量在不断的减少，马铃薯相关的体积在不断的收缩。

3.2微波在材料科学领域应用

相比于传统的加热方式，微波加热能够深入物体内部，且不依赖热传导，可以快速在物体内部产生热，热散失热小，热转换效率高，同时不会产生污染环境的气体及微粒，不污染环境。因此，可以应用到各个领域，逐步成为跨学科的新趋势。

微波作用于物料主要在微波系统中的反应器完成，常用的微波反应器类型有箱式、平板式、曲折波导式和辐射式等一种或多种的组合。微波应用于材料科学是微波加热技术的一种重要应用，可以同时应用于有机材料和无机材料中。丁海 兵等[9，10]利用微波穿透性特点，采用微波加热处理技术，将人造有机大理石固化过程从传统方法10-15d减缩到2小时以内，极大地减少了固化时间，缩短生产周期，减缓存储难技术问题，更有效应对市场应急需求，大大提高市场竞争力。

参考文献

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

[1]丁泽智，杨晚生.微波干燥技术的研究发展现状[J].应用能源技术，2019（4）：4.

[2]陈建东，张茜，杨旭海.PLC控制的间歇式微波干燥控制系统研究[J].农机使用与维修，2021（4）：9.

[3]张炜.舰船餐厨垃圾处理机方案設计及评价体系研究[D].东华大学，2019.

[4]刘立山，高春凤，刘晓红，等.封闭隧道微波干燥系统：，CN21302 0801U[P].2021.

[5]王慧，秦广义，缪骞，等.基于PCA的木材微波干燥过程中干燥速度的影响因素分析[J].木工机床，2019（3）：5.

[6]李君，董磊，姜发堂，等.食品中水分含量测定装置的研究现状[J].食品工业科技，2019（8）：7

[7]董良东，董云川.微波加热干燥系统及其方法：，CN109605 931A[P].2019.

[8]董良东，董云川.一种微波加热干燥系统：，CN209165915U[P].2019.

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

[10]丁海兵，唐亮，李伟松，等.超大尺寸人造大理石微波快速固化技术研究[J].真 空 电 子 技 术，2018（1）：52-56.

课题（中英文）"内置称量装置的功率连续可调微波系统研究（贺科攻1908008）