微波技术

新型加热技术一微波的定义微波一般是指波长在1mm~1m范围（其相应频率为300~300000MHz）的电磁波，在微波电磁场作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场交变而排列取向。频率的单位是赫兹，简称赫，以符号“Hz”表示。常用的频率单位有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。赫兹(H·Hertz)是德国著名的物理学家。1887年，他通过实验证实了电磁波的存在。后人为纪念他，将“赫兹”设为频率的单位。为了不至于对通讯等微波设备产生干扰。微波技术是一项新的加工技术，随着技术的成熟，微波技术开始在食品加工中得到越来越多的应用。国际电气与电子工程师协会（IEEE）统一规定用于加热干燥及其他农业生产和医疗等用途的微波频率为2450MHz和915MHz。二微波加热微波加热是靠电磁波把能量传播到被加热物体的内部，在微波场中，食品内的极性分子会产生定向排列，发生剧烈的振动或翻转运动，使食品内部产热，温度上升。当微波辐射到食品上时，食品中总是含有一定量的水分，而水是由极性分子（分子的正负电荷中心，即使在外电场不存在时也是不重合的）组成的，这种极性分子的取向将随微波场而变动。由于食品中水的极性分子的这种运动。以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的现象，使水温升高，因此，食品的温度也就上升了。用微波加热的食品，因其内部也同时被加热，使整个物体受热均匀，升温速度也快。微波加热的特点采用微波加热具有加热速度快、热量损失小、操作方便等特点，既可以缩短工艺时间、提高生产率、降低成本，又可以提高产品质量。与传统加热方式相比，微波加热有以下特点：1加热均匀、速度快一般的加热方法凭借加热周围的环境，以热量的辐射或通过热空气对流的方式使物体的表面先得到加热，然后通过热传导传导物体的内部。这种方法效率低，加热时间长。微波加热的最大特点是，微波是在被加热物内部产生的，热源来自物体内部，加热均匀，不会造成“外焦里不熟”的夹生现象，有利于提高产品质量，同时由于“里外同时加热”大大缩短了加热时间，加热效率高，有利于提高产品产量。微波加热的惯性很小，可以实现温度升降的快速控制，有利于连续生产地自动控制。2选择性加热微波加热所产生的热量和被加热物的损耗有着密切关系。各种介质的介电常数在0.0001到0.5的范围内，所以各种物体吸收微波的能力有很大的差异。一般说介电常数大的介质很容易用微波加热，介电常数太小的介质就很难用微波加热。这就是微波对物体具有选择性加热的特点。3控制及时、反应灵敏常规的加热方法，如蒸汽加热、电热、红外加热等，要达到一定的温度，需要一定的时间，在发生故障或停止加热时，温度的下降又要较长时间。而微波加热可在几秒的时间内迅速地将微波功率调到所需的数值，加热到适当的温度，便于自动化和连续化生产。4微波加热穿透能力强远红外加热的频率比微波加热的频率更高，照理加热效率要更好，但其实不然，这里面还存在一个穿透能力的概念。远红外加热虽有许多优点，应用也比较广泛，但从对物体的穿透能力看，远红外就远不如微波。什么叫穿透能力呢？穿透能力就是电磁波穿透到介质内部的本领，电磁波从表面进入介质并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并能转化为热能，它所携带热量就随着深入介质表面的距离以指数形式衰减。电磁波的穿透深度和波长是同一数量级，除了较大的物体外，一般可以做到表里一起加热。而远红外加热的波长很短，加热时穿透能力差，在远红外线照射下，只有物体一薄层发热，而热量要到内部主要靠传导，这样不仅加热时间长，而且容易造成加热不均匀。根据对比，微波加热的穿透能力比远红外加热强的多。5清洁卫生、无污染一般工业加热设备比较大，占地多，周围环境温度也比较高，操作工人劳动条件差，强度大。而微波加热占地面积小，避免了环境高温，工人的劳动条件得到了大大的改善。由于微波加热具有以上特点，微波加热在农业、林业、轻纺工业、化学工业、医药工业和食品工业等领域的应用得到了迅速的发展。目前在食品工业中的应用主要是利用其热效应与非热效应，根据其使用的目的分为微波干燥、微波杀菌、微波蒸煮和微波膨化等。具体有解冻-加温、预烹调产品的加热、烹调、焙烤、蔬菜漂烫、食品灭菌和巴氏灭菌、食品脱水等。三微波加热的基本原理被加热的介质是由许多一端带正电、另一端带负电的分子（偶极子）所组成。在没有电场的作用下，这些偶极子在介质中作杂乱无规则的运动。当介质处于直流电场作用之下时，偶极子就重新进行排列。带正电一端朝向负极，带负电一端朝向正极，杂乱无规则的偶极子就会变成有一定取向的有规则的偶极子，即外加电场给予介质中偶极子以一定的“位能”。当施加交流电场时，电场迅速交替并改变方向，偶极子会随电场方向的交替变换迅速摆动。由于分子的热运动和相邻分子间的相互作用，偶极子随外加电场方向改变而作的规则摆动便受到干扰和阻碍，即产生了类似摩擦的作用，使分子获得能量，并以热的形式表现出来，表现为介质温度的升高。若外加电场的变化频率越高，分子摆动就越快，产生的热量就越多。外加电场越强，分子的振幅就越大。产生的热量也就越大。四影响微波加热的有关因素1频率频率越高，加热速度越快，但频率越高，波长λ便越短，其穿透深度便越小。另外，频率还影响介质损耗系数。2电场强度与微波加热器的功率相关联。功率大，电场强度大，加热速度快。3物料的介电性质不同的介质有不同的介质相对介电系数ξr和损耗角正切tgδ。水的相对介电系数和损耗角正切值比一般的介质大。因此，在一般情况下，加工物料的含水量越大，其介质损耗也越大。4物料的密度物料的密度不仅影响微波对物体的加热，而且还影响物料的介电性质，从而间接影响微波的热效应。物料密度大，其升温速度慢。如果物料中含空气越多，物料的介电系数便越小，越难被加热。密度高的物料如骨头对微波吸收较差，且对微波有反射作用，因此带骨的家禽和牛排在微波加热时在骨头附近会出现一个冷带区域。5物料的比热容比热容小的物质温度升高速度快。五微波加热设备微波加热设备主要由电源、微波管、连接波导、微波加热器、及冷却系统等几部分组成。左图为微波加热设备示意图。微波管由电源提供直流高压电流并使输入能量转换成微波能量。微波能量通过连接波导传输到微波加热器，对被加热物料进行加热。冷却系统用于对微波管的腔体及阴极部分进行冷却。微波加热设备的类型按被加热物和微波场的作用形式：1驻波场谐振腔加热器2行波场波导加热器3辐射型加热器4慢波型加热器根据其结构型式：箱式、隧道式、平板式、曲波导式和直波导式等几大类。其中箱式、隧道式和波导型最为常见。箱式微波加热器结构示意图1.输入波导2.搅拌器3.反射板4.腔体5.门6.观察窗7.排湿孔1箱式微波加热器属于驻波场谐振腔加热器。用于食品烹调的微波炉就是典型的箱式微波加热器。谐振腔为矩形空腔，若每边长度都大于1/2λ时，从不同方向都有波的反射。谐振腔微波加热器工作原理图1.磁控管2.微波辐射器3.食品物料4.塑料制台5.腔体6.电场搅拌器被加热物体在谐振腔内各个方面都受热。微波在壁箱上损失极小，未被物料吸收掉的能量在谐振腔内穿透介质到达壁后，反射回介质中形成多次反复的加热过程。微波就有可能全用于物料加热。由于谐振腔密闭，微波能量的泄漏很少，不会危及操作人员的安全。对加工块状物体较适宜，宜用于食品的快速加热、快速烹调以及快速消毒等方面。连续式谐振腔加热器之一连续式谐振腔加热器之二2隧道式微波加热器也称连续式谐振腔加热器。可以连续加热物料。多管并联的谐振腔加热器示意图1.磁控管振荡源2.吸收水负载3.被加热物料4.辐射器5.传送带为了加强连续化的加热操作，设计了多管并联的谐振腔式连续加热器。这种加热器的功率容量较大，在工业生产上的应用比较普遍。为防止微波能的辐射，在炉体出口及入口处加上了吸收功率的水负载。这类加热器可应用于木材干燥、奶糕和茶叶加工等方面。3波导型微波加热器即在波导的一端输入微波，在另一端有吸收剩余能量的水负载，这样使微波能在波导内无反射地传输，构成行波场，这类加热器又称为行波场波导加热器。这类加热器有以下几种形式A开槽波导微波加热器开槽波导微波加热器外形图1.微波输入2.弯曲波导3.终端负载4.传输带5.宽壁中心无辐射缝6.排湿孔是一种弯曲成蛇形的波导，在波导宽边中间沿传输方向开槽缝。由于槽缝处的场强最大，被加热物料从这里通过时吸收微波功率最多。一般在波导的槽缝中设置可穿过的输送带，将物料将物料放在输送带上随带通过。这种加热器适用于片状食品和颗粒状食品的干燥和加热。BV形波导微波加热器V形波导为加热区，输送带及物料在里面通过时达到均匀的加热。V形波导到矩形波导之间有过度接头。抑制器的作用是防止能量泄漏。V形波导微波加热器可改善电场分布，使物料加热均匀。V型波导微波加热器示意图1.抑制器2.微波输入3.V型波导4.接水负载5.物料入口6.物料出口C直波导微波加热器微波管在激励器内建立起高频电场，电磁波由激励器分两路向主波导传输，物料在主波导内得到加热。当用几只微波管同时输入功率时，激励器与激励器之间应相隔适当的距离，以减少各电子管间的相互影响。在波导两端分别加上由2只λ/4的短路器和1只可调短路活塞组成的抑制器以控制功率的泄漏。这类加热器在合成皮革、纸制品加工中用得较多，在食品加工中也有应用。直波导微波加热器示意图1.抑制器2.激励器3.微波输入4辐射型微波加热器利用微波发生器产生的微波通过一定的转换装置，再经过辐射器（又称照射器、天线)等向外辐射的一种加热器。这种加热方法简单，容易实现连续加热。喇叭式辐射型微波加热器示意图5慢波型微波加热器微波沿着导体表面传输，导体所传送的微波的速度比空间传送慢，因此称为慢波微波加热器；这种加热器的另一特点就是能量集中在电路里很狭的区域传送，电场相对集中，加热效率较高。单脊梯形加热器6微波真空干燥箱采用微波加热和真空干燥相结合的方法来加快干燥速度，是食品工业中常采用的干燥方法。微波真空干燥箱一般为圆筒形，这样箱壁能承受较大的压力而不变形。圆筒形箱体相当于两头短路的圆形波导管，一般采用2450MHz的微波源。六微波加热器的选择1选择频率时考虑的因素a加工食品的体积和厚度b加工食品的含水量及介质损耗c生产量及成本d设备和体积2微波加热器型式的选择a根据加工食品的形状、数量及加工要求来选定；b要求连续生产时，选用有输送带的加热器；c小批量生产或实验室试验以及食堂、家庭烹调用场合，可选用箱式加热器；d对薄片材料，一般可选用开槽波导或慢波结构的加热器；e较大或形状复杂的物料，为了获得均匀加热，则往往选用隧道式加热器。