微波加热技术的发展概况

微波技术首先应用于通信、广播、电视技术中。在这些领域里，微波作为一种信息或信息的载体被利用。在微波通信工程的数十年应用中，发现始终伴随有一种会引起微波能损耗、需要设法防止和消除的有害因素——热效应。早在1945年，美国就有人提出利用微波的这种热效应来对材料进行加热的想法。随后有不少人对此课题——微波加热——进行了不段探索、试验和研究。直到六十年代末。

微波能终于被作为一种能源来加以利用，进行加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目上。首创是在食品工业方面，而家用微波炉的出现更进一步扩大了微波加热技术的应用领域。现在，微波加热作为一项新技术已受到各学科领域的高度重视和应用开发。

国外对微波能应用研究及学术交流一直很活跃与重视。1966年在北美加拿大的阿尔伯泰(Alberta)城设立了国际微波功率学会（简称IMPI）,每年举行一次学术讨论会,并定期出版季刊《微波功率杂志》（《The Joural of Microwve Power》）。

我国在70年代开始微波能应用研究工作，于1973年开始微波加热应用技术的研究和微波加热用磁控管的研制。1974年和1980年电子工业部召开了“全国微波能推广应用技术交流会”，交流微波学术及应用技术问题。81年3月经四机部批准，抽调部属单位的科技力量，成立了——中国电子器件工业总公司微波能推广应用站，负责全国微波能推广应用的组织、设计研究工作。1983年10月中国电子学会召开了首届“全国微波能应用学术交流会”。嗣后每二年在全国选择推广应用好的地区轮流举办微波应用技术交流，以推动国内微波事业的发展。每届均有论文集出版，涉及工业、农业、医药、科研等方面的应用领域。

目前,我国已在皮革、木材、彩色印刷、食品、纸张、化工、陶瓷、药品、烟叶、建材、橡胶以及医疗等行业逐渐采用微波技术，并取得了良好的经济效益。微波能技术作为一种新的加工手段，对各行业的技术改造和设备更新已形成极大地冲击。特别是现阶段，摆在各经营者面前的是解决产品结构与社会需求的问题，适应社会发展对产品品质、品种要求的提高。其焦点之一就是技术创新不足、品质升级滞后。微波技术的出现为提高产品档次、跟上技术进步、创高附加值产品提供了良好条件。

１、食品工业

民以食为天，食品工业是我国迅速崛起的支柱产业。利用微波可对食品进行膨化、烘干、脱腥和保鲜处理。目前已用于糕点、牛肉干、土豆片、鱼片干、盐水鸭、腰果、花生米、瓜子、大豆等方面的生产中。我公司每年都生产有50～60套微波设备应用于食品工业。

２、木材加工

微波可对１－６公分厚的木板进行均匀、快速烘干，干燥只需十几分钟，且不开裂、变形小，同时杀死木材内部的卵虫和幼虫；也可对胶合板或拼板胶接的固化处理；竹制品干燥、灭霉杀菌。

３、橡胶工业

日本用2450MHz、5～10kw微波加热设备对轮胎作一次加热，升温到硫化温度后用热风保温，可硫化3～4 吨重量的轮胎；美国采用915MHz、50kw喇叭天线作为辐射加热器，利用程序控制对大型轮胎进行旋转扫描，其优点是加热均匀、硫化时间缩短三分之一。我公司研制的微波设备在福建用于普通胶条或带金属骨架胶条的连续硫化，质量可与进口设备媲美，价格是其三分之一。

４、杀虫灭菌

用微波可在较低温度下灭菌杀虫。处理食品、药品、烟草、木材等。在70～80℃时就能起到杀虫灭菌作用。且升温速度快，不受物料厚度、形状影响。

５、脱硫

原煤中的硫以黄铁矿形式出现，黄铁矿比煤有更高的损耗角正切，因此利用微波可使黄铁矿得到选择性加热与气体发生反应，进行脱硫。而煤不受影响。理想的方法是以持续时间为0.1秒的脉冲波进行间歇式加热，将黄铁矿石加热到约650℃的高温。这种方法去硫效果好，不需昂贵的催化剂，节省资金，能源效率高，环境污染小。

６、微波等离子体技术

半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，进行刻蚀、溅射、气相沉积、氧化硅片；还可用于金属、合金、非金属的表面处理；用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素。

７、医疗

微波生物效应分热效应和非热效应。其热效应在医疗方面可进行微波理疗、配合放疗和化疗进行透热治癌；另外还可以利用微波加热血浆、解冻冷藏器官；还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。

８、测量

微波测量精度高，适宜于生产中连续测量和自动控制。已广泛用于测距、测温、测厚、测速等方面。

９、陶瓷烧结

微波可进行陶瓷的均匀致密化烧结，最高温度可达2000℃，获得大尺寸的精细陶瓷。

　１０、化学工业

微波在化学中有广泛的应用，如微波消解、萃取、水解、催化反应等。

二、微波加热原理及特点

１、什么是微波

微波与无线电波、电视信号、通讯雷达、红外线、可见光等一样，都属电磁波，只是波长不相同。微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波（波长1米～1毫米）,通常用于电视、广播、通讯技术中，如图（一）。而近代把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业上进行加热、干燥；在化学工业中进行催化、萃取等化学反应和激发等离子体；等等…。家用微波炉的使用更标志微波技术的日趋成熟。
由于电磁波的应用极为广泛和普及，特别是通信领域，为避免相互干扰，国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，与通信频率分开使用。目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。　微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。

２、微波加热原理

物料介质由极性分子和非极性分子组织，在电磁场作用下，这些极性分子从随机分布状态转为依电场方向进行取向排列。而在微波电磁场作用下，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，达到电能直接转化为介质内的热能。可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。而不同介质材料的介质常数εr和介质损耗角正切值tgδ是不同的，故微波电磁场作用下的热效应也不一样。由极性分子所组织的物质，能较好地吸收微波能。水分子呈极强的极性，是吸收微波的最好介质，所以凡含水分子的物资必定吸收微波。另一类由非极性分子组成,它们基本上不吸收或很少吸收微波，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等、塑料制品和玻璃、陶瓷等，它们能透过微波，而不吸收微波。这类材料可作为微波加热用的容器或支承物，或做密封材料。 在微波电场中，介质吸收微波功率的大小P正比于频率f、电场强度E的平方、介电常数εr 和介质损耗正切值tgδ。

既: P = 2πf·E2·εr·V·tgδ

V ----物料介质吸收微波的有效体积

此外，在实际应用中会出现一种现象，就是有的加热透，有的加热不透，这就存在一个投射能力和加热深度问题，什么叫穿透能力呢？穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。透射深度被定义为：材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8%处算起的深度D，既

λ0

D = -----------------------

2π√εr·tgδ

从式中可看出，微波的加热深度比红外加热大得多，因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外加热只是表面加热，微波是深入内部加热。

３、微波加热的优点

(1)加热速度快

常规加热(如火焰、热风、电热、蒸汽等)都是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高(既常称的外部加热)。它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。微波加热则属内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。

(2)均匀加热

用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部温度，加大温差梯度。然而随之就容易产生外焦内生现象。微波加热时不论形状如何，微波都能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。

(3)节能高效

不同物料对微波有不同吸收率，含有水份的物质容易吸收微波能。玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不能外泄，只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热效率高。同时工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善。

(4)易于控制

微波功率的控制是由开关、旋钮调节，即开既用，无热惯性，功率连续可调，易于自动化。

(5)清洁卫生

对食品、药品等加工干燥时，微波热效应与生物效应能在较低的温度下迅速杀虫灭均，能最大限度的保持营养成分和原色泽，所以微波加热在食品工业中得到广泛的应用。

(6)选择性加热

不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，既选择性加热的特点，这对干燥过程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。但有些物质呈负温度系数，温度愈高，εr和tgδ将增大，吸收愈好，造成正反馈使这一部分的温度急剧上升。对这类物质进行微波加热就要注意合理制定加工工艺。

(7)安全无害

通常微波能是在金属制成的封闭加热室、波道管内传输。公司集多年加工经验和技术装备，采用先进设计，使进出料口、观察窗、炉门等处的微波泄漏严格控制在国家安全标准指标内，大大低于国家制定的安全标准。而且微波不属于放射性射线、又无有害气体排放，是一种十分安全的加热技术。微波加热干燥方法与通常加热方法（如热空气、火焰、电热器、煤气炉、红外线、高频感应加热等）相比，具有许多特点。主要是：不需热量由表及里的传递，直接加热物体内部，且热常场温度分布均匀；温度可瞬时控制，准确控制加热时间；所需加热时间短；产品质量、产量及劳动生产率得到提高；适合生产过程自动化；无公害、污染问题。 在我国首先是从微波理疗机的试制开始，随后推广到食品、茶叶、烟草、皮革、药品、纸张、木材、橡胶等轻工业产品的加工方面，以及农业上的粮食烘干、种子处理等方面。

三、微波在食品工业中的应用

目前，国外在食品工业中采用微波技术最多的是应用于“回温”解冻，食品干燥、膨化和予烹调。“回温”是指将解冻食品的温度从深度解冻状态上升至-4～-5℃。这时食品虽还有一定硬度，但已可切片分割。用微波“回温”食品比常规方法具有许多突出的优点：如加工时间大大缩短、容易控制、产品质量好、色泽和鲜度都能保持，水分和营养成分损失少、含菌量低、处理效率高、成本低、耗能少、占地面积小、劳动条件和环境卫生得到改善等。一台915MHz　25Kw的设备，每小时可处理1吨冻肉，耗电约40度。美国和日本现以大量采用微波回温（或解冻）冷冻的肉、鱼和草莓等。 美国Microdry公司研制的915MHz　60Kw通心面微波干燥已用于生产。该机先用71～82℃的热空气，在35分钟内将面条的含水量降至18%左右，然后采用微波加热，同时伴以温度为80～90℃,温度为15～20%的热风对流。利用微波快速升温、由里向外蒸发水分的优点，用热风加速表面水分的蒸发，在12分钟内将含水量降至13%，最后进行冷却。该机比原设备节能25%，加工时间从8小时缩短到1.5小时，没小时加工通心面4000磅，产品细菌含量为原来1/15。产品色泽、口味、口感都比传统方法好，目前大量投入使用。该机还可以干燥薯片、洋葱片等。法国国际微波公司，设计了微波真空干燥速溶桔粉的膨化装置。真空室的直径为1.5m,长为12m。馈入2450MHz，48kw的微波功率，使用玻璃增强聚四氟乙烯传输带进行传送。它先将含有63%固形的桔浆抽吸并涂布在宽1.2m的传送带上，堆高3～7mm，80～100T的低压下输入微波能量，加热40分钟，可膨化到厚度80～100mm，含水量20%的速溶桔粉，其产量58kg/h，年产220吨。产品不仅保持了桔汁原有的色香味，而且保留的Vc是喷雾干燥法不可能达到的。日本研制的一种微波膨化干燥蛋黄粉设备使用16只2450MHz，5kw的磁控管，总输出功率90kW，其方法是先将蛋黄浆料涂布在传送带上，用远红外预热到80℃,然后用微波加热，膨化至3～5cm厚，再急速冷却到40℃，切碎后继续用常规方法制成蛋黄粉，日产1吨。美国将微波与蒸汽结合预烹咸肉片或鸡块用于工业生产。其特点是：处理速度快、加工质量好、不破碎、可节省原料27%，现已大量投入工业生产，频率都是915MHz，功率150～240kw,最大300kw，采用隧道式加热器或V型加热器。用微波处理分割后的鸡块，视不同部位如翅、腿、脯、爪等分别采用不同的功率电平加以处理。设备有单独采用微波的,还有微波与蒸汽相结合的，微波功率为50～80kW，频率915MHz、2450MHz的均有采用。可提高产量、降低损耗、节省劳动力。　瑞典采用2450MHz　30kw的微波装置生产肉馅饼。由自动机械生产的肉馅饼，经微波完成烹制过程，最后用电热丝加热使表面褐化，产品质量明显提高，每块饼的处理时间为2分钟，每小时16000只。 瑞典洛瓦里公司用80kW，2450MHz微波进行面包杀菌防霉，用于4400磅／小时的面包生产线上，经微波处理后，温度由20℃上升到80℃,时间仅需１～２分钟，保质期由原来的30～60天延长到30～60天。此外在生产灌肠中，常规方法需90分钟。而采用微波技术，可使用连续加工的模具，从灌装肉糜、微波加热定型、脱模，总共不到2分钟，将这种无皮灌肠再送去熏制或加工成袋装食品。可省去了肠衣，提高了产量，减少了劳动力，使成本大大降低