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微波加热系统的组件功能与结构张 永 林(机械工程系)摘 要 介绍了微波加热系统的构成、加热原理和特性、组件功能与结构。关键词 微波加热 组件功能 结构中图分类号 TN61 微波是指频率为300MHZ300GHZ的电磁波,从电磁波谱图看出、微波是无线电波中波长最短的波段,根据其波长量级,可将其分为分米波、厘米波、毫米波以及亚毫米波。微波的热效应很早就为人们所认识,但由于其超高频电磁振荡性质、不能采用普通的电子管来进行微波振荡、放大和检波,所以直到1965年,在美国由Crydry公司开发出大功率磁控管后,微波在食品工业加热中的应用才全面展开,尤其是80年代后,微波热能的有效利用和加热体系的不断完善使得微波热效应在脱水干燥、烹调焙烤、微波解冻、快速催陈以及热力杀菌和非热力杀菌等食品加工层面上的应用极大地发展和丰富起来。1 微波加热原理与特性1.1 微波加热原理 微波加热技术是在微波理论、微波技术和微波电子管成就上建立起来的一门应用技术。传统的加热方式主要依靠传导和对流形式将热量由外及内传递,而微波加热则是通过微波能量与被加热介质的相互作用而达到表里一致被加热的。食品中的水分、蛋白质、脂肪等都属于电介质,电介质材料由极性分子和非极性分子组成。由电介质极化理论知、在外电场作用下,介质可以发生电子极化、原子极化这样的瞬时极化和偶极子转向极化这种松驰极化。在高频电磁场作用下,只有极性分子(偶极子)的转向极化因极化强度滞后于电场而成为微波域内极化运动生热的主导原因。极性液体分子(如食品中的水等)的运动可看作为偶极子在粘性介质中旋转着,无外电场时,每个极性分子的偶极矩的方向因布朗运动而呈杂乱排列,正负极抵消、总偶极矩为零。但在微波频域范围内的交变电磁场中、偶极子就跟随电磁场方向作交变的转向极化运动。这种转向极化运动受到粘性介质的碍阻和干扰,从而使介质极化取向和电磁场变化之间在时间上存在滞后,并因此出现松驰电流的有功分量,这是一种吸收性电流,它是介质在交变电场下产生摩擦热 即介电损耗的根本原因。1.2 微波加热特性 其一,加热速度快、加热均匀。介质对微波的吸收特性表现为微波能深入到物料内部,透入到内部的微波能量被物料吸收转换成热能对物料加热,形成独特的无温度梯度的整体加热,随着物料表层水份不断蒸发,逐步形成温度梯度由里向外,从而与加04武 汉 食 品 工 业 学 院 学 报JournalofWuhanFoodIndustryCollege1999年 收稿日期:1998-12-22张永林:男,1962年生,副教授,武汉食品工业学院机械工程系,430022热过程中伴随的蒸汽压迁移方向与热量迁移方向一致,这种加热状态极利于快速、均匀地干燥物料。此外微波能量绝大部分耗散在被加热物料上,而对加热物料周围的空气或加热器箱体或透过、或反射,其吸收的能耗极小,这也有助于提高加热速度。其二,节能性。微波加热器工作时,炉体及空气不受热,比之于常规加热显然是节能的;微波加热仅需电源预热时间而不需加热工作状态的预热,微波能量输出后加热具有即时性以及工作过程中不需维持工件散热的损耗;微波加热的快速及高的热转换效率也体现为节能效果。其三;选择性加热。介电性质不同的物料其对微波能量的吸收能力不同,用介电损耗来表征吸收性能。是频率的函数,在微波频段,水表现为强的吸收性,而空气表现为完全透过性,塑料、玻璃等的极小,故微波加热可以在加热包装内食品时直接作用于加热对象,减少容器等的热损失。热选择性还可用于杀死食品中的虫、菌,因其含水较多而会吸收更多的能量被加热致死。其四,易控性。微波加热时,有微波辐射则物料受热,当停止辐射,加热过程立刻停止,即显示为加热方式的热惯性小。利用其热惯性小的特点,可以通过调节微波输出功率,使物料加热状态相应地无惰性地改变,这极利于自动控制。其五,产品质量高。微波加热时间短,又有非热效应配合,因此可以保存加工原料的色、香、味,且维生素的破坏也少。其六,其它。除上述特性外,微波加热无污染、无余热、劳动强度改善、占地面积小。当然,微波加热也存在一些缺陷。如微波加热的选择性会使非匀相食品各部分吸热不同;微波电场的尖角效应使得处于有棱角地方的物料承受更大的场强,产生过热现象等。这些都是在加热系统设计中应加以注意并尽量改善的问题。2 微波加热体系的构成微波加热体系由两大部分构成:微波发生、传输、控制部分和微波能加热器部分。加热器也称为应用器(Applicator)。图1示出了加热体系的组成,图2示出了一种典型加热干燥装置的构成。图1 加热体系组成 图2 典型加热装置示意图3 组件功能与结构3.1 磁控管 磁控管是微波的发生装置。工作在微波频率的磁控管有线性束管和交叉场型管等多种。食品加热中采用较多的多谐振磁控管即为交叉场型管,即在阴极与谐振阳极间所加的直流电场与管轴方向所加的直流稳恒磁场是垂直的。在这种状态下、磁控管阴极发射的142期 张永林:微波加热系统的组件功能与结构电子受电场加速并随速度增大而受到增大的正交磁场的洛仑兹力作用,从而只有那些具备足够能量的电子才能以曲线路径达到加有交变高频电压的阳极,这些达到阳极的电子将其所获得的能量全部交给高频场,并维持高频场振荡,持续向外发射微波能量。多谐振腔磁控管以圆筒形提供发射电子的阴极、环绕阴极的是由多个谐振腔组成的谐振系统、由谐振腔决定振荡频率,并同时作为收集已交出运动动能的电子的电极。微波能量最终由能量输出器引出。3.2 波导、激励与耦合装置 微波的高频特性意味着在普通金属导线上传输将伴随能量向周围空间辐射而使波动传输很快衰减。再者,微波频段电磁波的工作波长与其电路尺寸可比拟或更小,电磁波的相位滞后现象不可忽略。这就要求必须采用不同于普通导线的圆形或矩形截面管来传播微波,必须使用“场”的概念来作为传输特性参数。波导器件就是用来完成微波传送、相互连接、耦合以及改向等传输任务的。空心波导将电磁场限制在波导的空间中以避免辐射损耗。波导按形状和功能分为直波导、曲波导、弯波导和扭波导,后三种用来改变传输方向。微波加热常采用矩形截面波导,其形式为矩形截面的长空心金属管,波导的内空尺寸是保证传输高阶型波的关键,即由其确定所传播的高阶型波的截止波长。波导内表面必须光滑无焊疤尖点,因为任何不对称或不规则之处都将吸收由波导输入的主模的能量并再次予以辐射,激励出其它型波,这样就造成电磁场分布不匀,影响加热效果。另一种传输器件是环行器,它是非可逆的传输件,常用以连接微波源和谐振腔,当谐振腔中因物料不能全部吸收微波功率时,部分反射功率通过环行器进入终端负载(水负载),以避免多余的微波功率返回微波源而损坏磁控管。波导中的激励与耦合装置的作用分别为在波导中建立所需电磁场模式,和从波导中取出所需要的某模式的能量。激励分电场激励、磁场激励和电磁场激励,常用的矩形波导中的激励装置有棒、环及小孔激励装置。耦合与激励是过程进行的两个方向,激励装置也可作为耦合装置。3.3 谐振腔 谐振腔即加热器体,是完成微波能量与介质相互作用的器件,也是加热体系中的关键部件。谐振腔可分为箱型、波导型、辐射型和表面波导型等种类。家用微波炉为批量式箱型,而大输出功率的多为隧道式箱型,即由多个单箱体串连起来。波导式谐振腔的尺寸应满足0=2(ma)2+(nb)2+(pc)2式中:0 加热腔微波的谐振波长;a,b,c 谐振腔内空长、宽、高;m,n,p对应于a,b,c的半波长变数。谐振腔内表面必须光滑、无突出或螺钉头。采用串联多箱式谐振腔时,箱与箱之间应留有过渡段以免各箱体之间微波干扰。在谐振腔内的空间各点,能量是以某种模式的场分布的,故各点的热功率并不均匀。因此,在谐振腔体上常用多口耦合馈能来改善其均匀性。另一种改善均匀性的方法称为模式互补法,有两种方式,一是使箱内同时存在多种模式、利用24武 汉 食 品 工 业 学 院 学 报 1999年其空间分布的强弱不同而相互弥补迭加;再一是利用类似电扇叶片的搅拌器,安装在波导馈能耦合口附近,以一定转速转动,由金属叶片产生反射波,扰动腔内场分布以激励多种模式,实现模式互补。这一方式常见于家用微波炉中。3.4 漏能抑制器 漏能抑制器设在加热器的物料输入、输出处。功能是防止谐振腔中的电磁波外泄而危及人员安全。控制微波泄漏的措施有:(1)截止波导式,即利用微波能量在截止波导中传播时被强烈衰减的作用;(2)波导槽抑制式,即在加热器的出入端口宽边上加一组短路波导;(3)皱折式,用一系列等长度的波导槽周期性排列在主波导上;(4)电阻性抑制,用具有良好微波吸收性能的材料粘接到抑制器末端使其吸收微波能。实际中所用的抑制器多为组合式,即首先利用梳形板的突点和不对称点将高强度的电磁波转换成其它型波以减弱其强度,经过一系列的衰减后,当微弱的电磁波继续前进就进入由吸收材料组成的内腔,被吸收材料所吸收,如图3。加工梳形板的梳形齿(即波导槽)时,应有意保留各部位尖角。图3 漏能抑制装置3.5 其它 微波功率源用来为磁控管提供集中调控好的电源;磁控管冷却装置主要出现在大功率磁控管中,采用冷却水内部循环来解决自身发热的问题;加热体系中的水负载是用来吸收由环行器馈送来的多余的微波能量,实际上是磁控管的安全装置;此外观察窗孔和排湿孔的设计除满足功能要求外,还要有良好的微波屏蔽特性。再如体系中的物料输送机构、机架、传动等基本类似于普通加热干燥机的相应部分,在此不再阐述。参 考 文 献1 王绍林.微波食品工程.北京:机械工业出版社,19942 李里特.食品物性学.北京:中国农业出版社,19983 杨祥林.微波器件原理.北京:电子工业出版社,19854Robert.V.Decareau.Microwave in the Food Processing Industry.New York.AcademicPress.Inc.1985.PACKAGE COMPOSITION AND CONSTRUCTION OFMICRO2WAVE HEATING SYSTEMZhang Yonglin(Mechanical Engineering Department)ABSTRACTThe construsture of the micro-wave heating system,its heating principle and char2acteristics,and the function of its packages,its composition are introduced and elucidated.KEY WORDSmicro-wave heatingfunction of packageconstruction342期 张永林:微波加热系统的组件功能与结构