微波加热系统的组件功能与结构 (1)

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1、武汉食品工业学院学报40JournalofWuhanFoodIndustryCollege1999年X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300MHZ～300GHZ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

2、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

3、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。

4、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X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,4300222期张永林:微波加热系统的组件功能与结构41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

5、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ε来表征吸收性能。ε是频率ω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ε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

6、。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

7、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