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微波干燥的基本原理

2010-01-15 17:03阅读:
微波干燥的基本原理
1.1 微波加热原理
  微波是指波长为1mm~1 m,频率为3.0×102~3.0×105MHz,具有穿透性的电磁波,常用的微波频率为915 MHz和2 450 MHz。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波功率,通过波导输送到微波加热器,需要加热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热利用的是介质损耗的原理,而且水的损耗因数比干物质大的多,电磁场释放能量的绝大部分被物料中的水分吸收。一般情况下,被干物料中的水分由于布朗运动,分子的排列杂乱无章并迅速变化,极性相互抵消,宏观上不呈现极性。而被置于微波发生器产生的电场中时,微波场以每秒几亿次的高速周期性地改变外加电场的方向,使介质的极性水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。
1.2 微波干燥机理分析
  微波加热造就物料体热源的存在,改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和迁移势梯度的方向,形成了微波干燥的独特机理。由于物料中的水分介质损耗较大,能大量吸收微波能并转化为热能,因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。在物料表面,由于蒸发冷却的缘故,使物料表面温度略低于里面的温度,同时由于物料内部产生热量,一直与内部整齐迅速产生,形成压力梯度。如果物料的初始含水率很高,物料内部温度蒸汽压非常快地升高,则水分可能在压力梯度的作用下排除。初始含水率越高,压力梯度对水分的影响越大,即有一种“泵”效应,可加快干燥速度。由此可见,微波干燥过程含水率梯度、传热和蒸汽压力迁移动力的存在,使微波干燥呈现由内向外的特点,即对物料整体而言,将使物料内层首先干燥,就克服了在常规干燥中因物料表面首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续向外移动的问题。
1.3 微波加热的特点
1.3.1 微波加热的即时性
  用微波加热介质物料时,加热非常迅速。只要有微波辐射,物料即刻得到加热。反之,物料就得不到微波能量而立即停止加热,它能使物料在瞬间得到或失去热量来源。表现出对物料加热的无惰性。根据德拜理论,极性分子在极化驰豫过程中的驰豫时间τ与外加交变电磁场极性改变的角频率ω有关,在
微波段时有ωτ=1的结果。我国工业微波炉加热设备常用的微波工作频率为915 MHz和2 450 MHz,根据计算其τ约为10-11~10-10s数量级。因此,微波能在物料内转化为热能的过程具有即时特征。
1.3.2 微波加热的整体性
  微波是一种穿透力强的电磁波,如频率为915 MHz的电磁波,其波长为32 cm,它能穿透物体的内部,向被加热材料内部辐射微波电磁场,推动其极化水分子的剧烈运动,使分子相互碰撞、摩擦而生热。因此其加热过程在整个物体内同时进行,升温迅速,温度均匀,温度梯度小,是一种“体热源”,大大缩短了常规加热中热传导的时间。除了特别大的物体外,一般可以做到表里一起均匀加热。这符合工业连续化生产和自动化控制的要求。
1.3.3 微波加热的选择性
  并非所有材料都能用微波加热,不同材料由于其自身的介电特性不同,其对微波的反应也不相同,根据材料对微波的不同反应,我们可将材料分为:微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型。因此,我们可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。如利用微波加热对制品进行胶合加工时,其发热和温升集中在胶层,避免了胶缝周围材因高温而造成的热损坏。
1.3.4 微波加热能量利用的高效性
  常规加热中,设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占居较大的比例,而用微波进行加热时,介质材料能吸收微波,并转化为热能。构成设备壳体的金属材料是微波反射型材料,它只能反射而不能吸收微波(或极少吸收微波)。所以,组成微波加热设备的热损失仅占总能耗的极少部分。另外,微波加热是内部“体热源”,它并不需要高温介质来传热。因此,绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量,形成了微波能量利用高效率的特性。与常规电加热方式相比,一般可以节电30%~50%[2]
1.3.5 微波加热安全卫生无污染,且有很强的杀菌能力
  常规加热一般采用矿物燃料作为能源,其燃烧产生的二氧化碳是导致温室效应的主要物质。而微波加热所用能源为电能,对环境没有污染。用微波辐射生物体时,除了产生微波热效应外,微波还能使生物体的生物活性得到抑制或激励,即微波的非热效应或生物效应。在相同温度条件下,微波对细菌的致死率远高于常规加热。
1.4 微波加热体系的构成
  微波加热体系由两大部分组成:波发生、传输、控制部分和微波加热器部分。微波发生器是干燥设备的关键部分,它由磁控管和微波电源组成。微波管产生的微波通过波导装置无损耗地传输到微波干燥器中;微波干燥器是实现物料与微波相互作用的空间,微波能量在此转化为被干物料的内能,使物料中的水分蒸发而干燥;排湿冷却装置的作用是排出物体中蒸发出来的水蒸气以及将物料通风冷却;在对物料连续处理的微波设备中,还具有配套的物料输送系统。该系统的传输速度和调速范围,要适应被干物料的工艺要求,连续不断地将它们送入微波干燥器中进行干燥,并将干燥后的物料输送出来进行下一道工序。传统系统多由调速电机和减速器组成。物料输送带均采用低耗微波的介质材料,如聚四乙烯玻璃纤维带、聚乙烯带等;控制系统是用来调节设备的各种运行参数。保证设备的输出功率、输送速度、排湿冷却装置等能根据最佳工艺规范的要求,及时方便和灵活地控制与调整。控制系统既可安装在微波发生器上,又可与主机分开。

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