微波加熱原理

    微波是指波長(zhǎng)在1 mm 到1 m 的電磁波,它具有電磁波的諸如反射、透射、干涉、衍射、偏振以及能量傳輸?shù)炔▌?dòng)特性。近幾年來,微波的高效發(fā)熱特性的進(jìn)一步開發(fā),使得它的應(yīng)用從傳統(tǒng)的通訊領(lǐng)域轉(zhuǎn)向催化化學(xué)、材料加工、污染控制等領(lǐng)域。其中,在污染控制領(lǐng)域,特別是在工業(yè)污泥、醫(yī)療垃圾、廢舊輪胎、電子垃圾以及建筑垃圾等固體廢棄物的處理方面取得了較大的進(jìn)展。

    在微波加熱的過程中,微波能轉(zhuǎn)化為熱能的機(jī)理有2種,即偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理和離子傳導(dǎo)機(jī)理。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理是由微波輻射引起物體內(nèi)部的分子相互摩擦而產(chǎn)生熱能。自然界的介質(zhì)都是由一端帶正電荷、另一端帶負(fù)電荷的分子(或偶極子) 組成。在自然狀態(tài)下,介質(zhì)內(nèi)的偶極子作雜亂無章的運(yùn)動(dòng)和排列,當(dāng)介質(zhì)處于電場(chǎng)中時(shí),其內(nèi)部重新進(jìn)行排列,變成了有一定取向、有規(guī)則排列的極化分子。當(dāng)電場(chǎng)方向以一定頻率交替變化時(shí),介質(zhì)中的偶極子的極化取向也以同樣頻率轉(zhuǎn)變,在轉(zhuǎn)變過程中,因分子間相互摩擦、碰撞而產(chǎn)生熱能。電場(chǎng)變化頻率越快,偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率也就越快,產(chǎn)生的熱效應(yīng)越強(qiáng),而微波波段電磁場(chǎng)頻率高達(dá)108 數(shù)量級(jí),所以在微波輻射下,偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀,從而使體系在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的加熱效率取決于介質(zhì)的馳豫時(shí)間、溫度和黏度。

    離子傳導(dǎo)機(jī)理是指可離解離子在電場(chǎng)中產(chǎn)生導(dǎo)電移動(dòng),由于介質(zhì)對(duì)離子的阻礙而產(chǎn)生熱效應(yīng)。離子傳導(dǎo)產(chǎn)生的加熱效率取決于離子的大小、濃度、電荷量和導(dǎo)電性。

    傳統(tǒng)加熱是利用傳導(dǎo)和對(duì)流方式進(jìn)行的,首先加熱容器,容器將熱量傳導(dǎo)到物體表面,然后熱量由表面?zhèn)鬟f到物體內(nèi)部,從而獲得熱平衡條件,因此加熱需要較長(zhǎng)時(shí)間。而加熱環(huán)境一般不可能嚴(yán)格地絕熱封閉, 長(zhǎng)時(shí)間加熱, 就可能向環(huán)境散發(fā)大量熱量。而微波加熱通常在全封閉狀態(tài)下進(jìn)行, 微波功率以光速滲入物體內(nèi)部, 及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱過程中的熱散失, 并且可對(duì)物體內(nèi)外部進(jìn)行“整體”加熱,因此,與傳統(tǒng)的加熱方式相比,微波加熱具有效率高、速度快、能耗低等特點(diǎn)。