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微波技術(shù)是近一個世紀(jì)以來最重要的科學(xué)技術(shù)之一,從雷達(dá)到廣播電視、無線電通信再到微波爐,微波技術(shù)對社會的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。
微波
對微波的理論研究以及進(jìn)行相關(guān)實驗起步于20世紀(jì)初,但早期的設(shè)備不能滿足實驗的需要,主要表現(xiàn)為缺乏大功率的信號發(fā)生器和靈敏的信號接收器,因此早期的研究并沒有取得實質(zhì)性的進(jìn)展。到了20世紀(jì)30年代,高頻率的超外差接受器和半導(dǎo)體混頻器的出現(xiàn)為微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件,使得微波技術(shù)的發(fā)展取得的一定的進(jìn)步。
01.高速發(fā)展的二戰(zhàn)時期 第二次世界大戰(zhàn)時期普遍被認(rèn)為是微波技術(shù)發(fā)展的黃金時期, 二戰(zhàn)期間,微波技術(shù)在其他方面的應(yīng)用也在繼續(xù)向前發(fā)展。在無線通信方面,1943年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多頻段微波無線電,該設(shè)備利用了脈沖位置調(diào)制和數(shù)字調(diào)制技術(shù),美軍和英軍裝備了這種型號的無線電設(shè)備。微波測量技術(shù)也在40年代發(fā)展起來,其中包括能量檢測,能量測量,頻率測量,相位測量和電壓駐波比等技術(shù)。 02.微波技術(shù)戰(zhàn)后的發(fā)展 微波技術(shù)在二戰(zhàn)后的十幾年間迅速地傳播開來,并得到各個國家的重視。許多國家由政府進(jìn)行資金支持,在大學(xué),大型企業(yè)或是研究所里設(shè)置了微波技術(shù)的研究項目。特別是冷戰(zhàn)時期為了提供對系統(tǒng)的支持,進(jìn)行了大量微波技術(shù)的相關(guān)研究,這些研究極大地促進(jìn)了微波技術(shù)的發(fā)展。新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出,以替換那些體積過于龐大的矩形和圓形波導(dǎo)。許多新類型的微波管也投入了使用。信號發(fā)生器和接收器的體積也被大幅度減小,以降低生產(chǎn)整個微波系統(tǒng)的費用并使增強了穩(wěn)定性。以上的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了微波集成電路技術(shù)的發(fā)展。 03.從junyong到民用的轉(zhuǎn)變 二戰(zhàn)后微波技術(shù)的研究與應(yīng)用逐漸從滿足軍事需求為主向民用領(lǐng)域過渡,具有代表性的便是微波爐的發(fā)明。從20世紀(jì)40年代開始,出現(xiàn)了許多利用微波進(jìn)行加熱的相關(guān)技術(shù)的成果。 如今微波爐已經(jīng)成為世界各地廣泛使用的食品加工和烹飪器具,許多美國人甚至認(rèn)為微波爐是20世紀(jì)70年代以來最重要的科學(xué)技術(shù)突破,在我國,微波爐在大中城市的普及率已經(jīng)達(dá)到80%以上。 微波的定義 微波的頻率在300MHz-3000GHz之間,波長在0.1mm到1米之間,是分米波、厘米波、毫米波與亞毫米波、米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高,通常也稱為“超高頻無線電波”。
微波的特點
1、穿透性
微波比其它用于輻射加熱的電磁波,如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長,因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時,由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用,以微波頻率2450MHz,使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的震動,介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦,引起的介質(zhì)溫度的升高,使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫,形成體熱源狀態(tài),大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間,且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時,物料內(nèi)外加熱均勻一致。
2、選擇性加熱
物質(zhì)吸收微波的能力,主要由其介質(zhì)損耗因素來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強,相反,介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異,微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質(zhì)不同,產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子,介電常數(shù)較大,其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大,對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小,其對微波的吸收能力比水小得多。因此,對于食品來說,含水量的多少對微波加熱效果影響很大。
3、熱慣性小
微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫,升溫速度快。另一方面,微波的輸出功率隨時可調(diào),介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變,不存在“余熱”現(xiàn)象,極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。
4、似光性
微波波長非常小,當(dāng)微波照射到某些物體上時,將產(chǎn)生顯著的反射和折射,就和光線的反、折射一樣。同時微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似,能像光線一樣地直線傳播和容易集中,即具有似光性。
5、穿透性
微波照射于介質(zhì)物體時,能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波(光波除外)。
6、信息性
微波波段的信息容量是非常巨大的,即使是很小的相對帶寬,其可用的頻帶也是很寬的,可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫。
7、非電離性
微波的量子能量不夠大,因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞其分子的化學(xué)鍵,所以微波和物體之間的作用是非電離的。
微波的應(yīng)用
利用微波可對食品、保健品進(jìn)行滅菌、脫水、烘干、膨化、調(diào)味、脫腥、解凍、催陳和保鮮處理。目前已用于奶粉、奶酪、壯骨粉、洋參丸、豆粉、月餅、糕點、方便面、牛肉干、肉脯、肉條、肉松、魚干片、魚松、貝類、鹽水鴨、解凍魚肉禽蛋、醬菜、土豆片、腰果、花生、瓜子、大豆、白酒、黃酒、啤酒、牛奶、口服液、中藥材等的生產(chǎn)中。
2、木材加工
采用大功率微波干燥機(jī)對2-10公分厚的木板進(jìn)行烘干,干燥速度快、木材不開裂、變形小、同時可殺死木材內(nèi)部的卵蟲和幼蟲,中高檔家具地板、包裝材料用途木料的處理合適。微波也可對竹木復(fù)合板和拼板交接的固化處理也很理想。
3、殺蟲滅菌
應(yīng)用微波加熱技術(shù)能在較低的濕度下滅菌殺蟲,若用微波處理食品和物料,在50-80度時就能起到殺蟲滅菌作用。目前廣泛應(yīng)用到大米、谷物、豆類、煙葉處理、竹材、木料、紙張、食品、醫(yī)藥等行業(yè)等。
4、橡膠工業(yè)
微波技術(shù)應(yīng)用到橡膠工業(yè)中的橡膠硫化工藝中,與常規(guī)加熱保溫相結(jié)合,大大提高橡膠硫化時間和效率。目前在河北衡水地區(qū)、山東地區(qū)廣泛使用。
5、陶瓷工業(yè)
微波高溫可應(yīng)用于陶瓷工業(yè),將傳統(tǒng)加熱和微波加熱方法相結(jié)合使用,可大大縮短陶瓷的干燥時間,同時不影響陶瓷燒制的成品率。
6、煤炭干燥
煤炭開采后通常含水率較高(35%左右),如果采用常規(guī)烘干方法進(jìn)行干燥,速度慢、效率低,干燥不*,采用微波法干燥,可以使煤炭內(nèi)外同時升溫,是水分蒸發(fā),實現(xiàn)脫水干燥,效率得到大大提高。
7、微波等離子技術(shù)
半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中已經(jīng)采用微波等離子體技術(shù),可進(jìn)行蝕刻、濺射、氣相沉積、氧化硅片;可用于金屬、合金、非金屬的表面處理;可用于陶瓷的高溫?zé)Y(jié);可用于等離子體光譜分析,可檢測十幾種元素,另外還用于分解有毒化合物。
8、微波醫(yī)療垃圾處理技術(shù)
利用微波技術(shù)在無氧或缺氧狀態(tài)下,使微波承載體迅速升至高溫,使得醫(yī)療垃圾在極短時間內(nèi)迅速處于高溫狀態(tài),直接灰化,極大降低了燃燒過程中有毒氣體的產(chǎn)生。煙氣中氣體再采用微波等離子體火炬進(jìn)行高溫裂解,整個處理過程和處理環(huán)境實現(xiàn)全封閉無害化處理。此項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)于常規(guī)處理方法,開拓了微波應(yīng)用的新領(lǐng)域。
9、污水處理
利用微波非熱效應(yīng)和熱效應(yīng)選擇吸波的“敏化劑”把微波能傳給水中的污染物而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng),通過物理及化學(xué)作用對水中的污染物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化、加速流體中固、液分離,從而實現(xiàn)污水凈化的目的,是水處理領(lǐng)域中一場嶄新的革命。
10、微波制碳
利用微波技術(shù)對竹子進(jìn)行高溫裂解,制作竹炭,大大提高生產(chǎn)效率,同時還能提取到竹醋液,竹焦油等產(chǎn)品,具有較高的經(jīng)濟(jì)價值,優(yōu)于傳統(tǒng)窯爐方法制作竹炭,目前正在大力開始推廣使用。
微波解凍的應(yīng)用 微波解凍技術(shù)解凍速度快,微波能穿透到被加熱介質(zhì)內(nèi)部直接進(jìn)行整體加熱;節(jié)約成本,解凍過程簡單,微波解凍技術(shù)淘汰自然解凍的解凍間和架子,避免了水解凍的水源浪費,同時,產(chǎn)品質(zhì)量便于控制;解凍后顏色、營養(yǎng)成分和鮮肉相比基本無變化,保證食品的營養(yǎng)性,能保持解凍物料的口味。解凍均勻性好,不會出現(xiàn)外熱內(nèi)冷的現(xiàn)象;并且實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),大限度的降低有害菌的繁衍,是目前肉制品解凍方式。
(1)解凍速度快
① 微波能夠深入物料內(nèi)部直接進(jìn)行加熱,不需要熱傳導(dǎo)過程,提高生產(chǎn)效率,大大節(jié)省解凍時間;
② 微波解凍即解即用,相較于傳統(tǒng)解凍動則幾個小時甚至十幾個小時的解凍時間而言,微波解凍可以根據(jù)不同的工藝要求在幾分鐘內(nèi)就可以解凍出可加工的解凍肉,細(xì)菌等微生物不易繁殖增長;
微波解凍能使物料表里同時受到電磁場的作用而產(chǎn)生熱量。所以解凍均勻性好,不會出現(xiàn)外熱內(nèi)冷的現(xiàn)象;
微波能夠快速解凍的特點使得解凍物料能夠快速經(jīng)過相較于常規(guī)解凍而言細(xì)菌大量繁殖的外部環(huán)境中,避免污染,從而保持解凍物料的口味,蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等營養(yǎng)成份不受破壞;
自然解凍和水解凍都會有血水流出,肉損率在5-10%,微波解凍無血水流出,肉損率小于1%;
微波解凍設(shè)備采用觸摸屏操作,可設(shè)定適宜于解凍工藝規(guī)范要求的電腦操作程序,實現(xiàn)全自動操作;
微波解凍由于省去了污水處理的成本,僅僅投入設(shè)備的成本和設(shè)備維護(hù)運行的費用,在規(guī)?;纳a(chǎn)中,可以極大的降低解凍成本;
在解凍肉溫升速率由微波輸出功率(微波供能速率)大小控制,相互具有同步性;
可靠性高解凍設(shè)備可連續(xù)24小時工作,在磁控管與加熱箱之間安裝了大功率環(huán)形器,延長了磁控管的壽命;
無污水排出,省去污水處理費用;
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