微波技术在食品工业中的应用研究毕业论文.doc

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1、 （2011届）本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称：微波技术在食品工业中的应用研究 学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 07-1 学号 指导教师姓名： 职称 教授 最终评定成绩： 教务处 2011届本科毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文 摘 要微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。微波作为一种清洁高效的能源，在食品工业方面得到了广泛应用，其应用主要体现在食品高温加热、干燥、消毒杀菌等方面

2、。 本文首先给出了微波的概念和一些重要参数、性质，接着对微波技术理论以及微波技术在食品工业中的各项应用原理及特点进行了比较详细的描述，并且展望了微波技术在食品工业中的应用前景和面临的问题。关键词：微波技术 , 食品工业 , 应用研究IIABSTRACTMicrowave is an electromagnetic wave which has a frequency from 300MHz to 300GHz, an abbrevation of a limitied frequency band in radiowave- an electromagnetic wave whose wave

3、length is from 1M (not including 1M) to 1CM,and an umbrella term for electromagnetic wave, decimatric wave, millimeter wave, and sub millimeter wave .Microwaves nature is revealed generally through three characterictics penetration，reflection and absorption .As a kind of clean and high effective ene

4、rgy, microwave is widely used in food industry ,and is mainly applied in foods heating, drying , disfection and so on.First of all, this article presents microwaves conception, properties and some key parameters. Secondly, it explains microwave techniques theory and principles of its application in

5、food industry and characteristics in detail. Furthermore , it forcasts the prospect of microwaves application in food industry and exsisting problems.Keywords: microwave techniques , food industry , application research 目 录第1章 绪论11.1 微波的基本概念11.1.1 微波与电磁波11.1.2 微波的基本性质31.2 微波与物质的相互作用51.2.1 微波吸收光谱51.2

6、.2 微波极性分子、离子作用机制51.3本文所作的主要工作6第2章 微波技术72.1微波加热技术72.1.1物料的介电特性72.1.2微波对物料的加热效应82.1.3微波加热机理92.1.4微波加热物料特征102.1.5微波场中物料吸收的微波能及穿透深度的计算122.2 微波干燥技术152.2.1干燥过程对食品品质的影响152.2.2微波干燥机理162.2.3 微波/热风干燥技术182.2.4 微波/真空干燥技术182.2.5 微波/冷冻干燥技术182.3 微波杀菌技术192.3.1 微波对生物体的热效应和非热效应192.3.2 微波灭菌机理及影响因素202.3.3 微波杀菌特点21第3章 微

7、波技术在食品工业中的应用233.1微波技术的应用233.1.1微波在膨化方面的应用233.1.2微波在干燥方面的应用243.1.3微波在食品保鲜方面的应用243.1.4微波在微量元素测定方面的应用263.2微波对食品的影响273.3微波技术在食品工业中的应用前景28结 论30参考文献31致 谢32III第1章 绪论1.1 微波的基本概念1.1.1 微波与电磁波微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。以上关于微波的波长或频率范围，是一种传统上的约定。从现代微波技术的发

8、展来看,一般认为短于1毫米的电磁波（即亚毫米波）属于微波范围，而且是现代微波研究的一个重要领域。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。 图1.1给出了微波在整个电磁波谱中的位置，从中可见，其低频端与普通无线电波的“超短波”波段相连接，而其高频端与红外线的“远红外”波段毗邻。图1.1电磁波谱图1.2电磁波频谱将微波从整个电磁波谱中专门划分出来并非任意，主要是因为其波长比普通无线电波的波长短的多，这种量的变化引起了电磁波质的变化，使得微波具有一系列不同于普通电磁波的特点；同时微波的波长又比可见光的波长长的多，其特点与光波也不同，使得微波的应用领域和研究方法及其所用的传输系统、

9、元件、器件和测量装置等都与别的波段不同而成为一个独立的体系。在微波波段内部通常又按频率范围将其划分为如表1.1所示的若干个分波段表1.1 微波的分波段划分波段名称波长范围频率范围分米波1m10cm300MHz3GHz厘米波10cm1cm3GHz30GHz毫米波1cm1mm30GHz300GHz亚毫米波1mm0.1mm300GHz3THz其波段代号如表1.2所示2。表1.2 常用微波波段的划分波段代号频率范围/GHz波段代号频率范围/GHzUHF0.31.12Ka26.540.0L1.121.7Q33.050.0LS1.72.6U40.060.0S2.63.95M50.075.0C3.955.8

10、5E60.090.0XC5.858.2F90.0140.0X8.212.4G140.0220.0KU12.418.0R220.0325.0K18.026.5微波是由磁控管震荡电路产生的，磁控管将直流电能直接变成微波震荡输出。磁控管通电工作时，阳极与阴极空间称为作用空间，在作用空间内，激起了一个个绕纵轴旋转的高频电磁波；同时在作用空间内，电子在直流电场与磁场所组成的正交场的作用下，形成了轮辐状的电子云，围绕着阴极旋转。磁控管的结构尺寸又满足了使轮辐状电子云与高频电磁波同步旋转的条件。这样，每当电子云的“轮辐”经过谐振腔的腔口时，电子都恰遇高频场向拒斥场的阻力而减慢运动速度，从而电子把从直流电场获

11、得的能量不断地传送给高频磁场，使微波振荡得以建立起来持续稳定的微波能量，并作为微波源向外输出微波能量。1.1.2 微波的基本性质微波的波长比普通无线电波小的多，相应的频率也高得多。同时微波的波长又比可见光大得多，相应的频率也低得多，因此它与光波不同。与低频无线电波相比，微波具有如下一些基本性质。1.高频特性微波的振荡频率极高，每秒在3亿次以上。由于频率比低频无线电波提高了几个数量级，一些在低频段并不显著的效应在微波波段就能非常明显地表现出来。例如：在普通栅控电子管内，电子在极间飞越的时间一般为109s的数量级，这比长、中、短波段无线电波的振荡周期小得多，可以忽略不计，但与微波的振荡周期相比就绝

12、不能忽略。因此在低频时可以认为是无惯性的普通栅控电子管，当频率提高到微波波段以后，就会由于电子的惯性而失去有效的控制作用，从而被建立在新原理基础上的微波电子管、微波固体器件和量子器件所代替。由于电磁波是以光速传播的，因此它从电路的一端传到另外一端需要一定的时间，这就是“延时效应”。在一般低频电路中其延时远小于振荡周期，可以忽略，但是在微波电路中其延时可以与周期相比拟，不能再忽略。在简谐振荡情况下，这种延时表现为电路中的各点具有不同的相位。此外，如高频电流的趋肤效应、传输线的辐射效应等，也随频率的提高而越来越显著，乃至在微波波段一般都不可忽略。更重要的是，由于微波的频率很高，因此在不太大的相对频

13、宽下，其可用频带很宽，可达数百甚至上千MHz，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，因此微波具有巨大的信息传递能力，使的它在需要很大信息容量的场合（如多路通信）得到了广泛的应用。2.短波特性微波的波长比一般宏观物体的尺寸短的多，因此当微波波束照射到这些物体上时将产生显著的反射，一般地说，电磁波的波长越短，其传播特性就越接近几何光学，波束的定向性和分辨能力就越高，天线也可以做的更小。微波的波长短这一特点，对于雷达、导航和通信等应用都是很重要的。此外，一般微波电路的尺寸可以和波长相比拟，由于延时效应，电磁波的传播特性将明显地表现出来，使得电磁场的能量分布于整个微波电路之中，形成所谓的

14、“分布参数”；这与低频时电场和磁场能量分布集中在各个元件中的所谓“集总参数”有原则的区别。3.散射特性当电磁波入射到某物体上时，波除了会沿入射波相反方向产生部分反射外还会在其他方向上产生散射，我们称该物体为散射体，散射是入射波与散射体相互作用的结果，故散射波中携带有关于散射体的频域、时域、相位、极化等多种信息，人们通过对不同物体散射特性的检测，从中提取目标信息从而进行目标识别，这是实现微波遥感、雷达成像等的基础。4.穿透性微波能穿透高空电离层，这一特点为天文观测增加了一个“窗口”，使得射电天文学研究成为可能。同时，微波能穿透电离层这一特点又可被用来进行卫星通信和宇航通信。但另一方面，也正是由于

15、微波不能为电离层所反射，所以利用微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需用中继站接力。5.量子特性电磁波具有波粒二象性，根据量子理论，电磁辐射的能量不是连续的，而是由一个个“能量子”所组成，每个量子具有与频率成正比的能量 （1.1）其中h=6.62610-34Js.是普朗克常量，f代表频率。低频无线电波的频率很低，量子能力甚小，故其量子特性不显著。与微波频率相应的量子能量范围是10-510-2eV,故在低功率电平下，微波的量子特性将明显地表现出来。当微波与物质相互作用时，应该考虑到这种量子效应。例如顺磁物质在磁场作用下的许多能级差、一些大分子振动和转动所造成的能及超精细结构、接

16、近绝对零度时每个自由度所具有的能量等，都罗在微波量子的能量范围内。当微波与这些物质相互作用是，特别是在超低温、低电平的条件下，量子特性往往成为决定过程本质的主要因素。微波的上述几个特点都是互相联系的，而这些特点都是由于它在电磁波谱中所占有的特定的位置所决定的。1.2 微波与物质的相互作用1.2.1 微波吸收光谱 分子的转动能级是量子化的，吸收与能级间能量差相等的微波能后，分子会由低能级跃迁到高能级，因为微波的能量决定于其频率的大小，所以分子只能在一些分立的频率处吸收微波。 分子转动能级跃迁所吸收微波的波长处于远红外微波区，吸收信号大小随微波频率(或波长、 波数)变化的谱图即为微波吸收光谱。原子

17、光谱是线状的，它由原子的电子能级跃迁而产生 不同元素的原子有不同的特征谱线。原子光谱一般在可见紫外区，而不在微波区。分子的运动包括分子的平动、转动、核的振动及电子的运动。分子的总能量E总可表示为: 。式中: 分别代表电子能，振动能，转动能和平动能，除平动能之外，前三项都是量子化的，叫分子的内部运动能。分子能态的跃迁会吸收或发射一定的能量，表现为一定频率的光子的吸收或发射。一般来说分子的电子光谱波长约在1 um 20 nm，即可见和紫外区；振动光谱波长为50 1um，位于红外区。如果单纯地转动能发生改变(在同一电子态，同一振态) 则产生转动光谱，其波长为10 cm 50 um。微波的波长在110

18、00mm之间，因而只能激发分子的转动能级跃迁。微波谱比远红外谱更易于得到单色波束，因而微波谱的分辨能力较高，不过微波谱主要是研究气态分子。根据量子化学理论，只有当分子的电子态的永久电偶极矩不为零，才有转动能级的跃迁。因为非极性分子的电偶极矩为零，决定着非极性分子就不会有转动光谱。双原子分子是简单分子，按照非刚性转子模型考虑，双原子分子可分作极性与非极性分子，对于非极性分子(如 H2 、Cl2等) 因为没有永久偶极，故不会有纯粹的转动光谱。1.2.2 微波极性分子、离子作用机制 极性分子在无电场的作用下，分子的正负电荷中心不重合，虽然整个分子不带电，但分子出现极性，由于极性的存在，整个极性分子存

19、在偶极矩。当它们处于静电场时，极性分子将会呈现方向性排列，带正电的一端朝向负极，带负电的一端朝向正极；电磁场发生改变时极性分子的排列方向将随之发生改变。例如微波频率达到时2.450MHZ时（相当于使水分子在1秒内发生180度来回转动25亿次），分子发生高频转动，这种极性变更运动可能产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦碰撞，促进分子活性部分更好地接触和反应，同时迅速产生大量的热能。关于离子作用机制，一般认为是通过离子的电泳产生热能的。如：NaCl在水溶液中将会解离成Na离子和Cl离子，在电场存在的情况下，正离子沿着电力线方向移动，负离子逆着电力线移动。由于微波场中电场方向是变化的，因此离子将会

20、作来回的振荡，使之与相邻的分子碰撞，这种碰撞将会产生能量。同时，它会造成水分子所形成的氢键的瓦解从而释放能量。上述的两部分能量都以热量的形式释放出来，表现为物料的温度升高，从而达到将微波转化成热能的目的1。1.3本文所作的主要工作本文主要研究了微波技术及其在食品工业中的应用。第一章给出了微波的基本概念，介绍了微波的一些重要性质，在整体上对微波做了比较全面的阐述。文章的第二章主要对微波加热技术、干燥技术以及杀菌技术分别进行了分析，具体讨论了其技术原理及特点。微波加热，物料吸收电磁波产生的热量与物料的介电特性有关。微波加热不同于其他加热方法 ,一般的加热方式都是先加热物体的表面，然后热量由表面传到

21、内部，而微波加热则可直接辐射加热物体的全部，并且呈现出即时性、选择性等特点。现代微波干燥技术常与其它常规干燥方法结合起来使用，如微波/热风干燥、微波/真空干燥和微波/冷冻干燥等技术。微波杀菌以其杀菌时间短、升温速度快、能耗少、杀菌均匀、食品营养成分和风味物质破坏和损失少等特点受到越来越多的食品生产厂家的青睐与应用。第三章介绍了微波技术在食品工业中的具体应用以及微波技术的广阔前景。真正意义上的微波技术时代即将到来。第2章 微波技术 加热物料按其导热方式可以分为两类：一类是依靠物料表面将热介质热量逐层传人物料内部使之升温，称为表面热传导加热,即常规加热法。其热介质可为热空气、蒸汽 ,也包括远红外线

22、辐射（热源）等。另一类为依靠微波透人物料内,与物料的极性分子相互作用而转化为热能，使物料内各部分在同一瞬间获得热量而升温，这种具有使物料整体成为热源的加热方式称为微波加热，又称为介电加热。这两种加热方式及其热传导特性是迥然不同的。研究表明微波电磁场对物料相互作用能产生两方面的效果：一是微波能量转化为物料升温的热能而对物料加热；另一种是与物料中生物活性组成部分（如蛋白质及酶）或混合物（如细菌 、霉菌等）等相互作用 ,使它们的生物活性得到抑制或激励（视微波电磁场的频率和强度等因素，以及物料生物活性灭活阂值而定）。前者称为微波对物料的加热效应，后者称为非热效应或生物效应。2.1微波加热技术2.1.1

23、物料的介电特性电磁波在传播过程中，若遇到介质会发生反射、吸收和穿透现象，根据物料与电磁场之间的相互关系，可将物料分为四类：导体、绝缘体，介电体和铁磁体。导体（主要是金属）反射电磁波，可用于贮存或引导电磁波，即可作为干燥室和波导的材料；绝缘体也称为无损耗介电体，几乎不反射也不吸收电磁波，电磁波可以穿过绝缘体，这些材料有陶瓷，玻璃，纯聚丙烯（PP），聚四氟乙烯等，特别是纯聚丙烯和聚四氟乙烯，不仅具有一定的机械强度，而且具有较好的机械加工性能，在微波机械中可用做托盘、转动轴、传送带等；介电体的特性介于导体和绝缘体之间，它们不同程度地吸收电磁波的能量，并将之转化为热能，如水、食品等；铁磁体也吸收、反射

24、和穿透电磁波，同电磁波的磁场发生作用，会产生较小的热量，它们常用作保护或扼流装置的材料用以防止电磁波能量的泄漏。物料吸收电磁波，产生的热量与物料的介电特性有关1 ，物料的介电特性参数可用复数表示： （2.1） 为复介电常数的实部，对应于物料的电容，表示从电磁场中贮存电能的能力，这部分能量是可逆的；为复介电常数的虚部，为损耗因子，对应于物料的电阻，表示从电磁场中耗散的电能，这部分能量是不可逆的。复介电常数的实部与虚部的相位差小于90，它们的比值叫损耗角正切值，即： （2.2）式中为损耗角。表2.1一些食品材料的相对介电参数含水率，温度大小等都会影响食品物料的介电常数，在加热、干燥过程中食品物料的

25、湿度、温度都是动态变化的，所以加热、干燥过程中物料的介电常数也是在动态变化的。2.1.2微波对物料的加热效应微波能量被介质材料吸收而转化为热能的现象，表现为微波能在材料中的总损耗。在微波场的作用下，电介质的极性分子从原来杂乱无章的热运动改变为按电场方向取向的规则运动，而热运动以及分子间相互作用力的干扰和阻碍则起着类似于内摩擦的作用，将所吸收的电场能量转化为热能，使电介质的温度随之升高。电场能量的损耗用介质的损耗角正切 tg或介电常数的虚部作定量表示。损耗角正切越大，则微波热效应越显著。带有松弛离子的电介质和有漏导损耗的介质也会消耗微波电磁场能量而发热。无极性分子的电介质的损耗角正切很小,其微波

26、热效应可忽略。电磁波从空气透射进入介质内部,随着能量被逐渐消耗并转化为热能,其场强通常按指数规律衰减。微波能量减少到表面值的1/e213.6%时的深度称为穿透深度2。微波场在磁介质中的损耗由两部分组成：介电损耗与磁损耗。介电损耗仍用介质的损耗角正切表示，它与材料的电阻率有关，电阻率越大，介电损耗越小。磁损耗又称阻尼损耗，它与导磁率的虚部成正比。若微波电磁场的功率过大，将会使磁介质的温度过高；若热平衡系统受到破坏，则会导致材料饱和磁化强度下降，甚至变为顺磁材料。2.1.3微波加热机理 微波与无线电波、电视信号、雷达通讯、红外线和可见光等均属电磁波，不同的是其波长范围有所区别。它以类似于光的速度直

27、线传播,当遇到物体的阻挡 ，就会产生反射、穿透或吸收现象。微波可由磁控管产生，磁控管将50-60Hz 的低频电转化成为电磁场，其方向每秒可变化数十亿次。食品工业中主要是利用微波的热效应。微波加热不同于其他加热方法 ,一般的加热方式都是先加热物体的表面，然后热量由表面传到内部，而微波加热则可直接辐射加热物体的全部。根据物理理论可知，介质分子可分为有极分子和无极分子两大类有极分子的正、负电荷的中心不重合，其间有一段距离，可等效为一个电偶极子。被加热的介质中有许多一端带正电、另一端带负电的分子（称为偶极子），在没有电场的作用下，这些偶极子在介质中做杂乱无规则的运动。在外电场的作用下，使原来杂乱无章的

28、有极分子沿着外电场的方向转向，产生转向极化（无极分子的正、负电荷中心重合，在外电场的作用下使分子中的正负电荷中心沿电场方向只产生位移极化）。当介质处于直流电场作用下，偶极分子就重新进行排列，带正电的一端朝向负极，带负电的一端朝向正极，使得杂乱无规则排列的偶极子变成了有一定取向的有规则的偶极子，即外加电场给予介质中偶极子以一定的“位能”。表征介质在外电场作用下极化程度的物理量叫介电常数（在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映了介质的损耗）。实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同，例如水在微波条件下的介电常数和损耗比一般物质大很多，因此较容易吸收微波能

29、量而被加热。介质分子的极化越热烈,介电常数越大,介质中储存的能量也就越多。食品中的水分 、蛋白质、脂肪和碳水化合物等都属于电介质，能够很好地吸收微波能。这些极性分子从原来的随机分布状态，转变为依照电场的极性排列取向,这一过程促使分子高速运动和相互摩擦,从而产生热量，这种效应称介电感应加热效应1。若改变电场的方向，则偶极子的取向也随之改变。若电场迅速交替地改变方向，则偶极子亦随之做快速的摆动。由于分子的热运动和相邻分子间的相互作用 ，偶极子随外加电场方向改变而做的规则摆动便受到于扰和阻碍，即产生了类似摩擦的作用，使分子获得了能量，并以热的形式表现出来，表现为介质的温度升高。外加电场的变化频率越高

30、，分子摆动就越快，产生的热量就越多。外加电场越强，分子的振幅就越大，产生的热量也越大。分子频繁摆动，其摩擦产生瞬间集中的热量，从而能迅速提高介质的温度。微波是一种频率极高的电磁波，照射在理想导电金属表面上将被全反射，照射在介质表面则有一小部分被反射，而大部分能穿透到介质内部，并在内部逐渐被介质吸收而转变为热能，其穿透深度主要决定于介质的介电常数和电磁波的频率，在微波频率下对一般物体其穿透深度可达几厘米，从而使物料能均匀、迅速的被加热。2.1.4微波加热物料特征 微波加热物料具有如下特征1、微波能（量）转化为热能的即时性物料吸收微波能是物料内极性分子与微波电磁场相互作用的结果。物理学指出，在外加

31、交变电磁场作用下，物料内极性分子电极化并随外加电磁场的极性变更而交变取向（旋转）。众多极性分子因频繁转向（约10-8次/s），相互产生磨擦，使电磁能转化为热能。研究表明，极性分子在极化转向过程中的转向时间与外加交变电磁场极性改变的圆频率有关。在微波频段时有的结果。以我国工业微波加热设备常用的两种工作频率915MHz和2450MHz计算，约为10-1110-10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 。微波加热的即时性给微波加热带来了如下特点：对物料加热无惰性 ,即只要有微波辐射，物料即刻得到加热；反之，物料就得不到微波能量而停止加热。这种使物料能瞬间得到或失去加热动力（能量）

32、的性能，符合工业连续自动化生产加热要求。2、微波能量利用率高常规加热设备的能耗包括三部分：物料升温和成品流通的热损失；设备预热及向外界散热的损失；热介质流失（如排废蒸汽等）。这是依靠物料表面热传导加热方式决定的，因为只要设备正常运转，其热介质，包括设备的温度必然会高于环境温度，因此常规加热能耗的后两部分将占总能耗的较大的比例。据物料对微波吸收的特性知，物料（介质）能吸收微波，而金属材料只能反射而不能吸收微波。因此组成微波加热设备的热损失仅 占总能耗的极少部分。再加上微波加热并不依赖（不需要）高温热介质，故绝大部分微波能量被物料吸收转为升温的热量，形成能量利用率高的加热特征。3、物料各部位呈体热

33、源温度分布据传热学理论，在微波电磁场中因物料吸收微波能量成为体热源，其动态热传导方程为1： （2.3）式中为平均功率密度，为物料导热系数, 和分别为物料的比热和密度 ，为水分蒸发相变需热项，为物料传送方向（z方向）上热量流失项，其中为物料在z方向的传送速率2。若取物料为热平衡稳定状态，则并假定物料无水分蒸发相变和传送（），则对一个半径为R，两端面作绝热处理的园柱体物料为例，其内部温度分布状况的剖面如图2.1所示。图2.1（a）和（b）分别表示依靠物料表面导热的外热源加热及微波加热物料为体热源时，物料中的热量和质量迁移，以及温度梯度方向的模型示意图2。鉴于微波加热时热量传导与蒸汽迁移的方向相同,

34、是物料加热干燥的最理想状态 。因此 ,微波加热干燥效率远大于常规加热干燥，尤适于低含水率（10%）物料。图2.1 常规的与微波加热机理 以及热量、质量迁移方向模型示意图相比一般的凭借加热周围的环境，以热量的辐射或通过热空气对流的方式使物体的表面先得到加热，然后通过热传导传到物体内部的加热方法。微波热能是在被加热物内部产生的，热源来自物体内部，加热均匀，不会造成“外焦里不熟”的夹生现象，在工业生产中非常有利于提高产品质量，同时由于“里外同时加热”大大缩短了加热时间，加热效率高，有利于提高产品产量。4、选择性加热微波加热所产生的热量和被加热物的损耗有着密切关系。各种介质的介电常数在0.0001到0

35、.5的范围内，所以各种物体吸收微波的能力有很大的差异。一般说介电常数大的介质很容易用微波加热，介电常数太小的介质就很难用微波加热。这就是微波对物体具有选择性加热的特点。5、微波加热穿透能力强远红外加热的频率比微波加热的频率更高，照理加热效率要更好，但其实不然，这里面还存在一个穿透能力的概念。远红外加热虽有许多优点，应用也比较广泛，但从对物体的穿透能力看，远红外就远不如微波。什么叫穿透能力呢？穿透能力就是电磁波穿透到介质内部的本领，电磁波从表面进入介质并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并能转化为热能，它所携带热量就随着深入介质表面的距离以指数形式衰减。电磁波的穿透深度和波长是同一数量级，除了较

36、大的物体外，一般可以做到表里一起加热。而远红外加热的波长很短，加热时穿透能力差，在远红外线照射下，只有物体一薄层发热，而热量要到内部主要靠传导，这样不仅加热时间长，而且容易造成加热不均匀。相比之下，电磁波中的微波加热的穿透能力比远红外加热强的多。微波能透入食品内部加热，以及无须高温热介质的特点，从根本上改变了依赖高温热介质和热传导方式的常规加热方法，体现了微波技术的独特优势（如表2.2）10。表2.2常规加热与微波加热法的差别与工艺状况常规加热微波加热微波工艺焦糊开始位置表层里层不能从物料表层观察火候预热时间较长（以分钟计）短（以秒计）不需要预热时间加热惯性状态有无加热控制量不必提前加热与杀菌

37、工序分开合一省却杀菌工序温升状态表层温度高里层温度高表层不易结硬壳干燥层扩展由表及里里层向表层含水率低，干燥效率高物料温度梯度大较小均温时间短热量传递方式表面热传导透入物料转换整体加热热量吸收与介质有关密切相关选择性加热2.1.5微波场中物料吸收的微波能及穿透深度的计算要进一步分析微波加热或微波干燥，必须计算微波场中吸收的能量。计算方法主要有两种，即：解麦克斯韦方程组和Lambert定理。1.由麦克斯韦方程组求解物料吸收的微波能微波是时变的电磁场，麦克斯韦归纳了4个方程进行描述： （2.4a） (2.4b) (2.4c) (2.4d)式中和分别是电场强度和磁场强度，是电流密度，是电位移，是磁感

38、应强度,为体积电荷密度，它们方向具有如下关系：静止、线性、各向同性的本构方程为8： （2.5a） (2.5b) (2.5c)电磁场中，场源、场量大多是时间的正弦或余弦函数，即随时间作简谐变化，又称为时谐变电磁场，可用复数表示为： (2.6a) (2.6b)式中、分别为和的复振幅矢量。将(2.5)和(2.6)代入式(2.4a)和(2.4b)得到： (2.7a) (2.7b)其中复介电常数为： (2.8)实部Re()表示从电磁场中贮存电能的能力，这部分能量是可逆的；复介电常数的虚部Im()为损耗因子，表示从电磁场中耗散的电能，式中为电导率，为介电常数，()为磁导率，它们都是电磁波频率的函数。在研究

39、微波加热时，磁场的效应可忽略，材料的磁导率()近似等于真空介质的磁导。对式(2.7b)和式(2.8)两边分别取散度，则有： （2.9a） (2.9b)利用矢量恒等式，联合式(2.7a)和式(2.7b)得到电场强度的微分方程： (2.10)式中： (2.11) (2.12a) (2.12b)而为真空介电常数，为传播常数，可表示成： (2.13)其中： (2.14) (2.15)，c是光速，f是频率,微波在真空中的波长为，在媒介中的波长为 (2.16a) (2.16b)设微波从物料的一面射入，无限大物料表面的电场强度为，对在深度z的电场强度可表示为： (2.17)式中称为衰减常数，频率越大，越大。

40、当电场强度在介质中衰减到表面电场强度的37%(1e)，这时距离辐射表面的长度定义为穿透深度Dv，数值等于，即 (2.18)根据坡印亭定理，能流密度矢量为： (2.19)体积V，穿过闭曲面s的复数功率为： （2.20）式(2.20)两边取散度得： （2.21）式中,分别是复数,的共扼复数。方程右边第一项是实部，它是体积V内因焦耳热等消耗的功率；第二项是体积V内的无功功率。所以单位体积的物料内，微波的耗散能为： （2.22）如微波的频率为2450MHz，真空介电常数则(2-22)式变为： （2.23）2.利用Lambert定理计算微波能Lambert定理虽是一种近似的计算方法，但计算简单、实用。计

41、算公式如下2： （2.24）式中是物料表面传输的微波能流，是距离表面z处的能流。则单位体积内吸收的微波能为： （2.25）利用Lambert定理，通过试验测出物料表面的微波能流，此能流在物料内部呈指数衰减，从而可计算物料内部任一点吸收的微波能。2.2 微波干燥技术干燥是一种古老的单元操作之一，广泛应用于农业、食品、化工、医药、矿产、造纸和木材加工等众多领域，几乎所有的产业都涉及干燥。然而在科学技术高度发达的今天，它仍然是最具有挑战性的单元操作之一，特别是干燥农产品、食品和具有生物活性功能的生物制品等。干燥是食品保藏的重要手段，也是加工高质量食品的一个重要加工技术。农产品、食品的种类繁多，绝大多

42、数农产品和食品加工都与干燥密切相关。2.2.1干燥过程对食品品质的影响在农产品和食品的干燥中，与干燥节能相比，人们更关心干燥产品的品质。随着人民生活水平的提高，人们已不再满足于吃得饱，而是要吃得好，吃得健康，因此对食品的品质提出了更高的要求。干燥过程对农产品和食品产品的品质具有很大的影响，有时甚至起到决定性的作用。表2.3干燥过程中食品品质的变化表干燥是一个复杂的过程，它经常受所经历的温度含水率时间的综合影响，其过程中可能会发生各种物理、化学或生物化学变化3，表2.3列出了各种可能的变化，这些变化都会影响干燥产品的品质。发生上述各种变化的影响因素也很多和复杂，图2.2综述了干燥过程中的热量、质量、动量传递等对干燥产品的质量影响4。图2.2干燥过程中的传递现象与产品质量的关系2.2.2微波干燥机理 微波干燥主要利用的是微波加热和穿透特性，微波加热改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和迁移势梯度方向,形成了微波干燥的独特机理。物料在微波中被整体加热,这种加热方式也称“体积加热” 。因具不依赖于物料的导热性质，而加快加热速度 ,使物料受热均匀 ,不会有表面结壳现象。干燥是一种水分迁移和蒸发同时进行的加工方式。微波加热从内部产生热量，