微波加热的能量吸收与效率研究

第１０卷第４期　２００８年７月　天津职业院校联合学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ　Ｎｏ．４　Ｖｏ１．１０　

ｌｕ１．２００８　

微波加热的能量吸收与效率研究　

徐　慧　（天津机电职业技术学院，天津市　３００１３１）　摘要：　微波加热是一种能有效进行热传导的方法，与传统的“由表及里”的加热方式相比，它具有高温快速节　能等特点。微波加热已经在生产、生活中得到了广泛的应用。针对微波加热过程中的功率分布、加热负载所吸收的功　率、加热效率的问题做了研究。　关键词：　微波加热；功率输入；功率分布；效率　中图分类号：Ｒ５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—５８２Ｘ（２００８）０４—０１２７—０４　

微波加热的最主要特点是“体积加热”，“体积加热”的意思是物体可以直接吸收并转化微波的能量。与传统方式　加热相比，具有高温快速、节省能源、不燃烧、启动时间短等优点。微波加热在工业方面应用有去除多孔材料中的水　分，如干燥纺织品、木材、纸制品和陶瓷等。在医疗方面，可以用于溶化冷冻的组织，血液加温和肿瘤治疗等，这和传统　的由表及里的加热方式截然不同。　

一、

微波加热系统　

微波加热系统利用各种电路与机械设备结合产生并控制微波能量的输出来进行加热。以微波炉系统为例，可以　分为两个基本的部分——控制部分和高压部分。　控制部分由定时器（电子或机电的）、控制功率输出系统以及各种互锁防护设备组成。高压部分的部件通过逐件　增加内部输出电压来产生高压。之后，高压被转化成微波能量。　二、系统分析　设置不同的系统功率（８００　ｗ和３６０　ｗ）来进行两组试验。每组加热不同体积的水（１Ｏ０到２０００　ｍＬ）３００秒。在　两组试验中，其他条件一样。　首先测量水的初始温度和初始质量，其次在加热期间，磁电管及面向风扇的空气的温度和输入功率都由ＬＡＢ—　ＶＩＥＷ软件自动记录。微波加热完成后，再测量负载的温度和质量，并做相应的记录。　１．输入功率　通过实验发现设置系统功率为８００Ｗ时，对于不同体积的样品来说，输入功率几乎没有明显区别。同样，当设置　系统功率为３６０Ｗ时，输入功率为脉冲功率。在同一时间，加热不同体积水时输入功率相似。由此可见，输入功率与　样品体积无关。　２．磁电管与面向风扇的空气的温度差的变化趋势　由实验得知，无论系统功率是８００Ｗ还是３６０Ｗ，也不论微波加热的水的体积是多少，微波加热期间所有温度差　值（ＡＴ）与时间的曲线几乎重合。　由于温度差（ＡＴ）和输入功率都与样品体积无关，通过模拟得出平均值，如图１。该平均值是微波加热不同体积　水时，温度差的平均值。这里研究的仅是加热３００秒的设定值。　

收稿日期：２００８—０３—１６　作者简介：徐慧（１９７８一），女，天津市人，，ｖ￣ｉａ电职业技术学院助教，从事自动化仿真研究。　

・　１２７・　

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图１　图２　图１　８００Ｗ功率输入设置时，平均温度差（（Ｔａｖ）和功率输入随时间的变化　图２　３６０Ｗ功率输入设置时，平均温度差（（Ｔａｖ）和功率输入随时间的变化　对比图１和图２上图，图１的温度差高于图２的温度差。　当输入温度设置为３６０Ｗ时，如图２所示，输入温度不再是～个持续的功率，而是一个开／关功率。正是由于这种　开／关功率，使得温度差（ＡＴ）随时间振荡。　设置输入功率为３６０Ｗ时，微波加热系统的工作循环变量可由下式得出：　Ｔｉｍｅｂａｓｅ＝￡　＋ｔｏｆｆ：２４（ｓ）…・…………・……・……………………………………・……・…………………‘（１—１）　

Ｄ　ｙｃｙ，ｆ　：—　一：．　：　…………………………………………………………………………………（１—２）　ｚ　ｔ—ｉｍｅ—ｂａｓｅ　……………………………………………………………………‘【　一２）　

３．建立数学模型　Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ的系统识别工具是基本Ｍａｔｉａｂ软件的优化产物，能够通过输入和输出数据建立动态系统的数学模　型，并得知模式的特性。还可在数学模型中调整参数，直到输出值与所得测量输出值～致。　图１上图所示为～阶函数图。在这里，可以利用ｉｄｅｎｔ命令来得到相应的传递函数。　

Ｇ㈤＝　ｅ　其中，Ｋ为静态增益，　为时间常数，　为时间延滞。　设置系统功率为８００Ｗ时，得到以温度差△Ｔ　作为输入功率函数的传递函数。在这里，为了方便起见用（Ｔ代替　

△Ｔ…　传递函数为：　

Ｇ　＝　＝　……………………………………………………ｃ卜３　设置系统功率为３６０Ｗ时，得到以温度差△Ｔ　作为输入功率函数的传递函数。在这里，同样用△Ｔ代替△Ｔ…　传递函数为：　Ｇ㈦＝　＝　……………………………………………………　４　对比（１—３）和（１—４），两个传递函数相似。于是，对于这两种设置输入功率来说，传递函数为　Ｇ㈤：　＝　……………………………………………………　－ｓ　从图１下图来看，输入显然为阶跃信号，其拉普拉斯形式为：　Ｐ　（ｓ）：去……………………………………………………………………………………………（卜６）　所以，该系统拉普拉斯形式的输出可表示为：　ＡＴ（ｓ）＝　㈤・Ｇ㈤＝÷・　………………………………………………（卜７）　

于是，用部分分数扩充进行反拉普拉斯转换：　・　１　２８　・　

维普资讯 http://www.cqvip.com ＡＴ（ｔ）＝０．０２４・Ｐ　（￡）・ｒ１一Ｐ　、…………………………………………………………………………（１—８）　微波加热中负载吸收的功率可以由实验得出。利用测量微波加热蒸馏水前后的温度差（△Ｔ－　ａ），以及由于水份蒸　发，引起蒸馏水前后的质量差（△ｗ）的因素。通过过程守恒公式可以计算出负载吸收功率：　Ｐ曲　＝（Ｐ・Ｖ・Ｃ　・ＡＴ　ｄ＋ｈ　・Ａｗ）。・・………・……………。・……………………………………‘………‘‘（１—９）　该公式中，Ｐ　ｂ　（ｗ）为蒸馏水吸收的功率，ｐ（ｋｇ／ｍ　）为蒸馏水的密度，Ｖ（ｒｎ　）为蒸馏水的体积，Ｃ　（ｋＪ／（ｋｇ。ｃ））为　比热，ｈ　（ｋＪ／ｋｇ）为２７。Ｃ时，在大气压力下蒸馏水的潜热。　功率吸收率，即微波加热期间，负载吸收功率与微波输入功率的比值，可以通过下列公式得出：　ｐ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ＝音盟………………………………………………………………………………………………（１—１０）　

ｉｎｐｕｔ　Ｐ　（ｗ）指负载吸收的功率，Ｐ－　（ｗ）指总功率损失，Ｐｍｐ　（ｗ）指可以直接测量的输入功率。　

Ｐ。…　＝Ｐ　ｂ　＋Ｐｌ………………………・・……・……・……・……………………………………………………・（１—１１）　４．能量分布与效率　根据数学模型及数据，得出图３、图４。　

图３　图４　图３　设置输入功率为８００Ｗ时，功率分布随体积的变化　图４　设置输入功率为３６０Ｗ时，功率分布随体积的变化　在图３中，Ｐ　，Ｐ－…，Ｐ　分别代表设置系统功率为８００Ｗ时，水的吸收功率、功率损失和输入功率。在图４中，　Ｐ　，Ｐ－…分别代表设置系统功率为３６０Ｗ时，水的吸收功率和功率损失。Ｐ…　为３００秒内，输入功率的平均值。　Ｐ　为３００秒末的输入功率。当设置系统功率为３６０Ｗ时，输入功率为开／关功率（如图２所示），所以，Ｐ…　为Ｐ∞　

一半。微波加热后，３６０Ｗ设置系统功率下负载加热后温度低于８００Ｗ设置系统功率下负载加热后温度，所以３６０Ｗ　设置系统功率下的负载吸收功率低于８００Ｗ设置系统功率下的负载吸收功率。于是，导致了３６０Ｗ设置系统功率下　的功率损失低于８００Ｗ设置系统功率下的功率损失。　显然，负载的体积越大，吸收的功率越多。反之，损失的功率越少。这是由于负载体积越小，功率越容易散发到四　周。例如，加热直径为１５０ｍｍ烧杯中２０００ｍＬ水，所得的吸收功率大约为７００Ｗ；而加热直径为１９０ｍｍ量杯中　２０００ｍＬ水，所得的吸收功率大约为８１０Ｗ。　吸收功率的效率指负载所吸收的微波能量与输入功率的比值。加热适当的负载，磁电管作用功率很高。然而，对　于越小的负载来说，该值越低。如图５所示。　

图５效率随体积变化图　・　１２９・　

∽∞　蛳∞曲皿０　＾≈０＿‘ｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com 由于与传统加热相比，微波炉通常被认为加热效率很高，然而，从图５所示，效率似乎很低。事实上，无论是家用　还是工业用，对于一般微波加热来说，效率基本上为５０　左右。　显然，负载体积越小，负载吸收的功率越小，所以，其效率降低的越小。然而，负载体积越大，由于反射造成的功率　损失越小，因此微波吸收功率的效率越高。对比图５中的两条曲线，８００Ｗ设置系统功率时的效率略高于３６０Ｗ设置　系统功率时的效率。　三、结束语　研究表明微波加热时在给定的设置系统功率下，对于不同体积的微波加热样品（水）来说，输入功率几乎相同。负　载的体积越大，负载吸收的功率越多，功率损失越少。微波加热负载体积越小，吸收功率越少，功率损失越多，磁电管　的效率越低。在给定负载体积的情况下，设置系统功率为８００Ｗ时的效率高于设置系统功率为３６０Ｗ时的效率。　

参考文献：　［１］孙兆林．ＭＡＴＬＡＢ６．Ｘ图像处理［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．　

［２］张森．ＭＡＴＬＡＢ仿真技术与实例应用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４　［３］彭沛夫．微波技术与实验［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７．　［４］杨伯伦，贺拥军．微波加热在化学反应中的应用进展［Ｊ］．现代化工，２００１，（１）．　［５］夏湘，陈祖兴．微波能在工业上的应用前景［Ｊ］．海南矿冶，２００１，（１）．　［６］杨洲，段洁利．微波干燥及其发展［Ｊ］、粮油加工与食品机械，２０００，（１）．　

［责任编辑：张洪定］　

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