686 微波干燥装置-参数

介电参数

物料介电参数的复数形式为：

e=c-jx

式中，e为物料复介电参数或复电容率，F/m；c为介电常数，对应物料的电容；x为损耗因子，对应物料的电阻；j为(-1)^0.5，表示损耗因子和介电常数的相位差为90度，二者比值为损耗角正切值，即：

tanb=x/c

式中，b为损耗角，tan为正切函数。

物料的介电参数与微波频率、温度、成分类型及其形态均有关，如水，自由水和结合水的介电参数有很大不同。

物料介电常数与真空介电常数的比值称为相对介电常数，损耗因子与真空介电常数的比值称为相对损耗因子（真空介电常数8.85*10^-13F/m）。

部分物料成分的相对介电常数和相对损耗因子如下表。

速度与波长

微波在物料中的传播速度：

v_j=v₀/(c_r)^0.5

式中，v_j为微波在物料中的速度，m/s；v₀为微波在真空中的速度，3*10⁸m/s；c_r为物料的相对介电常数，无因次。

微波在物料中的速度为定值，但微波频率不同时，波长也不同，即：

L=v_j/f

式中，L为波长，m；v_j为速度，m/s；f为频率，Hz。

如300MHz时，60℃时水的相对介电常数约64.0，则微波在其中的速度约为：

v_j=3*10⁸/(64)^0.5=3.75*10⁷m/s

波长约为：

L=3.75*10⁷/300*10⁶=0.125m

加热功率

微波干燥的加热功率主要包括两方面：离子传导和偶极子转动。

离子传导对单位体积物料的加热功率约为：

P_i=c_d|E|²

式中，P_i为离子传导加热功率，W/m³；c_d为物料电导率，S/m；E为电场强度矢量，V/m。

部分物质的电导率如下表。

偶极子转动对单位体积物料的加热功率约为：

P_d=6.28fc₀x_r|E|²

式中，P_d为偶极子转动加热功率，W/m³；f为微波频率，Hz；c₀为真空中的介电常数，8.85*10^-13F/m；x_r为相对损耗因子，无因次；E为电场强度矢量，V/m。

相对损耗因子为：

x_r=x/c₀

式中，x为损耗因子，F/m。

穿透深度

微波在物料中的穿透深度（微波进入物料后电场强度衰减至进物料前的37%时）：

a₀=(1+(tanb)²)^0.5-1

D_m=(L₀/6.28)*(2/(a₀c_r))^0.5

式中，a₀为中间参数；tanb（x/c =x_r/c_r）为物料的介电参数损耗角正切值，无因次；D_m为穿透深度，m；L₀为微波在真空中的波长，m；c_r为物料的相对介电常数，无因次。

当300MHz（真空中波长约1.0m）的微波进入60℃的水中时，水的相对损耗因子约4.9，相对介电常数约64，则微波在水中的穿透深度约：

a₀=(1+(4.9/64)²)^0.5-1=0.00293

D_m=(1.0/6.28)*(2/(0.00293*64))^0.5=0.52m

如微波频率为2450MHz（真空中波长约0.125m），设水的介电参数随频率变化不大时，则微波穿透深度约0.06m。

驻波比

驻波是反射波与入射波相互干涉形成的，驻波比是微波传输过程中最大电压与最小电压之比；驻波比越大，微波在传输过程中的损耗越大，波导内场强值也越大，严重时会损坏磁控管输出窗（驻波比的理想值是1.0，设计时驻波比接近1.1时即可认为达到匹配状态）。

物料获得的加热功率与传输功率之间的关系约为：

c_q=1-((r_zb-1)/(r_zb+1))²

Q_m= c_qP_c

式中，c_q为传输系数，无因次；r_zb为驻波比，无因次；Q_m为物料获得的加热功率，W；P_c为完全匹配（r_zb=1）时物料获得的加热功率，W。

微波电源功率

微波干燥所需的微波电源功率约为：

P_s=Q_m/(c_wbc_ch)

式中，P_s为微波电源功率，W；Q_m为物料加热所需热能，W；c_wb为电能转化为微波的效率，无因次（可约0.7左右）；c_ch为微波传输效率，无因次（可约0.9左右）。

设计及参数

微波干燥装置除常规结构设计和元件优选外，还需进行安全联锁设计、防打火设计（微波冷冻干燥或微波真空干燥时干燥室真空条件下可能出现打火现象）、防微波泄漏设计、电源及磁控管等部件冷却设计、微波功率调控设计（如用功率分配器调节磁控管的平均工作时间等）等。

微波干燥装置中的微波频率多采用2450MHz（功率有多种规格，如工业级1050W等），磁控管的正常使用寿命可大于1年，装置的微波泄漏量可小于2mW/cm²（基于抗流槽引导微波反转相位、硅橡胶吸收微波等措施），基本调控电路如下图。

部分微波干燥装置的设计及运行参数如下。