基本运算

如方程(1)所示,单位体积所产生的热量取决于:产生微波时的电场强度、频率,以及由材料微波功率耗散所表示的介电性能。

P''' = 2 π f ε O ε r '' Ε 2 in W / m 3

P´´´ = 体积能量密度,单位W/m3
f = 工作频率,单位赫兹
εo = 自由空间的介电常数 = 8.85 x 10 -12 AS/Vm
ε r´´ = 介电损耗系数,即复介电常数的虚部
Ε = 电场强度,单位V/m(有效值)

损耗系数取决于频率 和温度有关。

原则上可以这么解释:物质的介电损耗系数越高,物质就能更好地在微波场中加热。水和所有含水性物质均具有高的介电损耗系数,因此对高频能和微波能具有良好的吸收能力。根据对微波辐射的吸能特性,材料被分为三类:

  • 吸收型,如:水(在25℃时εr’’=12),含水性物质(几乎所有食品),各种塑料制品等。
  • 透射型,如:陶瓷石英玻璃(εr’’=0.0023),特氟龙等。
  • 反射型,如:金属,石墨等。

介电损耗系数低至0.01的物质仍然可以在微波场中加热。如果介电损耗系数低于0.01,可以在不改变物质所需特性的条件下加入具有高介电损耗系数的混合剂进行微波加热。 作为特殊的应用,可以通过特定的优化,使被加热材料内部产生更高的场强。

如果一种物质的介电损耗系数跟温度密切相关,那么加热结果可能出现无规律。例如,在冻结材料的解冻过程中,解冻部分对微波的吸收比冻结部分更加集中。

下面的例子说明基于方程(1)输入特定的参量可以预测实际应用中的功率密度。将装满水(水温50℃,εr’’=5.1)的烧瓶放置在一个均匀场强为2 kV/m的加热室中。在室内,水的加热功率密度将达到约2800 kW/m3,即在2450 MHz的频率下输入功率密度为2.8 W/cm3

于是,水的加热速率通过如下方程计算得。

υ = Ρ'' с Ρ * ρ = 2800 kW / m 3 988 kg / m 3 * 4.18kJ / (kg * K)

加热室内的场强分布即场强的三维坐标函数,取决于所使用的微波发生器的质量、数量及微波耦合点的分布,加热室的几何形状,被加热材料的几何形状和物理性质(εr’’),和加热室周围金属壁的反射特性。

在研究开发中,已经尝试使用辅助计算程序来预测场强的分布状况。然而,此项研究被证实是相当困难的,因为电磁波在穿透材料时会发生折射和衍射现象。根据其几何形状,功率可能集中在某一角落、边缘,以及特定的内部区域中(透镜耀斑)。考虑到参数之间相互关联的复杂性,场强分布计算仅适用于简单、理想化的条件。因此,微波加热设备的热室设计仍然很大程度依赖于经验和调试。