基于紅外熱成像的微波場中液體加熱特性研究

龐曼偉，丁源雪，孟艷麗，張文娟

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024)

微波最先應(yīng)用于電子通信行業(yè)中，在20世紀(jì)30年代發(fā)展起來.近年來，由于微波技術(shù)的快速發(fā)展，微波能應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地拓展.微波加熱被廣泛應(yīng)用于材料制備、冶金加工、食品、醫(yī)療、橡膠、礦產(chǎn)等領(lǐng)域[1-3].在微波加熱過程中，伴隨著能量轉(zhuǎn)化過程，由于在此過程中的能量利用效率與整個(gè)加熱過程中的能耗經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)，因而，研究微波加熱過程中的能量變化，可以優(yōu)化微波能的利用，從而更加有效地利用微波能，提高微波利用的經(jīng)濟(jì)性.

目前，關(guān)于微波加熱的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是研究介質(zhì)在微波場中的微波吸收性能.韓光澤等[4]根據(jù)理論計(jì)算得出微波吸收系數(shù)和微波吸收功率密度；王琴等[5]使用LCR測(cè)試儀測(cè)量待測(cè)樣品的電容和損耗因數(shù)，分析了藍(lán)莓漿果的介電常數(shù)以及介電損耗與微波吸收功率密度的關(guān)系.然而當(dāng)微波與介質(zhì)相互作用時(shí)，介質(zhì)周圍場強(qiáng)E和介質(zhì)的介電特性受多種因素的共同影響，很難獲得準(zhǔn)確的參數(shù)值并直接計(jì)算介質(zhì)的微波吸收能力.此外，可以通過測(cè)定微波加熱介質(zhì)時(shí)介質(zhì)的溫度變化來反映介質(zhì)的吸波能力.G.L.Lee等[6]使用2個(gè)光纖溫度計(jì)探針測(cè)量2個(gè)不同位置的水溫來模擬整體的水溫，從而得到微波輻射下液體加熱模型.但被測(cè)介質(zhì)當(dāng)中測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，選取點(diǎn)的測(cè)量溫度無法真實(shí)反映介質(zhì)的整體溫度.王寶慶等[7]使用熱電偶研究了載乙醇活性炭在微波場中的升溫行為，但只能測(cè)得試樣某一點(diǎn)的溫度，并且由于介質(zhì)升溫迅速，熱電偶的靈敏度無法滿足測(cè)量要求.

由于已有的測(cè)量方法存在著熱電偶靈敏度較低和測(cè)量點(diǎn)數(shù)量有限等諸多局限[8]，建立有效的實(shí)驗(yàn)方法，可以有效地實(shí)現(xiàn)微波加熱特性的研究.紅外熱成像技術(shù)是一種基于二維紅外成像的非接觸測(cè)量技術(shù)，對(duì)溫差的識(shí)別非常敏感，不受電磁場干擾，不會(huì)破壞溫度場[9-11].因此，本文使用紅外熱成像技術(shù)研究了不同液體在微波場中的微波吸收功率和微波穿透深度特性.

1 微波加熱的特性參量

微波的頻率在300 MHz至300 GHz之間是一種具有穿透性的電磁波[12]，加熱過程中微波場中的介質(zhì)分子由于電場作用會(huì)被發(fā)生電離極化現(xiàn)象，形成高頻振蕩，產(chǎn)生熱量[13-14].從理論分析發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)在微波場中所產(chǎn)生的熱量大小與物質(zhì)種類及其介電特性有很大關(guān)系，即微波對(duì)物質(zhì)具有選擇性加熱的特性.被加熱的物料一般稱為電介質(zhì)，從分子的結(jié)構(gòu)來看可分為極性分子和無極性分子.當(dāng)具有極性分子的物質(zhì)處于電場中，每個(gè)極性分子都受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使分子排列有序化，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)向極化.由于微波產(chǎn)生的交變電場是以每秒高達(dá)數(shù)億次的高速變向，這樣偶極定向極化跟隨不及而滯后于電場的變化，出現(xiàn)極化弛豫現(xiàn)象.在偶極子定向極化轉(zhuǎn)變過程中，由于相鄰分子間產(chǎn)生摩擦，電介質(zhì)分子吸收微波場的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因此使物質(zhì)加熱升溫.與此不同，具有對(duì)稱分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)缺少必需的偶極特征，在微波場中不能被加熱[15].

在微波場中單位體積電介質(zhì)吸收的微波功率計(jì)算公式為：

(1)

(2)

表1 一些不同物質(zhì)的tanδ值

由表1可知，玻璃等材料的tanδ值很小，幾乎透過微波輻射，吸收的微波功率很小，這類物質(zhì)稱為微波透明體.水、鹽水和醇等極性化合物的tanδ值較高，不同程度地吸收微波能量，稱為有耗介質(zhì).此外，金屬能夠反射微波、傳播微波能量，這類物質(zhì)稱為微波反射體.

物質(zhì)吸收微波能量后，部分微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使得微波?qiáng)度從物質(zhì)表面到內(nèi)部迅速減弱.用穿透深度(dE)(能量密度減弱到表面處能量密度的1/e倍的深度)來描述微波的減弱程度[16-17].微波的穿透深度與微波輻射的波長、物質(zhì)的介電性質(zhì)有關(guān)，可表示為

(3)

式中λ0為真空中的入射波長.由(3)式可知，微波的穿透深度與微波輻射的波長成正比.盡管低頻有較大的穿透深度，但低頻時(shí)材料內(nèi)部體積能量密度較低導(dǎo)致加熱升溫并不明顯.表2為2.45 GHz頻率的微波對(duì)一些物質(zhì)穿透深度的計(jì)算值.

表2 微波的穿透深度的計(jì)算值

2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

選取了乙醇、濃度為0.5 mol/L的食鹽水和蒸餾水3種液體分別進(jìn)行微波加熱實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)采用天津施耐德公司研制的微波發(fā)生器進(jìn)行微波加熱和浙江紅相科技公司研制的焦平面紅外探測(cè)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)場景能量輻射采集.微波發(fā)生器的工作頻率為2.45 GHz，微波加熱功率從1 ～20 W步進(jìn)可調(diào)，步距1 W，加熱時(shí)間從1～30 min步進(jìn)可調(diào)，步距1 min.焦平面紅外探測(cè)器選用的是TC系列，其分辨率為384×288，幀頻小于等于60 Hz，響應(yīng)波段為LWIR(8～14 μm)，采用無擋片技術(shù)，具有高靈敏度、高可靠度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波場中的不同液體熱量變化的非接觸實(shí)時(shí)測(cè)量.玻璃、陶瓷等物質(zhì)由非極性分子組成，它們能透過微波而不吸收微波，因此，選取燒杯作為微波加熱的容器.微波加熱裝置如圖1所示.

圖1 微波加熱裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別研究了同一液體在不同微波輸出功率下的微波吸收功率和微波穿透深度特性以及相同微波輸出功率下，乙醇、食鹽水和蒸餾水的微波吸收功率和微波滲透深度特性.為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)環(huán)境選在一間封閉的實(shí)驗(yàn)室，以減少實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度變化和其他輻射的干擾.具體實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先將待加熱液體放入燒杯中，并將燒杯置于微波發(fā)生器探頭的正下方，使探頭位于距離液面1 cm處的位置；然后打開紅外熱成像設(shè)備的電源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集；最后打開微波發(fā)生器，并設(shè)置輸出功率和加熱時(shí)間.每次做實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要用蒸餾水沖洗燒杯后，再將待加熱的液體放入燒杯內(nèi)，防止上次實(shí)驗(yàn)的液體殘留對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾.

2.3 數(shù)據(jù)處理

為方便觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將紅外熱成像設(shè)備得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示.分別以熱紅外圖像的寬度、高度和熱輻射值(圖像的灰度值)作為三維坐標(biāo)系的X軸、Y軸和Z軸繪制三維熱量分布圖，這種方式可以直觀顯示對(duì)比熱量的分布.在微波加熱過程中，每隔1 s取圖像中熱輻射最大值繪制熱量變化圖，觀察液體在微波場中加熱速度.因?yàn)榇┩干疃仁悄芰棵芏葴p弱到表面處能量密度的1/e倍，故將熱輻射值減弱到最大熱輻射值的1/e倍處作為微波穿透深度的參考量，以最大熱輻射值的1/e倍為閾值，計(jì)算圖像中達(dá)到閾值的行數(shù)，按照比例計(jì)算得到穿透深度.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微波輸出功率對(duì)微波吸收功率和穿透深度的影響

為研究不同微波輸出功率下，乙醇在微波場中的微波吸收功率和穿透深度特性，取500 mL乙醇置于燒杯中，分別調(diào)節(jié)微波輸出功率至5，10，15，20 W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2—4和表3所示.

由圖2和圖3可知，不同微波輸出功率下乙醇的微波吸收功率呈現(xiàn)了明顯的規(guī)律性.隨著微波輸出功率的提高，乙醇的微波吸收功率隨之增加，熱量變化速率也隨之增加，說明提高微波輸出功率，微波加熱過程中電場強(qiáng)度增強(qiáng)，在微波場中乙醇吸收的微波功率也隨之增大.因此，增加微波輸出功率有利于提高物料加熱溫度和加熱速度.

由圖4和表3可知，不同微波輸出功率下乙醇的微波穿透深度沒有明顯變化.由(3)式可知，微波的穿透深度與物質(zhì)的介電性質(zhì)及微波輻射的波長有關(guān)，因而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致.

(a)P=5 W

(c)P=15 W

圖3 乙醇在不同微波輸出功率條件下的熱量變化

(a)P=5 W

表3 不同功率下乙醇的微波穿透深度

3.2 不同液體對(duì)微波吸收功率和穿透深度的影響

在相同微波輸出功率下，研究蒸餾水、食鹽水和乙醇在微波場中的微波吸收功率和穿透深度特性，分別取500 mL的蒸餾水、食鹽水和乙醇置于燒杯中，調(diào)節(jié)微波輸出功率至20 W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5—7和表4所示.

由圖5可知，相同微波輸出功率下，蒸餾水、食鹽水和乙醇的微波吸收功率呈現(xiàn)了明顯的不同.介質(zhì)損耗tanδ值越高的物質(zhì)，在微波場中越容易被加熱.由表1可知，3種液體的介質(zhì)損耗tanδ值關(guān)系：乙醇>食鹽水>蒸餾水，因此，在相同微波輸出功率條件下，3種液體的微波吸收功率關(guān)系：乙醇>食鹽水>蒸餾水，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.圖6表明，相同微波輸出功率下3種液體的熱量變化速度關(guān)系：乙醇>食鹽水>蒸餾水.因而，相同微波輸出功率下，介質(zhì)損耗tanδ值越大，物料被加熱的溫度越高，加熱速度也越快.

由圖7和表4可知，相同微波輸出功率下3種液體的微波穿透深度關(guān)系：蒸餾水>乙醇>食鹽水.因?yàn)槭褂玫奈⒉訜犷l率為2.45 GHz，所以微波輻射的波長相同，微波的穿透深度與物質(zhì)的介電性質(zhì)有關(guān).由表2可知，蒸餾水的微波穿透深度大于食鹽水的微波穿透深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值相符.

圖6 不同液體在相同微波輸出功率條件下的熱量變化

(a)蒸餾水

4 結(jié)論

本文針對(duì)微波加熱技術(shù)的應(yīng)用這一熱門課題，提出了基于紅外熱成像的微波場中液體加熱特性研究方法，根據(jù)紅外熱輻射值對(duì)比分析不同液體的微波吸收功率和微波穿透深度特性.通過對(duì)微波場中液體的微波吸收功率和微波穿透深度特性進(jìn)行研究分析，可用于微波加熱過程中能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)化，提高微波能的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的，在減小資源消耗和提高加熱效率等方面都有很好的應(yīng)用前景.