基于红外热成像的微波场中液体加热特性研究

庞曼伟，丁源雪，孟艳丽，张文娟

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

微波最先应用于电子通信行业中，在20世纪30年代发展起来.近年来，由于微波技术的快速发展，微波能应用领域在不断地拓展.微波加热被广泛应用于材料制备、冶金加工、食品、医疗、橡胶、矿产等领域[1-3].在微波加热过程中，伴随着能量转化过程，由于在此过程中的能量利用效率与整个加热过程中的能耗经济性息息相关，因而，研究微波加热过程中的能量变化，可以优化微波能的利用，从而更加有效地利用微波能，提高微波利用的经济性.

目前，关于微波加热的一个重点领域是研究介质在微波场中的微波吸收性能.韩光泽等[4]根据理论计算得出微波吸收系数和微波吸收功率密度；王琴等[5]使用LCR测试仪测量待测样品的电容和损耗因数，分析了蓝莓浆果的介电常数以及介电损耗与微波吸收功率密度的关系.然而当微波与介质相互作用时，介质周围场强E和介质的介电特性受多种因素的共同影响，很难获得准确的参数值并直接计算介质的微波吸收能力.此外，可以通过测定微波加热介质时介质的温度变化来反映介质的吸波能力.G.L.Lee等[6]使用2个光纤温度计探针测量2个不同位置的水温来模拟整体的水温，从而得到微波辐射下液体加热模型.但被测介质当中测点数量有限，选取点的测量温度无法真实反映介质的整体温度.王宝庆等[7]使用热电偶研究了载乙醇活性炭在微波场中的升温行为，但只能测得试样某一点的温度，并且由于介质升温迅速，热电偶的灵敏度无法满足测量要求.

由于已有的测量方法存在着热电偶灵敏度较低和测量点数量有限等诸多局限[8]，建立有效的实验方法，可以有效地实现微波加热特性的研究.红外热成像技术是一种基于二维红外成像的非接触测量技术，对温差的识别非常敏感，不受电磁场干扰，不会破坏温度场[9-11].因此，本文使用红外热成像技术研究了不同液体在微波场中的微波吸收功率和微波穿透深度特性.

1 微波加热的特性参量

微波的频率在300 MHz至300 GHz之间是一种具有穿透性的电磁波[12]，加热过程中微波场中的介质分子由于电场作用会被发生电离极化现象，形成高频振荡，产生热量[13-14].从理论分析发现，物质在微波场中所产生的热量大小与物质种类及其介电特性有很大关系，即微波对物质具有选择性加热的特性.被加热的物料一般称为电介质，从分子的结构来看可分为极性分子和无极性分子.当具有极性分子的物质处于电场中，每个极性分子都受到转动力矩的作用而发生旋转，使分子排列有序化，产生了转向极化.由于微波产生的交变电场是以每秒高达数亿次的高速变向，这样偶极定向极化跟随不及而滞后于电场的变化，出现极化弛豫现象.在偶极子定向极化转变过程中，由于相邻分子间产生摩擦，电介质分子吸收微波场的能量转变为热能，因此使物质加热升温.与此不同，具有对称分子结构的物质缺少必需的偶极特征，在微波场中不能被加热[15].

在微波场中单位体积电介质吸收的微波功率计算公式为：

(1)

(2)

表1 一些不同物质的tanδ值

由表1可知，玻璃等材料的tanδ值很小，几乎透过微波辐射，吸收的微波功率很小，这类物质称为微波透明体.水、盐水和醇等极性化合物的tanδ值较高，不同程度地吸收微波能量，称为有耗介质.此外，金属能够反射微波、传播微波能量，这类物质称为微波反射体.

物质吸收微波能量后，部分微波能转变为热能，从而使得微波强度从物质表面到内部迅速减弱.用穿透深度(dE)(能量密度减弱到表面处能量密度的1/e倍的深度)来描述微波的减弱程度[16-17].微波的穿透深度与微波辐射的波长、物质的介电性质有关，可表示为

(3)

式中λ0为真空中的入射波长.由(3)式可知，微波的穿透深度与微波辐射的波长成正比.尽管低频有较大的穿透深度，但低频时材料内部体积能量密度较低导致加热升温并不明显.表2为2.45 GHz频率的微波对一些物质穿透深度的计算值.

表2 微波的穿透深度的计算值

2 实验过程与数据处理

2.1 实验材料与设备

选取了乙醇、浓度为0.5 mol/L的食盐水和蒸馏水3种液体分别进行微波加热实验.实验采用天津施耐德公司研制的微波发生器进行微波加热和浙江红相科技公司研制的焦平面红外探测器进行实验场景能量辐射采集.微波发生器的工作频率为2.45 GHz，微波加热功率从1 ～20 W步进可调，步距1 W，加热时间从1～30 min步进可调，步距1 min.焦平面红外探测器选用的是TC系列，其分辨率为384×288，帧频小于等于60 Hz，响应波段为LWIR(8～14 μm)，采用无挡片技术，具有高灵敏度、高可靠度的特点，实现对微波场中的不同液体热量变化的非接触实时测量.玻璃、陶瓷等物质由非极性分子组成，它们能透过微波而不吸收微波，因此，选取烧杯作为微波加热的容器.微波加热装置如图1所示.

图1 微波加热装置

2.2 实验方法

分别研究了同一液体在不同微波输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输出功率下，乙醇、食盐水和蒸馏水的微波吸收功率和微波渗透深度特性.为保证实验数据质量，实验环境选在一间封闭的实验室，以减少实验过程中环境温度变化和其他辐射的干扰.具体实验步骤：实验开始时，首先将待加热液体放入烧杯中，并将烧杯置于微波发生器探头的正下方，使探头位于距离液面1 cm处的位置；然后打开红外热成像设备的电源，进行实验数据的采集；最后打开微波发生器，并设置输出功率和加热时间.每次做实验时，需要用蒸馏水冲洗烧杯后，再将待加热的液体放入烧杯内，防止上次实验的液体残留对实验结果产生干扰.

2.3 数据处理

为方便观察实验结果，将红外热成像设备得到的数据进行可视化显示.分别以热红外图像的宽度、高度和热辐射值(图像的灰度值)作为三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴绘制三维热量分布图，这种方式可以直观显示对比热量的分布.在微波加热过程中，每隔1 s取图像中热辐射最大值绘制热量变化图，观察液体在微波场中加热速度.因为穿透深度是能量密度减弱到表面处能量密度的1/e倍，故将热辐射值减弱到最大热辐射值的1/e倍处作为微波穿透深度的参考量，以最大热辐射值的1/e倍为阈值，计算图像中达到阈值的行数，按照比例计算得到穿透深度.

3 实验结果与讨论

3.1 微波输出功率对微波吸收功率和穿透深度的影响

为研究不同微波输出功率下，乙醇在微波场中的微波吸收功率和穿透深度特性，取500 mL乙醇置于烧杯中，分别调节微波输出功率至5，10，15，20 W，实验结果如图2—4和表3所示.

由图2和图3可知，不同微波输出功率下乙醇的微波吸收功率呈现了明显的规律性.随着微波输出功率的提高，乙醇的微波吸收功率随之增加，热量变化速率也随之增加，说明提高微波输出功率，微波加热过程中电场强度增强，在微波场中乙醇吸收的微波功率也随之增大.因此，增加微波输出功率有利于提高物料加热温度和加热速度.

由图4和表3可知，不同微波输出功率下乙醇的微波穿透深度没有明显变化.由(3)式可知，微波的穿透深度与物质的介电性质及微波辐射的波长有关，因而，实验结果与理论分析一致.

(a)P=5 W

(c)P=15 W

图3 乙醇在不同微波输出功率条件下的热量变化

(a)P=5 W

表3 不同功率下乙醇的微波穿透深度

3.2 不同液体对微波吸收功率和穿透深度的影响

在相同微波输出功率下，研究蒸馏水、食盐水和乙醇在微波场中的微波吸收功率和穿透深度特性，分别取500 mL的蒸馏水、食盐水和乙醇置于烧杯中，调节微波输出功率至20 W，实验结果如图5—7和表4所示.

由图5可知，相同微波输出功率下，蒸馏水、食盐水和乙醇的微波吸收功率呈现了明显的不同.介质损耗tanδ值越高的物质，在微波场中越容易被加热.由表1可知，3种液体的介质损耗tanδ值关系：乙醇>食盐水>蒸馏水，因此，在相同微波输出功率条件下，3种液体的微波吸收功率关系：乙醇>食盐水>蒸馏水，与实验结果一致.图6表明，相同微波输出功率下3种液体的热量变化速度关系：乙醇>食盐水>蒸馏水.因而，相同微波输出功率下，介质损耗tanδ值越大，物料被加热的温度越高，加热速度也越快.

由图7和表4可知，相同微波输出功率下3种液体的微波穿透深度关系：蒸馏水>乙醇>食盐水.因为使用的微波加热频率为2.45 GHz，所以微波辐射的波长相同，微波的穿透深度与物质的介电性质有关.由表2可知，蒸馏水的微波穿透深度大于食盐水的微波穿透深度，实验结果与计算值相符.

图6 不同液体在相同微波输出功率条件下的热量变化

(a)蒸馏水

4 结论

本文针对微波加热技术的应用这一热门课题，提出了基于红外热成像的微波场中液体加热特性研究方法，根据红外热辐射值对比分析不同液体的微波吸收功率和微波穿透深度特性.通过对微波场中液体的微波吸收功率和微波穿透深度特性进行研究分析，可用于微波加热过程中能量转换的优化，提高微波能的利用率，达到节能的目的，在减小资源消耗和提高加热效率等方面都有很好的应用前景.