微波加热技术

在我国北方的寒冷地区，冬季时间较长，降雪量较大，降雪导致路面的摩擦系数较其它季节明显降低，这使车辆行驶、制动困难，容易引发交通事故，给人民生命财产带来重大损失。资料显示，在寒冷地区，冬季交通事故要比其他季节高出20%左右 。目前，世界上地处高寒地区的各国都在研究有效地清除道路冰雪的方法．冬季的降雪通常会以浮雪、积雪和积冰三种形式滞留于路面。清除浮雪的技术在国外已经比较成熟。然而我国由于经济条件、人口密度、城市规模等条件的制约，城市道路上的降雪易形成积雪，甚至积冰。而国内现有的纯机械式除冰设备的效率低、积冰清除不干净，而且会损伤道路标记甚至路面。针对这种现状，提出了应用微波加热技术清除道路积冰的设想，并通过理论分析和实验证实了冰不易吸收微波，而路面材料能够吸收大量微波。因此，微波能够透过冰层加热路面，使贴近路面的冰层融化，消除冰层与路面之间的结合力，以便很容易地利用除冰机械对其清除。在参考了现有的各种清冰除雪机的基础上，设计出了专门用于清除道路积冰的微波除冰机原理图。 

1　现有清除冰雪方法概述 

　　按照各自的作业机理，冰雪清除方法可分为物理、化学和机械3类。 

　　(1)物理方法 是通过加热，使路面的积雪或积冰融化。一种是电加热：在普通混凝土中添加一定导电组分材料，使之成为导电体，可通电加热。另一种是加热车加热，加热车以液化石油气为燃料，利用加热板以热辐射方式对路面上的冰雪加热。物理融化的方法对于小降雪量和薄冰效果较好。当降雪量较大时，由于其融化速度慢，效率低，能耗大，且融化出的大量水又会再次结成冰，影响了清除冰雪的效果。 

　　(2)化学方法 是通过给路面撒布一定量的防冻结化学材料——盐(NaCl，CaCl2)或其它新型融雪剂，使路面冰雪溶化。化学方法在气温较高、降雪量不大时，效果较明显。但当气温较低、降雪量较大时，不宜使用。另外，用化学方法还可能给环境带来负面影响。 

　　(3)机械方法 是利用机械装置清除冰雪。以清除浮雪为主的机械装置有：喷气吹雪式除雪车、铲式除雪车、滚刷式扫雪机和旋转式扬雪机等；以清除经过碾压的积雪以及同路面结合紧密的积冰的机械清除设备主要有：滚筒式破冰机、垂片式除冰机、抽打式除冰机和仿生学式除冰机等。 

　　以上的几种机械，对于清除道路上的积雪效果较好，但当积冰与路面结合紧密时，如果除冰机械的力量太小，不能使冰与路面分离；力量太大，又会损伤路面。因此，除冰和保护路面相矛盾。 

　　为了解决这个问题，作者试图使用微波透过冰层加热路面，使贴近路面的冰层融化。路面和冰层之间分离，能消除冰层与路面之间的结合力，用较小的力即可实现既保护路面又节约能源的高效除冰的目的。 

2　利用微波加热除冰的理论与实验研究 

2．1　原理 

　　所谓“微波”是指波长范围从1 m到1 mm，即频率范围从10 8 ～10 11 Hz的电磁波。 

　　对于微波加热，考虑到便于微波器件和设备的标准化，以及避免使用频率太多造成对雷达和微波通信的干扰，因此，各国对微波加热使用的频段有明确的规定：0~940 MHz为波段L，中心波长为0．330 m；2 400～2 500 MHz为波段S，中心波长为0．122 m；5 725～5 825 MHz为波段C，中心波长为0．052 m；22 000～22 250 MHz为波段K，中心波长为0．008 m。目前微波加热常用的是L、S波段。 

　　微波加热中介质参数一般用复介电常数张量表示，当介质表现为各向同性时，相对复介电常数为

　　(1)式中，ξr ' ，为物质的相对介电常数，表征微波穿透材料的能力；为物质的介电损耗因子，表示介质损耗，其中δ为介质电导率，ω为微波角频率，ξ。为真空介电常数。 

　　微波加热理论与实践表明，在单位体积物料内消耗的微波功率为 

　　(2)式中，为介质损耗角正切，是介质吸收微波能量本领的物理量。tanδ值小的物料，对微波的入射可以说是 “ 透明 ” 的；而tanδ越大，意味着吸收微波的能力越强。 

　　表1示出了一些介质的电特性数据，数据表明，冰的ξr ' 、tanδ较小，因此它吸收微波的能力较弱，对于微波的入射是 “ 透明 ” 的。而路面材料多为沙子、石头、沥青等，它们的ξr ' 、tanδ值应该和沙土相似，而且冬季的道路总会含有一定的水分，这样，路面吸收微波的能力要比冰吸收微波的能力大的多，微波就可以透过冰层加热路面。路面被加热后，热量就会从路面传递给紧贴路面的冰层，冰一旦融化成水后，水吸收微波能力更强，使路面和冰层之间的结合力消失，自然就可以较容易地利用除冰机械清除冰层。 

2．2　实验研究 

　　实验的主要设备为家用电冰箱、微波炉(P=800 W，f=2 450 MHz)、温度计，路面材料为水泥、沥青。 

2．2．1　微波透射冰层的实验 

　　(1)目的 验证微波能够穿透冰层加热路面，融化接触面处的冰。 

　　(2)过程 ①将一块路面材料(沥青或混凝土)放入装水的容器中，让水包围材料，材料上下表面水的厚度大约在2cm左右；②将容器放入冰箱中冷冻12 h，以保证冰的表面与内部温度相同(-20℃左右)；③取出包有路面材料的冰块，在冰的上表面上再放一块冰，一起放到微波炉中加热30 s；④取出托盘，观察冰的变化。 

　　(3)结果 ①无论是包有混凝土材料还是沥青材料的冰块，加热后冰的外表面都没有融化；②冰与冰的接触面也没有融化；③转动冰块时可以看到在材料的上下表面附近有水生成。打碎后可以看到，在材料的上下表面处，材料已经和冰分离，贴近材料部分的冰已经融化出一定的空间；④材料下表面的冰融化出来的空间大于上表面；⑤混凝土材料周围的冰相比沥青材料周围的冰融化的要多一些。 

　　(4)分析 从融化的部位可以说明冰不易吸收微波，而路面材料能够大量地吸收微波，这样微波就能够透过冰层加热路面，将贴近道路表面上的冰融化，使得冰层和路面之间分离。混凝土材料周围的冰融化的要比沥青材料周围融化的多一些，是不同材料对微波吸收能力不同的原因造成的。 

2．2．2　不同材质不同湿度对微波吸收率的比较 

　　(1)目的 分析不同含水量的不同材料对微波的吸收能力。 

　　(2)过程 ①分别将混凝土和沥青材料放入水中浸泡，大约2h后取出；②将另外的混凝土和沥青材料放人到微波炉中加热120s，去除材料中的大部分水分；③将浸过水的和干燥后的材料一起放人冰箱中冷冻，12h后取出；④将冷冻后的材料在微波炉中加热30s；⑤测量并比较材料表面的温度。为了保证数据的准确性，对每种情况各做5次。 

　　(3)结果 实验数据记录如表2所示。

　　(4)分析　从实验的数据可以看出，混凝土材料吸收微波的能力要比沥青大一些，故混凝土材料周围的冰融化得多一些。另外，浸过水的材料要比干燥的材料在相同的时间内温度升高得快，是由于刚开始加热时，材料中的水以冰的形式存在，这时主要是材料吸收微波，当加热到一定程度时，材料里的冰融化成了水，这时主要是水吸收微波，水吸收微波的能力要比其他材料大得多，所以，浸过水的材料比干燥的材料温度升高得快。而沥青材料因为本身不吸水，故有无浸水的沥青的效果差别不大。 

　　一般情况下，每年的前几场雪都会融化，这样，冬季的道路实际上与浸过水的材料相似，因此它吸收微波的能力很强。 

2．2．3　微波对路面渗透深度的分析 

　　(1)目的验证微波对路面的渗透深度。 

　　(2)过程将一块8 cm×7 cm×6 cm的混凝土材料从室温下放到微波炉中加热30s，取出后，将其击碎，测量其表面和内部的温度。 

　　(3)结果相对于外界温度