辐射干燥设备

第四节辐射干燥机械设备除了前面提到加热干燥方法以外，食品工业还可利用红外线、微波、电阻加热等原理对食品进行加热干燥处理。其中远红外加热的应用最广，它的主要设备形式是用于焙烤行业的烤炉。目前，微波加热设备应用最多的是家用微波炉，但由于其独特的介电加热优点，工业化规模的微波设备具有良好的发展前景。一、微波加热设备二、远红外加热设备微波干燥装置1、微波及微波加热的基本概念与原理2、微波及微波干燥的特点3、微波技术在食品工业中的应用（微波加热杀菌、微波提取、微波加热干燥、微波熟化等）4、微波干燥装置的组成5、微波加热防泄露措施6、微波干燥装置的设计计算1946年，斯潘瑟----美国雷声公司的研究员，一个偶然的机会，他发现微波溶化了糖果。事实证明，微波辐射能引起食物内部的分子振动，从而产生热量。1947年，第一台微波炉问世。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物煮熟了。这就是微波炉加热的原理。微波的特点微波与无线电波、电视信号、通讯雷达、红外线、可见光等一样，都属电磁波，只是波长不相同。微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波（波长1米～1毫米）,通常用于电视、广播、通讯技术中。而近代把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业上进行加热、干燥；在化学工业中进行催化、萃取等化学反应和激发等离子体；家用微波炉的使用更标志微波技术的日趋成熟。从低频无线电波、微波到可见光以至X射线、γ射线的整个电磁波谱，可以发现它们虽然都同属于电磁波，但随着频率的提高，不同波段的电磁波具有各自不同的性质。偶极子与极化的概念1、电介质极化（polarization）:电介质插入电场后，由于同号电荷相斥、异号电荷相吸的结果，介质表面也会出现与各自贴近电极电荷相反的电荷分布，此即为极化现象，介质表面的电荷为极化电荷；2、有极分子与无极分子：任何物质的分子或原子都由带相同正负电荷的电子和原子核组成，整个分子中的电荷的代数和为0。在分子中正负电荷都不集中在一点，但在离开分子的距离比分子线度大得多的地方，分子中全部电荷对这些地方的影响将和一个单独的负点电荷等效，这个等效电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”，同样正电荷也存在类似的正电荷“重心”，在无外电场存在时，按正负电荷重心是否重合，把介质分为两类：正负电荷重心重合的电介质称为无极分子；不重合的就称为有极分子；由于有极分子正负电荷重心的相互错开，形成一个电偶极距，所以有极分子又称为偶极子；3、电场中电介质的极化有三种情况：1）电子位移极化或光学极化：无极分子处于外电场中时，在电场力作用下，本来处于重合中心的正负电何“重心”发生偏离，形成一个电偶极子，分子偶极距的方向与外电场方向一致，高频电场中只发生电子位移极化，紫外线照射发生该极化现象；2）原子极化或红外极化（atomicpolarization）：构成分子的各原子或原子团在外电场作用下发生了偏离，而发生极化现象，各原子的偏移，是在像弹性振动下进行的；3）取向极化或偶极子极化（orientationpolarization）：有极分子在无外电场存在时，所有分子的固有电矩矢量和会相互抵消，宏观上不表现电场，但当处于外电场中时，分子电矩就会转向外电场方向，虽然分子热运动会使这种转向不完全，但总体上会使介质在垂直与电场方向的两端产生极化电荷；4、松弛时间（relaxationtime）:极化时，由非极化状态到极化状态总需要一段时间，此段时间即为松弛时间；松弛时间的倒数即为介质的特征频率；5、介电损耗：当电介质所处的电场的频率与其特征频率接近时，极化运动对处于外电场就会产生滞后，滞后程度与引起分子内的摩擦产热有关，把极化运动产生的热损耗称为介电损耗；微波加热特点及频率微波加热属于一种内部生热的加热方式，依靠微波段电磁波将能量传播到被加热物体内部，使物料整体同时升温。由于电磁波的应用极为广泛和普及，特别是通信领域，为避免相互干扰，国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，与通信频率分开使用。目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。ε’’=ε’tanδδ表示极化对于电场变化的滞后角度，极化损耗角；tanδ为损耗正切或耗散因子；ε’介电常数是衡量极化程度的尺度；所谓热辐射，实际是加热物体放出的各种频率的电磁波被介质吸收，而产生热的现象；微波加热实际是由水分子等偶极子随电场方向变化而产生转动得到的分子内部摩擦热而产生的；远红外线和红外线加热则是由原子振动产生的内摩擦所致；微波加热过程电能→电子运动能→电磁波（微波）能→分子极化→分子动能→摩擦能→热能极性分子在未加外电场时，排列是杂乱无章的，对外不显极性，如图1之所示。在有外加电场时，极性分子带正电的一端趋向电场负极，带负电的一端趋向电场正极，从而形成一定程序的排列,当外加反向电场时，极性分子则按相反方向有序排列，如图1与所示。若外加电场的极性反复变化，极性分子便跟着进行上述摆动。在摆动过程中，各相邻极性分子间将发生摩擦而产生热量，使得介质发热。由微波发生器产生的高频电磁波犹如反复变换极性的外加电场。如果将极性分子放到频率为2450MHz的交变电场中，电场方向每秒变化2．45亿次，则极性分子也随之摆动2．45亿次。在摆动中，极性分子之间互相摩擦，在很短的时间内产生足够的热量，从而加热食物。这就是微波加热的基本原理。微波场中不同介质的响应不同介质材料的介质常数εr和介质损耗角正切值tgδ是不同的，故其在微波电磁场作用下的热效应也不一样。由极性分子所组成的物质，能较好地吸收微波能。水分子呈极强的极性，是吸收微波的最好介质（介电常数为77，介质损耗为11.5），所以凡含水分子的物质必定吸收微波。另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很少吸收微波，这类物质有聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等、塑料制品和玻璃、陶瓷等，微波能透过，而它们不吸收微波（聚乙烯的介电常数为2.3，介质损耗为0.012）。这类材料可作为微波加热用的容器或支承物，或做密封材料。金属材料反射电磁波，可以对电磁波进行传递。在微波电场中，介质吸收微波功率的大小P正比于频率f、电场强度E的平方、介电常数εr和介质损耗正切值tgδ。既:P=2πf·E2·εr·V·tgδV----物料介质吸收微波的有效体积透射能力和加热深度问题，什么叫穿透能力呢？穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领，电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。透射深度被定义为：材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8%处算起的深度D，即λ0D=-----------------------2π√εr·tgδ从式中可看出，微波的加热深度比红外加热大得多，因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外加热只是表面加热，微波是深入内部加热。微波加热的优点(1)加热速度快。微波加热则属内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。（2）均匀加热微波加热时不论形状如何，微波都能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。(3)节能高效不同物料对微波有不同吸收率，含有水份的物质容易吸收微波能。玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物质都不能被微波加热。不会存在余热和对周围环境加热而造成的热量损耗，工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善。(4)易于控制微波功率的控制是由开关、旋钮调节，即开既用，无热惯性，功率连续可调，易于自动化。不存在预热和余热现象；(5)清洁卫生对食品、药品等加工干燥时，微波热效应与生物效应能在较低的温度下迅速杀虫灭菌，能最大限度的保持营养成分和原有色泽。(6)选择性加热不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，即选择性加热的特点，这对干燥过程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。(7)安全无害通常微波能是在金属制成的封闭加热室、波道管内传输。先进的技术装备，采用先进设计，使进出料口、观察窗、炉门等处的微波泄漏严格控制在国家安全标准指标内，大大低于国家制定的安全标准，而且微波不属于放射性射线、又无有害气体排放，是一种十分安全的加热技术。微波加热干燥方法与通常加热方法（如热空气、火焰、电热器、煤气炉、红外线、高频感应加热等）相比，具有许多特点。主要是：不需热量由表及里的传递，直接加热物体内部，且热场温度分布均匀；温度可瞬时控制，准确控制加热时间；所需加热时间短；产品质量、产量及劳动生产率得到提高；适合生产过程自动化；无公害、污染问题。美国Microdry公司研制的915MHz、60Kw通心面微波干燥已用于生产。该机先用71～82℃的热空气，在35分钟内将面条的含水量降至18%左右，然后采用微波加热，同时伴以温度为80～90℃，湿度为15～20%的热风对流。利用微波快速升温、由里向外蒸发水分的优点，用热风加速表面水分的蒸发，在12分钟内将含水量降至13%，最后进行冷却。该机比原设备节能25%，加工时间从8小时缩短到1.5小时，1小时加工通心面4000磅，产品细菌含量为原来1/15。产品色泽、口味、口感都比传统方法好，目前大量投入使用。该机还可以干燥薯片、洋葱片等。法国国际微波公司，设计了微波真空干燥速溶桔粉的膨化装置。真空室的直径为1.5m，长为12m。馈入2450MHz，48kw功率的微波，使用玻璃增强聚四氟乙烯传输带进行传送。它先将含有63%固形物的桔浆抽吸并涂布在宽1.2m的传送带上，堆高3～7mm，真空下输入微波能量，加热40分钟，可膨化到厚度80～100mm，含水量20%的速溶桔粉，其产量58kg/h，年产220吨。产品不仅保持了桔汁原有的色香味，而且保留的Vc是喷雾干燥法不可能达到的。微波加热的缺点微波加热的不均匀性，原因有：1、食品材料的不均质性即各部分组成、温度、状态不同，吸收微波能不同；2、微波在加热过程中存在反射、穿透、折射、吸收等影响，使各部分产热不同；3、电场的尖角集中效应，食品不同曲率的表面产生棱角效应，即在电场有棱角的地方集中，有较大的电场强度，产热多、温升快，所以在微波加热中存在一些热点（hotspot）;水对微波的吸收特性和微波频率的选择：自由水的ε’’在微波频率为17GHZ时最大，结合水的频率特性与自由水不同，在较低范围，所以选择最佳频率一般为食品物质各自极化松弛时间的倒数，特征频率附近；微波食品加工技术是应用:微波对物质的电场作用来进行物料的加热、干燥、灭菌、烧结、合成、萃取、催陈等的特殊加工；1.干燥的基本目的是为了除去物料中的水分；2.灭菌的目的是限制微生物和酶引起的腐败；3.催熟、调温等是根据加工的对象，利用微波的一些特殊效果（如催熟、调温和解冻）进行加工；4.焙烤和膨化是利用微波所产生的较高温度直接达到加工的目的；应用于粉状、颗粒状、片状或胶体状等的食品、添加剂、调味品、药品、中草药材原料、营养保健品、农副土特产品、非油榨（或节油）方便面、面条、米粉、豆制品、牛肉干、肉脯、鱼干、茶叶、烟草等的干燥、杀菌；杏仁、桃仁、花生仁、板栗等的干燥脱皮、焙烤；休闲食品、薯片、土豆片、虾片、鱼肚等的膨化；口服液、酱菜、各种小包装食品的防霉、杀菌保鲜；冷冻鱼、肉禽的“回温”解冻；大豆干燥脱腥；1.微波是频率从300MHz～300GMHz的电磁波，其方向和大小随时间作周期性变化。微波与物料直接作用，将超高频电磁波转化为热能的过程即为微波加热过程。水是强烈吸收微波的物质，物料中的水分子是极性分子，在