遠紅外干燥技術(shù)

遠紅外干燥技術(shù)遠紅外干燥技術(shù)遠紅外干燥技術(shù)xxx公司遠紅外干燥技術(shù)文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度遠紅外干燥技術(shù)1背景1800年天文學(xué)家赫胥爾在研究太陽光譜熱分布時,發(fā)現(xiàn)熱分布在光譜紅端方向單調(diào)上升,直到紅光以外不可見的部分卻顯得更熱過了一個峰值才開始下降,當(dāng)時稱這個紅光以外的部分為看不見的光線后來通稱為紅外線或紅外輻射,自此紅外線的概念就誕生了。雖然紅外線的溫度效應(yīng)發(fā)現(xiàn)較早，但未引起人們的重視直到1938年美國福特汽車公司首先把紅外線應(yīng)用于汽車漆膜的干燥上當(dāng)時用的紅外波長在3微米之內(nèi)，雖然在選取波段上不太科學(xué)，但是從此紅外線干燥技術(shù)也就逐漸發(fā)展起來了?，F(xiàn)代食品加工中為了追求產(chǎn)品的美好外觀、最佳風(fēng)味、保存期限等等品質(zhì)要求,對熱的利用不僅越來越多,而且對熱利用方式的要求也越來越高。遠紅外輻射加熱由于有很多優(yōu)點,因此在食品加工中的開發(fā)和研究近年來發(fā)展很快,甚至一些應(yīng)用的目的已超出了一般加熱的意義范圍。然而遠紅外加熱也并非萬能的食品加熱方法,在目前遠紅外利用的熱潮中也出現(xiàn)了一些問題。為了更充分地發(fā)揮遠紅外輻射技術(shù)的作用,認識和研究遠紅外輻射在食品加工中作用的原理十分重要。2遠紅外技術(shù)原理遠紅外輻射原理紅外輻射習(xí)慣上稱為紅外線或紅外,也有稱為熱輻射。構(gòu)成物質(zhì)的基本質(zhì)點:電子、原子或分子,都在不停地運動著——振動或轉(zhuǎn)動,物質(zhì)的基本質(zhì)點不僅發(fā)生轉(zhuǎn)動能級的躍遷,也擴大了以平衡位置為中心的各種運動幅度,質(zhì)點的內(nèi)部能量加大。當(dāng)物質(zhì)(同種雙原子分子構(gòu)成的物質(zhì)除外)遇到具有某個振動數(shù)的紅外線輻照時,如果紅外線的振動數(shù)與基本質(zhì)點的固有頻率相等,則會發(fā)生與振動學(xué)中共振運動相似的情況。物料內(nèi)部發(fā)生分子之間的碰撞,產(chǎn)生自熱效應(yīng),部分分子掙脫了原來物質(zhì)對它的束縛,水分或有機溶劑脫離原來的物質(zhì),從而快速有效地加熱物質(zhì)。紅外輻射特點熱輻射效率高所有的輻射加熱都需要一個熱輻射源,由物理學(xué)可知:作為熱源物體的熱輻射效率與物體的材質(zhì)有關(guān),把熱輻率最大的理想物質(zhì)稱為黑體,黑體不僅有最大的熱輻率,同時也有基大的對外來輻射的吸收率。遠紅外線加熱時為了提高熱輻射效率,熱源的材質(zhì)一般都選用熱輻射率接近黑體的物質(zhì)。普通食品加工中所使用的加熱溫度范圍一般在300K-500K左右，在這一溫度范圍內(nèi),黑體或者近似黑體的物質(zhì)熱輻射能量密度最大的波長正是在的遠紅外線的波長范圍內(nèi)，也就是說在食品工程加熱的溫度范圍內(nèi)使用遠紅外線有著較高的輻射效率。熱損失小，易于控制遠紅外輻射熱在空氣中傳播時的損失很小,可以把熱直接輻射到被加熱體的表面;因為不存在傳熱界面,所以在食品的凍結(jié)干燥和凍結(jié)升華過程中可以加速干燥過程，這是其他加熱方式難以辦到的。另外,遠紅外射線同其他光波一樣具有直線傳播、專漫反射和鏡反射的性質(zhì),因此可以通過光的集散、遮斷機構(gòu)來使輻射熱在加熱器中更有效地被利用和控制,提高加熱質(zhì)量,`減少不必要的熱損失。傳熱效率高食品物料在加工工程中大都對于溫度的限制比較嚴格,例如:有許多食品的加熱要求不超過1000℃。在這樣的要求下,使熱源的溫度也受到限制。例如:熱風(fēng)干燥時,熱風(fēng)的溫度就不能高于物料的溫度。因為熱源與物料的溫差不能過大,那么單位時間的能量傳遞也必然受到限制。為了提高工作效率就必然要增加加熱設(shè)備的體積和規(guī)模。然而遠紅外輻射的特點之一就是在不使物料過熱的情況下,可以使熱源有較高的溫度。因為兩物體之間熱輻射傳播的速度與這兩物體之間的溫度差的四次方成正上匕因此遠紅外輻射的實用能流密度比起傳導(dǎo)和對流傳熱大得多,不僅可以縮短加熱時間和節(jié)約設(shè)備費用,而且可使一些如燒雞、烤鴨等烤制食品表面很快形成皮膜,減少內(nèi)部香味成份的損失。熱吸收效率高在熱輻射傳播中,物體吸收、透過和反射輻射波的程度不僅與其表面狀況有關(guān),而且也與共材質(zhì)有關(guān)。因為物體的溫度是其分子運動動能的表現(xiàn),從分子運動的觀點看,物體的分子結(jié)構(gòu)與共對各種電磁波的吸收關(guān)系很大。不同結(jié)構(gòu)的分子都有其固有的振動頻率,當(dāng)輻射電磁波的頻率與分子的固有振動頻率相同時,就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象,也就是說被照射物質(zhì)能夠完全地吸收這一電磁波而激起本身分子更強烈地振動,該物體溫度的升高也就較快,換句話講:就是被照射物質(zhì)對該輻射波反射、透過的損失最少,吸收效率聶高。加熱引起食物材料的變化損失較小在食品的烘烤、干燥等加熱工程中,避免食物成份的變化和損失是很重要的問題。在熱輻射電磁波中遠紅外線的光子能量級比起紫外線、可見光線都要小,因此一般只會產(chǎn)生熱效果,而不會引起物質(zhì)的化學(xué)變化。而且,因為遠紅外輻射加熱的效率較高,可使加熱時間大大縮短,這也使得食品成份受熱分解的可能性大為減少。許多實驗已證明:一些含有葉綠素、Vc等易分解成份的果蔬,采用遠紅外輻射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干燥方法后,可以使這些成份的損失大大減少。常見的遠紅外加熱器金屬管狀加熱器它是靠電阻絲通電加熱后,金屬殼管也隨著發(fā)熱,并發(fā)射出紅外輻射。但是,其能量比較低,最近人們發(fā)現(xiàn)在金屬管表面涂上一層金屬氧化物,比如氧化鐵、氧化鋯、氧化鈦等,將大大提高紅外輻射能量（圖1）。碳化硅板狀加熱器碳化硅本身是良好的遠紅外輻射材料,用它制成的加熱器效果比金屬管狀效果好。但是碳化硅加熱器不是所有波段都理想,所以要在其表面涂加高輻射材料,才能達到預(yù)期效果（圖二2）。。4遠紅外技術(shù)干燥谷物原理只有當(dāng)物料吸收紅外線時，紅外線能量才被轉(zhuǎn)換成熱量舊?，F(xiàn)實中被加熱干燥的谷物是由許多不同的成分組成的，如水分、蛋白質(zhì)、淀粉等。因為每種成分的結(jié)構(gòu)、組成不一樣，所以它們吸收不同波長的紅外線。對于宏觀的谷物來說，它的紅外吸收波段是內(nèi)部成分相應(yīng)吸收波段相互疊加、耦合的結(jié)果。雖然每種成分對紅外各波段的吸收強弱不同，但由于各個成分吸收的紅外輻射頻率并不互補，所以整體疊加、耦合的結(jié)果是谷物對紅外輻射各波段的吸收強弱不一樣的。即谷物對紅外吸收具有選擇性。設(shè)入射紅外線強度為I反射強度為IR、透射強度為IT、吸收強度為IA、則它們有如下關(guān)系I=IR+IT+IA又定義吸收率a=IA/I透過率I=T/I反射率r=IR/I則a+r+I=1利用紅外分光光度計,可將紅外源色散然后對不同波段測出紅外光透過樣品時的光強并以波長或波數(shù)為橫坐標以百分透過率或吸收率為縱坐標把譜帶記錄下來,就會得到該物質(zhì)的紅外吸收光譜圖.。與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的對比熱風(fēng)干燥作為谷物干燥的傳統(tǒng)工藝，以煤為主要熱源的熱風(fēng)爐,能耗高、污染大、效率低,已越來越難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，因此相比而言更加高效的遠紅外干燥技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了谷物干燥中的新興工藝。紅外加熱干燥技術(shù)不僅實現(xiàn)了輻射源光譜與被加熱物體吸收光譜的對應(yīng),無需加熱介質(zhì),大大減少了能量損失,提高了熱能利用率，此外，紅外加熱熱慣性小,升溫快,加熱時間短,能使物體內(nèi)外受熱均勻,產(chǎn)品品質(zhì)好。紅外加熱器結(jié)構(gòu)緊湊,不需輔助鍋爐及管道系統(tǒng),基建費用省。在發(fā)達國家,紅外輻射干燥谷物已應(yīng)用于生產(chǎn)中,但是由于技術(shù)的缺陷，在我國還只處于研究階段。由于紅外干燥谷物是近些年才興起的事物,并且谷物對紅外的吸收具有選擇性,因而針對谷物干燥的紅外輻射器還較少。選擇什么樣的波段進行谷物干燥較為合適,這在學(xué)術(shù)上還存在著爭論。經(jīng)過測試小麥、水稻、玉米的3種谷物對紅外輻射的吸收主要發(fā)生在波數(shù)小于4000cm的中遠紅外譜區(qū)。在3800～2500cm的區(qū)域有一個明顯的吸收峰;在1600～1000cm的指紋區(qū)谷物也有比較強烈的吸收。依據(jù)谷物對紅外吸收的特性，可以設(shè)計出適合谷物干燥的紅外輻射器。在紅外干燥過程中，由于紅外線具有穿透性，會在物料內(nèi)部造成熱量堆積，再加上被干燥的物料水分不斷的被蒸發(fā)帶走熱量，使得物料表面的溫度下降，這樣直接導(dǎo)致物料內(nèi)部溫度遠高于外部溫度，使得物料的熱擴散過程由內(nèi)部向外部進行。同時在物料內(nèi)部，水分的轉(zhuǎn)移總是從水分含量較高的地方向低水分含量的位置轉(zhuǎn)移，因此物料內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移與熱量轉(zhuǎn)移是相同方向的；與此相反的是在熱風(fēng)干燥過程中，溫度梯度與濕度梯度正好相反，這中情況會對水分的轉(zhuǎn)移造成障礙，不利于水分的干燥蒸發(fā)。此外，在干燥谷物的過程中，如果采用較高溫度的熱風(fēng)干燥，就會出現(xiàn)谷物“爆腰”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)使由于谷物外表的干燥程度和受熱程度與谷物的內(nèi)部不同的結(jié)果，另外谷物內(nèi)部的脫水一方面通過谷物的表面進行但由于谷物的表面有一層膠質(zhì)水分子不易從內(nèi)部跑出另一方面水分子將從谷物的臍處跑出。熱風(fēng)干燥是對谷物表面進行的干燥，而紅外干燥則是對谷物內(nèi)部進行的干燥，故可造成谷物內(nèi)外溫度分布比較均勻。熱緩蘇的實質(zhì)是谷物內(nèi)部熱分布均勻過程和水分子逸出的過程，結(jié)合紅外加熱，正是促進谷物內(nèi)部熱分布均勻和加速分子的逸出，因而紅外干燥谷物將縮短熱緩蘇過程這正是紅外干燥效率較高的原因。通過對以上紅外線特性和谷物紅外吸收光譜圖以及對干燥技術(shù)的分析，我們就會發(fā)現(xiàn)谷物的干燥途徑雖有幾種方法，但是對其效果來說，還是紅外干燥技術(shù)最為理想和有效，它不僅傳遞熱效率，使高節(jié)約能源裝置緊湊便于自動化無污染等優(yōu)點，而且能夠較有效地避免或減少了關(guān)鍵性的問題，即出現(xiàn)的爆腰現(xiàn)象。因此，就目前干燥技術(shù)來講，在考慮其干燥成本干燥時間和干燥裝置等各方面因素以后，可以肯定紅外干燥技術(shù)是最適合最具有發(fā)展?jié)摿Φ挠行Х椒āＳ绊戇h紅外干燥的因素影響紅外干燥谷物的因素有很多，例如輻射強度、物料層厚度、物料初濕含量、輻射源到物料的距離等。輻射強度隨著輻射強度的變化，物料的降水幅度、干燥速率和物料溫度等干燥指標都有明顯的變化。初濕含量因為水是谷物中接受紅外照射的主要物質(zhì)之一，因此物料所含水量的多少直接決定了紅外干燥的效率。物料層厚度輻射強度與物料層厚度耦合作用加劇影響物料的降水和溫度變化。干燥速率并不是簡單的與料層厚度成反比，而是隨著含水率的增加。物料層厚度對干燥速率的影響也增大，這與水分在物料內(nèi)部的存在狀態(tài)有關(guān)。輻射距離隨著輻照距離的減少，物料的降水幅度和溫度都增加。輻照距離不變時，輻射強度的影響要高于對流速度。紅外干燥中存在的問題與解決通過對紅外干燥原理的分析，我們發(fā)現(xiàn)紅外干燥在面對較厚的物料時其干燥效率非常糟糕，為了解決這一問題，我們可以合理的將紅外干燥技術(shù)與別的干燥技術(shù)相互結(jié)合。組合干燥是目前國內(nèi)外干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢之一?？梢岳酶鞣N干燥工藝自身的優(yōu)點在物料的不同干燥階段采用不同的干燥工藝,以便達到高效、低耗、優(yōu)質(zhì)的干燥效果。比如紅外和熱風(fēng)結(jié)合在一起形成紅外熱風(fēng)組合,熱風(fēng)干燥可以把熱量帶入物料層深處,使物料層的熱量分配趨于均勻。另外,在干燥過程中,谷物表面水分蒸發(fā)后,會圍繞在谷物周圍形成一層很薄的氣膜,這層氣膜的相對濕度較大,阻礙后續(xù)水分的排出,不利于干燥的進行。用熱風(fēng)可以把水蒸汽帶走,克服上述缺點。此外還可以將紅外干燥同振動聯(lián)合干燥相互結(jié)合，這也是解決物料層熱量不均勻的一種好辦法，它是以一定的頻率、一定振幅的振動作用到物料層上，使物料上下翻動，從而到達加熱均勻的目的。這種聯(lián)合干燥方法，脫水率高，爆腰率小，順應(yīng)了稻谷結(jié)構(gòu)特性對稻谷逐漸的增溫，每次循環(huán)又有降溫緩蘇，確保了稻谷的生理特性。微波紅外組合干燥也有利于解決紅外干燥熱量分配不均的問題,但該組合方法在谷物干燥中的研究應(yīng)用還較少。5對紅外干燥技術(shù)的展望雖然遠紅外技術(shù)在食品工業(yè)中有了廣泛的應(yīng)用,但是遠紅外技術(shù)本身也存在著一些不足,比如需用反射鏡克服有陰影的缺點,因波長短造成透入深度小,只適用于薄層物料、干燥時間目前仍停留在“分”的數(shù)量級等,這些方面都有待于進一步解決。①、遠紅外加熱效果的好壞與其發(fā)射元件有著重要的關(guān)系,遠紅外的發(fā)射元件由原來的金屬管發(fā)展到現(xiàn)在的碳化硅加熱,發(fā)射效率明顯提高,但其發(fā)射頻譜仍處于一種廣譜狀態(tài),雖然這種廣頻譜對普通食品較適合,因為普通的食品在紅外線區(qū)一般都有大量的吸收帶,但對那些在紅外線區(qū)內(nèi)吸收帶較窄的特種物質(zhì),其熱效率就偏低,為此在發(fā)射元件上,如何發(fā)射或控制其發(fā)射頻譜需進一步研究。②、紅外發(fā)射元件加熱時都需要高輻射材料的涂布才能取得最好的效果,而這些金屬或非金屬的氧化物、碳化物、硼化物等涂料的篩選,納米材料的開發(fā)利用,配方的合理組合與優(yōu)化,以及涂料的