遠(yuǎn)紅外加熱的應(yīng)用

章遠(yuǎn)紅外加熱的應(yīng)用2021/5/91講授內(nèi)容第一節(jié)概論第二節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱的原理第二節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備第三節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用2021/5/92第一節(jié)總論一、紅外輻射（線）的發(fā)現(xiàn)二、紅外線的定義及分類2021/5/93一、紅外輻射（線）的發(fā)現(xiàn)1、在古代，人們就知道太陽(yáng)能輻射光和熱；2、1676年牛頓用玻璃做的三棱鏡發(fā)現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫色的光帶一太陽(yáng)光譜；3、1800年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·海謝爾在研究可見光的光熱效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度從紫色向紅色依次增加，而在紅端以外的一段區(qū)域內(nèi)，熱效應(yīng)最強(qiáng)。這種“不可見的光線”其頻率比紅光更低，而波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)，由于它在紅光以外，被稱作紅外線。

2021/5/94二、紅外線的定義及分類1、紅外光譜區(qū)在可見光與微波區(qū)之間，其波長(zhǎng)范圍一般為0.75-1000μm。2、紅外線按其波長(zhǎng)不同通常又劃分為近紅外線、中紅外線和遠(yuǎn)紅外線三種。其中波長(zhǎng)0.75-2.5μm（波數(shù)13333-4000cm-1）為近紅外線；波長(zhǎng)2.5-25μm(波數(shù)4000-400cm-1)為中紅外線；波長(zhǎng)25-1000μm(波數(shù)400-10cm-1)為遠(yuǎn)紅外線。2021/5/952021/5/96

紅外光譜區(qū)的劃分及主要應(yīng)用范圍波長(zhǎng)范圍λ/μm波數(shù)范圍σ/cm-1測(cè)定類型分析類型試樣類型近紅外0.75~2.512800~4000漫反射吸收定量分析蛋白質(zhì)、水分、淀粉、油、類脂、農(nóng)產(chǎn)品中的纖維素等定量分析氣體混合物中紅外2.5~254000~400吸收反射發(fā)射定性分析

純氣體，液體或固體物質(zhì)定量分析復(fù)雜的氣體，液體或固體混合物與色譜聯(lián)用復(fù)雜的氣體，液體或固體混合物定性分析純固體或液體混合物大氣試樣遠(yuǎn)紅外25~1000400~10吸收定性分析純無(wú)機(jī)或金屬有機(jī)化合物2021/5/97近紅外光區(qū)的吸收帶

主要是由低能電子躍遷、含氧原子團(tuán)（如O-H、N-H、C-H）伸縮振動(dòng)的倍頻吸收產(chǎn)生。該區(qū)的光譜可用來(lái)研究稀土和其它過(guò)渡金屬離子的化合物，并適用于水、醇、某些高分子化合物以及含氫原子團(tuán)的定量分析。2021/5/98中紅外光區(qū)的吸收帶

是絕大多數(shù)有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)離子的基頻吸收帶（由基態(tài)振動(dòng)能級(jí)躍遷至第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的吸收峰稱為基頻峰）。由于基頻振動(dòng)式紅外光譜中吸收最強(qiáng)的振動(dòng)，所以該區(qū)最適合進(jìn)行紅外光譜的定性和定量分析。同時(shí)，由于中紅外光譜儀最為成熟、簡(jiǎn)單，而且目前已積累了該區(qū)大量的數(shù)據(jù)資料，因此它是應(yīng)用極為廣泛的光譜區(qū)。通常，中紅外光譜法又簡(jiǎn)稱為紅外光譜法。2021/5/99遠(yuǎn)紅外光區(qū)吸收帶

是由氣體分子中的純轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷、振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷、液體和固體中重原子的伸縮振動(dòng)、某些變角振動(dòng)、骨架振動(dòng)以及晶體中的晶格振動(dòng)所引起的。由于低頻骨架振動(dòng)能靈敏地反映出結(jié)構(gòu)變化，所以對(duì)異構(gòu)體的研究特別方便。此外，還能用于金屬有機(jī)化合物（包括絡(luò)合物）、氫鍵、吸收現(xiàn)象的研究。但由于該光區(qū)能量弱，除非其它波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)沒(méi)有合適的分析譜帶，一般不再此范圍內(nèi)進(jìn)行分析。2021/5/910第二節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱的基本原理一、知識(shí)點(diǎn)回顧二、吸收機(jī)制與吸收條件三、紅外線加熱的基本原理四、用遠(yuǎn)紅外線加熱食品的理由五、用遠(yuǎn)紅外干燥水分的理由六、物質(zhì)對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射的選擇性吸收七、輻射與吸收的匹配八、紅外線的吸收、反射與透射性九、熱輻射基本定律十、遠(yuǎn)紅外加熱的特點(diǎn)2021/5/911一、知識(shí)點(diǎn)回顧1、分子中的電子總是處在某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，每一種狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一定的能級(jí)。2、電子由于受到光、熱、電的激發(fā)，從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí)，稱為躍遷。3、當(dāng)這些電子吸收了外來(lái)輻射的能量，就從一個(gè)能量較低的能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量較高的的能級(jí)。由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所牽涉到的能級(jí)變化比較復(fù)雜，分子吸收光譜也就比較復(fù)雜。4、在分子內(nèi)部除了電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之外，還有核間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即核的振動(dòng)和分子繞重心轉(zhuǎn)動(dòng)。而振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能，按量子力學(xué)計(jì)算是不連續(xù)的，即具有量子化的性質(zhì)。2021/5/912

質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都有自己的固定頻率。當(dāng)遇到具有某個(gè)頻率的紅外線輻射時(shí)，如果紅外線的頻率與基本質(zhì)點(diǎn)的固有頻率相等，則會(huì)發(fā)生與共振學(xué)中共振運(yùn)動(dòng)相似的情況，質(zhì)點(diǎn)會(huì)吸收紅外線，并使運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步激化；如果二者的頻率相差較大，那么紅外線就不會(huì)被吸收而可能穿過(guò)。基本質(zhì)點(diǎn)吸收紅外線由一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，必須滿足玻爾的量子條件，即：Em-En=hvmn

其中Em──高能級(jí)能量

En──低能級(jí)能量

h──普朗克常數(shù)

vmn──紅外線頻率基本質(zhì)點(diǎn)不具備上式的能級(jí)，則不會(huì)吸收頻率為ｖmn的紅外線。二、吸收機(jī)制與吸收條件2021/5/913三、紅外線加熱的基本原理

對(duì)紅外線敏感的物質(zhì)，其分子、原于吸收紅外線后，不僅會(huì)發(fā)生能級(jí)的躍遷，也擴(kuò)大了以平衡位置為中心的各種運(yùn)動(dòng)的幅度，質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)能量加大。微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加劇的宏觀反映就是物體溫度的升高，即物質(zhì)吸收紅外線后，便產(chǎn)生自發(fā)的熱效應(yīng)。由于這種熱效應(yīng)直接產(chǎn)生于物體的內(nèi)部，所以能快速有效地對(duì)物質(zhì)加熱。2021/5/914四、用遠(yuǎn)紅外線加熱食品的理由

食品中的很多成分在3-10μm的遠(yuǎn)紅外區(qū)有很強(qiáng)的吸收，因此在食品加熱中，往往選擇遠(yuǎn)紅外進(jìn)行加熱。幾種食品材料的電磁波吸收頻率圖2021/5/915五、用遠(yuǎn)紅外干燥水分的理由

水由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成，三個(gè)原子不是排成一條直線。在基態(tài)時(shí)，O-H兩原子之間的距離為0.096nm，兩個(gè)O-H鍵之間的夾角為104.5度。當(dāng)水分子受到吸收波長(zhǎng)為2.663μm,2.738μm和6.270μm的遠(yuǎn)紅外線時(shí)，可引起三種振動(dòng)形式。

2021/5/916六、物質(zhì)對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射的選擇性吸收1、物質(zhì)只對(duì)能滿足其分子產(chǎn)生高、低兩個(gè)能級(jí)躍遷的遠(yuǎn)紅外輻射產(chǎn)生吸收，其頻率不能滿足條件的遠(yuǎn)紅外輻射則不被吸收而穿過(guò)。2、由于物質(zhì)分子的吸收能級(jí)很多，各個(gè)能級(jí)的躍遷差異不等，因此實(shí)際的吸收不是單一的，而是復(fù)雜的，并伴有多種能級(jí)躍遷的吸收過(guò)程。2021/5/917一些有機(jī)高分子物質(zhì)和食物的吸收光譜2021/5/918三種油脂的紅外吸收特性2021/5/919七、輻射與吸收的匹配1、選擇性輻射：輻射加熱需要輻射源，輻射源產(chǎn)生的輻射不是所有波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都相等，輻射能力按不同波長(zhǎng)而有所變化的輻射稱為選擇性輻射。2、匹配輻射加熱：當(dāng)物料的選擇性吸收與輻射源的選擇性輻射一致時(shí)，稱為匹配輻射加熱。3、日本學(xué)者細(xì)川秀克等曾提出過(guò)理想匹配的模型。所謂理想匹配是指輻射源與被加熱物料具有完全相對(duì)應(yīng)的光譜，這樣，輻射能將全部被物料所吸收，成為無(wú)損失的理想輻射加熱。2021/5/920理想匹配模型2021/5/921八、紅外線的吸收、反射與透射性

紅外線遵循可見光的傳播規(guī)律，它也是按直線傳播，并服從反射、透射和吸收定律。當(dāng)紅外線輻射到物體表面時(shí)，一部分在物體表面被反射，其余就射入物體內(nèi)部。而射入物體的紅外線中，一部分透過(guò)物體，其余部分為物體所吸收。

2021/5/922

圖1-2示出輻射能流QE投射到物體2上，一部分QA被吸收，使物體升溫；一部分QR被反射；還有一部分QT被透射。這種吸收、反射、透射份額的大小由物質(zhì)的性質(zhì)所決定，稱為該物體對(duì)外來(lái)輻射能流的吸收率A、反射率R和透過(guò)率T，即

根據(jù)能量守恒定律，則A+R+T=12021/5/923九、熱輻射基本定律普朗克定律

斯忒藩-玻爾茲曼定律

維恩位移定律照度定律（負(fù)二次方定律）2021/5/9241、關(guān)于輻射的基本概念（1）絕對(duì)黑體的輻射絕對(duì)黑體是指不論在任何溫度下都能完全吸收投射在其上面的任意波長(zhǎng)的全部輻射能，并且具有最大的輻射本領(lǐng)的物體，它的輻射稱為黑體輻射。絕對(duì)黑體是理想中的物體，對(duì)理想物體的研究有功于簡(jiǎn)化分析實(shí)際問(wèn)題。（2）輻射率實(shí)際物體加熱到一定溫度，它表面發(fā)出的輻射能比同一溫度下絕對(duì)黑體的輻射量要小，有時(shí)只有絕對(duì)黑體輻射量的百分之幾到百分之幾十，這兩者之比稱為全輻射率ε(有時(shí)也簡(jiǎn)稱輻射率或黑度)。2021/5/925材料的ε值具有以下規(guī)律：金屬的ε值一般較小，隨溫度增加成比例增加，不同的金屬的ε值與其電阻的平方根成正比；粗糙的表面和氧化后的表面比磨光的表面具有較大約ε值。一般非金屬的ε值較大，在低溫時(shí)大于0.8，高溫時(shí)在0.3～0.8之間。絕熱材料的ε值一般比金屬大得多，并隨溫度的升高而下降。2021/5/926（3）單色輻射率指加熱元件對(duì)應(yīng)于單個(gè)波長(zhǎng)上的輻射率。在選擇加熱元件時(shí)，應(yīng)使元件在被加熱物體的最大吸收波長(zhǎng)的單色輻射率盡可能高。（4）吸收率指實(shí)際物體吸收輻射能的能力，用α表示。任何物體的吸收率在數(shù)值上等于它的輻射率，即吸收率高的輻射吸收體本身也是輻射率高的輻射體。對(duì)于不透明體，未被吸收的輻射能則被物體所反射，反射率為1-α。

2021/5/9272、普朗克定律

黑體溫度為絕對(duì)溫度T時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)、從黑體表面的單位面積上，向半球面內(nèi)所輻射的能里與波長(zhǎng)的分布關(guān)系，稱為普朗克定律。2021/5/928通常物體發(fā)射的輻射能不是單色的，即不是單一波長(zhǎng)，而是由波長(zhǎng)從零到無(wú)窮大的無(wú)數(shù)的單色輻射線所組成，構(gòu)成了所謂輻射光譜。由普朗克定律可知：工程技術(shù)上常遇到的溫度區(qū)間，輻射能幾乎都集中在(λ=0.8-10μm)紅外線范圍內(nèi)，而可見光射線的輻射能小得可以忽略不計(jì)。這就是紅外加熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因之一。不同溫度下絕對(duì)黑體能量輻射曲線2021/5/9293、斯忒藩-玻爾茲曼定律

斯忒藩-玻爾茲曼定律研究的是當(dāng)黑體為絕對(duì)溫度T時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，從單位表面積向半球內(nèi)所輻射的總的輻射通量，稱為輻射通量密度或輻射強(qiáng)度。表達(dá)式為：

斯忒藩-玻爾茲曼定律表明，黑體的總輻射通量密度僅與表面溫度有關(guān)，并且與溫度的四次方成正比。2021/5/9304、維恩位移定律

維思位移定律確定了黑體的輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度T的關(guān)系。把普朗克定律進(jìn)行微分，求出最大值，就得到了維恩位移定律，即

維恩位移定律說(shuō)明輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比，即當(dāng)溫度升高時(shí)，最大輻射強(qiáng)度向較短的波長(zhǎng)方向移動(dòng)。該定律對(duì)于確定輻射源的操作溫度具有很好的指導(dǎo)意義。

2021/5/9315、照度定律(負(fù)二次方定律)

照度定律的意義是在點(diǎn)光源垂直照射的情況下，被照射面上的照度與光源的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與光源到被照射面之間的距離平方成反比。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除了盡量縮短輻射器與被加熱物之間的距離外，還配用適當(dāng)?shù)姆瓷淦鲄R聚射線以提高效率。2021/5/9326、輻射加熱元件或輻射加熱器的能量利用率的計(jì)算

輻射加熱過(guò)程主要由兩步組成：（1）第一步是輻射加熱元件把電功率或其它形式的能源轉(zhuǎn)變成輻射功率。（2）第二步是輻射加熱元件所射出的輻射功率為被加熱物料所吸收。2021/5/933

輻射體將電源功率W0轉(zhuǎn)變成自由發(fā)射的輻射功率的轉(zhuǎn)變效率η1計(jì)算式：式中ε1——輻射體的輻射率，可從手冊(cè)查得

σ——斯芯藩一玻爾茲曼常數(shù)，σ＝5.668×10-8W／(m2.k4)A1——輻射體的表面積，m2T1——輻射體的表面溫度，K2021/5/934

對(duì)于封閉空間兩物體表面的輻射熱交換，能量利用率η2可用下式進(jìn)行計(jì)算。式中εn——稱為相當(dāng)黑度

A2----被加熱物體的表面積，m2T2----被加熱物體的溫度，K2021/5/935十、遠(yuǎn)紅外加熱的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)熱輻射率高熱損失小容易進(jìn)行操作控制加熱速度快，傳熱效率高有一定的穿透能力產(chǎn)品質(zhì)量好熱吸收率高2021/5/9362、紅外加熱技術(shù)還不能充分的應(yīng)用到食品加工中的原因（1）物料在紅外加熱過(guò)程中其物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生變化，同時(shí)其物料含水量的變化也影響輻射特性；（2）紅外輻射能量在食品加工中應(yīng)用受到局限的原因是人們對(duì)紅外輻射光譜特性的了解還不深入。

例如，紅外輻射不能穿透厚的豆類種子，這就使得紅外熱量不適合深床物料的加熱。紅外加熱能降低產(chǎn)品水分含量和質(zhì)量，紅外加熱已經(jīng)成為第二位的加熱選擇，僅次于對(duì)流和熱傳導(dǎo)的方法。2021/5/937第二節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備一、遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備的分類二、食品工業(yè)用遠(yuǎn)紅外加熱元件三、輻射涂料與輻射涂料的選用2021/5/938

一、遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備的分類

1、只有一個(gè)出入爐門的密閉的箱式加熱爐，稱為烘箱，或烤箱。2、是用于生產(chǎn)線上連續(xù)加熱物料或?qū)ξ锪线M(jìn)行于燥、殺菌等處理的遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備。這類設(shè)備內(nèi)有輸送物料裝置，物料由輸送裝置從一端輸入、經(jīng)處理后從另一端輸出；這類設(shè)備設(shè)計(jì)成通道形式，因此稱為“烘道”，有時(shí)也稱為隧道爐。

2021/5/939箱式爐外形2021/5/940鋼帶隧道爐外形1.鋼帶入爐端2.爐頂3.鋼帶出爐端4.排氣孔5.爐門2021/5/941二、食品工業(yè)用遠(yuǎn)紅外加熱元件1、根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：燈狀、管狀和板狀輻射器。2、根據(jù)制作材料：碳化硅紅外加熱元件金屬管狀遠(yuǎn)紅外加熱元件

SHQ乳白石英遠(yuǎn)紅外元件2021/5/942圖3-10燈狀遠(yuǎn)紅外輻射器(1)棒狀輻射體(2)梨狀軸射體

(3)彎月型輻射體1.燈頭2.輻射體3.反射罩圖3-11平板狀輻射加熱器圖3-12金屬管狀加熱器1，4.電極2.金屬管殼3.電阻絲5.絕緣頂板2021/5/943（1）碳化硅紅外加熱元件

①優(yōu)點(diǎn)：

熱穩(wěn)定性好，工作溫度可達(dá)1100～1700℃，能承受較大的功率密度，有很高的電阻率，使用壽命長(zhǎng)。它可以制成板狀，管狀及其它形狀，以適應(yīng)不同需要。SiC本身是有很高的輻射率，但在一般的商品中，生產(chǎn)廠家在燒結(jié)時(shí)都摻入了一定比例的泥土，如在制造管狀元件時(shí)摻入35％的粘土，輻射率有所下降，因此在它的表面又都涂了一層輻射率高的輻射涂料。

②缺點(diǎn)

抗機(jī)械振動(dòng)性能差。2021/5/944（2）金屬管狀遠(yuǎn)紅外加熱元件圖3-16氧化鎂管遠(yuǎn)紅外輻射器結(jié)構(gòu)1.接線裝置2.導(dǎo)電桿3.緊固裝置4.金屬管

5.電熱絲6.MgO粉7.輻射管表面涂層2021/5/945（3）SHQ乳白石英遠(yuǎn)紅外元件

不用涂料，對(duì)食品無(wú)污染和兼有滅菌作用等優(yōu)點(diǎn)。因此，很適合用于食品加熱加工。SHQ元件是目前唯一不用涂料的遠(yuǎn)紅外加熱元件。2021/5/946三、輻射涂料與輻射涂料的選用涂料的選用要求：1、應(yīng)有較高的加熱效率2、全輻射率εt要高，全輻射率越高，輻射能量越大。3、涂料應(yīng)有良好的熱傳導(dǎo)性。4、熱穩(wěn)定性及其它穩(wěn)定性如耐水汽化性及化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性要好。2021/5/947四、遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備(系統(tǒng))的設(shè)計(jì)1、遠(yuǎn)紅外加熱元件及其工作溫度的選定2、物料加工工藝的升溫曲線和烘箱(或烘道)溫度分布的設(shè)定

（1）元件與物料的間距（2）加熱元件的組合與布置2021/5/948第三節(jié)遠(yuǎn)紅外加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用

一、食品遠(yuǎn)紅外干燥二、食品遠(yuǎn)紅外焙烤三、食品遠(yuǎn)紅外熟成四、食品遠(yuǎn)紅外殺菌五、食品遠(yuǎn)紅外解凍2021/5/949一、食品遠(yuǎn)紅外干燥遠(yuǎn)紅外干燥菠菜：70℃下，經(jīng)3～10μm波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外干燥，Vc殘存率是一般電熱干燥產(chǎn)品的2倍。青蔥：遠(yuǎn)紅外干燥后葉綠素保存率比熱風(fēng)干燥后的高，且復(fù)水性好。馬鈴薯和胡蘿卜：遠(yuǎn)紅外干燥后其制品表面具有多孔的特征，利于產(chǎn)品復(fù)水。水產(chǎn)品：遠(yuǎn)紅外干燥具有縮短干燥時(shí)間和提高營(yíng)養(yǎng)成分保存率及降低酶活的效果。經(jīng)遠(yuǎn)紅外線干燥的竹筴魚呈味成分比曬干的約高1倍，而酸性磷酸酶活性只有曬干的一半。面條：傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的面條表面粗糙，低溫干燥干燥時(shí)間長(zhǎng)、所需設(shè)備較大。遠(yuǎn)紅外干燥的產(chǎn)品表面較光滑，干燥時(shí)間大大縮短，含菌率大大降低。2021/5/950二、食品遠(yuǎn)紅外焙烤優(yōu)點(diǎn)：加熱速度快、加熱效果好。與微波焙烤結(jié)合實(shí)用