远红外加热的应用.ppt

第三章远红外加热的应用 讲授内容 第一节概论第二节远红外加热的原理第二节远红外加热设备第三节远红外加热在食品工业中的应用 第一节总论 一 红外辐射 线 的发现二 红外线的定义及分类 一 红外辐射 线 的发现 1 在古代 人们就知道太阳能辐射光和热 2 1676年牛顿用玻璃做的三棱镜发现了红 橙 黄 绿 青 蓝 紫色的光带一太阳光谱 3 1800年 英国天文学家威廉 海谢尔在研究可见光的光热效应时 发现温度从紫色向红色依次增加 而在红端以外的一段区域内 热效应最强 这种 不可见的光线 其频率比红光更低 而波长比红光更长 由于它在红光以外 被称作红外线 二 红外线的定义及分类 1 红外光谱区在可见光与微波区之间 其波长范围一般为0 75 1000 m 2 红外线按其波长不同通常又划分为近红外线 中红外线和远红外线三种 其中波长0 75 2 5 m 波数13333 4000cm 1 为近红外线 波长2 5 25 m 波数4000 400cm 1 为中红外线 波长25 1000 m 波数400 10cm 1 为远红外线 红外光谱区的划分及主要应用 近红外光区的吸收带 主要是由低能电子跃迁 含氧原子团 如O H N H C H 伸缩振动的倍频吸收产生 该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物 并适用于水 醇 某些高分子化合物以及含氢原子团的定量分析 中红外光区的吸收带 是绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带 由基态振动能级跃迁至第一振动激发态时所产生的吸收峰称为基频峰 由于基频振动式红外光谱中吸收最强的振动 所以该区最适合进行红外光谱的定性和定量分析 同时 由于中红外光谱仪最为成熟 简单 而且目前已积累了该区大量的数据资料 因此它是应用极为广泛的光谱区 通常 中红外光谱法又简称为红外光谱法 远红外光区吸收带 是由气体分子中的纯转动跃迁 振动 转动跃迁 液体和固体中重原子的伸缩振动 某些变角振动 骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的 由于低频骨架振动能灵敏地反映出结构变化 所以对异构体的研究特别方便 此外 还能用于金属有机化合物 包括络合物 氢键 吸收现象的研究 但由于该光区能量弱 除非其它波长区间内没有合适的分析谱带 一般不再此范围内进行分析 第二节远红外加热的基本原理 一 知识点回顾二 吸收机制与吸收条件三 红外线加热的基本原理四 用远红外线加热食品的理由五 用远红外干燥水分的理由六 物质对远红外辐射的选择性吸收七 辐射与吸收的匹配八 红外线的吸收 反射与透射性九 热辐射基本定律十 远红外加热的特点 一 知识点回顾 1 分子中的电子总是处在某一运动状态中 每一种状态都具有一定的能量 属于一定的能级 2 电子由于受到光 热 电的激发 从一个能级转移到另一个能级 称为跃迁 3 当这些电子吸收了外来辐射的能量 就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的的能级 由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂 分子吸收光谱也就比较复杂 4 在分子内部除了电子运动状态之外 还有核间的相对运动 即核的振动和分子绕重心转动 而振动能和转动能 按量子力学计算是不连续的 即具有量子化的性质 质点的运动都有自己的固定频率 当遇到具有某个频率的红外线辐射时 如果红外线的频率与基本质点的固有频率相等 则会发生与共振学中共振运动相似的情况 质点会吸收红外线 并使运动进一步激化 如果二者的频率相差较大 那么红外线就不会被吸收而可能穿过 基本质点吸收红外线由一个能级跃迁到另一个能级 必须满足玻尔的量子条件 即 Em En hvmn其中Em 高能级能量En 低能级能量h 普朗克常数vmn 红外线频率基本质点不具备上式的能级 则不会吸收频率为 mn的红外线 二 吸收机制与吸收条件 三 红外线加热的基本原理 对红外线敏感的物质 其分子 原于吸收红外线后 不仅会发生能级的跃迁 也扩大了以平衡位置为中心的各种运动的幅度 质点的内能量加大 微观结构质点运动加剧的宏观反映就是物体温度的升高 即物质吸收红外线后 便产生自发的热效应 由于这种热效应直接产生于物体的内部 所以能快速有效地对物质加热 四 用远红外线加热食品的理由 食品中的很多成分在3 10 m的远红外区有很强的吸收 因此在食品加热中 往往选择远红外进行加热 几种食品材料的电磁波吸收频率图 五 用远红外干燥水分的理由 水由一个氧原子和两个氢原子组成 三个原子不是排成一条直线 在基态时 O H两原子之间的距离为0 096nm 两个O H键之间的夹角为104 5度 当水分子受到吸收波长为2 663 m 2 738 m和6 270 m的远红外线时 可引起三种振动形式 六 物质对远红外辐射的选择性吸收 1 物质只对能满足其分子产生高 低两个能级跃迁的远红外辐射产生吸收 其频率不能满足条件的远红外辐射则不被吸收而穿过 2 由于物质分子的吸收能级很多 各个能级的跃迁差异不等 因此实际的吸收不是单一的 而是复杂的 并伴有多种能级跃迁的吸收过程 一些有机高分子物质和食物的吸收光谱 三种油脂的红外吸收特性 七 辐射与吸收的匹配 1 选择性辐射 辐射加热需要辐射源 辐射源产生的辐射不是所有波长的辐射强度都相等 辐射能力按不同波长而有所变化的辐射称为选择性辐射 2 匹配辐射加热 当物料的选择性吸收与辐射源的选择性辐射一致时 称为匹配辐射加热 3 日本学者细川秀克等曾提出过理想匹配的模型 所谓理想匹配是指辐射源与被加热物料具有完全相对应的光谱 这样 辐射能将全部被物料所吸收 成为无损失的理想辐射加热 理想匹配模型 八 红外线的吸收 反射与透射性 红外线遵循可见光的传播规律 它也是按直线传播 并服从反射 透射和吸收定律 当红外线辐射到物体表面时 一部分在物体表面被反射 其余就射入物体内部 而射入物体的红外线中 一部分透过物体 其余部分为物体所吸收 图1 2示出辐射能流QE投射到物体2上 一部分QA被吸收 使物体升温 一部分QR被反射 还有一部分QT被透射 这种吸收 反射 透射份额的大小由物质的性质所决定 称为该物体对外来辐射能流的吸收率A 反射率R和透过率T 即根据能量守恒定律 则A R T 1 九 热辐射基本定律 普朗克定律斯忒藩 玻尔兹曼定律维恩位移定律照度定律 负二次方定律 1 关于辐射的基本概念 1 绝对黑体的辐射绝对黑体是指不论在任何温度下都能完全吸收投射在其上面的任意波长的全部辐射能 并且具有最大的辐射本领的物体 它的辐射称为黑体辐射 绝对黑体是理想中的物体 对理想物体的研究有功于简化分析实际问题 2 辐射率实际物体加热到一定温度 它表面发出的辐射能比同一温度下绝对黑体的辐射量要小 有时只有绝对黑体辐射量的百分之几到百分之几十 这两者之比称为全辐射率 有时也简称辐射率或黑度 材料的 值具有以下规律 金属的 值一般较小 随温度增加成比例增加 不同的金属的 值与其电阻的平方根成正比 粗糙的表面和氧化后的表面比磨光的表面具有较大约 值 一般非金属的 值较大 在低温时大于0 8 高温时在0 3 0 8之间 绝热材料的 值一般比金属大得多 并随温度的升高而下降 3 单色辐射率指加热元件对应于单个波长上的辐射率 在选择加热元件时 应使元件在被加热物体的最大吸收波长的单色辐射率尽可能高 4 吸收率指实际物体吸收辐射能的能力 用 表示 任何物体的吸收率在数值上等于它的辐射率 即吸收率高的辐射吸收体本身也是辐射率高的辐射体 对于不透明体 未被吸收的辐射能则被物体所反射 反射率为1 2 普朗克定律 黑体温度为绝对温度T时 在单位时间内 从黑体表面的单位面积上 向半球面内所辐射的能里与波长的分布关系 称为普朗克定律 通常物体发射的辐射能不是单色的 即不是单一波长 而是由波长从零到无穷大的无数的单色辐射线所组成 构成了所谓辐射光谱 由普朗克定律可知 工程技术上常遇到的温度区间 辐射能几乎都集中在 0 8 10 m 红外线范围内 而可见光射线的辐射能小得可以忽略不计 这就是红外加热技术被广泛应用的原因之一 不同温度下绝对黑体能量辐射曲线 3 斯忒藩 玻尔兹曼定律 斯忒藩 玻尔兹曼定律研究的是当黑体为绝对温度T时 在单位时间内 从单位表面积向半球内所辐射的总的辐射通量 称为辐射通量密度或辐射强度 表达式为 斯忒藩 玻尔兹曼定律表明 黑体的总辐射通量密度仅与表面温度有关 并且与温度的四次方成正比 4 维恩位移定律 维思位移定律确定了黑体的辐射通量密度的峰值波长与绝对温度T的关系 把普朗克定律进行微分 求出最大值 就得到了维恩位移定律 即 维恩位移定律说明辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比 即当温度升高时 最大辐射强度向较短的波长方向移动 该定律对于确定辐射源的操作温度具有很好的指导意义 5 照度定律 负二次方定律 照度定律的意义是在点光源垂直照射的情况下 被照射面上的照度与光源的发光强度成正比 与光源到被照射面之间的距离平方成反比 在实际应用时 除了尽量缩短辐射器与被加热物之间的距离外 还配用适当的反射器汇聚射线以提高效率 6 辐射加热元件或辐射加热器的能量利用率的计算 辐射加热过程主要由两步组成 1 第一步是辐射加热元件把电功率或其它形式的能源转变成辐射功率 2 第二步是辐射加热元件所射出的辐射功率为被加热物料所吸收 辐射体将电源功率W0转变成自由发射的辐射功率的转变效率 1计算式 式中 1 辐射体的辐射率 可从手册查得 斯芯藩一玻尔兹曼常数 5 668 10 8W m2 k4 A1 辐射体的表面积 m2T1 辐射体的表面温度 K 对于封闭空间两物体表面的辐射热交换 能量利用率 2可用下式进行计算 式中 n 称为相当黑度A2 被加热物体的表面积 m2T2 被加热物体的温度 K 十 远红外加热的特点 1 优点热辐射率高热损失小容易进行操作控制加热速度快 传热效率高有一定的穿透能力产品质量好热吸收率高 2 红外加热技术还不能充分的应用到食品加工中的原因 1 物料在红外加热过程中其物理化学性质将发生变化 同时其物料含水量的变化也影响辐射特性 2 红外辐射能量在食品加工中应用受到局限的原因是人们对红外辐射光谱特性的了解还不深入 例如 红外辐射不能穿透厚的豆类种子 这就使得红外热量不适合深床物料的加热 红外加热能降低产品水分含量和质量 红外加热已经成为第二位的加热选择 仅次于对流和热传导的方法 第二节远红外加热设备 一 远红外加热设备的分类二 食品工业用远红外加热元件三 辐射涂料与辐射涂料的选用 一 远红外加热设备的分类 1 只有一个出入炉门的密闭的箱式加热炉 称为烘箱 或烤箱 2 是用于生产线上连续加热物料或对物料进行于燥 杀菌等处理的远红外加热设备 这类设备内有输送物料装置 物料由输送装置从一端输入 经处理后从另一端输出 这类设备设计成通道形式 因此称为 烘道 有时也称为隧道炉 箱式炉外形 钢带隧道炉外形1 钢带入炉端2 炉顶3 钢带出炉端4 排气孔5 炉门 二 食品工业用远红外加热元件 1 根据结构形式 灯状 管状和板状辐射器 2 根据制作材料 碳化硅红外加热元件金属管状远红外加热元件SHQ乳白石英远红外元件 图3 10灯状远红外辐射器 1 棒状辐射体 2 梨状轴射体 3 弯月型辐射体1 灯头2 辐射体3 反射罩 图3 11平板状辐射加热器 图3 12金属管状加热器1 4 电极2 金属管壳3 电阻丝5 绝缘顶板 1 碳化硅红外加热元件 优点 热稳定性好 工作温度可达1100 1700 能承受较大的功率密度 有很高的电阻率 使用寿命长 它可以制成板状 管状及其它形状 以适应不同需要 SiC本身是有很高的辐射率 但在一般的商品中 生产厂家在烧结时都掺入了一定比例的泥土 如在制造管状元件时掺入35 的粘土 辐射率有所下降 因此在它的表面又都涂了一层辐射率高的辐射涂料 缺点抗机械振动性能差 2 金属管状远红外加热元件 图3 16氧化镁管远红外辐射器结构1 接线装置2 导电杆3 紧固装置4 金属管5 电热丝6 MgO粉7 辐射管表面涂层 3 SHQ乳白石英远红外元件 不用涂料 对食品无污染和兼有灭菌作用等优点 因此 很适合用于食品加热加工 SHQ元件是目前唯一不用涂料的远红外加热元件 三 辐射涂料与辐射涂料的选用 涂料的选用要求 1 应有较高的加热效率2 全辐射率 t要高 全辐射率越高 辐射能量越大 3 涂料应有良好的热传导性 4 热稳定性及其它稳定性如耐水汽化性及化学物质稳定性要好 四 远红外加热设备 系统 的设计 1 远红外加热元件及其工作温度的选定2 物料加工工艺的升温曲线和烘箱 或烘道 温度分布的设定 1 元件与物料的间距 2 加热元件的组合与布置 第三节远红外加热在食品工业中的应用 一 食品远红外干燥二 食品远红外焙烤三 食品远红外熟成四 食品远红外杀菌五 食品远红外解冻 一 食品远红外干燥 远红外干燥菠菜 70 下 经3 10 m波长的远红外干燥 Vc残存率是一般电热干燥产品的2倍 青葱 远红外干燥后叶绿素保存率比热风干燥后的高 且复水性好 马铃薯和胡萝卜 远红外干燥后其制品表面具有多孔的特征 利于产品复水 水产品 远红外干燥具有缩短干燥时间和提高营养成分保存率及降低酶活的效果 经远红外线干燥的竹筴鱼呈味成分比晒干的约高1倍 而酸性磷酸酶活性只有晒干的一半 面条 传统热风干燥的面条表面粗糙 低温干燥干燥时间长 所需设备较大 远红外干燥的产品表面较光滑 干燥时间大大缩短 含菌率大大降低 二 食品远红外焙烤 优点 加热速度快 加热效果好 与微波焙烤结合实用 在微波焙烤之后 加上远红外加热处理 使产品表面出现焦黄色和产生芳香味 饼干生产中 采用远红外干燥较传统干燥法节约能源且产品中汽泡分布均匀 咬感较好 三 食品远红外熟成