远红外烤炉设计.doc

远红外烤炉设计4.1 远红外烤炉简介远红外线又称长波红外线 ,其波长范围从5.6微米至1000微米，它利用热物体源所发射出来的红外线照射到被加热物料上 ,并被吸收后转化成热能 ,以达到加热的目的。远红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量。在远红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分被穿透过去。当发射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吕量吸收远红外线，这时，物体内部分子和原子发生“共振”产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。辐射传递的热量与温度成四次方正比，加热时不需要传热介质，具有一定的穿透能力。4.2 远红外辐射元件及涂料的选择(一)远红外辐射元件埋入式陶瓷远红外辐射元件是我厂引进国外先进生产工艺及设备，自主研制开发成功的替代碳化硅板的先进产品，具有辐射率高，整体性好，热稳定性好，发热均匀、绝缘强度高、清洁卫生、安装方便。一、产品结构：导热体采用含硅95以上，耐高温1800度的石英玻璃为主要原料，经化学反应形成二氧化硅，具有远红外性能，表面釉层由辐射性能较好的多种氧化物组成，经高温烧结后光滑、美观、耐磨、防腐等优点。发热体由Cr20Ni80电阻丝绕成螺旋式浇铸在导热体内烧制而成。 二、性能优点及技术参数：整体抗折强度为440Kgcm2；整体加热至800，置入冷水反复数十次不开裂；绝缘电阻值大于100兆欧，辐射率0.9左右，辐射波长1-25微米以上。化学性能很稳定，在稀硫酸溶液中，加热体全浸24小时不会出现腐蚀性损坏。因其热效率、辐射率、安全系数、节能性均占有一定优势，所以在塑料、化工、轻工、电子、医药、食品等行业得到广泛使用。（二） 远红外辐射涂料能够辐射远红外线的材料很多，如各种金属氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等。根据被加热物的吸收特性及最佳匹配的要求，可选择单一物质或多种物质的混合物，作为辐射涂料。远红外辐射涂料的选择原则（1）“最佳匹配” 原则（2）涂料的辐射率要高（3）无毒、热膨胀系数与基体相近（4）导热性、冷热稳定性好（5）原料价格低目前在食品工业中应用较多的远红外涂料有：碳化硅涂料、氧化铁涂料、60SiC系高辐射涂料，4#分子筛红外辐射材料等4。4.3 炉体的设计（一）炉体的机构目前国内食品行业普遍采用的炉体结构有三种形式：砖砌炉体，金属架炉体和预制构架。1砖砌炉体 它是最早使用的炉体结构，本身既是保温层，又是机架一般用红砖或耐火砖砌成，很少需要钢材。这种炉结构简单，容易建造，加热稳定性好，适用于热强度大，长期运转的场合，但体积庞大、笨重，长久使用后易变形，通过炉墙的散热损失通常较大。目前它在饼干厂中的应用已逐渐减少。2.金属架炉体金属架炉体由型钢构型、金属薄板和保温材料组成。型钢构成骨架，金属薄板安装在构架两侧，中间填充保温材料。因此避免了金属构架吸热，减少热量损失。这种结构的特点是炉体轻巧、灵活、热惯性小，而且可做成各种形式，以适应各种产品的烘烤要求。其缺点是成本高钢材用量大。依据苏打饼干的一些特性，本设计采用金属炉体架，底部采用砖砌炉架。（二）炉体尺寸的确定1. 炉膛的断面形状和尺寸的确定图4-1 炉膛断面示意图拱形顶炉膛断面的中心高度由下式确定：H拱=d+L1+L2+h式中：L1上热元件至拱底的距离，一般取L1=3070mm，取50mm；L2下热元件至炉底的距离，一般取L2=3070mm，取50mm；d拱顶高mm，一般取120150mm，取130mm；h上下热元件间距离mm。h的确定：辐射距离是指管状元件中心或板状元件的辐射涂层到钢带上表面之间的距离。根据照度定律可知，辐射能量的多少与距离的平方成反比，照度定律虽然只适合于点光源，但对于管状和板状元件来说，在制作较好的炉膛中，由于多次反射，共辐射能量与距离的关系约在1.251.5次方之间，如表4-1。表4-1辐射距离与辐射强度的关系辐射距离(m)0.180.250.500.751.00辐射强度（kcal/m2.h）11006202308060上表数据表明，辐射强度随着距离的增加而衰减，辐射距离越近，辐射强度越大，加热效率越高。同时辐射强度分布得不均匀性也越显著。（管状元件尤为明显）距离越近因为加热不均匀而影响烘烤质量，并且当距离小到一定范围时，辐射强度的增加率也会显著减缓。辐射距离越大，辐射强度越小，同时导致炉膛尺寸增大，但是与此同时，辐射强度分布也趋于均匀。原则上，在保证辐射均匀性，不影响产品质量和不妨碍操作的前提下，辐射距离越近越好。对于隧道式食品烤炉，由于食品输送设备在炉道中移动，则不必考虑热量分布得不均匀性，几种食品的辐射距离见表4-2、表4-2几种食品的辐射距离食品名称饼干饼干月饼蛋糕上辐射距离d(mm)70120100180100140150180下辐射距离A(mm)5070507050705070则选择上辐射距离为d= 100mm，下辐射距离为A=60mm则h=d+A加热元件粗=100+60+16=176mm则H=130+50+50+176= 406mm(2)炉膛宽度的确定为了保证炉膛两侧饼干与中间部位饼干颜色均匀一致，饼干应排放在热元件温度均匀部位，所以炉膛宽度B要比饼干排布的宽度大一些，一般超出100150mm左右，本设计取 150mm。B=S+(100150)式中:B炉膛宽度，mm；S食品排布宽度，mm。S=1000-10=990mm B= S+(100150)=990+150 =1140mm 2. 炉体长度隧道炉的炉长主要与生产能力、焙烤时间及运行速度有关。对于同一种食品来说，生产能力越大，选择要求食品在炉内运动速度越快，炉体越大。根据生产能力确定炉长：烤炉的总长度L总由入炉端L1加热区L和出炉端L2部分组成。L=L1+L2+L式中：L带式炉加热区长度，m； R炉带纵向每米上的制品排数，排/m； N炉带横向宽度上制品的个数，块； t烘烤时间，min； M每公斤制品的块数，块/kg； 成品率，=0.9左右； G带式炉生产能力，kg/h。根据产品主食饼干确定烤炉长度：按苏打饼干基本配方（单位;kg）计算成品产量根据前面的饼干配方，日处理面粉8吨，则油脂需1280kg，磷脂80kg，全脂奶粉160kg，鸡蛋320kg，食盐80kg，饴糖或葡萄糖浆80kg，小苏打40kg，鲜酵母80kg。苏打饼干加水量为40%43%,本设计取40%。苏打面团的含水量严格控制在28%32%。则加水量=(8000+1280+80+160+320+80+80+40+80)/0.6040%=6746.7kg 原料总量为16866.7kg设饼干为长方形，长6cm，宽4cm，厚0.3cm，块间距1cm，网带宽1 m。t=5min=0.916866.7 kg /20 h =843.3kg/h 式中： -饼干密度 =+=0.7g/m3其中表示面粉、糖、油，蛋，奶的混合密度。一块饼干的质量=长宽厚=640.30.7=8.82g=113.3114取L1=L2=1.5m, 则La=L1+L+L2=1.5+31.79+1.5=34.8m综上述计算可选择：烤炉长度可为34.8m 4.4 烤炉的辅助设计烤炉的辅助设计包括辊筒、炉体的保温、排潮系统及传送装置等部分的设计。（一）炉体的保温1. 保温材料的选择炉体保温效果的好坏与保温材料的性能有很大关系，炉体设计应尽量用容量较轻，导热系数较小的材料作保温层填充料，中低温隔热效果好的保温材料有石棉，硅藻土,矿棉渣，膨胀珍珠岩和耐火纤维等。对保温材料的要求（1）保温材料应具有良好的绝热性；为了尽量降低烘烤炉的散热损久保证达到饼干烘烤工艺所要求的温度，同时使车间内具有良好的操作环境，这就要求保温材料具有良好的绝热性。为了提高烘烤炉运行的经济性和安全可靠性，通常要求炉墙外表面温度低于50，炉墙散热损失小于2。保温材料的绝热性，即隔热能力，通常用导热系数来衡量。一般保温材料的导热系数值应小于0.12kcal/(mh)（2）保温材料应具有一定的耐热性；由于饼干烤炉的保温层长期处于加热温度的直接作用下，因此它必须具有一定的耐热性。要求保温材料在受热以后本身的组织结构不会被破坏，绝热性不会降低，同时在升温和降温过程中能经受住温度的急骤变化。在很多情况下，耐热性较好的保温材料绝热性能就较差，而绝热性能好的材料耐热性又较差，因此在这二者之间需要有一个适当的选择。根据使用温度不同，保温材料可分为高温(800以上)、中温(400一800)、低温(400以下)三种。饼干烤炉的加热温度一般不超过300，属于低温烘烤，对保温材料的耐热性要求不高。所以可在符合烘烤所需耐热性的前提下，尽量使保温材料具有较好的绝热性。（3）保温材料因应具有一定的机械强度；带式饼干烤炉的炉体不高，占地面积狭长，炉体本身的重量也较轻，故不要求保温材料有很高的机械强度。一般应使其抗压强度不小于3kg/cm2，这才能使保温材料在自重和外力的作用下不产生变形或破坏，才能更好地满足运输施工和使用的要求。对于一些成形的保温板和保温砖其抗弯强度应不小于1.5kg/cm2。对于一些用作填充料的保温材料如膨胀珍珠岩颗粒等，要求具有足够的弹性，其收缩性要小。（4）保温材料的容重要小；保温材料的容重愈小，则保温材料的保温性能愈好。反之，保温材料的重愈大，其保温性能也愈差。因此应该采用容重小的保温材料，这样既可节约能源，又减小了烘烤炉的重量。（5）保温材料的热容量要适当；保温材料的比热与重量的乘积为材料的热容量值。保温材料的热容量愈大，吸收的热量就愈多，加热的稳定性好，有利于提高饼干产品的质量，开始加热时升温和停止加热时降温的速度也较慢。反之，保温材料的热容量小，吸收的热量也少，加热的稳定性差，升温和降温的速度快。因此一般应根据保温材料的使用场合来选择其热容量的大小。但由于饼干烤炉是长时间的连续而稳定运行的，加热温度基本上不变，且保温材料的热容量对饼干质量不会有太明显的影响，因此在设计时，可适当选择热容量较小的保温材料。（6）保温材料的吸水率要小；保温材料吸水后，其结构中各气孔内的空气被水排挤出来，由于水的导热系数比空气的导热系数大24倍，因此吸水后，保温材料的导热系数将会大大增加，同时其容重也增大从而降低了保温性能。因此要求保温材料的吸水率尽可能地小。（7）保温材料的组织结构需符合一定的要求；保温性能好的保温材料内部有许多极小的封闭微孔，若微孔小而多，且分布均匀，则其导热系数小。反之，导热系数将会增大。形状不规则的气孔，易使保温材料应力集中，使气孔破坏，材料的强度降低。对于纤维状和层状组织的材料有纵横不同的方向，其纵向比横向容易通过热流，这是在构筑炉墙时应注意的问题。（8）保温材料应价格低廉和施工方便。2炉墙保温层厚度的计算：保温层厚度的计算从操作条件、散热损失和经济指标计算厚度。表4-3 常用保温材料的导热系数名称容重（kg/m3）导热系数kcal/( m.h.)最高使用温度（）玻璃纤维制品1301600.035+0.00015tp150超细玻璃棉制品40600.026+0.0002tp400水泥珍珠岩制品3500.005+0.00022tp650硅藻土制品4500.09+0.00018tp800水泥跖石制品5000.08+0.00021tp800微孔硅酸钙制品2002500.035+0.000177tp650硅酸铝纤维制品1601700.02+0.0001tp1700本设计两侧及底部采用超细玻璃棉制品作为保温材料，顶部由于拱形结构采用水泥珍珠岩制品。一般要求炉墙外表面温度低于50，可以以此为依据来计算保温的厚度。根据平面壁的导热原理，饼干烤炉保温层的导热公式如下： 式中：保温层传递的热量； 保温材料的导热系数kcal/( m.h.)； 保温层厚度（m）； F保温层面积（m2）； 炉墙内壁温度（）； 炉墙外壁温度（）。根据炉墙表面散热公式可知：式中：保温层表面的散热； 烤炉保温层表面的放热系数kcal/( m2.h.)； F保温层表面积（m2）； 炉墙外壁温度（）； 烤炉周围空气温度（）。由于稳定传热时各传递的热量相等，所以应有=即：整理后：式中炉墙内壁温度，常以烟气温度代之，即250；烤炉保温层表面的放热系数按下式计算： =10.82kcal/( m2.h.) 式中： 炉墙外壁温度（45）； 烤炉周围空气温度（30）； 保温材料的导热系数=0.026+0.0002tptp =145.5=0.026+0.0002145.5=0.055kcal/( m.h.)=0.069m3. 保温层厚度的确定炉体的保温，主要是通过保温层来实现的，参考计算的平均保温层厚度确定保温层厚度:底部保温层厚度的推荐值：100150mm这里取120 mm；顶部保温层厚度的推荐值：200250mm 这里取200 mm；两侧保温层厚度的推荐值：250300mm这里取300 mm。（二）排潮系统的设计计算在焙烤系统中，食品面坯的水分大量逸出，水蒸气一方面阻碍面坯表面水分蒸发，另一方面水蒸气在37微米及1416微米波段附近有大量的吸收带，使红外线投射衰减，因而加热效率大幅度降低，因此应设置排潮系统，适当的加大炉内气体的流动性，以利于水分从面坯表面逸出并减少炉内上下温差。为减少热损失，排潮一般用自然引风系统。 由于隧道炉的产量一般都很大，相应的蒸汽排出量也增加，因此蒸汽必须排至车间以外，以免污染工作环境。对隧道炉排潮系统的设计计算，主要应确定排潮管直径和排潮管高度两个参数：1.排气量的计算电加热时所产生的气体，主要由制品中蒸发的水蒸气和逸入炉膛的空气两部分组成。（1）制品中蒸发的水蒸气量V1的计算 根据苏打饼干的质量要求，终产品的含水量5%;调制好的面团含水率为30%。假设蒸发水量为x，可列等式如下：16866.7（1-30%）=（16866.7-x）（1-5%）解得：X=4438.6，及水分蒸发量为4438.6kgG=G1-G28式中G制品中蒸发的水蒸气质量，kg/h； G1进入烘烤炉的制品质量，kg/h；G2出炉的制品质量，kg/h。由于烘烤炉的进出口是敞开的，所以炉膛内的压力可看作常压，炉膛内的平均温度为250，查S=i焓熵图可得在此温度下的过热蒸汽比容为2.5（m3/kg），则制品中蒸发的水蒸气体积为V1=2.5（G1-G2）逸入炉膛的空气量V2的计算在制品烘烤过程中，为了保证排气管有足够的抽力，烤炉炉口实际处于微量负压状态，因此，必定有一部分空气进入炉膛，然后通过排气管排出。根据实验测定，逸入的空气量可取为V20.3 V1，则总的排气体积为：V=1.3 V1= 3.25（G1-G2）/20= 3.254438.6/20= 721.3kg/h2.排气温度的计算排气管高度的假设排气管在操作过程中应满足下列要求：（1） 排气管抽力大于它的阻力；（2） 排气管的出口应能满足环境的卫生要求。排气管H=8m烟气在排气管内的温度降，按下式计算：式中t0烟气在排气管中的温度降； H排气管的高度（m）； A修正系数对通常的铁皮排气管取2； D 一个排气管内烟气的额定蒸发量（t/h）;t/h 排潮直径 8 其中: d排潮管出口直径, m；V排潮管每小时的排气量 ,m3/h；Wc 排潮管出口处烟气流速,一般取5/。0.3m3.排气管阻力和抽力计算及验证（1）排气管的沿程摩擦阻力 8式中：烟气的沿程阻力，Pa； 摩擦阻力系数，取0.04； H排气管高度，m； d排气管直径，m； W烟气在烟囱中的平均流速，m/s，对于直径不变得烟囱取W=5m/s烟气的平均密度，kg/m3；取0.74kg/m3 g重力加速度，m/s2.hm= = 1pa（2）排气管的局部阻力8式中：排气管局部阻力，Pa； 排气管的局部阻力系数，取1.8。 排气管的总阻力为： 实际值可取： （3）排气管的抽力计算（4）验证：由以上计算可知，S ,抽力大于阻力，因而设计排气管高为8m，共设计4个排气管，这样可以达到设计要求。安装的具体位置如图4-2：出炉进炉图4-2 排潮管安装位置示意图图示的布置形式在定型脱水阶段均布置了两只排气管，这样可保证水蒸气的充分排放。由于饼干在刚进炉时，温度较低，不会马上有很多的水分蒸发，同时，在刚进入烤炉的初始阶段，希望在炉膛内能保持一定的水分，这样有助于饼干的成型， 使表面易糊化和增加光洁度。因此，把排气管适量朝后移动一段距离是可取的。另外，在靠近出炉段，饼干中蒸发的水蒸气量已经较少，为了保证有良好的上色，排气管可以朝前移动一段距离，以便将集中的在该分区前部的水蒸气及时排除，并使饼干上的水分充分蒸发。另外，排出的热气，在冬季和城区的采暖系统相连接，可以达到综合利用的目的，同时也降低了生产成本。4.6 烤炉的温区和温控(一)烤炉的温度分区饼干在整个烘烤过程中，按习惯都可分为胀发、定型脱水、上色三个阶段如图4-4。对各种不同类型的饼干，要求不同的烘烤工艺。图4-4 饼干焙烤三阶段简图目前在国外，很多厂采用不同的烘烤炉来烘烤各种不同类型的饼干。因此，本设计考虑了苏打饼干的加热要求，采用了三个温区的加热方式。如图4-6出炉进炉图4-6 烤炉温区分布图温度选择为,第一温区280320 左右，胀发；第二温区200250 左右，定型脱水；第三温区150180 左右,上色；总的烘烤时间一般掌握在5min。（二）炉温的控制采用电压调整法和饼干颜色测量装置两种控制系统共同控制炉温。该装置主要是通过安装在炉带传动机构上的测速电机，来调整炉带的运行速度以实现温度控制。为了防止各个温区的热对流，在各个温区之间涉及隔热板，仅使得传送带和饼干坯能通过。对于电压调整法控制炉温的原理，其主要是通过改变在加热元件上的电源电压而达到调节炉温的目的。4.7 炉体的热量衡算和加热管的选型加热系统是组成饼干烤炉的最关键部分之一。它对烤炉的生产能力、饼干质量和降低能量损失具有直接的影响。因此正确合理地设计和计算加热系统，对饼干烤炉是一项至关重要的工作。本章主要阐述饼干烤炉加热系统的热量计算、温度分区和几种典型的加热系统。（一）热量衡算所谓热平衡就是系统热量得失的平衡。当烤炉进入稳定状态以后，热元件发出的总热量应该与进入烤炉的生坯、载体、炉壁吸收或者散发出的热量之和相平衡。即：QB=Q1+ Q2+ Q3+Q4式中: QB物料吸收的总热量，kcal/h； Q1被烘烤食品中各种物料升温吸收的热量，kcal/h； Q2水分蒸发吸收的热量，kcal/h； Q3水分蒸发后水蒸气继续吸热至炉温时吸收的热量，kcal/h； Q4全部散失的热量之和，kcal/h。Q4= Q41+ Q42式中：Q41网带从炉内传出炉外所散失的热量，kcal/h； Q42经炉外壁每小时散失的热量，kcal/h各种热量的计算方法如下：Q1i=G1iC1it (kcal/h)式中: G1i每小时入炉的各种物料重量，kg/h； C1i各种物料的比热，kcal/（kg）； t物料升温前后的温差，。 Q2=G2q式中: G2入炉后，水分受热每小时蒸发的重量，kg/h；q水分蒸发时的汽化热，kcal/kg。 Q3 = G2C3t3式中: G2入炉后，水分受热每小时蒸发的重量，kg/h； C3水蒸气的比热容，kcal/(kg )；t3水蒸气由100升至炉温时的温差, 。 Q41 = G41C41t4式中: G41每小时入炉的网带重量，kg/h；C41钢带的比热容，kcal/(kg )；t4钢带升温前后的温差, 。 Q42=KA(t1-t2)1.25 +4.88()4-()4A式中: K放热系数，当温差不大或估算时K取2.2；A炉外壁各散热面的总面积，m2；t1炉壁各散热面的实际平均温度, ；t2室温, ；炉外壁的全辐射率；T1、T2分别为炉外壁和室温的绝对温度，k；1.各物料升温吸热Q1=G1iC1it各种面粉混合物吸热:糖及辅料吸热：油脂吸热：水分吸热：Q1 = Q11+ Q12+ Q13+ Q14=32929.4kcal/h2.水分蒸发吸热Q2=G2q每小时水分蒸发量：q =537.7kcal/kg则Q2=G2q =119331.8kcal/h3. 水蒸气遇热至炉温250时吸热Q3：Q3 = G2C3t3= 221.930.43(250-100)=14314.5 kcal/h3.热量损失Q4= Q41+ Q42Q41=G41C41t4以每米网带重量计算：网带有