干燥机械与设备2

第5节微波加热机械

微波是指波长在1mm-1m频率为3000MHz-30GHz之间的电磁波。随着科学技术的不断发展，微波技术迅速应用到通讯、广播、电视、化工、医疗等领域中，给人类的生产、生活提供了极大的方便。

11/25/20231一、微波焙烤的机理和特点

微波焙烤主要利用了微波的热效应。并不会生热，它是一种高频的电磁波，微波所形成的交变电场的方向发生着高速的改变，这种改变使处于微波场中的极性分子也处于高速振荡状态。如果富含水分的食品处于2450MHz的微波场中，具有很大极性的水分子的振荡频率将达到0.408亿次/min，分子的快速运动使水分子间的碰撞和摩擦加剧，产生大量的热量，从而能把食品加热和烘烤。因微波是电磁波，它会在实际传播过程中发生反射、折射、吸收、穿透等作用，故处于微波炉中的被焙烤食品所受的微波作用是来自各个方向的微波的叠加。11/25/202322、微波所用的波段及单位

微波所用频率单位为兆赫，目前用于工业、科研和医疗上（简称ISM）有四个波段。只有915MHz（波长0.328m）和2450MHz（波长0.1225m）两种频率得到广泛使有。在较高的两个波段（C、K）还未见有大功率的设备，这是由于微波管的功率、效率、成本尚未达到工业使用要求。11/25/202333、微波与各种材料的关系

在微波常用到材料可分为导体、绝缘体、介质、磁性化合物4类。微波在传输过程中会遇到不同的材料，会产生反射、吸收和穿透现象；这情况完全取决于材料本身的几个特性，如介电常数、介电损耗系数、比热、形状和含水量的多少等。

11/25/202344、影响微波焙烤的有关因素

N=5.56×10-11γE2εtanδ

（w/cm3）

式中：N—单位体积物料吸收的功率（w/cm3）

γ—微波的频率（MHz）

ε—物料的介质常数

tanδ—介质损耗系数

E—电场强度（v/cm）11/25/20235物质介质常数（ε）介质损耗系数（tanδ）介质损耗因素（εtanδ）水（300MHz）冰（-12℃3000MHz）小麦粉（含水率8%2450MHz）生豚肉（-15℃2450MHz）生牛肉马铃薯（2450MHz）豌豆（2450MHz）菠菜2450MHz）木材（硬干材）木材（软干材）生橡胶聚乙烯氯乙烯聚苯乙烯773.22.6

6.85.04.52.513.0352.3-2.62.33-52.6-3.00.150.000950.03

1.20.150.20.20.50.030.0650.0120.00050.025-0.050.0002-0.000411.50.0030.078

8.160.750.90.56.50.090.3250.028-0.030.0120.075-0.250.0005-0.001211/25/202365、食品微波焙烤的特点

微波焙烤的优点有：（1）加热时间比较短（2）对比较复杂形状的物体加热均匀性好

（3）有调平作用

（4）便于控制

（5）穿透能力强

（6）热效率高

11/25/20237缺点：一是食物表面的温度未能充分升高，从而不能发生美拉德反应或焦糖化反应，使食物一般不能象传统的烘焙食品那样呈现诱人的金黄色；二是对食物加热时间的准确度要求高，加热时间稍微延长，就会产生不可挽回的过度加热的后果。微波加热的不均匀性是应该高度重视的问题。微波设备费贵，耗电量高，如装置不妥，尚有漏波危险。11/25/20238第二节微波加热器

一、微波设备的分类微波设备主要由微波电源、微波发生器、连接波导，加热器及冷却系统等部分组成。在微波干燥系统中，微波加热器是主要设备之一，其它还有如磁控管、功率监视器、匹配器等。1、电极板间加热干燥设备2、箱式微波炉加热干燥设备3、波导管加热干燥设备11/25/20239微波加热设备方块示意图

11/25/202310二、微波加热设备

1、微波炉它是利用驻波场的微波加热干燥设备。它的结构由矩形谐振腔、输入波导、反射板、搅拌器等组成。谐振腔是由金属构成矩形的中空六面体，其中一面装有反射板和搅拌器，还有一面装有支承加热物料的低损耗介质组成的底板，在其它面上（箱壁上）开有炉门和排湿孔；如果用于连续生产的加热设备，则在对应的两侧底边还开有长方形孔（通道），以便传送带和加工物品连续运行由此通过。

11/25/202311家用微波炉11/25/202312

简易型微波炉11/25/202313工业用微波炉11/25/202314

防止炉门泄漏的措施

（a）炉门和炉框具有良好的接触

（b）扼流结构

（c）电波吸收材料

微波炉漏波示意图1-门2、4-漏波3-观察窗5-食物6-承物盘7-变压器8-鼓风机9-炉腔10-磁控管11-电动机12-搅拌机11/25/202315三层密封垫结构1—电波吸收材料

2—扼流结构3—炉前板

4—金属接触结构5—门后板

6—炉内

11/25/202316间隙与微波能的关系

11/25/202317接触长度与漏波大小

11/25/202318用于波导管上的扼流结构

11/25/202319

2、连续操作的微波加热器

连续操作的微波加热器注意的是，由于腔体的入、出口回造成微波的泄露，因此要在传送带上安装金属挡板或采用其他能使微波能在入、出口处形成短路的措施，防止微波泄露。微波干燥机111/25/202320微波干燥机2

11/25/202321微波干燥机311/25/202322微波真空冷冻设备11/25/202323磁控管

11/25/202324微波能量产生原理磁控管为真空电子管，具有阳极、阴极、栅极（与阴极一体），磁控管的灯丝在合适的电流情况下会产生电子，并在负高压的情况下向阳极运动，同时由于磁控管外加磁场，导致电子的运动偏转，在此运动过程中，电子能会转化成微波能量，通过天线导出。11/25/202325连续式谐振腔加热器

11/25/202326微波平板型加热器1—输送带2—抑制器3—BJ22标准波导4—接波导输入口5—锥形过度器6—接排风机7—b边放大直角弯头8—主加热器9—冷水进口10—热水进口11—水负载12—吸收器13—进料11/25/202327三、微波加热器频率选择的有关因素

1、干燥物料的体积及厚度当了解到物料在915MHz及2450MHz时的εtanδ相差不大时，选用915MHz可有较大穿透深度，可以干燥较厚、体积较大的物料。2、物料的含水量及介质损耗一般说来，物料含水量大，tanδ也大，当γ大，tanδ也大。故含大量水分的物料可选用915MHz，含水分量少要用高频率2450MHz。11/25/2023283、总产量及成本比较915MHz的磁控管，可以获得30kw或60kw的功率。而2450MHz磁控管只有5kw左右的功率，而915MHz磁控管工作效率比2450MHz高10-20％。故2450MHz只能用几只磁控管并联，或用价格昂贵的速调管，故在含大量水分时用915MHz，当含水量到5％左右再用2450MHz。4、2450MHz磁控管及波导比915MHz体积小11/25/202329六、微波对人体伤害及防护措施1、微波对人体的伤害微波作用于生物体，大部分转化为分子动能，形成温度升高，伤害生物体，统称热效应。有一定深度，在表皮处散热快，但在皮下深度肌肉，散热慢、升温高，当表皮尚不知疼痛，深处却已严重伤害。尤其是人的眼球部位和睾丸部位，易被伤害。微波辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。

11/25/2023302、防护措施

（1）设备本身设计和安装问题如扼流结构的门、抑制器、吸收器、1／4λ的短路等。采取封闭性屏蔽，或遥控操作。（2）采用防护用具防护眼镜：形式多种，有铜丝网、铅玻璃，涂有二氧化锡的玻璃等。其中以铜丝网式防护镜效果较好。铜丝网的丝径为0.07-0.14mm，网眼数量560-186孔／cm2。防护工作服：将电介绝缘材料作最外层，防止出现电弧现象和防腐，中间层为0.457mm，线间隙为1mm的涂银尼龙线编织成的“尼龙布”，有良好反射作用，穿此服可进入200mw／mm2高场区。11/25/202331当前，国内外市场上流行三种防微波电磁辐射布料：（a）金属丝纤维混纺布料金属纤维混纺织物的特点是：透气性好，服饰感强，耐洗涤，手感好，屏效低。在30MHz-1GHz频段，屏效为25-35dB；在10KHz-1GHz频段，屏效为5-9dB，屏蔽率低于90%。而且金属纤维纺纱还存在金属纤维束不易牵伸，细纱的粗细节多，混合不均，断头率高等问题，应进一步探索工艺，改善纺纱质量，提高生产效率，降低价格成本。11/25/202332（b）多离子纤维屏蔽布多金属离子织物产品的特点是：柔软、透气、服饰感强、使用范围宽，可制成T恤、内衣、床单、蚊帐等，在10KHz-1GHz频段，屏效为0-17dB，屏蔽率在60%左右。但它也有不耐清洗的缺点。11/25/202333（c）金属纤维化导电布

其特点是：镀膜薄，附着力强，柔软，透气性好，使用频率宽，屏蔽效能高。在300KHz-18GHz频段电磁波屏蔽效能为58-80dB，屏蔽率在99.99%以上。由于金属化层结构致密，附着力强，加以薄涂层保护，很好地解决了耐清洗和多色调的问题。11/25/202334（3）制定切实可行的安全操作规章制度制定按期维修制度，工作区设置警戒标记，禁止一般人员进入；采用微波指示器和警报器，漏波至危险时可及时发出警报；对初次使用微波设备的人，应经过必要的训练和熟悉的过程，并要掌握一定的微波知识与安全操作规程。

11/25/202335第六节冷冻升华干燥装置（一）升华干燥器（Freezingdryer）原理将含水物料先行冻结，然后使物料中的水分在高真空下不经液相直接从固相转化为水汽排出，称升华干燥法，或称冷冻干燥法。从理论上已知水有三相：液相、气相和固相。根据压力减小，沸点下降的原理，由图中可见，当压力降低到4.58mm汞柱（610.5Pa）时，温度在0℃以下，物料中的水分即可从冰不经过液相而直接升华成水汽。但这是对纯水而言，如为一般食品，其中含有的水，基本上是一种溶液，冰点较纯水要低，因此升华的温度在-5℃--20℃左右，相应的压力在133.29Pa左右。

11/25/202336水的三相图111/25/202337水的三相图

211/25/202338（二）升华干燥的特点及其在食品工业中应用

1、升华干燥的特点（1）由于在低温下操作，能最大限度地保存食品的色、香、味，如蔬菜的天然色素保持不变，各种芳香物质的损失可减少到最低限度。（2）因低温操作，对热敏感性物质特别适合，能保存食品中的各种营养成分，对维生素C能保存90％以上。在真空和低温下操作，微生物的生长和酶的作用受到抑制。（3）升华干制品重量轻、体积小、贮藏时占地面积少、运输方便。

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（4）复水快，食用方便。因为被干燥物料含有的水分是在结冰状态下直接蒸发，故在干燥过程中，水汽不带动可溶性物质移向物料表面，不会在物料表面沉积盐类，物料表面不会形成硬质薄皮。亦不存在因中心水分移向物料表面时对细胞或纤维产生的张力，不会使物料干燥后因收缩引起变形，故极易吸水恢复原状。

（5）因在真空下操作，氧气极少，因此一些易氧化的物质（如油脂类）得到了保护。（6）冷冻升华干燥法，能排除95-99％以上的水分，产品能长期保存而不变质。11/25/202340

（三）升华干燥设备结构1、箱式升华干燥设备冷冻干燥系统可分为制冷系统、真空系统、加热系统、干燥系统和控制系统等。按结构分别由冷冻升华干燥箱、冷凝器、冷冻机、真空泵、各种阀门和控制元件及仪表等组成。

11/25/202341升华干燥设备结构示意图

11/25/202342实验用小型升华干燥设备11/25/202343箱式升华干燥设备组成示意图1-冷冻干燥箱2-冷凝器3-真空泵4-制冷压缩机5-水冷却器6-热交换器7-冷冻干燥箱冷凝器阀门8-冷凝器真空泵阀门9-板温指示10-冷凝温度指示11-真空计12-冷冻干燥箱放气阀门13-冷凝器放出口14-真空泵放气阀15—膨胀阀11/25/202344升华干燥设备生产系统图

11/25/2023451、2-制冷压缩机3-低压循环筒4-氨泵5-急冻库6-冷藏库7-干燥箱8-捕水器9-热水泵10、11、12--罗茨泵13-水环泵14-干燥箱加热筒15-捕水器化箱加热桶16-冷却塔17-冷却水泵11/25/202346典型冷冻干燥工艺流程

11/25/202347冻干工序操作操作要点

①首先要预冻、再抽真空——降温、降速过程

物料内部因含有大量水分，若先抽真空，使溶解在水中的气体，因外界压力降低很快溢出形成气泡跑掉，呈“沸腾”状。水分蒸发成蒸汽而吸收自身热量结成冰，冰再汽化则产品发泡气鼓，内部有较多气孔。一般预冻到-30℃左右，不同的物料其共熔点也不同，它是冻结成固体的温度，要求预冻温度低于共熔点5℃左右。若温度达不到要求，则冻结不彻底，其缺点如上所述。预冻时间约2h左右，因每块搁板温度有异，需给予充分时间，从低于共熔点温度算起。预冻速度控制在1-4℃/min，过高过低对产品不利。11/25/202348

②

升华过程—等温、恒速过程

冰直接汽化也需要吸收热量，此时开始给予加热，保持温度在接近而又低于共熔点温度。若不给予热量，物料本身温度下降，则干燥速度下降，延长时间，产品水分不合格。若加热太多或过量，则物料本身温度上升，超过共熔点，局部熔化，体积缩小、起泡。1g冰在13.33Pa时产生9500L水汽，体积大，用普通机械泵来排除是不可能的。用蒸汽喷射泵需高压蒸汽和多级串联，对中小企业不合算，故采用冷凝器。用其冷却的表面来凝结水蒸汽成冰霜，保持在—40℃或更低，冷凝器中蒸汽压降低在某—水平上，干燥箱内蒸汽压高，形成压差，故大量水汽不断进入冷凝器。11/25/202349③

加热，剩余水分蒸发阶段

—升温、降速过程冻结水分已全蒸发，产品已定型，加热速度可加快，开始蒸发没有冻结的水分，干燥速度下降，水分不断排除，温度逐渐升高，一般不超过40℃