远红外干燥技术

远红外干燥技术1 背景1800年天文学家赫胥尔在研究太阳光谱热分布时,发现热分布在光谱红端方向单调上升,直到红光以外不可见的部分却显得更热过了一个峰值才开始下降,当时称这个红光以外的部分为看不见的光线后来通称为红外线或红外辐射,自此红外线的概念就诞生了。虽然红外线的温度效应发现较早，但未引起人们的重视直到1938 年美国福特汽车公司首先把红外线应用于汽车漆膜的干燥上当时用的红外波长在3微米之内，虽然在选取波段上不太科学，但是从此红外线干燥技术也就逐渐发展起来了。现代食品加工中为了追求产品的美好外观、最佳风味、保存期限等等品质要求, 对热的利用不仅越来越多, 而且对热利用方式的要求也越来越高。远红外辐射加热由于有很多优点, 因此在食品加工中的开发和研究近年来发展很快, 甚至一些应用的目的已超出了一般加热的意义范围。然而远红外加热也并非万能的食品加热方法, 在目前远红外利用的热潮中也出现了一些问题。为了更充分地发挥远红外辐射技术的作用, 认识和研究远红外辐射在食品加工中作用的原理十分重要。2 远红外技术原理2.1远红外辐射原理红外辐射习惯上称为红外线或红外, 也有称为热辐射。构成物质的基本质点:电子、原子或分子, 都在不停地运动着振动或转动,物质的基本质点不仅发生转动能级的跃迁, 也扩大了以平衡位置为中心的各种运动幅度, 质点的内部能量加大。当物质(同种双原子分子构成的物质除外)遇到具有某个振动数的红外线辐照时, 如果红外线的振动数与基本质点的固有频率相等,则会发生与振动学中共振运动相似的情况。物料内部发生分子之间的碰撞, 产生自热效应,部分分子挣脱了原来物质对它的束缚, 水分或有机溶剂脱离原来的物质,从而快速有效地加热物质。2.2 红外辐射特点2.2.1 热辐射效率高所有的辐射加热都需要一个热辐射源, 由物理学可知:作为热源物体的热辐射效率与物体的材质有关,把热辐率最大的理想物质称为黑体, 黑体不仅有最大的热辐率, 同时也有基大的对外来辐射的吸收率。远红外线加热时为了提高热辐射效率, 热源的材质一般都选用热辐射率接近黑体的物质。普通食品加工中所使用的加热温度范围一般在300K-500K左右，在这一温度范围内,黑体或者近似黑体的物质热辐射能量密度最大的波长正是在2.5-20um的远红外线的波长范围内，也就是说在食品工程加热的温度范围内使用远红外线有着较高的辐射效率。2.2.2 热损失小，易于控制远红外辐射热在空气中传播时的损失很小, 可以把热直接辐射到被加热体的表面;因为不存在传热界面, 所以在食品的冻结干燥和冻结升华过程中可以加速干燥过程，这是其他加热方式难以办到的。另外, 远红外射线同其他光波一样具有直线传播、专漫反射和镜反射的性质, 因此可以通过光的集散、遮断机构来使辐射热在加热器中更有效地被利用和控制, 提高加热质量, 减少不必要的热损失。2.2.3 传热效率高食品物料在加工工程中大都对于温度的限制比较严格, 例如: 有许多食品的加热要求不超过1000。在这样的要求下,使热源的温度也受到限制。例如: 热风干燥时,热风的温度就不能高于物料的温度。因为热源与物料的温差不能过大, 那么单位时间的能量传递也必然受到限制。为了提高工作效率就必然要增加加热设备的体积和规模。然而远红外辐射的特点之一就是在不使物料过热的情况下,可以使热源有较高的温度。因为两物体之间热辐射传播的速度与这两物体之间的温度差的四次方成正上匕因此远红外辐射的实用能流密度比起传导和对流传热大得多, 不仅可以缩短加热时间和节约设备费用, 而且可使一些如烧鸡、烤鸭等烤制食品表面很快形成皮膜, 减少内部香味成份的损失。2.2.4热吸收效率高在热辐射传播中,物体吸收、透过和反射辐射波的程度不仅与其表面状况有关, 而且也与共材质有关。因为物体的温度是其分子运动动能的表现, 从分子运动的观点看, 物体的分子结构与共对各种电磁波的吸收关系很大。不同结构的分子都有其固有的振动频率,当辐射电磁波的频率与分子的固有振动频率相同时, 就会产生共振现象, 也就是说被照射物质能够完全地吸收这一电磁波而激起本身分子更强烈地振动, 该物体温度的升高也就较快, 换句话讲: 就是被照射物质对该辐射波反射、透过的损失最少, 吸收效率聂高。2.2.5加热引起食物材料的变化损失较小在食品的烘烤、干燥等加热工程中, 避免食物成份的变化和损失是很重要的问题。在热辐射电磁波中远红外线的光子能量级比起紫外线、可见光线都要小, 因此一般只会产生热效果, 而不会引起物质的化学变化。而且, 因为远红外辐射加热的效率较高, 可使加热时间大大缩短, 这也使得食品成份受热分解的可能性大为减少。许多实验已证明: 一些含有叶绿素、V c 等易分解成份的果蔬, 采用远红外辐射代替传统的干燥方法后, 可以使这些成份的损失大大减少。3. 常见的远红外加热器3.1金属管状加热器它是靠电阻丝通电加热后, 金属壳管也随着发热, 并发射出红外辐射。但是, 其能量比较低, 最近人们发现在金属管表面涂上一层金属氧化物, 比如氧化铁、氧化锆、氧化钛等, 将大大提高红外辐射能量（图1）。3.2碳化硅板状加热器碳化硅本身是良好的远红外辐射材料, 用它制成的加热器效果比金属管状效果好。但是碳化硅加热器不是所有波段都理想, 所以要在其表面涂加高辐射材料, 才能达到预期效果（图二2）。4远红外技术干燥谷物4.1原理只有当物料吸收红外线时，红外线能量才被转换成热量旧。现实中被加热干燥的谷物是由许多不同的成分组成的，如水分、蛋白质、淀粉等。因为每种成分的结构、组成不一样，所以它们吸收不同波长的红外线。对于宏观的谷物来说，它的红外吸收波段是内部成分相应吸收波段相互叠加、耦合的结果。虽然每种成分对红外各波段的吸收强弱不同，但由于各个成分吸收的红外辐射频率并不互补，所以整体叠加、耦合的结果是谷物对红外辐射各波段的吸收强弱不一样的。即谷物对红外吸收具有选择性。设入射红外线强度为I 反射强度为IR、透射强度为IT、吸收强度为IA、则它们有如下关系I= IR+ IT +IA又定义吸收率 a= IA/I 透过率 I=T/I 反射率 r =IR/I 则 a +r+ I=1利用红外分光光度计,可将红外源色散然后对不同波段测出红外光透过样品时的光强并以波长或波数为横坐标以百分透过率或吸收率为纵坐标把谱带记录下来,就会得到该物质的红外吸收光谱图.。4.2与传统热风干燥的对比热风干燥作为谷物干燥的传统工艺，以煤为主要热源的热风炉, 能耗高、污染大、效率低, 已越来越难以满足现代农业发展的要求，因此相比而言更加高效的远红外干燥技术已经逐渐成为了谷物干燥中的新兴工艺。红外加热干燥技术不仅实现了辐射源光谱与被加热物体吸收光谱的对应, 无需加热介质, 大大减少了能量损失, 提高了热能利用率，此外，红外加热热惯性小, 升温快, 加热时间短, 能使物体内外受热均匀, 产品品质好。红外加热器结构紧凑, 不需辅助锅炉及管道系统, 基建费用省。在发达国家, 红外辐射干燥谷物已应用于生产中, 但是由于技术的缺陷，在我国还只处于研究阶段。由于红外干燥谷物是近些年才兴起的事物, 并且谷物对红外的吸收具有选择性, 因而针对谷物干燥的红外辐射器还较少。选择什么样的波段进行谷物干燥较为合适, 这在学术上还存在着争论。经过测试小麦、水稻、玉米的3 种谷物对红外辐射的吸收主要发生在波数小于4 000 cm- 1 的中远红外谱区。在3 800 2 500 cm - 1的区域有一个明显的吸收峰;在1 600 1 000 cm -1 的指纹区谷物也有比较强烈的吸收。依据谷物对红外吸收的特性，可以设计出适合谷物干燥的红外辐射器。在红外干燥过程中，由于红外线具有穿透性，会在物料内部造成热量堆积，再加上被干燥的物料水分不断的被蒸发带走热量，使得物料表面的温度下降，这样直接导致物料内部温度远高于外部温度，使得物料的热扩散过程由内部向外部进行。同时在物料内部，水分的转移总是从水分含量较高的地方向低水分含量的位置转移，因此物料内部的水分转移与热量转移是相同方向的；与此相反的是在热风干燥过程中，温度梯度与湿度梯度正好相反，这中情况会对水分的转移造成障碍，不利于水分的干燥蒸发。此外，在干燥谷物的过程中，如果采用较高温度的热风干燥，就会出现谷物“爆腰”现象，这种现象的出现使由于谷物外表的干燥程度和受热程度与谷物的内部不同的结果，另外谷物内部的脱水一方面通过谷物的表面进行但由于谷物的表面有一层胶质水分子不易从内部跑出另一方面水分子将从谷物的脐处跑出。热风干燥是对谷物表面进行的干燥，而红外干燥则是对谷物内部进行的干燥，故可造成谷物内外温度分布比较均匀。热缓苏的实质是谷物内部热分布均匀过程和水分子逸出的过程，结合红外加热，正是促进谷物内部热分布均匀和加速分子的逸出，因而红外干燥谷物将缩短热缓苏过程这正是红外干燥效率较高的原因。通过对以上红外线特性和谷物红外吸收光谱图以及对干燥技术的分析，我们就会发现谷物的干燥途径虽有几种方法，但是对其效果来说，还是红外干燥技术最为理想和有效，它不仅传递热效率，使高节约能源装置紧凑便于自动化无污染等优点，而且能够较有效地避免或减少了关键性的问题，即出现的爆腰现象。因此，就目前干燥技术来讲，在考虑其干燥成本干燥时间和干燥装置等各方面因素以后，可以肯定红外干燥技术是最适合最具有发展潜力的有效方法。4.3影响远红外干燥的因素影响红外干燥谷物的因素有很多，例如辐射强度、物料层厚度、物料初湿含量、辐射源到物料的距离等。4.3.1 辐射强度随着辐射强度的变化，物料的降水幅度、干燥速率和物料温度等干燥指标都有明显的变化。4.3.2 初湿含量因为水是谷物中接受红外照射的主要物质之一，因此物料所含水量的多少直接决定了红外干燥的效率。4.3.3 物料层厚度辐射强度与物料层厚度耦合作用加剧影响物料的降水和温度变化。干燥速率并不是简单的与料层厚度成反比，而是随着含水率的增加。物料层厚度对干燥速率的影响也增大，这与水分在物料内部的存在状态有关。4.3.4 辐射距离随着辐照距离的减少，物料的降水幅度和温度都增加。辐照距离不变时，辐射强度的影响要高于对流速度。4.4红外干燥中存在的问题与解决通过对红外干燥原理的分析，我们发现红外干燥在面对较厚的物料时其干燥效率非常糟糕，为了解决这一问题，我们可以合理的将红外干燥技术与别的干燥技术相互结合。组合干燥是目前国内外干燥技术的发展趋势之一。可以利用各种干燥工艺自身的优点在物料的不同干燥阶段采用不同的干燥工艺, 以便达到高效、低耗、优质的干燥效果。比如红外和热风结合在一起形成红外热风组合,热风干燥可以把热量带入物料层深处,使物料层的热量分配趋于均匀。另外, 在干燥过程中, 谷物表面水分蒸发后, 会围绕在谷物周围形成一层很薄的气膜, 这层气膜的相对湿度较大, 阻碍后续水分的排出, 不利于干燥的进行。用热风可以把水蒸汽带走, 克服上述缺点。此外还可以将红外干燥同振动联合干燥相互结合，这也是解决物料层热量不均匀的一种好办法，它是以一定的频率、一定振幅的振动作用到物料层上，使物料上下翻动，从而到达加热均匀的目的。这种联合干燥方法，脱水率高，爆腰率小，顺应了稻谷结构特性对稻谷逐渐的增温，每次循环又有降温缓苏，确保了稻谷的生理特性。微波红外组合干燥也有利于解决红外干燥热量分配不均的问题, 但该组合方法在谷物干燥中的研究应用还较少。5对红外干燥技术的展望虽然远红外技术在食品工业中有了广泛的应用, 但是远红外技术本身也存在着一些不足,比如需用反射镜克服有阴影的缺点, 因波长短造成透入深度小, 只适用于薄层物料、干燥时间目前仍停留在“分”的数量级等, 这些方面都有待于进一步解决。、远红外加热效果的好坏与其发射元件有着重要的关系, 远红外的发射元件由原来的金属管发展到现在的碳化硅加热, 发射效率明显提高, 但其发射频谱仍处于一种广谱状态, 虽然这种广频谱对普通食品较适合, 因为普通的食品在红外线区一般都有大量的吸收带, 但对那些在红外线区内吸收带较窄的特种物质, 其热效率就偏低, 为此在发射元件上, 如何发射或控制其发射频谱需进一步研究。、红外发射元件加热时都需要高辐射材料的涂布才能取得最好的效果, 而这些金属或非金属的氧化物、碳化物、硼化物等涂料的筛选, 纳米材料的开发利用,配方的合理组合与优化, 以及涂料的表面涂布方