第四章焙烤机械

1、第四章 焙烤机械 第一节 概 述 一、什么是焙烤机械？ 完成焙烤操作的机械叫焙烤机械。 特点：执行机构简单 设计内容：1、提供足够的热源。 2、热源选择、布置合理。 3、保温节能。 4、炉体结构尺寸合理。 5、炉温可控制、炉内潮气可 排除。 1、按热源分： 普通电炉 电炉 远红外电烤炉 微波炉 煤炉 燃气炉 木炭炉 二、分类 2、按结构形式分： 箱式炉 链条隧道炉 隧道炉 网带隧道炉 钢带隧道炉 风车炉 水平旋转炉 1、热传导 接触传热 2、热对流 介质传热 自然对流 )( 21 ttF L k Q 传 25. 1 21 )(ttKFQ 对 第二节加热原理 一、热交换形式 3、热辐射 载能电磁

2、波传热 ) 100 () 100 ( 4 2 4 1 1 TT CFQ 辐 式中：C辐射换热系数 F1 辐射体表面积 T1、T2 分别为辐射体积受热体温度 当辐射体完全被加热物包围时 )1 1 ( 1 22 1 1 F F C C b 式中：F2受热物表面积 1 、 2 分别为辐射体及受热体 的辐射率 Cb 黑体的辐射系数 Cb=4.88千卡/米2.时.K4 F2 F1 C 1 Cb ) 100 () 100 (884 4 2 4 1 11 TT FQ 辐 1、红外线 可见光红光端以外一段区域内不可见的光线 波长：0.76-1000m 根据波长不同可将红外线分为： 近红外线： 0.76-1.4

3、m 中红外线： 1.4 -3m 远红外线： 3 -1000m 红外线遵循可见光的反射、吸收、透射规律 二、红外线及其加热原理 2、红外线加热原理 （1）物质吸收红外线原理 原子化学键 物质内部的原子总是以它本身具有的固有 频率而不断运动,当某种物质受到一束红外 线照射时， 若：红外线的传输频率=物质的固有频率 则：物质中的弹簧就会吸收红外线的能量 而发生共振，即加速分子的热运动，使物 质的温度升高。若红外线的传输频率=物质 的固有频率,则:红外线就不会被物质吸收 ，而是串过分子或被分子反射。 （2）物质吸收红外线的条件 必要条件：由于振动改变分子的对称性，而使偶 极矩发生变化。对双原子的物质

4、对红外线不产 生吸收。如：Cl2等,非对称结构的物质，如： H2O，无论怎样振动，都改变分子的对称性，所 以每一种振动都可以产生对红外线的吸收。 （3）选择性吸收与选择性辐射 选择性吸收:物质只在几个波长范围内有强烈 吸收的特性 选择性辐射:辐射体的辐射能力按波长不同而 变化的特性 匹配辐射加热:当选择性吸收与选择性辐射当 相一致时的加热。 最佳匹配 红外线加热物体的三种情况 A、表层加热 正匹配 B、表里同时加热 偏匹配 C、里层加热 内匹配 正匹配 偏匹配 1、扩散 加热过程中水分子的移动称为扩散。 内扩散：物料内部水分移动现象 扩散 外扩散：物料表面的水分向外移动的现象 湿扩散：由于物料

5、内部存在水分梯度而 内扩散 引起的水分移动 热扩散：由于物料内部存在温度梯度而 引起的水分移动 四、水分扩散 如果物料中温度梯度与水分梯度的方向一致时， 则物料中热扩散与湿扩散的方向一致，这将加速物料 的水分脱出。 如果物料中温度梯度与水分梯度的方向相反时， 则物料中热扩散与湿扩散的方向相反，当热扩散比湿 扩散强烈时，物料内部的水分不但不能扩散到物料表 面，反而把水分往内部赶，使水分不能脱出。 热源 被加 热物 热 对 流 热 辐 射 1、以供热方式分 旁热式：由外部供热给辐射体产生辐射能 。如电热丝 供热给辐射体。 直热式：电热元件既是发热体又是辐射体。如电阻带 2、以结构形式分 灯状辐射元

6、件 金属氧化美管 管状辐射元件 碳化硅管 板状辐射元件 乳白石英玻璃管 第三节 远红外辐射元件及涂料 一、远红外辐射元件的分类 1、金属氧化镁管 基体材料：常用普通碳钢 热源：电热丝，管隙充填氧化镁粉（具有良好的导 热性绝和缘性）。 基体表面涂复远红外涂料 在炉体上的安装: 二、管状远红外辐射元件 二、管状远红外辐射元件 性能特点性能特点 金属基体，机械强度高，寿命长，更换维修 方便。 容易制造出各种形状 金属基体高温下（600 。C）出现可见光，使 红外线 所占比例减少。 1m 以上金属管高温下易产生变形，易出现 烘烤不 均的现象。 远红外涂料易脱落。 2、碳化硅管 （1）结构 基体：碳化硅

7、管 含碳化硅65% 粘土35% 混合、成型、烧结而成 热源：电热丝 碳化硅具有绝缘性， 所以 不需要添 加充填物 涂层：表面涂有远红外涂料 特点： （1）碳化硅是一种良好的远红外辐射材料，远 红外区的辐射率较高，与食品的吸收光谱 匹配可达到较好的匹配效果，节能较明显 。 （2）制造工艺简单，成本低、涂层不易脱落。 （3）抗机械振动性能差，易断裂。 （4）隧道炉更换较困难，箱式炉用的较多 （5）热惯性较大，升温时间较长。 3、硅碳棒 原料：高纯度的碳化硅（98%）， 经高温挤压成型，予烧、再经高 温硅化而成。 特点： （1）通电自热，不用电热丝。 （2）单位面积发热量大，温升快， 节电效果明显。

8、 （3）成本高。 （4）使用安装技术性强 4、乳白石英玻璃管 基体：乳白石英玻璃管 特点： （1）光谱辐射率高，3-8m,11-25m =0.92 （2）电能 辐射能转化率高 =0.65-0.7 （3）热惯性小，通电到热平衡时间为2-4分钟 （4）不需涂层，基体直接辐射远红外线，无涂 层脱落。 （5）节电明显，优于金属管、碳化硅管。 （6）成本高，易碎。 节电机理: （1）电能 辐射能转化率高 =0.65-0.7 （2）可达到最佳匹配 三、板式热元件 特点： （1）可使炉内温度分布均匀 （2）安装方便 （3）制造简单、成本低 （4）辐射率高 （5）抗机械振动性差，易碎 （6）热惯性大，升温时间

9、长 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 四、远红外涂料 1、砖砌炉体 材料：耐火砖、保温砖 特点：简单、成本低、热惯性大、体积大、不能移动 2、金属构件炉体 材料：型钢：构成框架 钢板：内壁：采用反射率高的材料，如抛光铝板、抛光 不锈钢板等 外壁：普通钢板，表面喷漆等处理 保温材料：填充在内外壁之间，起绝热保温

10、作用 第四节食品烤炉的炉体设计第四节食品烤炉的炉体设计 及结构尺寸确定及结构尺寸确定 一、炉体的结构形式 特点：炉体轻、灵活，可制成各种形状，便于运输、 热惯性小、成本高、用钢材多。 炉体设计应注意以下几点 （1）提高热阻，取决于保温层厚度及保温材料的性能。 （2）加强炉内壁的反射。 内壁 (=1- ) 以减少炉体吸热 （3）加强密封，以减少对流热损失 （4）尽量减少炉膛、炉体尺寸和炉体总重，以减少加 热空间、散热表面及自身畜热 二、炉体保温 1、保温材料的选择 一般小于0.2千卡/米.时. 。C 都叫保温材料 保温材料的选择：导热系数低、 容重轻、成本低。 2、保温层厚度的确定 （1）确定保

11、温层厚度的依据： 传热学原理 )( )( )( 222 21 111 f f ttq tt L k q ttq 在稳定传热的条件下，热流体对右避面的对流换 热量，必然等于通过平壁的导热量，也必然等于左 壁面冷流体的对流换热量。 则 21 21 11 k L tt q ff 联 立 整理 一般保温材料的导热系数k较小，而保温层厚度L较大 11 21 21 11 11 tt k L f 与 的影响可忽略 22 tt f 与 11 tt f 差别很小 11 tt f 设计时假设： k L tt q 21 则： （2）通过炉壁保温层的散热损失 t2炉外壁的温度 2 2 2 222 )( f f t t

12、 ttq tf2炉外空气温度 2炉外空气对流换热系数 室内空气2=7千卡/米.时.。C 室外（有风） 2=12千卡/米.时.。C （3）保温层厚度计算 k q tt L 21 1、箱式炉 （1）炉膛尺寸确定 炉膛高度确定 分层布置式热元件，温度场的均匀性是一个重要问题 温度场的均匀性取决于上下辐射元件的辐射距离。 上辐射距离要求较高，因其直接照射食品 一般，当管间距离一定时 辐射距离 均匀性 辐射能量 结构尺寸 辐射距离确定原则：保证烘烤均匀的前提下，辐射距离越 小越好 三、炉体尺寸确定 一般经验数据： 下辐射距离： A = 30-40mm(板式元件） 60-70mm(管式元件） 上辐射距离：

13、 d=B+C B=2A C被烘烤物品的高度 则：h=A+B 根据生产能力，烤盘面积，烤盘层数为n 则：H1=a+nh+b 式中：a、b分别为上下热元件至炉顶与 炉底的距离 a=b=50-70mm 炉膛宽度与深度 对管状热元件其发热部分 沿管长方向的温度分布并 不均匀，所以应将食品放 在热元件温度均匀处。 Bi = Si +(150-100)mm （2）炉门尺寸确定 炉门尺寸应在满足取放食品方便的前提下， 取最小尺寸，以减少热量损失。 （3）总体尺寸确定 炉宽：B= B1+2L1 炉深： B=B2+2L1 炉高：H=H1+ L2 + L3+ L4 注：此尺寸不包括电控箱尺寸及热元件安装 尺寸 L

14、 L总 L1L1 2、隧道炉 （1）炉长的确定 隧道炉的炉长主要取决于生产能力，烘烤时间及 输送装置的运行速度 根据生产能力确定炉长 例：钢、网带式隧道炉的生产能力计算公式如下 RN GtM L tM LRN G 60 60 式中： G生产能力(kg/h) L加热区长度（m) R炉带纵向每米长度上的制品数 N炉带横向每米长度上的制品数 M每公斤制品的个数 t烘烤时间 成品率 ，饼干炉=0.9 则：隧道炉总厂 L总=L1+L+L2 L1、 L2由结构设计定 一般： L1= L2 =1m 隧道炉炉体一般分节制造，在计算得L后应圆整为每节 炉体长的整数倍，每节炉长常见有：1m、2m。 根据成型机输出

15、生坯的速度和烘烤时间确定炉长 L=Vt V成型机输出生坯的速度 t烘烤时间 L总=L1+L+L2 （2）炉膛尺寸确定 炉膛高度确定 H=A+d+a+b 炉膛宽度确定 B1=S+（100-150） S食品排放宽度 因考虑与成型机配套 （3）总体尺寸 炉总宽 B=B1+ 2 L1 + 2L4 L1侧壁保温层厚度 L4 电热空间，由电热管尺寸确定 炉体总高 H= H1 + L1 + L2 + L5 L5 支架高度 输送食品的离地高度H2 设计时应考虑与之配套的成型机输出生坯的离地 高度,以使整个生产线工作协调。为扩大使用范围可将 支脚设计成可调的。 隧道炉：需要密封处（1）每节炉体的接合部，通常采

16、用有弹性密封垫。 密封处 四、炉体密封 作用：密封；缓冲炉体的热胀冷缩 （2）电热管道管处密封 箱式炉： 密封处：炉门口，通常采用耐热硅橡胶 热平衡法是烤炉进入稳定状态后，热元件发出的总 热量应该与进入烤炉的生坯、载体、炉壁散热等总热量 之和相平衡。 即：被烘烤物总吸热量+热损失=炉所需的热量（热元件 的总功率） Q=Q1+Q2+Q3+Q4 式中： Q热元件发出的总热量（千卡/时） Q1 各种物料升温吸热（千卡/时） Q2 水分蒸发吸热（千卡/时） 第五节 电 功 率 计 算 一、热平衡法 Q3水分蒸发后继续过热时吸热（千卡/时） Q4全部散热损失（千卡/时） Q4= Q41 +Q42+Q43

17、 其中：Q41 烤盘吸热（千卡/时） Q42 传送装置（链条、钢、网带）吸热（kcal/h） Q43 炉外壁散热损失（千卡/时） 1、各种热量计算 （1）各种物料升温热量Q1 Q1=G1iC1i t (kcal/h） 式中：G1i 每小时入炉的各种物料的重量（kg/h） C1i 各种物料的比热(kcal/kg.。C） t各种物料的升温温差（。C） （2）水分蒸发吸热Q2 Q2 =q G2(kcal/h） 式中： q气化潜热(kcal/kg）q= 539 (kcal/kg） G2 小时水分蒸发量（kg/h） （3）水分蒸发后过热吸热量 Q3 Q3=G2C3 t (kcal/h） 式中：C3 水蒸

18、气比热(kcal/kg.。C） t 水蒸气过热温度与蒸发温度的温差(。C) (4)全部散热损失Q4 烤盘系热量Q41 Q41=G41C41 t (kcal/h） G41 每小时入炉的烤盘重量（kg/h） C41 烤盘比热(kcal/kg.。C） t 烤盘升温温差（。C） 传送装置（链条或钢带、网带）吸热量 Q42=G42C42 t (kcal/h） G42每小时入炉的传送装置重量（kg/h） C41 传送装置比热(kcal/kg.。C） t 传送装置升温温差（。C） 炉壁散热量G43 ) 100 () 100 (88.4)( 44 1 25.1 2143 TT FttKFQ 式中：F炉外壁总表

19、面积 (m2 ) t1 炉外壁各散热面平均温度（。C） T1 炉外壁各散热面平均绝对温度（。K） T2室温绝对温度（。K） 炉壁全辐射率 K 放热系数 K=2.2（平均值） 2、电功率计算 1 2 860 K QK P 式中：P烤炉应配置的电功率（kw） K1 电压波动系数与电压有关 K1与电压有关： 一般： K1 =0.826 K2 功率储备系数 一般： K2 =1-1.3 K2选取时应考虑的因素： （1）计算数据不准时产生的误差 （2）烘烤最大产品时对功率的增加需求 （3）生产条件变化式（生产任务、气候）或发展需要 R V P 2 当数据不足或简化计算时，可根据炉的热效率进行估算 炉的热效

20、率 321 321 QQQ Q Q QQQ Q Q 供给 有效 式中： Q1 、 Q2、 Q3符号意义同前 炉的热效率 一般炉的热效率=0.5-0.55 标准规定 小型炉0.5 大型炉0.55 二、估算法 1、辐射元件的间距确定 管状辐射元件的温度分布情况 第六节 食品烤炉的其它设计 一、辐射元件的工艺布置 当辐射距离不变时，只改变热元件间的距 离，温度场分布将发生变化。 热元件间距越小，温度分布越均匀，且温度越高； 热元件间距越大，温度分布越不均匀，且温度降低 管状元件的一般取：150-250mm 当辐射距离不变时，只改变热元件间的距 离，温度场分布将发生变化。 热元件间距越小，温度分布越均

21、匀，且温度越高； 热元件间距越大，温度分布越不均匀，且温度降低 管状元件的一般取：150-250mm 管间距离可根据辐射距离选取： 若辐射距离较大，则管间距离可取大值 若辐射距离较小，则管间距离可取小值 板状辐射元件温度分布 特点：沿整个辐射板面的辐射强度均匀, 温度场均匀组合方便，一般板间距 离为20-50mm 管间距离可根据辐射距离选取： 若辐射距离较大，则管间距离可取大值 若辐射距离较小，则管间距离可取小值 2、辐射元件的布局 （1）箱式炉辐射元件的布置 分层布置热元件 特点： a、以辐射加热为主 b、热效率高 c、热元件布置要求高 通过改变烤盘支架的位置，可使箱 式炉的烘烤范围扩大，以

22、适应不同厚度 食品的烘烤。 侧壁布置热元件 特点： a、以对流加热为主 b、需风机及引风系统 c、热元件布置要求低 （2）隧道炉辐射元件的布置 均匀排布热元件： 特点：各热元件间距均匀相等，应用最广。 分组排布热元件： 温度场 分组热元件 被烘烤食品 食品运动方向 食品移动通过多个升温、降温过程，可破坏制 品表面的蒸汽膜，改善水分蒸发状态。 根据食品烘烤工艺排布热元件 1、箱使炉 炉内空间较小，热气流一般流向上方 热元件功率分配应呈“上低下高”的趋势 2、隧道炉 上层直接照射食品，下层通过载体间接传给食品。 一般功率分配：上层功率下层功率 如:烤盘烘烤的饼干炉：上层：下层=75-80% 听形面包炉：上层：下层=50-60% 多用炉：上层：下层=100%（通过温度控制系统调温) 二、功率分配 一般控制炉内气氛温度，通过温度 传感器、温控仪及电器元件等实现自动 控制。