第5章 干燥机械与设备2

1、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。2018/10/161一、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

2、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。2018/10/1622、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。2018/10/1633、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

3、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。2018/10/1644、影响微波焙烤的有关因素N = 5.5610-11E2tan（w/cm3）式中：N单位体积物料吸收的功率（w/cm3）微波的频率（MHz） 物料的介质常数tan介质损耗系数E电场强度（v/cm）2018/10/1652018/10/166物质介质常数（）介质损耗系数（tan）介质损耗因 素（tan）水（300MHz）冰 （ -123000MHz）小麦粉（ 含水率8% 2450MHz）生豚肉（- 152450MHz）生牛肉马铃薯（245

4、0MHz） 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773.22.66.85.04.52.513.0352.3-2.62.33-52.6-3.00.150.000950.031.20.150.20.20.50.030.0650.0120.00050.025-0.050.0002-0.000411.50.0030.0788.160.750.90.56.50.090.3250.028-0.030.0120.075-0.250.0005-0.00125、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

5、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2018/10/167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。2018/10/168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

6、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2018/10/169微波加热设备方块示意图2018/10/1610二、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。112018/10/162018/10/1612家用微波

7、炉简易型微波炉2018/10/1613工业用微波炉2018/10/1614防止炉门泄漏的措施n （a）炉门和炉框具有良好的接触n （b）扼流结构n （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2018/10/1615三层密封垫结构1电波吸收材料 2扼流结构 3炉前板2018/10/16164金属接触结构5门后板6炉内2018/10/1617间隙与微波能的关系接触长度与漏波大小2018/10/1618用于波导管上的扼流结构2018/10/16192、连续操作的微波加热器n 连续操作

8、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。2018/10/1620微波干燥机1微波干燥机22018/10/16212018/10/1622微波干燥机3微波真空冷冻设备2018/10/1623磁控管2018/10/1624微波能量产生原理n 磁控管为真空电子管，n 具有阳极、阴极、栅极（与阴极一体），n 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，n 同时由于磁控管外加磁场，导致电子的运动偏转，n 在此运动过程中，电子能会转化成微波能量，n 通过天线导出。201

9、8/10/1625连续式谐振腔加热器2018/10/1626微波平板型加热器1输送带 2抑制器 3BJ22标准波导4接波导输入口5锥形过度器 6接排风机7b边放大直角弯头 8主加热器2018/109/16 冷水进口10热水进口 11水负载12吸收器 13进料27三、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tan 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，tan也大，当 大，tan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2450M

10、Hz。2018/10/1628n 3、总产量及成本比较n 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。n 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。n 4、2450MHz磁控管及波导比915MHz体积小2018/10/1629六、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

11、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部位，易被伤害。微波辐射人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。2018/10/16302、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、14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

12、”，有良好反 射作用，穿此服可进入200mwmm2高场区。2018/10/1631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。2018/10/1632（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

13、，可制成T恤、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。2018/10/1633（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。2018/10/1634（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

14、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。2018/10/1635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

15、133.29Pa左右。2018/10/16362018/10/1637水的三相图1水的三相图 22018/10/1638（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。392018/10/16n （4）复水快，食用方便。因为燥物料含有的水分是在结冰状态下直

16、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。2018/10/1640（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。20

17、18/10/1641升华干燥设备结构示意图2018/10/1642实验用小型升华干燥设备2018/10/1643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92-0板18/1温0/16指示10-冷凝温度指示11-真空计12-冷冻干燥箱放气阀门4413-冷凝器放出口 14-真空泵放气阀 15膨胀阀升华干燥设备生产系统图2018/10/16451、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

18、化箱加热桶16-冷却塔17-冷却水泵2018/10/1646典型冷冻干燥工艺流程2018/10/1647冻干工序操作操作要点首先要预冻、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/mi

19、n，过高过低对产品不利 。2018/10/1648 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。2018/10/1649 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