干燥機(jī)械與設(shè)備2

第5節(jié)微波加熱機(jī)械

微波是指波長(zhǎng)在1mm-1m頻率為3000MHz-30GHz之間的電磁波。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微波技術(shù)迅速應(yīng)用到通訊、廣播、電視、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中，給人類(lèi)的生產(chǎn)、生活提供了極大的方便。

2/6/20231一、微波焙烤的機(jī)理和特點(diǎn)

微波焙烤主要利用了微波的熱效應(yīng)。并不會(huì)生熱，它是一種高頻的電磁波，微波所形成的交變電場(chǎng)的方向發(fā)生著高速的改變，這種改變使處于微波場(chǎng)中的極性分子也處于高速振蕩狀態(tài)。如果富含水分的食品處于2450MHz的微波場(chǎng)中，具有很大極性的水分子的振蕩頻率將達(dá)到0.408億次/min，分子的快速運(yùn)動(dòng)使水分子間的碰撞和摩擦加劇，產(chǎn)生大量的熱量，從而能把食品加熱和烘烤。因微波是電磁波，它會(huì)在實(shí)際傳播過(guò)程中發(fā)生反射、折射、吸收、穿透等作用，故處于微波爐中的被焙烤食品所受的微波作用是來(lái)自各個(gè)方向的微波的疊加。2/6/202322、微波所用的波段及單位

微波所用頻率單位為兆赫，目前用于工業(yè)、科研和醫(yī)療上（簡(jiǎn)稱(chēng)ISM）有四個(gè)波段。只有915MHz（波長(zhǎng)0.328m）和2450MHz（波長(zhǎng)0.1225m）兩種頻率得到廣泛使有。在較高的兩個(gè)波段（C、K）還未見(jiàn)有大功率的設(shè)備，這是由于微波管的功率、效率、成本尚未達(dá)到工業(yè)使用要求。2/6/202333、微波與各種材料的關(guān)系

在微波常用到材料可分為導(dǎo)體、絕緣體、介質(zhì)、磁性化合物4類(lèi)。微波在傳輸過(guò)程中會(huì)遇到不同的材料，會(huì)產(chǎn)生反射、吸收和穿透現(xiàn)象；這情況完全取決于材料本身的幾個(gè)特性，如介電常數(shù)、介電損耗系數(shù)、比熱、形狀和含水量的多少等。

2/6/202344、影響微波焙烤的有關(guān)因素

N=5.56×10-11γE2εtanδ（w/cm3）

式中：N—單位體積物料吸收的功率（w/cm3）γ—微波的頻率（MHz）ε—物料的介質(zhì)常數(shù)tanδ—介質(zhì)損耗系數(shù)E—電場(chǎng)強(qiáng)度（v/cm）2/6/20235物質(zhì)介質(zhì)常數(shù)（ε）介質(zhì)損耗系數(shù)（tanδ）介質(zhì)損耗因素（εtanδ）水（300MHz）冰（-12℃3000MHz）小麥粉（含水率8%2450MHz）生豚肉（-15℃2450MHz）生牛肉馬鈴薯（2450MHz）豌豆（2450MHz）菠菜2450MHz）木材（硬干材）木材（軟干材）生橡膠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

8.160.750.90.56.50.090.3250.028-0.030.0120.075-0.250.0005-0.00122/6/202365、食品微波焙烤的特點(diǎn)

微波焙烤的優(yōu)點(diǎn)有：（1）加熱時(shí)間比較短（2）對(duì)比較復(fù)雜形狀的物體加熱均勻性好

（3）有調(diào)平作用

（4）便于控制

（5）穿透能力強(qiáng)

（6）熱效率高2/6/20237缺點(diǎn)：一是食物表面的溫度未能充分升高，從而不能發(fā)生美拉德反應(yīng)或焦糖化反應(yīng)，使食物一般不能象傳統(tǒng)的烘焙食品那樣呈現(xiàn)誘人的金黃色；二是對(duì)食物加熱時(shí)間的準(zhǔn)確度要求高，加熱時(shí)間稍微延長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生不可挽回的過(guò)度加熱的后果。微波加熱的不均勻性是應(yīng)該高度重視的問(wèn)題。微波設(shè)備費(fèi)貴，耗電量高，如裝置不妥，尚有漏波危險(xiǎn)。2/6/20238第二節(jié)微波加熱器

一、微波設(shè)備的分類(lèi)微波設(shè)備主要由微波電源、微波發(fā)生器、連接波導(dǎo)，加熱器及冷卻系統(tǒng)等部分組成。在微波干燥系統(tǒng)中，微波加熱器是主要設(shè)備之一，其它還有如磁控管、功率監(jiān)視器、匹配器等。1、電極板間加熱干燥設(shè)備2、箱式微波爐加熱干燥設(shè)備3、波導(dǎo)管加熱干燥設(shè)備2/6/20239微波加熱設(shè)備方塊示意圖

2/6/202310二、微波加熱設(shè)備

1、微波爐它是利用駐波場(chǎng)的微波加熱干燥設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)由矩形諧振腔、輸入波導(dǎo)、反射板、攪拌器等組成。諧振腔是由金屬構(gòu)成矩形的中空六面體，其中一面裝有反射板和攪拌器，還有一面裝有支承加熱物料的低損耗介質(zhì)組成的底板，在其它面上（箱壁上）開(kāi)有爐門(mén)和排濕孔；如果用于連續(xù)生產(chǎn)的加熱設(shè)備，則在對(duì)應(yīng)的兩側(cè)底邊還開(kāi)有長(zhǎng)方形孔（通道），以便傳送帶和加工物品連續(xù)運(yùn)行由此通過(guò)。2/6/202311家用微波爐2/6/202312簡(jiǎn)易型微波爐2/6/202313工業(yè)用微波爐2/6/202314

防止?fàn)t門(mén)泄漏的措施

（a）爐門(mén)和爐框具有良好的接觸

（b）扼流結(jié)構(gòu)

（c）電波吸收材料

微波爐漏波示意圖1-門(mén)2、4-漏波3-觀察窗5-食物6-承物盤(pán)7-變壓器8-鼓風(fēng)機(jī)9-爐腔10-磁控管11-電動(dòng)機(jī)12-攪拌機(jī)2/6/202315三層密封墊結(jié)構(gòu)1—電波吸收材料2—扼流結(jié)構(gòu)3—爐前板

4—金屬接觸結(jié)構(gòu)5—門(mén)后板6—爐內(nèi)

2/6/202316間隙與微波能的關(guān)系

2/6/202317接觸長(zhǎng)度與漏波大小

2/6/202318用于波導(dǎo)管上的扼流結(jié)構(gòu)

2/6/202319

2、連續(xù)操作的微波加熱器

連續(xù)操作的微波加熱器注意的是，由于腔體的入、出口回造成微波的泄露，因此要在傳送帶上安裝金屬擋板或采用其他能使微波能在入、出口處形成短路的措施，防止微波泄露。微波干燥機(jī)12/6/202320微波干燥機(jī)2

2/6/202321微波干燥機(jī)32/6/202322微波真空冷凍設(shè)備2/6/202323磁控管

2/6/202324微波能量產(chǎn)生原理磁控管為真空電子管，具有陽(yáng)極、陰極、柵極（與陰極一體），磁控管的燈絲在合適的電流情況下會(huì)產(chǎn)生電子，并在負(fù)高壓的情況下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于磁控管外加磁場(chǎng)，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電子能會(huì)轉(zhuǎn)化成微波能量，通過(guò)天線導(dǎo)出。2/6/202325連續(xù)式諧振腔加熱器

2/6/202326微波平板型加熱器1—輸送帶2—抑制器3—BJ22標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)4—接波導(dǎo)輸入口5—錐形過(guò)度器6—接排風(fēng)機(jī)7—b邊放大直角彎頭8—主加熱器9—冷水進(jìn)口10—熱水進(jìn)口11—水負(fù)載12—吸收器13—進(jìn)料2/6/202327三、微波加熱器頻率選擇的有關(guān)因素

1、干燥物料的體積及厚度當(dāng)了解到物料在915MHz及2450MHz時(shí)的εtanδ相差不大時(shí)，選用915MHz可有較大穿透深度，可以干燥較厚、體積較大的物料。2、物料的含水量及介質(zhì)損耗一般說(shuō)來(lái)，物料含水量大，tanδ也大，當(dāng)γ大，tanδ也大。故含大量水分的物料可選用915MHz，含水分量少要用高頻率2450MHz。2/6/2023283、總產(chǎn)量及成本比較915MHz的磁控管，可以獲得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只能用幾只磁控管并聯(lián)，或用價(jià)格昂貴的速調(diào)管，故在含大量水分時(shí)用915MHz，當(dāng)含水量到5％左右再用2450MHz。4、2450MHz磁控管及波導(dǎo)比915MHz體積小2/6/202329六、微波對(duì)人體傷害及防護(hù)措施1、微波對(duì)人體的傷害微波作用于生物體，大部分轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，形成溫度升高，傷害生物體，統(tǒng)稱(chēng)熱效應(yīng)。有一定深度，在表皮處散熱快，但在皮下深度肌肉，散熱慢、升溫高，當(dāng)表皮尚不知疼痛，深處卻已嚴(yán)重傷害。尤其是人的眼球部位和睪丸部位，易被傷害。微波輻射危害人體的機(jī)理主要是熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)等。

2/6/2023302、防護(hù)措施

（1）設(shè)備本身設(shè)計(jì)和安裝問(wèn)題如扼流結(jié)構(gòu)的門(mén)、抑制器、吸收器、1／4λ的短路等。采取封閉性屏蔽，或遙控操作。（2）采用防護(hù)用具防護(hù)眼鏡：形式多種，有銅絲網(wǎng)、鉛玻璃，涂有二氧化錫的玻璃等。其中以銅絲網(wǎng)式防護(hù)鏡效果較好。銅絲網(wǎng)的絲徑為0.07-0.14mm，網(wǎng)眼數(shù)量560-186孔／cm2。防護(hù)工作服：將電介絕緣材料作最外層，防止出現(xiàn)電弧現(xiàn)象和防腐，中間層為0.457mm，線間隙為1mm的涂銀尼龍線編織成的“尼龍布”，有良好反射作用，穿此服可進(jìn)入200mw／mm2高場(chǎng)區(qū)。2/6/202331當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上流行三種防微波電磁輻射布料：（a）金屬絲纖維混紡布料金屬纖維混紡織物的特點(diǎn)是：透氣性好，服飾感強(qiáng)，耐洗滌，手感好，屏效低。在30MHz-1GHz頻段，屏效為25-35dB；在10KHz-1GHz頻段，屏效為5-9dB，屏蔽率低于90%。而且金屬纖維紡紗還存在金屬纖維束不易牽伸，細(xì)紗的粗細(xì)節(jié)多，混合不均，斷頭率高等問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)一步探索工藝，改善紡紗質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低價(jià)格成本。2/6/202332（b）多離子纖維屏蔽布多金屬離子織物產(chǎn)品的特點(diǎn)是：柔軟、透氣、服飾感強(qiáng)、使用范圍寬，可制成T恤、內(nèi)衣、床單、蚊帳等，在10KHz-1GHz頻段，屏效為0-17dB，屏蔽率在60%左右。但它也有不耐清洗的缺點(diǎn)。2/6/202333（c）金屬纖維化導(dǎo)電布

其特點(diǎn)是：鍍膜薄，附著力強(qiáng)，柔軟，透氣性好，使用頻率寬，屏蔽效能高。在300KHz-18GHz頻段電磁波屏蔽效能為58-80dB，屏蔽率在99.99%以上。由于金屬化層結(jié)構(gòu)致密，附著力強(qiáng)，加以薄涂層保護(hù)，很好地解決了耐清洗和多色調(diào)的問(wèn)題。2/6/202334（3）制定切實(shí)可行的安全操作規(guī)章制度制定按期維修制度，工作區(qū)設(shè)置警戒標(biāo)記，禁止一般人員進(jìn)入；采用微波指示器和警報(bào)器，漏波至危險(xiǎn)時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)；對(duì)初次使用微波設(shè)備的人，應(yīng)經(jīng)過(guò)必要的訓(xùn)練和熟悉的過(guò)程，并要掌握一定的微波知識(shí)與安全操作規(guī)程。

2/6/202335第六節(jié)冷凍升華干燥裝置（一）升華干燥器（Freezingdryer）原理將含水物料先行凍結(jié)，然后使物料中的水分在高真空下不經(jīng)液相直接從固相轉(zhuǎn)化為水汽排出，稱(chēng)升華干燥法，或稱(chēng)冷凍干燥法。從理論上已知水有三相：液相、氣相和固相。根據(jù)壓力減小，沸點(diǎn)下降的原理，由圖中可見(jiàn)，當(dāng)壓力降低到4.58mm汞柱（610.5Pa）時(shí)，溫度在0℃以下，物料中的水分即可從冰不經(jīng)過(guò)液相而直接升華成水汽。但這是對(duì)純水而言，如為一般食品，其中含有的水，基本上是一種溶液，冰點(diǎn)較純水要低，因此升華的溫度在-5℃--20℃左右，相應(yīng)的壓力在133.29Pa左右。

2/6/202336水的三相圖12/6/202337水的三相圖22/6/202338（二）升華干燥的特點(diǎn)及其在食品工業(yè)中應(yīng)用

1、升華干燥的特點(diǎn)（1）由于在低溫下操作，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變，各種芳香物質(zhì)的損失可減少到最低限度。（2）因低溫操作，對(duì)熱敏感性物質(zhì)特別適合，能保存食品中的各種營(yíng)養(yǎng)成分，對(duì)維生素C能保存90％以上。在真空和低溫下操作，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用受到抑制。（3）升華干制品重量輕、體積小、貯藏時(shí)占地面積少、運(yùn)輸方便。2/6/202339

（4）復(fù)水快，食用方便。因?yàn)楸桓稍镂锪虾械乃质窃诮Y(jié)冰狀態(tài)下直接蒸發(fā)，故在干燥過(guò)程中，水汽不帶動(dòng)可溶性物質(zhì)移向物料表面，不會(huì)在物料表面沉積鹽類(lèi)，物料表面不會(huì)形成硬質(zhì)薄皮。亦不存在因中心水分移向物料表面時(shí)對(duì)細(xì)胞或纖維產(chǎn)生的張力，不會(huì)使物料干燥后因收縮引起變形，故極易吸水恢復(fù)原狀。

（5）因在真空下操作，氧氣極少，因此一些易氧化的物質(zhì)（如油脂類(lèi)）得到了保護(hù)。（6）冷凍升華干燥法，能排除95-99％以上的水分，產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不變質(zhì)。2/6/202340

（三）升華干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)1、箱式升華干燥設(shè)備冷凍干燥系統(tǒng)可分為制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)分別由冷凍升華干燥箱、冷凝器、冷凍機(jī)、真空泵、各種閥門(mén)和控制元件及儀表等組成。

2/6/202341升華干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2/6/202342實(shí)驗(yàn)用小型升華干燥設(shè)備2/6/202343箱式升華干燥設(shè)備組成示意圖1-冷凍干燥箱2-冷凝器3-真空泵4-制冷壓縮機(jī)5-水冷卻器6-熱交換器7-冷凍干燥箱冷凝器閥門(mén)8-冷凝器真空泵閥門(mén)9-板溫指示10-冷凝溫度指示11-真空計(jì)12-冷凍干燥箱放氣閥門(mén)13-冷凝器放出口14-真空泵放氣閥15—膨脹閥2/6/202344升華干燥設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)圖

2/6/2023451、2-制冷壓縮機(jī)3-低壓循環(huán)筒4-氨泵5-急凍庫(kù)6-冷藏庫(kù)7-干燥箱8-捕水器9-熱水泵10、11、12--羅茨泵13-水環(huán)泵14-干燥箱加熱筒15-捕水器化箱加熱桶16-冷卻塔17-冷卻水泵2/6/202346典型冷凍干燥工藝流程

2/6/202347凍干工序操作操作要點(diǎn)

①首先要預(yù)凍、再抽真空——降溫、降速過(guò)程

物料內(nèi)部因含有大量水分，若先抽真空，使溶解在水中的氣體，因外界壓力降低很快溢出形成氣泡跑掉，呈“沸騰”狀。水分蒸發(fā)成蒸汽而吸收自身熱量結(jié)成冰，冰再汽化則產(chǎn)品發(fā)泡氣鼓，內(nèi)部有較多氣孔。一般預(yù)凍到-30℃左右，不同的物料其共熔點(diǎn)也不同，它是凍結(jié)成固體的溫度，要求預(yù)凍溫度低于共熔點(diǎn)5℃左右。若溫度達(dá)不到要求，則凍結(jié)不徹底，其缺點(diǎn)如上所述。預(yù)凍時(shí)間約2h左右，因每塊擱板溫度有異，需給予充分時(shí)間，從低于共熔點(diǎn)溫度算起。預(yù)凍速度控制在1-4℃/min，過(guò)高過(guò)低對(duì)產(chǎn)品不利。2/6/202348

②

升華過(guò)程—等溫、恒速過(guò)程

冰直接汽化也需要吸收熱量，此時(shí)開(kāi)始給予加熱，保持溫度在接近而又低于共熔點(diǎn)溫度。若不給予熱量，物料本身溫度下降，則干燥速度下降，延長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)品水分不合格。若加熱太多或過(guò)量，則物料本身溫度上升，超過(guò)共熔點(diǎn)，局部熔化，體積縮小、起泡。1g冰在13.33Pa時(shí)產(chǎn)生9500L水汽，體積大，用普通機(jī)械泵來(lái)排除是不可能的。用蒸汽噴射泵需高壓蒸汽和多級(jí)串聯(lián)，對(duì)中小企業(yè)不合算，故采用冷凝器。用其冷卻的表面來(lái)凝結(jié)水蒸汽成冰霜，保持在—40℃或更低，冷凝器中蒸汽壓降低在某—水平上，干燥箱內(nèi)蒸汽壓高，形成壓差，故大量水汽不斷進(jìn)入冷凝器。2/6/202349③

加熱，剩余水分蒸發(fā)階段—升溫、降速過(guò)程凍結(jié)水分已全蒸發(fā)，產(chǎn)品已定型，加熱速度可加快，開(kāi)始蒸發(fā)沒(méi)有凍結(jié)的水分，干燥速度下降，水分不斷排除，溫度逐漸升高，一般不超過(guò)40℃，要求溫度到30-35℃后停留2-3h，才能結(jié)