干燥機械與設(shè)備2

第5節(jié)微波加熱機械

微波是指波長在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，給人類的生產(chǎn)、生活提供了極大的方便。

2/6/20231一、微波焙烤的機理和特點

微波焙烤主要利用了微波的熱效應(yīng)。并不會生熱，它是一種高頻的電磁波，微波所形成的交變電場的方向發(fā)生著高速的改變，這種改變使處于微波場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的微波場中，具有很大極性的水分子的振蕩頻率將達到0.408億次/min，分子的快速運動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，它會在實際傳播過程中發(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自各個方向的微波的疊加。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（簡稱ISM）有四個波段。只有915MHz（波長0.328m）和2450MHz（波長0.1225m）兩種頻率得到廣泛使有。在較高的兩個波段（C、K）還未見有大功率的設(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。微波在傳輸過程中會遇到不同的材料，會產(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—電場強度（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

微波焙烤的優(yōu)點有：（1）加熱時間比較短（2）對比較復(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

（6）熱效率高2/6/20237缺點：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；二是對食物加熱時間的準(zhǔn)確度要求高，加熱時間稍微延長，就會產(chǎn)生不可挽回的過度加熱的后果。微波加熱的不均勻性是應(yīng)該高度重視的問題。微波設(shè)備費貴，耗電量高，如裝置不妥，尚有漏波危險。2/6/20238第二節(jié)微波加熱器

一、微波設(shè)備的分類微波設(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）開有爐門和排濕孔；如果用于連續(xù)生產(chǎn)的加熱設(shè)備，則在對應(yīng)的兩側(cè)底邊還開有長方形孔（通道），以便傳送帶和加工物品連續(xù)運行由此通過。2/6/202311家用微波爐2/6/202312簡易型微波爐2/6/202313工業(yè)用微波爐2/6/202314

防止?fàn)t門泄漏的措施

（a）爐門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2、4-漏波3-觀察窗5-食物6-承物盤7-變壓器8-鼓風(fēng)機9-爐腔10-磁控管11-電動機12-攪拌機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12/6/202320微波干燥機2

2/6/202321微波干燥機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產(chǎn)生電子，并在負(fù)高壓的情況下向陽極運動，同時由于磁控管外加磁場，導(dǎo)致電子的運動偏轉(zhuǎn)，在此運動過程中，電子能會轉(zhuǎn)化成微波能量，通過天線導(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—錐形過度器6—接排風(fēng)機7—b邊放大直角彎頭8—主加熱器9—冷水進口10—熱水進口11—水負(fù)載12—吸收器13—進料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時的εtanδ相差不大時，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)損耗一般說來，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)，或用價格昂貴的速調(diào)管，故在含大量水分時用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、微波對人體傷害及防護措施1、微波對人體的傷害微波作用于生物體，大部分轉(zhuǎn)化為分子動能，形成溫度升高，傷害生物體，統(tǒng)稱熱效應(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、防護措施

（1）設(shè)備本身設(shè)計和安裝問題如扼流結(jié)構(gòu)的門、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）采用防護用具防護眼鏡：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，穿此服可進入200mw／mm2高場區(qū)。2/6/202331當(dāng)前，國內(nèi)外市場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是：透氣性好，服飾感強，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，細紗的粗細節(jié)多，混合不均，斷頭率高等問題，應(yīng)進一步探索工藝，改善紡紗質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低價格成本。2/6/202332（b）多離子纖維屏蔽布多金屬離子織物產(chǎn)品的特點是：柔軟、透氣、服飾感強、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。2/6/202333（c）金屬纖維化導(dǎo)電布

其特點是：鍍膜薄，附著力強，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，加以薄涂層保護，很好地解決了耐清洗和多色調(diào)的問題。2/6/202334（3）制定切實可行的安全操作規(guī)章制度制定按期維修制度，工作區(qū)設(shè)置警戒標(biāo)記，禁止一般人員進入；采用微波指示器和警報器，漏波至危險時可及時發(fā)出警報；對初次使用微波設(shè)備的人，應(yīng)經(jīng)過必要的訓(xùn)練和熟悉的過程，并要掌握一定的微波知識與安全操作規(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，稱升華干燥法，或稱冷凍干燥法。從理論上已知水有三相：液相、氣相和固相。根據(jù)壓力減小，沸點下降的原理，由圖中可見，當(dāng)壓力降低到4.58mm汞柱（610.5Pa）時，溫度在0℃以下，物料中的水分即可從冰不經(jīng)過液相而直接升華成水汽。但這是對純水而言，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）升華干燥的特點及其在食品工業(yè)中應(yīng)用

1、升華干燥的特點（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，對熱敏感性物質(zhì)特別適合，能保存食品中的各種營養(yǎng)成分，對維生素C能保存90％以上。在真空和低溫下操作，微生物的生長和酶的作用受到抑制。（3）升華干制品重量輕、體積小、貯藏時占地面積少、運輸方便。2/6/202339

（4）復(fù)水快，食用方便。因為被干燥物料含有的水分是在結(jié)冰狀態(tài)下直接蒸發(fā)，故在干燥過程中，水汽不帶動可溶性物質(zhì)移向物料表面，不會在物料表面沉積鹽類，物料表面不會形成硬質(zhì)薄皮。亦不存在因中心水分移向物料表面時對細胞或纖維產(chǎn)生的張力，不會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）得到了保護。（6）冷凍升華干燥法，能排除95-99％以上的水分，產(chǎn)品能長期保存而不變質(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、真空泵、各種閥門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實驗用小型升華干燥設(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5-水冷卻器6-熱交換器7-冷凍干燥箱冷凝器閥門8-冷凝器真空泵閥門9-板溫指示10-冷凝溫度指示11-真空計12-冷凍干燥箱放氣閥門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3-低壓循環(huán)筒4-氨泵5-急凍庫6-冷藏庫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

①首先要預(yù)凍、再抽真空——降溫、降速過程

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5℃左右。若溫度達不到要求，則凍結(jié)不徹底，其缺點如上所述。預(yù)凍時間約2h左右，因每塊擱板溫度有異，需給予充分時間，從低于共熔點溫度算起。預(yù)凍速度控制在1-4℃/min，過高過低對產(chǎn)品不利。2/6/202348

②

升華過程—等溫、恒速過程

冰直接汽化也需要吸收熱量，此時開始給予加熱，保持溫度在接近而又低于共熔點溫度。若不給予熱量，物料本身溫度下降，則干燥速度下降，延長時間，產(chǎn)品水分不合格。若加熱太多或過量，則物料本身溫度上升，超過共熔點，局部熔化，體積縮小、起泡。1g冰在13.33Pa時產(chǎn)生9500L水汽，體積大，用普通機械泵來排除是不可能的。用蒸汽噴射泵需高壓蒸汽和多級串聯(lián)，對中小企業(yè)不合算，故采用冷凝器。用其冷卻的表面來凝結(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，故大量水汽不斷進入冷凝器。2/6/202349③

加熱，剩余水分蒸發(fā)階段—升溫、降速過程凍結(jié)水分已全蒸發(fā)，產(chǎn)品已定型，加熱速度可加快，開始蒸發(fā)沒有凍結(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40℃，要求溫度到30-35℃后停留2-3h，才能結(jié)