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第五章焙烤设备第一节加热、热源一、物料的传热方式脱水干燥：一些物质被加热后，除温度升高外，还伴有水分的脱出，这种加热就是通常所说的脱水干燥。人们常把物体中水分的移动称为扩散。物料内部水分移动称为内扩散，物料表面水分向外界扩散称为外扩散。内扩散可分水分热扩散和湿扩散。由物料内部温度梯度引起的水分子移动（即水分子从温度高的向低的方向移动）称为热扩散。由物料中水分梯度而引起的水分子移动（水分子从水分含量高的向含量少的方向移动）称为湿扩散。⑵、物体的传热方式热能的传递有三种形式，即传导、对流、辐射。传导是利用传热材料中的分子互相碰撞，从而将热量传递的过程；对流是利用热量随物质的流动而传递能量的，大量热能消耗在介质里；辐射是不借助介质，而以电磁波的形式直接传播来加热工件，热能利用高。如果物料中温度梯度与水分梯度方向一致时，热扩散与湿扩散一致，这将加速干燥。如相反，而且当热扩散比湿扩散强烈时，物料内部水分不但不能向外扩散，反而把水分往内部赶，使水分不能蒸发。为了加快水分子的内扩散速度，要控制物料表面与内部的温度梯度不易过大，使湿扩散与热扩散方向一致。另外，由于水分子在物料表面蒸发时，要穿过物料表面的气膜层。此阻力大，可设法将此气膜破坏，可减少外扩散阻力，提供干燥速度。在食品焙烤中现多用远红外加热，辐射是主要传热方式。二、红外线及其特性㈠、什么是远红外线？日光通过三棱镜可分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色可见光。在红色光和紫色光两端还存在着不可见光，即红外线和紫外线。可见光、红外线和紫外线都是电磁波，它们的区别只是波长不同而已。在电磁波频谱上我们可以看到，可见光谱的波段极窄，从0.4-0.75μm，而红外线介于可见光与微波之间，其波长范围是0.75μm至1000μm。红外线按波长的不同又分为近红外和远红外，即从0.75μm至3μm为近红外，从3μm至1000μm为远红外，也有人将红外线分成近红外、中红外和远红外线。㈡、红外线的产生红外线的产生与温度有密切关系，研究表明，①、自然界里任何固体或液体在其温度大于绝对零度（-273℃）时，都会辐射红外线。其辐射能量的大小和按波长的分布情况是直接由物体表明温度决定的。不管温度高低如何，都是相应于物体表面温度的能量辐射。②、物体表面的辐射能量与物体表面绝对温度千次方成正比（波尔兹曼定律）。③、物体辐射能量最大的峰值波长，随温度的升高而向波长短的方向移动，则温度较低的峰值波长比温度高的峰值波长长。温度升高辐射能量增强，温度升高，峰值波长向着短波方向移动，这是红外辐射的两个重要规率。由此可知，为了增大红外辐射器的辐射能量，就得提高辐射器的表面温度，但辐射波峰值变短，减弱了渗透能力，所以要合理地选择使用的温度，使辐射能量适合被加热物料的吸收，以充分有效地利用能源，同时加热效率也增高。㈢、红外线的传播红外线与可见光一样，都是直线传播的。传播速度C=3×10cm/s,和可见光一样，不仅具有波的性质，也具有粒子的性质。光的能量（）与光的频率成正比，当红外线辐射到达物体时，会出现以下三种情况：一部分在物体表面被发射，一部分被物体所吸收，其余部分透过物体。被吸收的红外线辐射能量就转变成热，使物体升温，被吸收的能量越大，物体温度越高。在用红外线加热时，可利用这种光学特性，将红外线聚光、散光和反光，以适应不同的使用情况。而不同的物质对红外线的发射、吸收和透射是不同的，即使同一物质，也可因其结构及表面形成不同而异。同一种物质对不同波长的红外线，其发射、吸收、透射也是不同的。。这就要求采用发射率的材料作辐射源和缩短辐射的距离，以使达到被加热物的辐射能量尽量大；同时要求被加热物的红外吸收率也要大，以吸收尽可能多的辐射能。㈣、远红外加热为什么比近红外加热为优？不同物体对红外线的吸收是不同的，就是同一物体对不同波长红外线辐射能的吸收也是不同的。如夏日在阳光下，在钢轨上走感觉烫脚，而在枕木上就不烫脚。这说明不同物质对日光中红外线的吸收程度不同。由于不同物质，它们的原子和分子结构不同，因此，对红外线的吸收特性也不同。同一物体在不同波长上，对红外线的吸收率也是不同的，如果辐射的红外线能量符合被加热物的吸收特性，则吸收率就大，反之则小。在物体吸收了一定波长红外线能量后，就产生共振现象，引起分子和原子的共振与转动加剧，增加了运动的能量，而使物体自身发热。并不是所有物质都吸收红外线，某些具有对称结构的分子象氮、氢、氧等气体不出所谓的特性，因而就不吸收红外线。水、水蒸气和玻璃等无机物以及绝大多数的有机物和高分子物质都能吸收红外线，而且能够强烈的吸收红外线。通过实验可知，物质在近红外区和远红外区都有吸收红外峰，而远红外区的峰值带更宽，能强烈地吸收远红外辐射能量，所以都用远红外加热。㈤、远红外线的特性①、自然界里任何固体或液体在其温度大于绝对温度为０oK时，都会辐射红外线；②、物体表面的辐射能量物体表面绝对温度４次方成正比；③、温度升高辐射峰值波长向短波方向移动；④、直线传播有反射、吸收、透射；⑤、辐射温度与辐射源到物料的距离的平方成正比。㈥、远红外加热特点1.热辐射率高2.操作容易控制3.热损失小4.产品质量好5.热吸收率高6.有一定穿透能力7.加热速度快三、远红外烤炉加热原理远红外线既具有波的性质，也具有粒子的性质，一般化合物分子内部的原子总是以化学键相连结，从力学观点看是由原子这样一种具有质量的圆球和相当于将这些球相结合的，有相当结合力“弹簧”所构成，而这种“弹簧”的动作有两种类型基本振动，一类是向结合成原子圆球方向作伸缩运动，一类是从结合轴方向脱离，改变其角度的变角振动，当分子受到具有某种频率的红外线照射时，则“弹簧”会吸收红外线而发生共振，红外线的能量促使“弹簧”的运动激化。远红外加热属于电磁波加热，在热交换的3种形式中传导与对流需要靠煤介来传热，而辐射则不然，食品及有机物在波长为3～5μm间具有最大的吸收波，当此吸收波与电磁波一致时，促使物质分子振动而产生摩擦热。物质在有限温度下内部的原子及分子作不规则运动，加热后分子运动加剧与物体所接触的空气分子激烈也相互碰撞，其结果是以与温度对应的波长的电磁波释放出来。第二节远红外辐射元件及途料远红外辐射元件是产生远红外线的器具，它可将电能转变为远红外辐射能，用以加热、烘烤或干燥食品。一、食品烤炉常用辐射元件的种类及特点食品烤炉常用的有管状元件和板状两种。㈠、管状元件１、金属氧化镁管由管体（碳钢或不锈钢），发热体（电阻丝）、填充料（氧化镁粉）〔超绝缘与传热作用〕和辐射涂层等组成。氧化镁管的表面负荷率与表面温度有关。表面温度越高，辐射能量越大。但是在辐射涂层材料已选定的情况下，其最大辐射波长随表面温度升高而向短方向移动。当元件表面温度高于600℃时，则明显的发出可见光。有用波长部分占的辐射强度的比例就下降了。其特点：管子重量轻，热效率高，热容量小，升温起动快、结构紧凑、浓度好、可直接紧固于炉壁上，安装及更换方便，使用寿命较长。但氧化镁导热系数低，使元件表面负荷率降低，故不适应于大功率高温加热。２、碳化硅管是由碳化硅管、发热体（电阻丝）和辐射涂层组成，由于碳化硅不导电，故管内不需充填绝缘介质。其特点：辐射效率高，使用寿命长，制造工艺简单、成本低、涂层不易脱落。抗机械震动性差，热缩性大，升温时间长。３、硅碳棒是以高纯度碳化硅（含量98.5％），以高温再结晶方法制成，有涂层。其特点：通电自热，不同电阻丝，单位表面发热量大，升温快，比金属和碳化硅管具有明显的节电效果，其涂层化学性稳定，所以烘烤产品质量好，但成本高，使用安装技术性能较强。４、乳白石英管是由乳白石英玻璃管和发热丝组成，无涂层。特点：其光谱辐射率高，且稳定，不需远红外涂层，没有涂层脱落问题，对食品卫生好。价格高，易损坏。㈡、板状辐射元件有以金属板为基体的和陶瓷复合板等。在食品烤炉中，常用的是碳化硅板状元件，表面涂远红外辐射材料，其稳定分布均匀，适应性较大，制造简单，成本低，安装方便，辐射效率高，但抗机械性能差，且热敏性大，升温时间长。二、远红外辐射涂料１、对辐射涂料的要求应有较高的加热效率，辐射率高，有良好的热传导性，有高的冷热稳定性，有较好的对汽及化学物质的稳定性。选择辐射材料的原则，就是辐射元件的主辐射波长要与被加热物体的红外系数特性相匹配的辐射材料，同时要考虑选用热膨胀与元件基体大致相同的材料。２、食品烤炉中常用的辐射涂料目前国内常用的有：氧化物，如三氧化铁（Fe2O3）、二氧化锆（ZrO2）、二氧化钛（TiO2）、二氧化锰（MnO2）、三氧化二铬（Cr2O3）等；碳化物，如碳化硅（SiC）；氮化物、硼化物。可单一或混合使用。三、辐射材料的涂刷工艺目前常用的方法有四种，即等离子喷涂法、涂刷法、撒布法和复合烧结法。１、等离子喷涂法采用等离子喷涂设备，在〈1000℃的高温下喷涂。２、涂刷法用毛刷把浆料涂刷在元件表面，经过洪干固化而成。３、撒布法在制备好的基体上先涂刷一层50-200μm粘结剂，然后撒布大颗粒红外烧结材料而成。４、复合烧结法将混合均匀的氧化物辐射材料，用涂刷法均匀地涂在阴干过的碳化硅基体上，阴干后在1400℃或焙烤50小时而成。第三节烤炉的分类与生产能力计算一、烤炉的分类1、烤炉的种类若以热源分类则分为煤炉、煤气炉、燃油炉和电炉等，其中电炉可以分为普通电烤炉、远红外烤炉及微波炉。2、以结构形式分类分为箱式烤炉和隧道炉两大类。二、烤炉生产能力的计算㈠、箱式炉的生产能力(kg/h)式中：Ｓ－烤炉载体的总面积n－炉排每平方米载体上的制品数g－每个制品的重量－基本操作系数t－烘烤时间㈡、隧道炉生产能力的计算(kg/h)式中：L－炉加热区长度（m）R－炉带枞向每米长度上制品排数（排/m）N－炉带横向宽度上制品个数（个）t－烘烤时间（分）M－每公斤制品块数（块/kg）η－成品率、对饼干炉约为0.9tSngGx60tMLRNG60第四节远红外烤炉的炉体设计烤炉由炉体、加热元件、传动装置载体（带）、排潮系统及电控部分等组成。炉体设计包括炉体形式、尺寸、保温密封形式等的设计。设计的是否合理，将对产品质量、热效率及产品成本产生直接影响。炉体的依据：食品的工艺要求及形态尺寸、生产能力、烘烤时间、温度等。现就以隧道炉为例，进行论述：一、炉体的结构形式目前国内食品行业普遍采用的有三种形式：砖砌炉体、金属构架体、予制构件炉体。砖砌炉体：一般为红砖或耐火砖，常用于煤炉或少数隧道炉。目前有的采用蛭石砖或藻土砖砌筑，其保温性能好。其优点：结构简单、热惯性大、适用于长期运转的场合。缺点为：体积庞大、笨重、不能搬运。金属构架炉体：由型钢构架、金属薄板和保温材料等构成。其特点为：炉体轻、灵活、热惯性小，可做成各种形式以适应产品要求，可分段制造，根据需要可组成不同的长度，每节间用螺钉连接，便于安装运输，但成本高。予制构件炉体：是以膨胀珍珠岩和硅酸盐水泥以10:1的比例混合压制而成。其特点：便于拆装、节约钢材、成本低、保温性能好、热损失小。二、炉体尺寸的确定㈠、炉体长度隧道炉的长度主要与生产能力、烘烤时间及运行速度有关。对同一种食品来说，在一定加热温度条件下，如果烘烤时间变化不大的话，那么生产能力越大，则要求物料在炉内运动的速度越快，即炉体越长。１、根据生产能力确定炉长烤炉的总长Ｌ总，由入炉端Ｌ１、加热区Ｌ和出炉端Ｌ2三部分组成。即：Ｌ总＝Ｌ1＋Ｌ＋Ｌ2（Ｍ）其中Ｌ1、Ｌ2由炉体结构确定，而Ｌ可由生产能力计算得出：L=(m)式中：G－生产能力（kg/h）t－烘烤时间（min）M－每公斤制品块数（块/kg）R－炉带枞向每米长度上制品排数（排/m）N－炉带横向宽度上制品个数（个）η－机械效率RNGtM60２、根据成型机输出成胚速度和烘烤时间来确定炉长。隧道炉一般与成型机械配套使用，组成连续生产线，因此要求炉排的传送速度必须与成型和生胚速度同步，则炉长为：Ｌ总＝Ｌ1＋Ｌ＋Ｌ2其中：Ｌ＝Ｖ.ＴＶ－运输装备运动速度（m/min）（根据成型机输出能力而定。）T－烘烤时间（分）（烘烤时间与生胚配方、辐射强度、吸收系数、辐射距离、炉内温度等因素有关。一般通过实