遠紅外加熱的應(yīng)用課件

關(guān)于遠紅外加熱的應(yīng)用第1頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三講授內(nèi)容第一節(jié)概論第二節(jié)遠紅外加熱的原理第二節(jié)遠紅外加熱設(shè)備第三節(jié)遠紅外加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用第2頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)總論一、紅外輻射（線）的發(fā)現(xiàn)二、紅外線的定義及分類第3頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一、紅外輻射（線）的發(fā)現(xiàn)1、在古代，人們就知道太陽能輻射光和熱；2、1676年牛頓用玻璃做的三棱鏡發(fā)現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色的光帶一太陽光譜；3、1800年，英國天文學(xué)家威廉·海謝爾在研究可見光的光熱效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)溫度從紫色向紅色依次增加，而在紅端以外的一段區(qū)域內(nèi)，熱效應(yīng)最強。這種“不可見的光線”其頻率比紅光更低，而波長比紅光更長，由于它在紅光以外，被稱作紅外線。

第4頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三二、紅外線的定義及分類1、紅外光譜區(qū)在可見光與微波區(qū)之間，其波長范圍一般為0.75-1000μm。2、紅外線按其波長不同通常又劃分為近紅外線、中紅外線和遠紅外線三種。其中波長0.75-2.5μm（波數(shù)13333-4000cm-1）為近紅外線；波長2.5-25μm(波數(shù)4000-400cm-1)為中紅外線；波長25-1000μm(波數(shù)400-10cm-1)為遠紅外線。第5頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第6頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

紅外光譜區(qū)的劃分及主要應(yīng)用范圍波長范圍λ/μm波數(shù)范圍σ/cm-1測定類型分析類型試樣類型近紅外0.75~2.512800~4000漫反射吸收定量分析蛋白質(zhì)、水分、淀粉、油、類脂、農(nóng)產(chǎn)品中的纖維素等定量分析氣體混合物中紅外2.5~254000~400吸收反射發(fā)射定性分析

純氣體，液體或固體物質(zhì)定量分析復(fù)雜的氣體，液體或固體混合物與色譜聯(lián)用復(fù)雜的氣體，液體或固體混合物定性分析純固體或液體混合物大氣試樣遠紅外25~1000400~10吸收定性分析純無機或金屬有機化合物第7頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三近紅外光區(qū)的吸收帶

主要是由低能電子躍遷、含氧原子團（如O-H、N-H、C-H）伸縮振動的倍頻吸收產(chǎn)生。該區(qū)的光譜可用來研究稀土和其它過渡金屬離子的化合物，并適用于水、醇、某些高分子化合物以及含氫原子團的定量分析。第8頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三中紅外光區(qū)的吸收帶

是絕大多數(shù)有機化合物和無機離子的基頻吸收帶（由基態(tài)振動能級躍遷至第一振動激發(fā)態(tài)時所產(chǎn)生的吸收峰稱為基頻峰）。由于基頻振動式紅外光譜中吸收最強的振動，所以該區(qū)最適合進行紅外光譜的定性和定量分析。同時，由于中紅外光譜儀最為成熟、簡單，而且目前已積累了該區(qū)大量的數(shù)據(jù)資料，因此它是應(yīng)用極為廣泛的光譜區(qū)。通常，中紅外光譜法又簡稱為紅外光譜法。第9頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三遠紅外光區(qū)吸收帶

是由氣體分子中的純轉(zhuǎn)動躍遷、振動-轉(zhuǎn)動躍遷、液體和固體中重原子的伸縮振動、某些變角振動、骨架振動以及晶體中的晶格振動所引起的。由于低頻骨架振動能靈敏地反映出結(jié)構(gòu)變化，所以對異構(gòu)體的研究特別方便。此外，還能用于金屬有機化合物（包括絡(luò)合物）、氫鍵、吸收現(xiàn)象的研究。但由于該光區(qū)能量弱，除非其它波長區(qū)間內(nèi)沒有合適的分析譜帶，一般不再此范圍內(nèi)進行分析。第10頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)遠紅外加熱的基本原理一、知識點回顧二、吸收機制與吸收條件三、紅外線加熱的基本原理四、用遠紅外線加熱食品的理由五、用遠紅外干燥水分的理由六、物質(zhì)對遠紅外輻射的選擇性吸收七、輻射與吸收的匹配八、紅外線的吸收、反射與透射性九、熱輻射基本定律十、遠紅外加熱的特點第11頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一、知識點回顧1、分子中的電子總是處在某一運動狀態(tài)中，每一種狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一定的能級。2、電子由于受到光、熱、電的激發(fā)，從一個能級轉(zhuǎn)移到另一個能級，稱為躍遷。3、當(dāng)這些電子吸收了外來輻射的能量，就從一個能量較低的能級躍遷到另一個能量較高的的能級。由于分子內(nèi)部運動所牽涉到的能級變化比較復(fù)雜，分子吸收光譜也就比較復(fù)雜。4、在分子內(nèi)部除了電子運動狀態(tài)之外，還有核間的相對運動，即核的振動和分子繞重心轉(zhuǎn)動。而振動能和轉(zhuǎn)動能，按量子力學(xué)計算是不連續(xù)的，即具有量子化的性質(zhì)。第12頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

質(zhì)點的運動都有自己的固定頻率。當(dāng)遇到具有某個頻率的紅外線輻射時，如果紅外線的頻率與基本質(zhì)點的固有頻率相等，則會發(fā)生與共振學(xué)中共振運動相似的情況，質(zhì)點會吸收紅外線，并使運動進一步激化；如果二者的頻率相差較大，那么紅外線就不會被吸收而可能穿過?；举|(zhì)點吸收紅外線由一個能級躍遷到另一個能級，必須滿足玻爾的量子條件，即：Em-En=hvmn

其中Em──高能級能量

En──低能級能量

h──普朗克常數(shù)

vmn──紅外線頻率基本質(zhì)點不具備上式的能級，則不會吸收頻率為ｖmn的紅外線。二、吸收機制與吸收條件第13頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三三、紅外線加熱的基本原理

對紅外線敏感的物質(zhì)，其分子、原于吸收紅外線后，不僅會發(fā)生能級的躍遷，也擴大了以平衡位置為中心的各種運動的幅度，質(zhì)點的內(nèi)能量加大。微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)點運動加劇的宏觀反映就是物體溫度的升高，即物質(zhì)吸收紅外線后，便產(chǎn)生自發(fā)的熱效應(yīng)。由于這種熱效應(yīng)直接產(chǎn)生于物體的內(nèi)部，所以能快速有效地對物質(zhì)加熱。第14頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三四、用遠紅外線加熱食品的理由

食品中的很多成分在3-10μm的遠紅外區(qū)有很強的吸收，因此在食品加熱中，往往選擇遠紅外進行加熱。幾種食品材料的電磁波吸收頻率圖第15頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三五、用遠紅外干燥水分的理由

水由一個氧原子和兩個氫原子組成，三個原子不是排成一條直線。在基態(tài)時，O-H兩原子之間的距離為0.096nm，兩個O-H鍵之間的夾角為104.5度。當(dāng)水分子受到吸收波長為2.663μm,2.738μm和6.270μm的遠紅外線時，可引起三種振動形式。

第16頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三六、物質(zhì)對遠紅外輻射的選擇性吸收1、物質(zhì)只對能滿足其分子產(chǎn)生高、低兩個能級躍遷的遠紅外輻射產(chǎn)生吸收，其頻率不能滿足條件的遠紅外輻射則不被吸收而穿過。2、由于物質(zhì)分子的吸收能級很多，各個能級的躍遷差異不等，因此實際的吸收不是單一的，而是復(fù)雜的，并伴有多種能級躍遷的吸收過程。第17頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一些有機高分子物質(zhì)和食物的吸收光譜第18頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三三種油脂的紅外吸收特性第19頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三七、輻射與吸收的匹配1、選擇性輻射：輻射加熱需要輻射源，輻射源產(chǎn)生的輻射不是所有波長的輻射強度都相等，輻射能力按不同波長而有所變化的輻射稱為選擇性輻射。2、匹配輻射加熱：當(dāng)物料的選擇性吸收與輻射源的選擇性輻射一致時，稱為匹配輻射加熱。3、日本學(xué)者細川秀克等曾提出過理想匹配的模型。所謂理想匹配是指輻射源與被加熱物料具有完全相對應(yīng)的光譜，這樣，輻射能將全部被物料所吸收，成為無損失的理想輻射加熱。第20頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三理想匹配模型第21頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三八、紅外線的吸收、反射與透射性

紅外線遵循可見光的傳播規(guī)律，它也是按直線傳播，并服從反射、透射和吸收定律。當(dāng)紅外線輻射到物體表面時，一部分在物體表面被反射，其余就射入物體內(nèi)部。而射入物體的紅外線中，一部分透過物體，其余部分為物體所吸收。

第22頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

圖1-2示出輻射能流QE投射到物體2上，一部分QA被吸收，使物體升溫；一部分QR被反射；還有一部分QT被透射。這種吸收、反射、透射份額的大小由物質(zhì)的性質(zhì)所決定，稱為該物體對外來輻射能流的吸收率A、反射率R和透過率T，即

根據(jù)能量守恒定律，則A+R+T=1第23頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三九、熱輻射基本定律普朗克定律

斯忒藩-玻爾茲曼定律

維恩位移定律照度定律（負二次方定律）第24頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三1、關(guān)于輻射的基本概念（1）絕對黑體的輻射絕對黑體是指不論在任何溫度下都能完全吸收投射在其上面的任意波長的全部輻射能，并且具有最大的輻射本領(lǐng)的物體，它的輻射稱為黑體輻射。絕對黑體是理想中的物體，對理想物體的研究有功于簡化分析實際問題。（2）輻射率實際物體加熱到一定溫度，它表面發(fā)出的輻射能比同一溫度下絕對黑體的輻射量要小，有時只有絕對黑體輻射量的百分之幾到百分之幾十，這兩者之比稱為全輻射率ε(有時也簡稱輻射率或黑度)。第25頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三材料的ε值具有以下規(guī)律：金屬的ε值一般較小，隨溫度增加成比例增加，不同的金屬的ε值與其電阻的平方根成正比；粗糙的表面和氧化后的表面比磨光的表面具有較大約ε值。一般非金屬的ε值較大，在低溫時大于0.8，高溫時在0.3～0.8之間。絕熱材料的ε值一般比金屬大得多，并隨溫度的升高而下降。第26頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（3）單色輻射率指加熱元件對應(yīng)于單個波長上的輻射率。在選擇加熱元件時，應(yīng)使元件在被加熱物體的最大吸收波長的單色輻射率盡可能高。（4）吸收率指實際物體吸收輻射能的能力，用α表示。任何物體的吸收率在數(shù)值上等于它的輻射率，即吸收率高的輻射吸收體本身也是輻射率高的輻射體。對于不透明體，未被吸收的輻射能則被物體所反射，反射率為1-α。

第27頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三2、普朗克定律

黑體溫度為絕對溫度T時，在單位時間內(nèi)、從黑體表面的單位面積上，向半球面內(nèi)所輻射的能里與波長的分布關(guān)系，稱為普朗克定律。第28頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三通常物體發(fā)射的輻射能不是單色的，即不是單一波長，而是由波長從零到無窮大的無數(shù)的單色輻射線所組成，構(gòu)成了所謂輻射光譜。由普朗克定律可知：工程技術(shù)上常遇到的溫度區(qū)間，輻射能幾乎都集中在(λ=0.8-10μm)紅外線范圍內(nèi)，而可見光射線的輻射能小得可以忽略不計。這就是紅外加熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因之一。不同溫度下絕對黑體能量輻射曲線第29頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三3、斯忒藩-玻爾茲曼定律

斯忒藩-玻爾茲曼定律研究的是當(dāng)黑體為絕對溫度T時，在單位時間內(nèi)，從單位表面積向半球內(nèi)所輻射的總的輻射通量，稱為輻射通量密度或輻射強度。表達式為：

斯忒藩-玻爾茲曼定律表明，黑體的總輻射通量密度僅與表面溫度有關(guān)，并且與溫度的四次方成正比。第30頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三4、維恩位移定律

維思位移定律確定了黑體的輻射通量密度的峰值波長與絕對溫度T的關(guān)系。把普朗克定律進行微分，求出最大值，就得到了維恩位移定律，即

維恩位移定律說明輻射通量密度的峰值波長與絕對溫度成反比，即當(dāng)溫度升高時，最大輻射強度向較短的波長方向移動。該定律對于確定輻射源的操作溫度具有很好的指導(dǎo)意義。

第31頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三5、照度定律(負二次方定律)

照度定律的意義是在點光源垂直照射的情況下，被照射面上的照度與光源的發(fā)光強度成正比，與光源到被照射面之間的距離平方成反比。

在實際應(yīng)用時，除了盡量縮短輻射器與被加熱物之間的距離外，還配用適當(dāng)?shù)姆瓷淦鲄R聚射線以提高效率。第32頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三6、輻射加熱元件或輻射加熱器的能量利用率的計算

輻射加熱過程主要由兩步組成：（1）第一步是輻射加熱元件把電功率或其它形式的能源轉(zhuǎn)變成輻射功率。（2）第二步是輻射加熱元件所射出的輻射功率為被加熱物料所吸收。第33頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

輻射體將電源功率W0轉(zhuǎn)變成自由發(fā)射的輻射功率的轉(zhuǎn)變效率η1計算式：式中ε1——輻射體的輻射率，可從手冊查得

σ——斯芯藩一玻爾茲曼常數(shù)，σ＝5.668×10-8W／(m2.k4)A1——輻射體的表面積，m2T1——輻射體的表面溫度，K第34頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

對于封閉空間兩物體表面的輻射熱交換，能量利用率η2可用下式進行計算。式中εn——稱為相當(dāng)黑度

A2----被加熱物體的表面積，m2T2----被加熱物體的溫度，K第35頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三十、遠紅外加熱的特點1、優(yōu)點熱輻射率高熱損失小容易進行操作控制加熱速度快，傳熱效率高有一定的穿透能力產(chǎn)品質(zhì)量好熱吸收率高第36頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三2、紅外加熱技術(shù)還不能充分的應(yīng)用到食品加工中的原因（1）物料在紅外加熱過程中其物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生變化，同時其物料含水量的變化也影響輻射特性；（2）紅外輻射能量在食品加工中應(yīng)用受到局限的原因是人們對紅外輻射光譜特性的了解還不深入。

例如，紅外輻射不能穿透厚的豆類種子，這就使得紅外熱量不適合深床物料的加熱。紅外加熱能降低產(chǎn)品水分含量和質(zhì)量，紅外加熱已經(jīng)成為第二位的加熱選擇，僅次于對流和熱傳導(dǎo)的方法。第37頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)遠紅外加熱設(shè)備一、遠紅外加熱設(shè)備的分類二、食品工業(yè)用遠紅外加熱元件三、輻射涂料與輻射涂料的選用第38頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三

一、遠紅外加熱設(shè)備的分類

1、只有一個出入爐門的密閉的箱式加熱爐，稱為烘箱，或烤箱。2、是用于生產(chǎn)線上連續(xù)加熱物料或?qū)ξ锪线M行于燥、殺菌等處理的遠紅外加熱設(shè)備。這類設(shè)備內(nèi)有輸送物料裝置，物料由輸送裝置從一端輸入、經(jīng)處理后從另一端輸出；這類設(shè)備設(shè)計成通道形式，因此稱為“烘道”，有時也稱為隧道爐。

第39頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三箱式爐外形第40頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三鋼帶隧道爐外形1.鋼帶入爐端2.爐頂3.鋼帶出爐端4.排氣孔5.爐門第41頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三二、食品工業(yè)用遠紅外加熱元件1、根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：燈狀、管狀和板狀輻射器。2、根據(jù)制作材料：碳化硅紅外加熱元件金屬管狀遠紅外加熱元件

SHQ乳白石英遠紅外元件第42頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三圖3-10燈狀遠紅外輻射器(1)棒狀輻射體(2)梨狀軸射體

(3)彎月型輻射體1.燈頭2.輻射體3.反射罩圖3-11平板狀輻射加熱器圖3-12金屬管狀加熱器1，4.電極2.金屬管殼3.電阻絲5.絕緣頂板第43頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（1）碳化硅紅外加熱元件

①優(yōu)點：

熱穩(wěn)定性好，工作溫度可達1100～1700℃，能承受較大的功率密度，有很高的電阻率，使用壽命長。它可以制成板狀，管狀及其它形狀，以適應(yīng)不同需要。SiC本身是有很高的輻射率，但在一般的商品中，生產(chǎn)廠家在燒結(jié)時都摻入了一定比例的泥土，如在制造管狀元件時摻入35％的粘土，輻射率有所下降，因此在它的表面又都涂了一層輻射率高的輻射涂料。

②缺點

抗機械振動性能差。第44頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（2）金屬管狀遠紅外加熱元件圖3-16氧化鎂管遠紅外輻射器結(jié)構(gòu)1.接線裝置2.導(dǎo)電桿3.緊固裝置4.金屬管

5.電熱絲6.MgO粉7.輻射管表面涂層第45頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（3）SHQ乳白石英遠紅外元件

不用涂料，對食品無污染和兼有滅菌作用等優(yōu)點。因此，很適合用于食品加熱加工。SHQ元件是目前唯一不用涂料的遠紅外加熱元件。第46頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三三、輻射涂料與輻射涂料的選用涂料的選用要求：1、應(yīng)有較高的加熱效率2、全輻射率εt要高，全輻射率越高，輻射能量越大。3、涂料應(yīng)有良好的熱傳導(dǎo)性。4、熱穩(wěn)定性及其它穩(wěn)定性如耐水汽化性及化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性要好。第47頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三四、遠紅外加熱設(shè)備(系統(tǒng))的設(shè)計1、遠紅外加熱元件及其工作溫度的選定2、物料加工工藝的升溫曲線和烘箱(或烘道)溫度分布的設(shè)定

（1）元件與物料的間距（2）加熱元件的組合與布置第48頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)遠紅外加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用

一、食品遠紅外干燥二、食品遠紅外焙烤三、食品遠紅外熟成四、食品遠紅外殺菌五、食品遠紅外解凍第49頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一、食品遠紅外干燥遠紅外干燥菠菜：70℃下，經(jīng)3～10μm波長的遠紅外干燥，Vc殘存率是一般電熱干燥產(chǎn)品的2倍。青蔥：遠紅外干燥后葉綠素保存率比熱風(fēng)干燥后的高，且復(fù)水性好。馬鈴薯和胡蘿卜：遠紅外干燥后其制品表面具有多孔的特征，利于產(chǎn)品復(fù)水。水產(chǎn)品：遠紅外干燥具有縮短干燥時間和提高營養(yǎng)成分保存率及降低酶活的效果。經(jīng)遠紅外線干燥的竹筴魚呈味成分比曬干的約高1倍，而酸性磷酸酶活性只有曬干的一半。面條：傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的面條表面粗糙，低溫干燥干燥時間長、所需設(shè)備較大。遠紅外干燥的產(chǎn)品表面較光滑，干燥時間大大縮短，含菌率大大降低。第50頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三二、食品遠紅外焙烤優(yōu)