红外加热技术

　　红外线是波长比红光长的非可见光，波长为0.75～1000μm，俗称红外光。红外线根据波长的长短可分为三部分，即：近红外线，波长在1～3μm;中红外线，波长在3～40μm;远红外线，波长在40～1000μm。

　　自然界中的任何物体都在向外辐射红外线，红外线的主要作用是热作用，红外加热技术就是利用这种特性而发展起来的一种新型干燥技术。

红外加热技术的原理

　　红外加热技术是利用红外辐射元件发出的红外线被物料吸收直接转变成热能而达到加热干燥目的的一种干燥方法。其实质就是红外线的辐射传热过程，红外线作为一种电磁波，有一定的穿透性，能够通过辐射传递能量。

　　物料吸收红外线的辐射能后，将辐射能完全转变为物料分子的转动能量或使分子的转动能量发生改变。并且，振动光谱可使物料分子的振动或转动作用的振幅加大，从而加剧其内部的振动。

　　由于电子的运动和分子的振动速度极快，因此物料间的晶格和键团的振动碰撞较快，摩擦生热较快，所以，物料在使用红外加热时升温速度较快。特别是红外线的辐射频率与物料分子的固有频率一致时，会产生类似共振的现象，因此物料分子内部的运动更加剧烈，升温更快，从而达到快速干燥的目的。

　　由于红外线有一定的穿透性，红外加热时物料内部热量不断积累，温度不断升高;物料外部由于水分的不断蒸发吸热，温度不断降低;物料形成一个由内到外的温度差，因此物料的热扩散过程由内向外进行。

　　除此之外，物料内部水分含量大于外部，水分总是由内向外扩散。因此，物料的湿扩散和热扩散方向一致，从而加速水分的扩散，即加速物料的干燥过程。

红外线加热技术的物理特性

　　1、红外线加热管具有热效应，在加热的时候其所带来的加热效应是目前加热方法方式当中Z为突出的加热方法之一。

　　2、在加热的时候其所具有的加热穿透能力极强。在穿透云雾状态下的加热效果也是很强的，另外这种投云雾方面的加热效果主要受限于加热管的波长问题，不同特性的加热物体其所发射的红外线波长也是不同的，不同特性的红外线Z容易被特性相同的物体所接收，而不被一些气体所接收。

　　3、红外线加热技术加热烘干的时候其所具有的热能主要以辐射的方法来进行传递的，其幅摄的强度与温度是按照四次方的正比例关系存在的。

　　4、所幅射的热能吸收与能力是和受热物体的表面黑度成正比例关系的。

　　5、在使用红外线加热技术加热烘干的时候其所加热烘干的物体的热能传导强度主要是和温度梯度成正比例关系。而与热阻却成反比例关系。

红外加热技术的优点

　　根据传热机理的不同，食品干燥可分为对流、传导和辐射三种。目前，对流和传导加热是应用得比较多也是研究得比较深入的。红外加热技术作为一种新型的辐射加热技术，与传统干燥方法相比具有以下的优点。

　　1、GX：红外加热技术的主要能量是电磁波，传递速度快、介质损耗小，且传热传质和温度梯度湿度梯度的方向均一致，因此升温快、干燥速率大。

　　2、节能：红外加热技术辐射的能量与辐射温度的4次方成正比，与传统加热方式相比，生产效率提高20%～30%，节电30%～50%，节省其他能源约30%。

　　3、环保：红外加热技术辐射的能量直接被物料吸收，不会产生任何废弃物污染周围环境，并且加热设备的安全性较高，对人体伤害较小。

　　4、产品质量好：物料在吸收红外线加热干燥时，其化学性质较稳定不易改变，干燥后的产品质量好。

　　5、节约成本：红外加热器投资少、生产场地小，不会产生其他的费用，因此生产成本较低。

红外加热技术应用——红外辐射能发生器

　　红外辐射能发生器也称红外辐射器或辐射元件，是指能发射远红外线的设备。它由三个部分组成：

　　1、红外辐射部分：很多为涂层，其作用是能在一定温度下发射出具有所需要的波段宽度和较大辐射功率的远红外线。

　　2、热源：一般是指电热、蒸汽热和气体燃烧热(包括烟气余热)。热源的作用是给辐射部分(如涂层)提供热能。

　　3、基体与附件：基体用于安置发热体或涂层之类物体，一般可以金属或陶瓷等制成。附件是装配时用的附属零件，如接线、固定螺栓等。

　　红外辐射器按不同需要有各种分类方法。如：①固定式和移动式;②直热式和旁热式;③敞开式和封闭式;④电加热式和热能加热式;⑤常压式和真空式;⑥间歇式和连续式;⑦高温型和低温型;⑧灯式、管式、板式和异型等。实际上一种型式的红外辐射器包插其它一种或几种上述类型的内容。目前常用的标准制品有灯、管、板式三种远红外辐射器。

红外加热技术应用——红外辐射涂料

　　1、辐射涂料

　　红外辐射器辐射部分一般多用辐射涂层，红外辐射涂料就是利用辐射远红外线好的物质所制成，其种类很多，如在门捷列夫元素周期表第2、3、4、5周期的大多数元素(多为金属)的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等，当它们受热时就不同程度地辐射出红外线，可以选用其中对辐射远红外线较好的物质作为涂料。

　　单一物质往往仅在某一个较窄的主波长范围内有较大的辐射率，因此为了制成效果高能在相当宽度的波长范围内有较大辐射率的涂层，那就要使用两种或两种以上的材料混合后制成。还有在制备过程中，除了对配方内的组成进行选择外，其它如物体粒度、表面状况、涂式等都同它的辐射率有一定影响，也应予考虑。

　　现在一般常用的涂料有铁、锆、钛、锰、铬、钇等金属的氧化物。例如ZrO₂单体在加热时能辐射出5～50微米波长的远红外线。但为了提高辐射性能以及稳定性与色度(黑色程度)等，还常在ZrO₂中混入TiO₂等金属氧化物。如上海硅酸盐研究所研制的钛一锆系涂料，改进配方为80%TiO₂+17%ZrO₂+3%Nb₂O₅，其中Nb₂O₅的加入还提高了涂层的结合力。

　　2、涂料涂法

　　有直接涂刷、火焰喷涂、等离子喷涂、高温烧结等各种方法。采用等离子喷涂工艺，其涂层与基体的结合牢度高，使用寿命长;采用陶瓷高温烧结工艺，制造技术简单，成本低，不但寿命长监且耐腐蚀。

红外加热技术应用——在果蔬干燥中的应用

　　一、果蔬干燥中红外加热技术单独使用的研究

　　随着科学技术的发展，国内外的专家学者对红外加热技术进行了大量的研究。

　　张丽丽等研究了不同干燥参数下蒜片的红外干燥特性，并通过软件对其干燥模型进行了拟合求解，结果表明：Diffusion Approach模型的相关系数较高、误差平方和与根均方差较低，因此该模型能较准确地拟合蒜片的红外干燥特性。

　　张慜等对香菇的红外干燥特性进行了研究，结果表明：干燥时间的长短与干燥参数息息相关，随着干燥温度和风速的增加，辐射距离和装载系数的减小，香菇的干燥时间不断降低。

　　巨浩羽等研究了苹果片的红外干燥特性，结果表明：干燥温度、切片厚度和辐射距离对苹果片的干燥特性和色泽影响较大。

　　徐凤英等应用Image-Pro、SPSS软件对荔枝红外干燥的均匀性与果壳孔隙分形色变进行了研究。

　　隋银强等报道了酿酒葡萄皮渣的红外干燥特性，结果表明：连续红外干燥的干燥速率Z高且对总多酚和原花青素具有较好的保护作用。

　　除此之外，红外干燥作为一种GX的干燥方法还广泛用于诸如洋葱、草莓、苹果、杏仁等果蔬的干燥处理，其干燥速度快、干燥品质好、干燥过程方便，易操作，而且杀菌效果明显。

　　二、果蔬干燥中红外加热技术与其他技术联合应用的研究

　　随着人们对产品品质要求的提高，单独使用红外加热技术已经不能满足干燥要求，这就促使人们将红外加热技术与其他先进干燥技术联合使用。所谓联合干燥是指充分利用各自干燥方式的特点，将2种或2种以上的干燥方式相结合的一种混合干燥技术。

　　可优化干燥过程，达到提高产品品质，减少干燥时间，增加经济效益的目的。目前，国内外已经有红外-热风(IR-HA)联合干燥、红外-微波(IR-MD)联合干燥、红外-真空(IR-VD)联合干燥以及红外加热技术与其他先进技术联合干燥的方式。

　　1、红外-热风联合干燥

　　热风干燥能及时带走物料表面蒸发出的水蒸汽，使物料内部水分得到扩散，红外加热技术能使物料内外水分同时加热，温度梯度和湿度梯度方向一致，从而加快物料的干燥过程。

　　Nathakaranakule等研究了龙眼的远红外辅助热风干燥，结果表明：该技术不仅能显著提高干燥速率和复水率，降低产品的收缩率和硬度，而且龙眼干制品外观呈深红色。

　　Ponkham等对环形菠萝片进行了远红外热风联合干燥研究，结果发现：扩散系数主要受远红外强度和热风温度的影响;4次方模型对干燥过程中色泽的变化拟合度较高;修正的Midilli-Kucuk模型对干制品的剪切力比拟合度较高;二次模型对干燥过程中的收缩动力学拟合度较高。

　　Somkiat等也系统地研究了水果皮远红外热风联合干燥的传热和传质过程。

　　2、红外-微波联合干燥

　　红外线穿透力较强，用于果蔬干燥时速度快、品质佳。微波的穿透性更强，且内外同时加热，对于较难干燥脱水或在后期干燥难以失去水分的农产品较适宜。

　　Wang等研究了桃子的远红外-微波(FIR-MD)干燥特性，结果表明：随着远红外和微波功率的增加，脱水速率亦增加;远红外功率、微波功率和转换点含水率对能耗率和产品感官质量有显著影响。

　　曹新志等研究了胡萝卜的红外-微波(IR-MD)联合干燥特性，以胡萝卜的品质为评价指标，通过仪器和感官分析得出红外-微波联合干燥时成品的品质较好且干燥速率较快。

　　甘斯佳先利用远红外将黄花菜杀青到一定程度(含水率为40%)，再利用微波干燥到规定的含水率(13%)，这种方法既可缩短干燥时间，又可保证产品质量，经测定蛋白质保存率为87.3%。

　　3、红外-真空联合干燥

　　红外真空干燥Z大的特点是在真空环境下进行干燥，干燥室的内压大于外压，果蔬在压力差和湿度梯度的作用下达到快速干燥的目的。

　　Mongpraneet等研究了威尔士洋葱的远红外真空干燥，结果表明：整个干燥过程可分为升速、恒速和降速3个阶段，产品干燥速率和叶绿素保存率主要受辐射强度的影响。

　　杨志伟等采用响应面法对芒果果脯加工工艺条件进行了优化，Z佳工艺为：干燥时间4.5h、绝压42.3kPa、远红外加热温度55.4℃。

　　Swasdisevi等对香蕉片进行了远红外-真空(FIR-VD)联合干燥研究，通过对联合干燥过程中含水率和温度的预测值与实验对比，表明所建立的数学模型完全能够描述联合干燥过程中含水率及温度的变化。

　　4、其他联合干燥技术

　　除此之外，也有研究报道了红外加热技术与热泵、气体射流冲击方法和低压过热蒸汽联合干燥。

　　徐刚等对胡萝卜片进行了远红外-热泵(FIR-HPD)联合干燥工艺研究，得出胡萝卜FIR-HPD联合干燥工艺的Z佳工艺参数为：物料热烫时间120s，HPD温度45℃，FIR热源辐射功率2kW，HPD与FIR切换点的物料含水率为50%。

　　郑霞等研究了哈密瓜片的红外联合气体射流冲击方法，结果表明：整个干燥过程均为降速阶段;采用该方法可使干燥时间缩短到2.0～3.5h。

　　Nimmol等研究了远红外和低压过热蒸汽联合干燥香蕉片的传热过程，结果表明：香蕉片干燥动力学和热传递受干燥介质温度和压强的影响较大。

　　红外加热技术作为一种新型的加热技术，具有GX、节能、无污染的优点，与传统的加热技术相比应用范围更广泛。但在我国，红外加热技术与其他技术的联合在果蔬干燥中的应用仍处于起步阶段，还未形成规模，尤其是在红外加热机理及其Z佳转换点的确定方面，与发达国家相比还存在很大的差距。

　　因此，若要将联合干燥技术做到自动控制，就需建立合理的数学模型，这是以后研究的一个ZD，也是难点所在。另外，联合干燥技术的设备也需要不断改进，自动化控制、安全操作、在线精确检测将成为未来的发展方向。