红外线与微波加热设备简介

除了前面提到加热或热处理方法以外，食品工业还可利用红外线、微波、电阻加热等原理对食品进行加热处理。其中远红外加热的应用最广，它的主要设备形式是用于焙烤行业的烤炉。目前，微波加热设备应用最多的是家用微波炉，但由于其独特的介电加热优点，工业化规模的微波设备具有很大的发展前景。

一、远红外加热设备

远红外加热原理如图7-39所示，当被加热物体中的固有振动频率和射入该物体的远红外线频率（波长在5.6μm附近）一致时，就会产生强烈的共振，使物体中的分子运动加剧，因而温度迅速升高。多数食品成分，尤其是其中的水分，具有良好的吸收远红外线的能力。

图7-39 远红外加热原理

目前，红外线加热设备主要用于烘烤工艺，此外也可用于干燥、杀菌和解冻等操作。由于食品物料的形态各异，且加热要求也不同，因此，远红外加热设备也有不同形式。总体上，远红外加热设备可分为两大类，即箱式远红外烤炉和隧道式远红外炉。不论是箱式的还是隧道式的加热设备，其关键部件是远红外辐射元件。

（一）远红外辐射元件

远红外辐射元件，是远红外加热设备中利用其他能源（如电能、燃烧能）转换成远红外辐射热能的关键元件。目前，食品行业应用的远红外辐射元件主要用电源加热。

电加热的远红外辐射元件主要由通过发热元件（电阻丝）、辐射材料依附的结构件、紧固件等构成，如加上适当的反射装置，便成为所谓的远红外加热器或远红外辐射器。

食品远红外烤炉中常用的远红外辐射元件主要有板状与管状两种；按辐射体材料依附的结构件材料，有金属管、碳化硅元件和SHQ元件等。

1.碳化硅远红外辐射元件

碳化硅是一种良好的远红外辐射材料。碳化硅的辐射光谱特性曲线如图7-40所示。在远红外波段及中红外波段，碳化硅具有很高的辐射率。碳化硅的远红外辐射特性和糕点的主要成分（如面粉、糖、食用油、水等）的远红外吸收光谱特性相匹配，加热效果好。

如图7-41所示，碳化硅材料的红外辐射元件可以做成管状。主要由电热丝及接线件、碳化硅管基体及辐射涂层等构成。因碳化硅不导电，因此不需充填绝缘介质。碳化硅红外元件也可以做成板状，如图7-42所示。其基体为碳化硅，表面再涂远红外辐射涂料。

碳化硅辐射元件具有辐射效率高、使用寿命长、制造工艺简单、成本低、涂层不易脱落等优点。它的缺点是抗机械振动性能差，且热惯性大，升温时间长。

图7-40 碳化硅辐射光谱特性曲线

图7-41 碳化硅管远红外辐射元件结构

2.金属管远红外辐射元件

这种远红外辐射加热元件的基体为钢管，管壁外涂覆一层远红外加热辐射涂料。不同远红外辐射涂料的光谱不同，可以根据需要选择不同的涂料，或选择由某种涂料涂覆的管状元件。管子可以有不同的直径和长度。直径较小的管子可以弯曲成不同形状。

图7-43所示为金属氧化镁远红外辐射管，其机械强度高，使用寿命长，密封性好。这种结构的元件可在烤炉外抽出更换，因此，在食品行业有广泛应用。但该元件表面温度高于600℃时，则会发出可见光，使远红外辐射率有所下降。另外，过高的温度还会使金属管外的远红外涂层脱落，长期作用下金属管会产生下垂变形，从而影响烘烤质量。

图7-42 碳化硅板式辐射器

图7-43 金属氧化镁远红外辐射管结构

3.SHQ乳白石英远红外辐射加热元件

SHQ乳白石英远红外辐射加热元件实物如图7-44所示，它由发热丝、乳白石英玻璃管及引出端组成。乳白石英玻璃管直径通常为18～25mm，同时起辐射、支承和绝缘作用。SHQ元件常与反射罩配套使用，反射罩通常为抛物面状的抛光铝板罩。

图7-44 乳白石英远红外辐射加热元件

SHQ元件光谱辐射率高，且稳定，波长在3～8μm和11～25μm，其ε_λ=0.92；热惯性小，从通电到温度平衡所需时间2～4min；电能—辐射能转换率高（η′＞60%～65%）。由于不需要涂覆远红外涂料。所以没有涂层脱落问题，符合食品加工卫生要求。

这种红外加热元件可在150～850℃下长期使用，能满足300～700℃的加热场合，因此可用于焙烤、杀菌和干燥等作业。

（二）箱式远红外线烤炉

箱式远红外线烤炉的一般结构如图7-45所示，主要由箱体和电热红外加热元件等组成。箱体外壁为钢板，内壁为抛光不锈钢板，可增加折射能力、提高热效率，中间夹有保温层，顶部开有排气孔，用于排除烘烤过程中产生的水蒸气。炉膛内壁固定安装有若干层支架，每层支架上可放置若干烤盘。电热管与烤盘相间布置，分为各层烤盘的底火和面火。烤炉设有温控元件，可将炉内温度控制在一定范围内。

图7-45 箱式远红外线烤炉

这种烤炉结构简单、占地面积小、造价低，但电热管与烤盘相对位置固定，易造成烘烤产品成色不均匀。

（三）隧道式远红外线烤炉(www.xing528.com)

隧道式远红外线烤炉是一种连续式烘烤设备，烘烤室为一狭长的隧道，由一条穿其而过的带式输送机将食品连续送入和输出烤炉。根据输送装置不同可分为钢带隧道炉、网带隧道炉、烤盘链条隧道炉和手推烤盘隧道炉等。

1.钢带隧道炉

钢带隧道炉是指食品以钢带作为载体，并沿隧道运动的烤炉，简称钢带炉。钢带靠分别设在炉体两端，直径为500～1000mm的空心辊筒驱动。烘烤后的产品从烤炉末端输出并落入后道工序的冷却输送带上。钢带炉外形如图7-46所示。由于钢带只在炉内循环运转，所以热损失少。通常钢带炉采用调速电机与食品成型机械同步运行，可生产面包、饼干、小甜饼和点心等食品。其缺点是钢带制造较困难，调偏装置较复杂。

图7-46 钢带炉外形图

2.网带隧道炉

网带隧道炉简称网带炉，其结构与钢带炉相似，只是传送面坯的载体采用的是钢丝网带。网带长期使用损坏后，可以补编，因此使用寿命长。由于网带网眼空隙大，在焙烤过程中制品底部水分容易蒸发，不会产生油滩和凹底。网带运转过程中不易产生打滑，跑偏现象也比钢带易于控制。网带炉焙烤产量大，热损失小，多用于烘烤饼干等食品。该炉易与食品成型机械配套组成连续的生产线。网带炉的缺点是不易清洗，网带上的污垢易于粘在食品底部，影响食品外观质量。

3.链条隧道炉

链条隧道炉是指食品及其载体在炉内的运动靠链条传动来实现的烤炉，简称链条炉。链条炉结构如图7-47所示，其主要传动部分有电动机、减速器及链轮等。炉体进出两端各有一水平横轴，轴上分别装有主动和从动链轮。链条带动食品载体沿轨道运动。

图7-47 链条炉结构

根据焙烤的食品品种不同，链条炉的食品载体大致有两种，即烤盘和烤篮。烤盘用于承载饼干、糕点及花色面包，而烤篮用于听型面包的烘烤。链条隧道炉出炉端一般设有烤盘转向装置及翻盘装置，以便成品进入冷却输送带，载体由炉外传送装置送回入炉端。由于烤盘在炉外循环，因此热量损失较大，不利于工作环境，而且浪费能源。

链条炉一般与成型机械配套使用，并组成连续的生产线，其生产效率较高。因传动链的速度可调，因此适用面广，可用来烘烤多种食品。

二、微波加热设备

微波加热属于一种内部生热的加热方式，依靠微波段电磁波将能量传播到被加热物体内部，使物料整体同时升温。目前有两个微波频率用于加热应用，即915Hz和2450Hz。

微波加热设备构成如图7-48所示，主要由电源、微波发生器、冷却系统、连接波导和加热器等部分构成，微波发生器利用高压直流电转换成微波能。微波能通过连接波导传输到加热器，对物料进行加热。冷却系统利用风冷或水冷对微波发生器进行冷却。

图7-48 微波加热器的构成

微波加热设备可按不同方式分类。根据微波场作用方式，可分为驻波场谐振腔加热器、行波场波导加热器、辐射型加热器和慢波型加热器；按微波炉的结构形式可分为箱式、隧道式、平板式、曲波导式和直波导式等。其中箱式为间歇式，后四者为连续式。

微波加热方式具有加热速度快、加热均匀、易于瞬间控制和选择性强的特点。基于这些优点，微波加热在食品加工中的应用已经从最初的食品烹调和解冻扩展到食品杀菌、消毒、脱水、漂烫、焙烤等。

（一）箱式微波加热器

箱式微波加热器属于驻波场谐振腔加热器。食品烹调用微波炉是一种常见的箱式微波加热器，其结构如图7-49所示，主要电源、磁控管、波导、搅拌器、加热腔、转盘和屏蔽玻璃门等构成，其中转盘为使物料受热均匀的辅助装置，并非所有微波炉均设有，另外，加热腔还设有一定形式的通气孔，可使水汽排出，但不会使微波外泄。加热腔为微波加热的谐振腔。谐振腔微波加热器原理如图7-50所示，当矩形空腔每一边的长度都大于λ/2（λ为所用微波波长）时，将从不同方位形成反射，不仅使物料各个方向均受到微波作用，同时穿透物料的剩余微波会被腔壁反射回介质中，形成多次加热过程，从而有可能使进入加热室的微波完全用于物料加热。由于谐振腔为密闭结构，微波能量泄漏很少，不会危及操作人员的安全。这种微波加热器常用于食品的快速加热、快速烹调和快速消毒。

图7-49 烹调用微波炉结构

（二）隧道式微波加热器

在连续式微波加热装置中，隧道结构的谐振腔式较为简单，适用性也较大。图7-51所示为一种隧道式谐振腔微波加热设备外形，这种加热器功率强大，为工业生产常用，可用于多种目的，如盒装快餐盒奶糕和茶叶的加工。

图7-50 谐振腔微波加热器原理

图7-51 一种谐振腔隧道微波加热设备外形

图7-52所示为一种多谐振腔构成的隧道式微波加热器结构，主要由若干微波加热（谐振）腔、输送带、微波抑制系统及排湿系统等构成。隧道式谐振腔微波加热器的工作原理与谐振腔箱式微波加热器类似。隧道上部设置有排湿装置，用于排除加热过程中物料蒸发出的水分。输送物料的传送带可采用基本不吸收微波能，又有较大强度的聚四氟乙烯皮带。

图7-52 连续式多谐振腔隧道式微波加热器结构

由于物料是在连续状态下进出微波加热腔体，因此需要在隧道的物料进出口端，分别设置防止微波外泄的微波抑制系统。抑制微波外泄的方式有多种，常见方式如图7-53所示，有（1）金属挡板式、（2）金属链式和（3）水吸收式三种。由于金属不吸收微波，与微波相遇会将其反射或折射，因此挡板和金属链可将进出口处的微波反射或折射回加热腔，从而起到抑制微波外泄作用。水对微波有很大的吸收能力，因此水吸收式的吸收水载荷可在微波加热隧道的两端将进出口处的微波吸收，防止其外泄。

图7-53 常见微波抑制方式