紅外線乾燥法

光線介於可見光和微波之間，波長在0.72～1000微米範圍內稱為紅外線。其穿透力能穿透很厚的物體，在物體內產生熱效應，使脫水達到乾燥的目的。

紅外線乾燥法主要用於對皮革上的塗飾劑或者食品進行乾燥。紅外線透射的方式和微波不一樣，在乾燥塗飾層時對乾燥物本身的影響極小，由此可以避免乾燥過度和面積損失。

紅外線乾燥法主要設備有遠紅外線乾燥器、乾燥室等。遠紅外線乾燥法的優點有：紅外線的穿透力強，可使靈芝子實體內外層受熱均勻；其熱量傳遞由表面向內部，因此乾燥品質較好，乾燥速度快，效率高。

基本介紹

• 中文名：紅外線乾燥法
• 外文名：Infrared drying
• 實質：遠紅外乾燥法
• 套用：食品、皮革加工等
• 特點：熱效率高，損失少等
• 發生器：鎢絲紅外線燈泡等

簡介

紅外線是位於光譜中紅色光線以外，肉眼看不見，但具有強大熱能的輻射線。我們可利用紅外線來乾燥罩光塗料。

紅外線對許多物質，包括罩光膜在內，具有一定的透過能力。用紅外線乾燥時，熱射線穿透罩光膜層到達工件的表面，使工件表面發熱，熱量先傳到罩光塗料的底層，然後再傳到膜的表面，所以這種乾燥過程是由內向外的，溶劑蒸氣逸出自然穩當，罩光膜質量優良。又因紅外線是一種光，穿行速度快，直接加熱罩光膜，乾燥速度快。

紅外線是波長為0.75～1000μm的電磁波；近紅外：0.75～1.5μm；中紅外：1.5～5.6μm；遠紅外：5.6～1000μm。輻射線穿透物體的深度約等於波長，因此遠紅外比近紅外效果好。其發射頻率與水、高分子塑膠等物質的分子的固有頻率相匹配，更易引起共振，產生好的乾燥效果。

發展

1800年天文學家赫胥爾在研究太陽光譜熱分布時，發現熱分布在光譜紅端方向單調上升，直到紅光以外不可見的部分卻顯得更熱過了一個峰值才開始下降，當時稱這個紅光以外的部分為看不見的光線後來通稱為紅外線或紅外輻射，自此紅外線的概念就誕生了。雖然紅外線的溫度效應發現較早，但未引起人們的重視直到1938年美國福特汽車公司首先把紅外線套用於汽車漆膜的乾燥上當時用的紅外波長在3微米之內，雖然在選取波段上不太科學，但是從此紅外線乾燥技術也就逐漸發展起來了。

現代食品加工中為了追求產品的美好外觀、最佳風味、保存期限等等品質要求，對熱的利用不僅越來越多，而且對熱利用方式的要求也越來越高。遠紅外輻射加熱由於有很多優點，因此在食品加工中的開發和研究近年來發展很快，甚至一些套用的目的已超出了一般加熱的意義範圍。然而遠紅外加熱也並非萬能的食品加熱方法，在目前遠紅外利用的熱潮中也出現了一些問題。為了更充分地發揮遠紅外輻射技術的作用，認識和研究遠紅外輻射在食品加工中作用的原理十分重要。

原理

紅外輻射習慣上稱為紅外線或紅外，也有稱為熱輻射。構成物質的基本質點：電子、原子或分子，都在不停地運動著——振動或轉動，物質的基本質點不僅發生轉動能級的躍遷，也擴大了以平衡位置為中心的各種運動幅度，質點的內部能量加大。當物質（同種雙原子分子構成的物質除外）遇到具有某個振動數的紅外線輻照時，如果紅外線的振動數與基本質點的固有頻率相等，則會發生與振動學中共振運動相似的情況。物料內部發生分子之間的碰撞，產生自熱效應，部分分子掙脫了原來物質對它的束縛，水分或有機溶劑脫離原來的物質，從而快速有效地加熱物質。

特點

熱輻射效率高

所有的輻射加熱都需要一個熱輻射源，由物理學可知：作為熱源物體的熱輻射效率與物體的材質有關，把熱輻率最大的理想物質稱為黑體，黑體不僅有最大的熱輻率，同時也有基大的對外來輻射的吸收率。遠紅外線加熱時為了提高熱輻射效率，熱源的材質一般都選用熱輻射率接近黑體的物質。普通食品加工中所使用的加熱溫度範圍一般在300K-500K左右，在這一溫度範圍內，黑體或者近似黑體的物質熱輻射能量密度最大的波長正是在2.5-20um的遠紅外線的波長範圍內，也就是說在食品工程加熱的溫度範圍內使用遠紅外線有著較高的輻射效率。

熱損失小且易於控制

遠紅外輻射熱在空氣中傳播時的損失很小，可以把熱直接輻射到被加熱體的表面；因為不存在傳熱界面，所以在食品的凍結乾燥和凍結升華過程中可以加速乾燥過程，這是其他加熱方式難以辦到的。另外，遠紅外射線同其他光波一樣具有直線傳播、專漫反射和鏡反射的性質，因此可以通過光的集散、遮斷機構來使輻射熱在加熱器中更有效地被利用和控制，提高加熱質量，減少不必要的熱損失。

傳熱效率高

食品物料在加工工程中大都對於溫度的限制比較嚴格，例如：有許多食品的加熱要求不超過1000℃。在這樣的要求下，使熱源的溫度也受到限制。例如：熱風乾燥時，熱風的溫度就不能高於物料的溫度。因為熱源與物料的溫差不能過大，那么單位時間的能量傳遞也必然受到限制。為了提高工作效率就必然要增加加熱設備的體積和規模。然而遠紅外輻射的特點之一就是在不使物料過熱的情況下，可以使熱源有較高的溫度。因為兩物體之間熱輻射傳播的速度與這兩物體之間的溫度差的四次方成正比。因此遠紅外輻射的實用能流密度比起傳導和對流傳熱大得多，不僅可以縮短加熱時間和節約設備費用，而且可使一些如燒雞、烤鴨等烤制食品表面很快形成皮膜，減少內部香味成份的損失。

熱吸收效率高

在熱輻射傳播中，物體吸收、透過和反射輻射波的程度不僅與其表面狀況有關，而且也與共材質有關。因為物體的溫度是其分子運動動能的表現，從分子運動的觀點看，物體的分子結構與共對各種電磁波的吸收關係很大。不同結構的分子都有其固有的振動頻率，當輻射電磁波的頻率與分子的固有振動頻率相同時，就會產生共振現象，也就是說被照射物質能夠完全地吸收這一電磁波而激起本身分子更強烈地振動，該物體溫度的升高也就較快，換句話講：就是被照射物質對該輻射波反射、透過的損失最少，吸收效率最高。

加熱引起食物材料的變化損失較小

在食品的烘烤、乾燥等加熱工程中，避免食物成份的變化和損失是很重要的問題。在熱輻射電磁波中遠紅外線的光子能量級比起紫外線、可見光線都要小，因此一般只會產生熱效果，而不會引起物質的化學變化。而且，因為遠紅外輻射加熱的效率較高，可使加熱時間大大縮短，這也使得食品成份受熱分解的可能性大為減少。許多實驗已證明：一些含有葉綠素、VC等易分解成份的果蔬，採用遠紅外輻射代替傳統的乾燥方法後，可以使這些成份的損失大大減少。

乾燥紅外線發生器

乾燥用的紅外線發生器有兩種：一種是250～500W的鎢絲紅外線燈泡，這種燈泡的外形與普通的電燈泡差不多，只不過紅外線燈泡的基部有一個反射面，裡面塗有一層銀膜，可以反射紅外線。另一種是內部裝有鎳鉻合金絲的鑄鐵或陶瓷空心板，電流通過時，鎳鉻合金絲迅速發熱升溫，就可使鑄鐵板或陶瓷板放出紅外線。此外，還可採用複合型的紅外線加熱乾燥法。即在乾燥室內，上面裝置紅外線燈泡，由上往下照射；下面放置紅外線電熱板，由下往上輻射。工件進入乾燥室後，能在很短時間內乾燥，質量也優良。

金屬管狀加熱器：它是靠電阻絲通電加熱後，金屬殼管也隨著發熱，並發射出紅外輻射。但是，其能量比較低，最近人們發現在金屬管表面塗上一層金屬氧化物，比如氧化鐵、氧化鋯、氧化鈦等，將大大提高紅外輻射能量。

碳化矽板狀加熱器：碳化矽本身是良好的遠紅外輻射材料，用它製成的加熱器效果比金屬管狀效果好。但是碳化矽加熱器不是所有波段都理想，所以要在其表面塗加高輻射材料，才能達到預期效果。

紅外線技術乾燥穀物

只有當物料吸收紅外線時，紅外線能量才被轉換成熱量舊。現實中被加熱乾燥的穀物是由許多不同的成分組成的，如水分、蛋白質、澱粉等。因為每種成分的結構、組成不一樣，所以它們吸收不同波長的紅外線。對於巨觀的穀物來說，它的紅外吸收波段是內部成分相應吸收波段相互疊加、耦合的結果。雖然每種成分對紅外各波段的吸收強弱不同，但由於各個成分吸收的紅外輻射頻率並不互補，所以整體疊加、耦合的結果是穀物對紅外輻射各波段的吸收強弱不一樣的。即穀物對紅外吸收具有選擇性。

與傳統熱風乾燥的對比，熱風乾燥作為穀物乾燥的傳統工藝，以煤為主要熱源的熱風爐，能耗高、污染大、效率低，已越來越難以滿足現代農業發展的要求，因此相比而言更加高效的遠紅外乾燥技術已經逐漸成為了穀物乾燥中的新興工藝。紅外加熱乾燥技術不僅實現了輻射源光譜與被加熱物體吸收光譜的對應，無需加熱介質，大大減少了能量損失，提高了熱能利用率，此外，紅外加熱熱慣性小，升溫快，加熱時間短，能使物體內外受熱均勻，產品品質好。紅外加熱器結構緊湊，不需輔助鍋爐及管道系統，基建費用省。在已開發國家，紅外輻射干燥穀物已套用於生產中，但是由於技術的缺陷，在我國還只處於研究階段。

由於紅外乾燥穀物是近些年才興起的事物，並且穀物對紅外的吸收具有選擇性，因而針對穀物乾燥的紅外輻射器還較少。選擇什麼樣的波段進行穀物乾燥較為合適，這在學術上還存在著爭論。經過測試小麥、水稻、玉米的3種穀物對紅外輻射的吸收主要發生在波數小於4000cm的中遠紅外譜區。在3800～2500cm的區域有一個明顯的吸收峰；在1600～1000cm的指紋區穀物也有比較強烈的吸收。依據穀物對紅外吸收的特性，可以設計出適合穀物乾燥的紅外輻射器。

在紅外乾燥過程中，由於紅外線具有穿透性，會在物料內部造成熱量堆積，再加上被乾燥的物料水分不斷的被蒸髮帶走熱量，使得物料表面的溫度下降，這樣直接導致物料內部溫度遠高於外部溫度，使得物料的熱擴散過程由內部向外部進行。同時在物料內部，水分的轉移總是從水分含量較高的地方向低水分含量的位置轉移，因此物料內部的水分轉移與熱量轉移是相同方向的；與此相反的是在熱風乾燥過程中，溫度梯度與濕度梯度正好相反，這中情況會對水分的轉移造成障礙，不利於水分的乾燥蒸發。

此外，在乾燥穀物的過程中，如果採用較高溫度的熱風乾燥，就會出現穀物“爆腰”現象，這種現象的出現使由於穀物外表的乾燥程度和受熱程度與穀物的內部不同的結果，另外穀物內部的脫水一方面通過穀物的表面進行但由於穀物的表面有一層膠質水分子不易從內部跑出另一方面水分子將從穀物的臍處跑出。熱風乾燥是對穀物表面進行的乾燥，而紅外乾燥則是對穀物內部進行的乾燥，故可造成穀物內外溫度分布比較均勻。熱緩蘇的實質是穀物內部熱分布均勻過程和水分子逸出的過程，結合紅外加熱，正是促進穀物內部熱分布均勻和加速分子的逸出，因而紅外乾燥穀物將縮短熱緩蘇過程這正是紅外乾燥效率較高的原因。

通過對以上紅外線特性和穀物紅外吸收光譜圖以及對乾燥技術的分析，我們就會發現穀物的乾燥途徑雖有幾種方法，但是對其效果來說，還是紅外乾燥技術最為理想和有效，它不僅傳遞熱效率，使高節約能源裝置緊湊便於自動化無污染等優點，而且能夠較有效地避免或減少了關鍵性的問題，即出現的爆腰現象。因此，就目前乾燥技術來講，在考慮其乾燥成本乾燥時間和乾燥裝置等各方面因素以後，可以肯定紅外乾燥技術是最適合最具有發展潛力的有效方法。

影響紅外乾燥的因素

影響紅外乾燥穀物的因素有很多，例如輻射強度、物料層厚度、物料初濕含量、輻射源到物料的距離等。

輻射強度：隨著輻射強度的變化，物料的降水幅度、乾燥速率和物料溫度等乾燥指標都有明顯的變化。

初濕含量：因為水是穀物中接受紅外照射的主要物質之一，因此物料所含水量的多少直接決定了紅外乾燥的效率。

物料層厚度：輻射強度與物料層厚度耦合作用加劇影響物料的降水和溫度變化。乾燥速率並不是簡單的與料層厚度成反比，而是隨著含水率的增加。物料層厚度對乾燥速率的影響也增大，這與水分在物料內部的存在狀態有關。

輻射距離：隨著輻照距離的減少，物料的降水幅度和溫度都增加。輻照距離不變時，輻射強度的影響要高於對流速度。

存在問題與解決

通過對紅外乾燥原理的分析，我們發現紅外乾燥在面對較厚的物料時其乾燥效率非常糟糕，為了解決這一問題，我們可以合理的將紅外乾燥技術與別的乾燥技術相互結合。

組合乾燥是目前國內外乾燥技術的發展趨勢之一。可以利用各種乾燥工藝自身的優點在物料的不同乾燥階段採用不同的乾燥工藝，以便達到高效、低耗、優質的乾燥效果。比如紅外和熱風結合在一起形成紅外熱風組合，熱風乾燥可以把熱量帶入物料層深處，使物料層的熱量分配趨於均勻。另外，在乾燥過程中，穀物表面水分蒸發後，會圍繞在穀物周圍形成一層很薄的氣膜，這層氣膜的相對濕度較大，阻礙後續水分的排出，不利於乾燥的進行。用熱風可以把水蒸汽帶走，克服上述缺點。

此外還可以將紅外乾燥同振動聯合乾燥相互結合，這也是解決物料層熱量不均勻的一種好辦法，它是以一定的頻率、一定振幅的振動作用到物料層上，使物料上下翻動，從而到達加熱均勻的目的。這種聯合乾燥方法，脫水率高，爆腰率小，順應了稻穀結構特性對稻穀逐漸的增溫，每次循環又有降溫緩蘇，確保了稻穀的生理特性。

微波紅外組合乾燥也有利於解決紅外乾燥熱量分配不均的問題，但該組合方法在穀物乾燥中的研究套用還較少。

對紅外乾燥技術的展望

雖然遠紅外技術在食品工業中有了廣泛的套用，但是遠紅外技術本身也存在著一些不足，比如需用反射鏡克服有陰影的缺點，因波長短造成透入深度小，只適用於薄層物料、乾燥時間目前仍停留在“分”的數量級等，這些方面都有待於進一步解決。

①遠紅外加熱效果的好壞與其發射元件有著重要的關係，遠紅外的發射元件由原來的金屬管發展到現在的碳化矽加熱，發射效率明顯提高，但其發射頻譜仍處於一種廣譜狀態，雖然這種廣頻譜對普通食品較適合，因為普通的食品在紅外線區一般都有大量的吸收帶，但對那些在紅外線區內吸收帶較窄的特種物質，其熱效率就偏低，為此在發射元件上，如何發射或控制其發射頻譜需進一步研究。②紅外發射元件加熱時都需要高輻射材料的塗布才能取得最好的效果，而這些金屬或非金屬的氧化物、碳化物、硼化物等塗料的篩選，納米材料的開發利用，配方的合理組合與最佳化，以及塗料的表面塗布方法是今後研究的又一個方向。③另外遠紅外設備中輻射元件的排列與烘道結構好壞，直接影響到加熱效率和高低和被加熱產品的質量，一種良好的設計應該是在加熱器內紅外線強度分布均勻無死角，加熱速度快、無紅外線或熱泄漏，設備結構簡單、裝卸方便、使用壽命長。④雖然到目前為止已獲悉部分物質的紅外吸收光譜帶，但這都是對單一純淨分析的結果。食品有其多樣性與複雜性，各物質的混合或結合是否為帶來其吸收頻譜的改變未有研究，食品紅外光譜資料庫有待建立。⑤食品特定波長加熱前景廣闊，尤其在釀造領域在改變製品品質、質構、滋味方面的研究仍屬空白。

其他乾燥方法

自然乾燥

自然乾燥就是把塗飾過罩光塗料的工件直接利用大自然的空氣進行乾燥的一種方法。此法簡單方便，既不需要特殊設備，也用不著複雜的技術，套用最廣。但是，這種方法只適用於乾燥快速、並且在乾燥時不致揮發出有害氣體的罩光塗料，如水性塗料。

硝基清漆乾燥迅速，適合於自然乾燥，但在乾燥時會揮發出有害氣體，所以必須在專門的通風室內進行操作。

對於油性塗料類，不宜採用自然乾燥法，因這種方法乾燥時間長，沾上灰塵的機會多，容易降低罩光膜的質量。

套用自然乾燥法時，也不能一切任其自然，要適當地控制溫度、濕度和空氣的流通情況。一般溫度越高，潮氣越小，乾燥就越快；溫度太低，水汽凝結在表面上，易使罩光膜失光。濕度過大，不僅阻礙溶劑揮發，延長乾燥時間，對硝基清漆等，還會引起發白的故障。因此，乾燥時的溫度不能低於10℃，相對濕度不能高於80%。

熱空氣加熱乾燥

利用熱空氣加熱的乾燥法能大大加快乾燥的速度，空氣可選用蒸汽、爐氣或電熱等各種方式加熱，因而用途很廣。

此法要有專門的保留熱空氣的容器即乾燥室。乾燥室的操作可分成周期式和連續式兩類。周期式的乾燥室只適用於單件生產或小批生產，乾燥時送入室內，乾燥完畢再從同一扇門取出，裝入和取出既花費時間，又降低了熱空氣的溫度。常用的電熱恆溫烘箱就屬於這一類；連續式的乾燥室適於大批量生產，這類乾燥室兩頭各有，工件塗飾後藉助於運輸鏈條由一端送入，在乾燥室內一邊行進一邊乾燥，最後從另一端出來，完成了乾燥過程。整個乾燥過程應做到兩端溫度低，中間溫度高，以符合罩光膜乾燥的規律。這類設備往往要自行製造。

乾燥室一般都用雙層鐵板製造，中間填充礦渣、石棉等保溫材料。還要有通風裝置，以排除溶劑蒸氣，更換新鮮空氣，加速乾燥過程。

本法也有缺點，首先是熱量的傳導方向和溶劑蒸氣排除的方向相反。塗料層的表面先受熱，乾燥結膜，使塗料層下面的溶劑蒸氣不易逸出，乾燥速度變慢。若溶劑蒸氣壓力大衝破表面硬膜，則罩光膜表面會出現小孔；若溶劑蒸氣壓力小無法逸出，則使罩光膜起泡。因此，無論溶劑蒸氣壓力大小都將影響罩光膜的質量。其次，空氣的傳熱性很小。用蒸氣或電熱絲加熱成本較高。