四環凍干機—真空冷凍干燥設備（五）

加熱系統是提供第一階段升華干燥的升華潛熱和第二階段干燥蒸發熱能量的裝置。

被凍結的制品，不論其凍結體為大塊、小塊、顆粒、片狀或其他任何形狀，開始升華時總是在表面上進行的，這時升華的表面積就是凍結體的外表面。在升華進行過程中，水分逐漸逸出，留下不能升華的多孔固體狀的基體，于是升華表面逐漸向內部退縮。在升華表面的外部形成已干層，內部為凍結層。凍結層內部的冰晶是不可能升華的，故升華表面是升華前沿。升華前沿所需供給的熱能，相當于冰晶升華潛熱。不論采用什么熱源，也不論這些熱量以什么樣的方式傳遞，要達到水分升華的目的，這些熱量最終必須不斷地傳遞到升華表面上來。

供給升華熱的熱源應能保證傳熱速率滿足凍結層表面既達到盡可能高的蒸氣壓，又不致使其熔化。

冷凍干燥中所采用的傳熱方式主要是傳導和輻射。近年來在真空系統中也有采用循環壓力法來實現強制對流傳熱的研究。在凍干機中，熱量都是從擱板上傳出來的，一般分直熱式和間熱式兩種。直熱式以電源為主；間熱式用載熱流體，熱源有電、煤、天然氣等。常用的輻射熱源有近紅外線、遠紅外線、微波等。

利用傳導或輻射加熱時，在被干燥的物料層中傳熱和傳質的相對方向有所不同。從圖3-26可見，輻射加熱時被干燥物料的加熱是通過外部輻射源向已干層表面照射來進行的。傳到表面上的熱量，以傳導的方式通過已干層到達升華前沿，然后被正在升華的冰晶所吸收。升華出來的水蒸氣通過已干層向外傳遞，達到外部空間。傳熱和傳質的方向是相反的，內部凍結層的溫度決定于傳熱和傳質的平衡。一般輻射加熱的特點是：隨著干燥過程中升華表面向內退縮，已干層的厚度愈來愈厚，傳熱和傳質阻力兩者都同時增加，如圖3-26(a)所示。圖3-26(b)是接觸加熱時所發生的情況。在干燥進行中，熱量通過凍結層的傳導到達升華前沿，而升華了的水蒸氣則透過已干層逸出到外部空間。因此，傳熱和傳質的途徑不一，而傳遞的方向是相同的。界面的溫度也決定于傳熱和傳質的平衡。隨升華表面不斷向內退縮，已干層就愈來愈厚，凍結層愈來愈薄，因而相應的傳質阻力愈來愈大，傳熱的阻力愈來愈小。圖3-26(c)是微波加熱的情形。微波加熱時熱量是在整個物料層內部發生的，凍結層要發熱，已干層也要加熱。但由于這兩層的介電常數和介質損耗不同，發生在凍干層內的熱量要多得多。內部發生的熱量被升華中的水吸收，故所供之熱量不需傳遞，傳質是在已干層內，方向是相反的。

把熱量從熱源傳遞到物料的升華前沿，熱量必須經過已干層或凍結層，同時升華出的水蒸氣也要通過已干層才能排到外部空間：在真空條件下，經過這樣的物料層供送大量的升華潛熱，阻力是很大的，同時，經過這樣的物料層排除升華的水蒸氣，阻力也是很大的。因此需采取多種方式提高傳熱和傳質效率。

升華熱的供應，原則上以在維持物品預定升華溫度下，使升華表面即具有盡可能高的水蒸氣飽和壓力而又不致有冰晶融化現象為最好。這時干燥速度最快.

(1)常用的加熱板   間熱式加熱板的熱量是由載熱體從熱源傳遞來的，加熱板傳遞給制品所需的加熱功率大致需要0.1W/g。載熱體多用水、蒸汽、礦物油和有機溶劑等。有些間冷間熱式凍干機上，常用R-11和三氯乙烯等作為冷和熱的載體。

圖3-27給出加熱板熱媒循環系統示意圖。熱媒在熱交換器中加熱，用循環泵將熱媒送到凍干箱的擱板內對物料加熱。為使凍干結束后物料能及時冷卻，利用閥門控制冷卻水，適時冷卻水通入擱板內實現調控溫度。

(2)加熱技術的改進 通常在真空狀態下傳熱主要靠輻射和傳導，傳熱效率低。近來出現了調壓升壓法，其基本原理是降低真空度以增加對流傳熱的效能。據研究，在壓強大于65Pa時，對流的效能就明顯了。所以在保證產品質量的條件下，降低真空度以增加對流傳熱，使升華面上溫度提高得快些，升華速度增加。

調節氣壓有多種方式，英國愛德華公司采用充入干燥無菌氮的方法；德國用真空泵間斷運轉法；日本用真空管道截面變化法。這些方法的共同特點是使凍干室氣體壓強處于不穩定狀態，所以又叫改變真空度升華法和循環壓力法。

改變料盤的形狀，增加物料與料盤之間的傳熱面積也是改進傳熱方法的一種。圖3-28中裝制品容器上有伸出的薄壁，其目的就在于增加傳熱面積。

改變傳熱的另一種方法是從根本上改變加熱方式，取消加熱板。據資料報道，美國Natick實驗室采用微波熱進行升華加工制作升華食品壓縮的新工藝，可使能耗降低到常規工藝的50%。美國某公司在升華干燥牛肉時，使用915MHz微波加熱裝置，將干燥周期由22h減到2h。但介質加熱（如微波加熱）的方法一般不用于生物制品的凍干，以防止制品失去生命活力，降低制品質量。

(3)幾種典型的供熱方式   應用在食品工業真空冷凍干燥設備中的加熱方法較多，大致可分為：輻射加熱與吹冷空氣相結合的方法，微波加熱法；應用涂層輸送帶的輻射加熱法；輻射和傳導傳熱相串聯的供熱法；膨脹加熱板的接觸供熱法等。

圖3-28是輻射傳熱和傳導傳熱相串聯的供熱裝置示意圖。這種傳熱方法的主要特點是輻射熱先傳給導熱元件（物料容器壁），再傳給被加熱的物料。傳導元件屏蔽直接來自輻射熱能的熱源。

水、有機物和高分子物質具有很強的吸收紅外輻射的能力，食品凍干采用紅外輻射加熱方式是合適的。可以把高輻射紅外線材料涂敷到加熱板表面上。

在產品升華階段要提供升華熱，使產品中的水分不斷從被凍結的冰晶中升華直到干燥完畢。升華分兩個階段：第一階段是指大量水分從冰晶升華的過程，這時升華溫度低于其晶點溫度。第二階段是結晶水的擴散過程，其溫度高于共晶點溫度。通常按第一階段熱負荷確定加熱功率。