3.4.5加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
加熱系統(tǒng)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(fā)熱能量的裝置。
被凍結(jié)的制品，不論其凍結(jié)體為大塊、小塊、顆粒、片狀或其他任何形狀，開始升華時(shí)總是在表面上進(jìn)行的，這時(shí)升華的表面積就是凍結(jié)體的外表面。在升華進(jìn)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(nèi)部退縮。在升華表面的外部形成已干層，內(nèi)部為凍結(jié)層。凍結(jié)層內(nèi)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(dāng)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(dá)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(yīng)能保證傳熱速率滿足凍結(jié)層表面既達(dá)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(dǎo)和輻射。近年來在真空系統(tǒng)中也有采用循環(huán)壓力法來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對流傳熱的研究。在凍干機(jī)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(yuǎn)紅外線、微波等。
利用傳導(dǎo)或輻射加熱時(shí)，在被干燥的物料層中傳熱和傳質(zhì)的相對方向有所不同。從圖3-26可見，輻射加熱時(shí)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(jìn)行的。傳到表面上的熱量，以傳導(dǎo)的方式通過已干層到達(dá)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(dá)到外部空間。傳熱和傳質(zhì)的方向是相反的，內(nèi)部凍結(jié)層的溫度決定于傳熱和傳質(zhì)的平衡。一般輻射加熱的特點(diǎn)是：隨著干燥過程中升華表面向內(nèi)退縮，已干層的厚度愈來愈厚，傳熱和傳質(zhì)阻力兩者都同時(shí)增加，如圖3-26(a)所示。圖3-26(b)是接觸加熱時(shí)所發(fā)生的情況。在干燥進(jìn)行中，熱量通過凍結(jié)層的傳導(dǎo)到達(dá)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(zhì)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(zhì)的平衡。隨升華表面不斷向內(nèi)退縮，已干層就愈來愈厚，凍結(jié)層愈來愈薄，因而相應(yīng)的傳質(zhì)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(shí)熱量是在整個(gè)物料層內(nèi)部發(fā)生的，凍結(jié)層要發(fā)熱，已干層也要加熱。但由于這兩層的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗不同，發(fā)生在凍干層內(nèi)的熱量要多得多。內(nèi)部發(fā)生的熱量被升華中的水吸收，故所供之熱量不需傳遞，傳質(zhì)是在已干層內(nèi)，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(jīng)過已干層或凍結(jié)層，同時(shí)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(jīng)過這樣的物料層供送大量的升華潛熱，阻力是很大的，同時(shí)，經(jīng)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(zhì)效率。
升華熱的供應(yīng)，原則上以在維持物品預(yù)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(xiàn)象為最好。這時(shí)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(jī)溶劑等。有些間冷間熱式凍干機(jī)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(huán)系統(tǒng)示意圖。熱媒在熱交換器中加熱，用循環(huán)泵將熱媒送到凍干箱的擱板內(nèi)對物料加熱。為使凍干結(jié)束后物料能及時(shí)冷卻，利用閥門控制冷卻水，適時(shí)冷卻水通入擱板內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)控溫度。
(2)加熱技術(shù)的改進(jìn) 通常在真空狀態(tài)下傳熱主要靠輻射和傳導(dǎo)，傳熱效率低。近來出現(xiàn)了調(diào)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(jù)研究，在壓強(qiáng)大于65Pa時(shí)，對流的效能就明顯了。所以在保證產(chǎn)品質(zhì)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(diào)節(jié)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(yùn)轉(zhuǎn)法；日本用真空管道截面變化法。這些方法的共同特點(diǎn)是使凍干室氣體壓強(qiáng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以又叫改變真空度升華法和循環(huán)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(jìn)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(jù)資料報(bào)道，美國陸軍Natick實(shí)驗(yàn)室采用微波熱進(jìn)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(guī)工藝的50%。美國某公司在升華干燥牛肉時(shí)，使用915MHz微波加熱裝置，將干燥周期由22h減到2h。但介質(zhì)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(zhì)量。
(3)幾種典型的供熱方式 應(yīng)用在食品工業(yè)真空冷凍干燥設(shè)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(jié)合的方法，微波加熱法；應(yīng)用涂層輸送帶的輻射加熱法；輻射和傳導(dǎo)傳熱相串聯(lián)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(dǎo)傳熱相串聯(lián)的供熱裝置示意圖。這種傳熱方法的主要特點(diǎn)是輻射熱先傳給導(dǎo)熱元件（物料容器壁），再傳給被加熱的物料。傳導(dǎo)元件屏蔽直接來自輻射熱能的熱源。
水、有機(jī)物和高分子物質(zhì)具有很強(qiáng)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(chǎn)品升華階段要提供升華熱，使產(chǎn)品中的水分不斷從被凍結(jié)的冰晶中升華直到干燥完畢。升華分兩個(gè)階段：第一階段是指大量水分從冰晶升華的過程，這時(shí)升華溫度低于其晶點(diǎn)溫度。第二階段是結(jié)晶水的擴(kuò)散過程，其溫度高于共晶點(diǎn)溫度。通常按第一階段熱負(fù)荷確定加熱功率。
