Auswahl von Infrarot-Heizrohren für die Trocknung hydratisierter, feuchter Materialien: Kurzwelle oder Mittel-Langwelle?

Wie bereits erwähnt, gehören kapillare, mehrporige, kolloidale Materialien zu den am häufigsten vorkommenden Materialien im Alltag und in Produktionsprozessen. Beispiele hierfür sind Holz, Leder und Lebensmittel. Diese Materialien stehen bei der Untersuchung der Trocknung im Mittelpunkt, da Wasser aus großen Kapillaren relativ leicht ausgetrieben werden kann, während die Extraktion von Wasser aus Mikrokapillaren oder Zellwänden wesentlich schwieriger ist. Folglich sind am Migrationsprozess der inneren Feuchtigkeit in diesen Materialien sowohl große als auch Mikrokapillaren beteiligt, einschließlich der Austreibung von freiem Wasser innerhalb der Zellhohlräume.

Die Energie, die bei der Bindung von Wasser im Material verbraucht wird, zeigt sich nicht nur beim Austreiben von Wasser aus den Zellwänden oder bei der Gleichgewichtsfeuchte, sondern während des gesamten Entwässerungsprozesses. Der Trocknungsprozess sollte daher als ein umfassender Energie- und Stofftransfer betrachtet werden. Angesichts der komplexen Struktur von Materialien wie wärmeempfindlichen und biologisch aktiven Materialien (z. B. Saatgut) sind die Mechanismen der Wärme- und Stoffübertragungsprozesse kompliziert.

Wasser in Materialien kann chemisch, chemisch-physikalisch oder mechanisch gebunden sein. Chemisch gebundenes Wasser, d. h. Wasser, das durch chemische Kräfte an Feststoffe gebunden ist (z. B. Kristallwasser in Kupfersulfat-Pentahydrat, CuSO4-5H2O), lässt sich in der Regel nur schwer durch Erhitzen entfernen und wird im Allgemeinen nicht als Teil des Trocknungsprozesses betrachtet, obwohl bei Dolomitkugeln eine erfolgreiche Trocknung mit Hilfe einer Kohlefaser-Infrarotheizung erreicht wurde.

Physikalisch-chemische Bindung liegt vor, wenn Wasser oder Lösungsmittel durch Wasserstoffbrücken oder van der Waals-Kräfte an Materialien gebunden werden. Die Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen und dem Material findet auf molekularer Ebene statt, wobei die erste Schicht von Flüssigkeitsmolekülen am stärksten an das Material bindet und die nachfolgenden Schichten schwächer. Veränderungen in den umgebenden Medien können diese Schichten über die erste hinaus leicht stören.

Bei der mechanischen Bindung bildet das Wasser eine Oberflächenspannung in den Kapillaren des Materials. Die kombinierte Kraft von Wasser mit großen Kapillaren ist schwach, ähnlich wie bei reinem Wasser, wo der Dampfdruck der Oberflächenfeuchtigkeit bei jeder Temperatur gleich dem Sättigungsdampfdruck von reinem Wasser ist, was eine leichte Verdunstung von Wasser ermöglicht. In Mikrokapillaren bildet ein konkaver Meniskus starke Verbindungen mit den Kapillarwänden, und der Sättigungsdampfdruck an der Oberfläche ist niedriger als der Sättigungsdampfdruck bei derselben Temperatur.

Materialien wie Holz, Lebensmittel, Früchte, Pulver, Fasern, Farben und Beschichtungen reflektieren, übertragen und absorbieren Infrarotstrahlung. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten, Kolloiden, kapillarporösen Kolloiden und amorphen Festkörpern weisen sie nicht nur Schwingungsspektren, sondern auch Rotationsspektren auf. Die Energie aus den Infrarotspektren wird vom Material absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt.

Bei der Strahlungserwärmung gewinnen Materialien nur durch die Absorption von Strahlung an Energie. Strahlung, die durchgelassen oder reflektiert wird, trägt nicht zur Erwärmung bei, so dass die Absorptionsrate ein entscheidender Parameter dafür ist, wie effektiv die Strahlungsenergie vom Material genutzt wird. Die Analyse der Absorptionsspektren von Materialien wie Äpfeln, getrockneten Äpfeln, Kartoffeln, getrockneten Kartoffeln, Teeblättern, Holz und Farbe zeigt, dass kapillare poröse Kolloide im kurzwelligen Bereich am wenigsten absorbieren, wobei die Absorptionsraten mit der Wellenlänge zunehmen und an der mittellangen Wellengrenze maximale Absorptionsspitzen erreichen.

Angesichts dieser Eigenschaften und der Auswirkungen von Wassermolekülen in Materialien wie Holz und Farben, die Hydroxyl- und Alkylgruppen enthalten, sind signifikante Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich von 3-6 μm zu erkennen. Wasser in Materialien beeinflusst das Absorptionsspektrum erheblich, wobei flüssiges Wasser drei Absorptionsspitzen zwischen 5μm und 17μm aufweist, was diese Absorptionsspitzen zu den optimalen Absorptionsspitzen für Infrarotstrahlung in hydratisierten feuchten Materialien macht.

Die experimentellen Daten zeigen, dass die Trocknung hydratisierter, feuchter Materialien nur mit mittel-langwelligen Infrarot-Heizröhren möglich ist.

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