Otetaanko infrapunasironta huomioon, kun käytetään hiilikuitulämmitysputkia märkien materiaalien kuivaamiseen teollisessa tuotannossa?

Teollisessa tuotannossa sähkölämmitystä käytetään yleisesti märkien materiaalien lämmittämiseen ja kuivaamiseen. Tärkeimmät kuivausperiaatteet ovat seuraavat: ensimmäisessä kuumentaa materiaaleja korkeassa ympäristön lämpötilassa kuivauksen aikaansaamiseksi, toisessa käytetään mikroaaltoja materiaalien lämmittämiseen ja kuivaamiseen, kolmannessa käytetään infrapunasäteilyä ja neljännessä käytetään matalassa lämpötilassa tapahtuvaa kuivauskuivausta. Nämä prosessit vaihtelevat tekniikaltaan, mutta niillä on sama tavoite: kosteuden poistaminen märistä materiaaleista, jolloin saadaan kuiva tuote, joka vähentää varastointi- ja kuljetuskustannuksia sekä varastointiaikaa.

Tänään keskustellaan lyhyesti siitä, onko meidän otettava huomioon materiaalien mikroskooppinen rakenne ja niiden vaikutus infrapunasäteilyn heijastumiseen ja sirontaan, kun käytämme hiilikuitulämpöputkia kuivaukseen.

Nesteiden ja kiinteiden aineiden säteilyn sironnan voimakkuus on suoraan verrannollinen niiden termodynaamiseen lämpötilaan, ja siihen vaikuttaa materiaalin tiheys, joka tyypillisesti kasvaa tiheyden kasvaessa. Lisäksi se on yhteydessä nesteen pintajännitykseen, joka kasvaa pintajännityksen pienentyessä. Vedellä on korkein pintajännityskerroin, joten sen säteilyn sironta on vähäisempää muihin nesteisiin verrattuna.

Kun keskipitkän tai pitkän aallon infrapunasäteily on vuorovaikutuksessa tärkkelysrakeiden tai kasvisolujen kanssa, se herättää monimutkaisia värähtelyjä. Siksi hiukkasen värähtelyt eivät ole vakioita, ja hiukkasen säteilyn sirontaan sisältyy heijastumisen, taittumisen ja sekundaarisen säteilyn yhteisvaikutuksia.

Molekyylitason sirontailmiöitä esiintyy yleensä siellä, missä materiaali on heterogeeninen, kuten alueilla, joilla on tiheysgradientteja, kosteusgradientteja, lämpötilagradientteja, anisotropiaa ja rakenteellisia inhomogeenisuuksia. Materiaalin epäsäännölliset huokoset ja kapillaarit sekä kapillaaristen nestepintojen reunat voivat aiheuttaa säteilyn sirontaa ja muutoksia säteilyn suunnassa. Näin ollen hiilikuitulämpöputkien infrapunasäteilyn lämmitysvaikutuksia tutkittaessa on otettava huomioon, voivatko nämä sirontailmiöt vaikuttaa säteilyyn.

Kasvimateriaalien huokosseinät ja solukalvot koostuvat kolloidisista hiukkasista, jotka toimivat materiaalin sirontakeskuksina, mikä johtaa moninkertaiseen sirontaan. Jopa alle 1μm paksuissa materiaaleissa voi esiintyä yli kaksi moninkertaista sirontaa, jotka absorboivat säteilyenergiaa. Näin ollen materiaalin ominaisuudet ja säteilylämmönsiirto liittyvät läheisesti toisiinsa.

Aineissa, kuten puussa, teessä ja hedelmissä, on huokoisia kolloidisia rakenteita, joissa on runsaasti infrapunasäteilyn absorptiokaistoja noin 20 μm:n aallonpituudella. Tämä korkea absorptio johtuu siitä, että kaikki huokoisen kolloidirakenteen komponentit absorboivat infrapunasäteilyä. Kun hiilikuitulämmitysputkia käytetään näiden materiaalien lämmittämiseen tai kuivaamiseen, on siis tärkeää sovittaa yhteen materiaalien absorptiohuippujen aallonpituudet.

Kosteutta sisältävät materiaalit heijastavat infrapunasäteilyä heikosti erityisesti tietyillä spektrikaistoilla. Tämä näkyy erityisesti kosteutta sisältävän puun pintakerroksissa, mikä johtaa heikentyneeseen heijastuskykyyn. Kun kosteuspitoisuus kasvaa näillä spektrikaistoilla, myös infrapunasäteilyn absorptiokyky kasvaa.