Selezione di tubi di riscaldamento a infrarossi per l'essiccazione di materiali umidi idratati: Onde corte o onde medio-lunghe?

I materiali colloidali multiporosi capillari, come già detto, sono uno dei tipi di materiali più comuni che si incontrano nella vita quotidiana e nei processi produttivi. Ne sono un esempio il legno, il cuoio e gli alimenti. Questi materiali sono oggetto di studio nello studio dell'essiccazione per la relativa facilità con cui l'acqua può essere espulsa dai capillari di grandi dimensioni, mentre l'estrazione dell'acqua dai microcapillari o dalle pareti cellulari è notevolmente più impegnativa. Di conseguenza, il processo di migrazione dell'umidità interna in questi materiali coinvolge sia i grandi che i microcapillari, compresa l'espulsione dell'acqua libera all'interno delle cavità cellulari.

L'energia consumata per legare l'acqua all'interno del materiale si manifesta non solo nell'espulsione dell'acqua dalle pareti cellulari o al contenuto di umidità di equilibrio, ma durante l'intero processo di drenaggio. Pertanto, il processo di essiccazione deve essere visto come un trasferimento completo di energia e materia. Data la struttura complessa dei materiali, come quelli termosensibili e biologicamente attivi (ad esempio, i semi), i meccanismi dei processi di trasferimento di calore e massa sono complessi.

L'acqua nei materiali può essere legata chimicamente, fisicamente o meccanicamente. L'acqua legata chimicamente, in cui l'acqua è legata ai solidi da forze chimiche (ad esempio, l'acqua di cristallizzazione nel solfato di rame pentaidrato, CuSO4-5H2O), è tipicamente difficile da rimuovere attraverso il riscaldamento e non è generalmente considerata parte del processo di essiccazione, sebbene sia stato possibile ottenere un'essiccazione di successo utilizzando il riscaldamento a infrarossi della fibra di carbonio con sfere di dolomite.

Il legame fisico-chimico si verifica quando l'acqua o i solventi si legano ai materiali attraverso legami idrogeno o forze di van der Waals. L'interazione tra le molecole d'acqua e il materiale avviene a livello molecolare, dove il primo strato di molecole liquide si lega più fortemente al materiale e gli strati successivi si legano più debolmente. I cambiamenti nei mezzi circostanti possono facilmente interrompere questi strati oltre il primo.

Il legame meccanico implica la formazione di una tensione superficiale da parte dell'acqua all'interno dei capillari del materiale. La forza combinata dell'acqua nei capillari di grandi dimensioni è debole, simile a quella dell'acqua pura, dove la pressione del vapore dell'umidità superficiale è uguale alla pressione del vapore saturo dell'acqua pura a qualsiasi temperatura, facilitando la facile evaporazione dell'acqua. Nei microcapillari, un menisco concavo forma forti legami con le pareti del capillare e la sua pressione di saturazione del vapore superficiale è inferiore alla pressione di saturazione del vapore alla stessa temperatura.

Materiali come legno, alimenti, frutta, polveri, fibre, vernici e rivestimenti riflettono, trasmettono e assorbono la radiazione infrarossa. A differenza dei liquidi, dei colloidi, dei colloidi porosi capillari e dei solidi amorfi, non presentano solo spettri vibrazionali ma anche spettri rotazionali. L'energia degli spettri infrarossi viene assorbita dal materiale e convertita in energia termica.

Durante il riscaldamento radiativo, i materiali acquistano energia solo assorbendo le radiazioni. Le radiazioni trasmesse o riflesse non contribuiscono al riscaldamento, rendendo i tassi di assorbimento un parametro critico per l'effettivo utilizzo dell'energia radiativa da parte del materiale. L'analisi degli spettri di assorbimento di materiali come mele, mele secche, patate, patate secche, foglie di tè, legno e vernici rivela che i colloidi porosi capillari assorbono meno nell'intervallo delle onde corte, con tassi di assorbimento che aumentano con la lunghezza d'onda e raggiungono picchi massimi di assorbimento al limite delle onde medio-lunghe.

Date queste caratteristiche e gli effetti delle molecole d'acqua all'interno dei materiali, come il legno e le vernici contenenti gruppi idrossilici e alchilici, sono evidenti bande di assorbimento significative nell'intervallo di lunghezze d'onda di 3-6μm. L'acqua all'interno dei materiali influenza in modo significativo lo spettro di assorbimento, con l'acqua liquida che mostra tre picchi di assorbimento tra 5μm-17μm, rendendo questi picchi di assorbimento ottimali per la radiazione infrarossa nei materiali umidi idratati.

Sulla base dei dati sperimentali, l'essiccazione di materiali umidi idratati richiede efficacemente tubi di riscaldamento a infrarossi a onde medio-lunghe.

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