Об инфракрасной сушке

Инфракрасная сушка

Сушка является распространенной производственной операцией. Сотни вариантов технических подходов, используемых при сушке твердых частиц, паст, листов, растворов или смесей (эмульсий и суспензий), поражают своим разнообразием.

Одним из популярных, но еще мало распространенных способов подвода тепла к высушиваемому материалу является инфракрасное (ИК) излучение. Хотя этот тип теплопередачи в прошлом был задействован случайно, сопровождая другие типы теплопередачи во время обезвоживания, теперь инфракрасные сушилки предназначены для использования лучистого тепла в качестве основного источника.

В настоящее время наиболее распространенными промышленными применениями инфракрасной сушки являются обезвоживание пленок и полотен с покрытием и корректировка профилей влажности при сушке бумаги и картона. Сообщения об инфракрасной сушке, применяемой к другим продуктам, таким как продукты питания, древесина или песок, стали появляться в литературе только с 2000 года. Европейцы изучили ИК-сушку зерна, муки, овощей, макаронных изделий, мяса, рыбы и др., и показали, что ИК-сушка может быть определенной долей успеха применена к пищевым продуктам. Имеются современные промышленные применения сушки сельскохозяйственной продукции с помощью инфракрасного излучения.

Многие сушилки могут быть модифицированы для установки ИК-нагревателей. Действительно, комбинированные конвективные и ИК-осушители оказались привлекательными. Кроме того, ИК-нагрев можно эффективно сочетать с вакуумным режимом для удаления испаряемой влаги, как например это сделано в сушильном столе вакуумно-импульсном для сушки растительных экстрактов.  

ИК-нагрев можно применять как в сушилках непрерывного так и периодического действия.

Теория инфракрасной сушки

Для передачи электромагнитного излучения не требуется среда для его распространения. Спектр длин волн излучения зависит от природы и температуры источника тепла. Диапазон длин волн теплового излучения составляет 0,1-100 мкм в пределах спектра. ИК-излучение относится к этой категории и условно классифицируется как ближнее ИК (0,75–3,00 мкм), среднее ИК (3,00–25 мкм) и дальнее ИК (25–100 мкм).

Тепловое излучение, падающее на тело, может быть поглощено, и его энергия может быть преобразована в теплоту, отраженную от поверхности или переданную через материал. Материалы можно классифицировать на основе их пропускаемости в зависимости от физического состояния тела, на которое падает излучение. Тело, не пропускающее через себя излучение, называется непрозрачным. Примерами таковых является большинство твердых тел. С другой стороны, жидкости и некоторые твердые вещества, такие как каменная соль или стекло, обладают определенной способностью пропускания, поэтому они прозрачны для излучения.

Отражение может быть регулярным (также называемым зеркальным) или
диффузным, которое зависит от чистоты поверхности материала. В одном случае угол падения излучения равен углу отражения за счет хорошо отполированной поверхности или гладкой поверхности. Когда поверхность имеет шероховатости больше длины волны, излучение диффузно отражается во всех направлениях.

Как правило, твердые тела поглощают все излучение в очень узком слое вблизи поверхности. Идеальное тело, которое поглощает всю падающую энергию, не отражая и не пропуская свет, называется черным телом.

Общее количество излучения, испускаемого телом на единицу площади и времени, называется полной мощностью излучения и зависит от температуры и характеристик поверхности тела. Эта энергия излучается с поверхности во всех направлениях и на всех длинах волн. Черное тело также определяется как тело, излучающее максимальное излучение на единицу площади. Излучательная способность абсолютно черного тела зависит только от его температуры. На самом деле очень немногие тела ведут себя как черные тела, поэтому более реалистичным предположением было бы рассматривать их как серые тела.

Кроме того, следует отметить, что иногда электромагнитное излучение, падающее на тело, может ослабляться внутри тела за счет рассеяния наряду с поглощением. При рассеянии принимается во внимание, что электромагнитное излучение может изменить направление, что может привести к частичной потере или увеличению энергии. Излучательная способность, поглощающая способность, отражательная способность и коэффициент пропускания являются ключевыми свойствами излучения.

Для практических целей требуется только среднее значение коэффициента излучения или поглощения по направлению .

При температурах излучения в диапазоне от 227°С до 620°С общая отражательная способность полированного чистого серебра составляет от 0,98 до 0,968, полированного чистого золота - от 0,982 до 0,965. Для полированного алюминия коэффициент отражения изменяется от 0,961 до 0,943 в диапазоне температур от 223°C до 577°C. Высокая отражательная способность этих материалов является причиной того, что отражатели радиационных ламп изготавливают из тонкого слоя серебра, а полированный алюминий применяют в качестве облицовочного материала внутренних перегородок в аппаратуре для ИК-излучения. Для изготовления оборудования для инфракрасной сушки и при подборе отражателей для ламп-радиаторов требуются светонепроницаемые материалы с высокой отражательной способностью.

Материал, подлежащий сушке с помощью инфракрасного излучения, должен иметь низкую отражательную способность, чтобы свести к минимуму мощность, необходимую для его нагрева. При сушке красок или покрытий обычно лучше использовать материал с высокой поглощающей способностью, но при сушке густых влажных материалов, таких как пищевые продукты, предпочтительнее использовать материал с высокой пропускающей способностью, чтобы избежать чрезвычайно интенсивного нагрева и термического повреждения поверхности. Важно отметить, что если поглощающая способность материала низкая, его пропускающая способность высока, и наоборот. Изменение поглощающей способности или пропускающей способности влажных материалов в зависимости от длины волны трудно оценить без экспериментальных данных. Для многих материалов коэффициент пропускания выше при более низких длинах волн. Пищевые продукты, например, представляют собой сложные смеси различных крупных биохимических молекул и полимеров, неорганических солей и воды, и полосы поглощения каждого из этих компонентов неодинаковы. Как правило, многие влажные материалы имеют минимальную поглощательную способность на тех длинах волн, где вода имеет максимальную прозрачность.

По мере сушки высушиваемый материал претерпевает изменение своих радиационных свойств, увеличивая свою отражательную способность и, следовательно, снижая поглощательную способность при низком содержании воды. Тогда можно соответствующим образом изменить температуру излучателя, чтобы улучшить поглощение излучения во время сушки.

Коэффициент пропускания уменьшается с увеличением толщины слоя, тогда как поглощательная способность увеличивается.

У инфракрасной сушки есть свои преимущества и недостатки. На самом деле ИК-сушка имеет не мало положительных качеств, основным из которых является сокращение времени сушки. Кроме того, ИК-сушка предлагает решение проблем, которые в прошлом казались неразрешимыми, например, связанных с переносом летучих органических соединений из красок на основе растворителей с отходящим горячим воздухом в обычных конвективных сушилках.

Преимущества инфракрасной сушки

Можно выделить следующие преимущества инфракрасной сушки пищевых продуктов:

• универсальность ИК-нагрева;
• простота необходимого оборудования;
• экономия энергии;
• высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую для электрических инфракрасных излучателей;
• излучение проникает непосредственно в продукт, не нагревая окружающую среду.
• равномерный нагрев продукта;
• простота программирования и управления циклом нагрева для различных продуктов, а также адаптация к изменяющимся условиям;
• выравнивание профилей влажности в продукте и низкая порча продукта;
• простота управления;
• ик-источники недороги по сравнению с диэлектрическими и микроволновыми источниками; имеют длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы;
• направленные характеристики, позволяющие сушить выбранные части крупных предметов;
• занимает мало места и легко адаптируется к ранее установленным обычным осушителям;
• дешевая технология.

Недостатки инфракрасной сушки

• масштабирование нагревателей не всегда просто;
• инфракрасные сушилки – это поверхностные сушилки. Тем не менее, предпринимаются большие усилия для усовершенствования этой технологии, чтобы приспособить ее для сушки толстых материалов;
• испытания оборудования должны проводиться на заводе, чтобы гарантировать успешную разработку;
• при проектировании и эксплуатации необходимо учитывать потенциальную опасность возгорания. 

Применение инфракрасных сушилок

ИК-нагрев широко используется в промышленности для поверхностной сушки или обезвоживания тонких листов, таких как текстиль, бумага, пленки, краски и т. д. В частности, в автомобильной промышленности наиболее успешным является ИК-обжиг для нанесения краски на металл. Еще одним сектором, в котором инфракрасный нагрев играет важную роль, является целлюлозно-бумажная промышленность. Применение инфракрасной энергии для сушки расширилось от более ранних промышленных применений до обработки пищевых продуктов и волокон.

Основное коммерческое применение инфракрасного нагрева в настоящее время заключается в теплопередаче во время воздушной сушки зерна, кусочков овощей, хлопьев рыбы или лапши или для обезвоживания жидких пищевых продуктов в вакуумно-импульсных и сублимационных сушилках.

Одним из применений, где длинноволновый ИК-нагрев наиболее эффективен, является обезвоживание пищевых продуктов. Однако уже давно известно, что инфракрасное излучение в основном является поверхностным осушителем, подходящим для сушки краски, бумаги и тонких слоев растворов, и, таким образом, одним из основных недостатков применения к фруктам и овощам заключается в том, что их размер не должен превышать 5 мм, чтобы они были достаточно сухими. ИК-обработка однородна только в случае плоских и тонких материалов; следовательно, для пищевых материалов толщиной в несколько миллиметров дифференциальное поглощение белками, жирами, углеводами и водой влияет на равномерность сушки. Еще один момент, который следует учитывать при сушке термочувствительных материалов, заключается в том, что если параметры ИК-излучения не оптимизированы должным образом, их поверхность может перегреться, что приведет к ухудшению качества. Поэтому бережный нагрев возможен только при проведении процесса сушки при более низкой температуре, то есть для сушки в вакууме или сублимационной сушки. Методы сушки, работающие под вакуумом, имеют трудности с передачей тепла из-за отсутствия молекул для осуществления конвекции или плохого контакта для проведения которые легко преодолеваются с помощью инфракрасного нагрева.

Японская пищевая промышленность использует этот тип нагрева для сушки морских водорослей, соуса карри, моркови, тыквы и других продуктов. Другими важными применениями инфракрасного нагрева в пищевой промышленности являются приготовление соевых бобов, злаков, какао-бобов и орехов, приготовление риса, бекона и ячменных зерен, тушения мяса и жарки, стерилизации и пастеризации.  ИК-сушка в сочетании с конвекцией или вакуумом становится популярной. Кроме того, сочетание лучистого нагрева в вакууме является технически правильным процессом для сушки пастообразных продуктов, и тонко нарезанных мяса, овощей и фруктов.