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微波真空十燥过程中的传热与传质

2022-07-21
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微波真空十燥过程中的传热与传质

微波真空干燥机本身是一种能量形式而不是热量形式,但是在电介质中可以转化为热量。能量转换的机理有多种,如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、核磁共振等。其中离子传导和偶极子转动是介质加热的主要机理。

①离子传导 带电粒子在外电场作用下被加速,并沿着与它们极性相反的方向运动即定向迁移,在宏观上表现为传导电流。这些离子在运动过程中将与其周围的其他粒子发生碰撞,同时将动能传给被碰撞的粒子,使其运动加剧。如果物料处于高频交变电场中,物料中的粒子就会发生反复的变向运动,致使碰撞加剧,产生耗散热(或焦耳热),即发生了能量转化。

②偶极子转动 根据电介质的极性可将电介质分为两类:非极性分子电介质和极性分子电介质。在外电场的作用下,由非极性分子组成的电介质的分子的正负电荷将发生相对位移,形成沿着外电场作用方向取向的偶极子,因此在电介质的表面上将出现正负相反的束缚电荷,在宏观上称该现象为电介质的极化,这种极化称为位移极化。而极性分子在外电场的作用下,每个分子均受到力矩的作用,使偶极子转动并取向外电场的方向,这种极化为转向极化。外电场强度越大,偶极子的排列越整齐。

当电介质置于交变的外电场中,则含有非极性分子和有极性分子的电介质都被反复极化,偶极子随电场的变化在不断地发生“取向”(从随机排列趋向电场方向)和“弛豫”(电场强度为零时,偶极子又恢复到近乎随机的取向排列)排列。这样,由于分子原有的热运动和相邻分子之间的相互作用,使分子随外电场转动的规则运动受到干扰和阻碍,产生“擦效应”,使一部分能量转化为分子热运动的动能,即以热的形式表现出来,使物料的温度升高,即电场能被转化为热能。

水是最典型的极性分子,湿的物料因为含有水分而成为半导体,此类物料除转向极化外,还发生离子传导(一般地,水中溶解有盐类物质)。在微波频率范围,偶极子的转动占主要地位;低频率时,离子传导占主导地位。

微波干燥和普通干燥(包括热风干燥和真空干燥等)过程中的热量传递的方向和水分迁移的方向。普通干燥时,湿物料的温度梯度和含水率梯度,二者方向相反,即湿物料中的传热和传质方向相反。微波干燥时,湿物料的温度梯度和含水率梯度,二者方向一致,也即湿物料中的传热和传质方向是相同的。

微波真空干燥设备干燥过程中,物料内部产出热量,传质推动力主要是物料内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯度。如果物料开始很湿,物料内部的压力升高得非常快,则液体可能在压力梯度的作用下从物料中排出。初始含水量越高,压力梯度对湿分排除的影响也越大,也即有一种泵的效应,驱使液体向表面。在真空条件下,由于低压强使得水的沸点降低,加快了水的蒸发速度,同时由于蒸发冷却,物体表面温度要低于内部温度,加快了物料内的水分移动和蒸发速度。

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