A MIKROHULLÁMÚ GABONASZÁRÍTÁSI FOLYAMAT EGYES JELEMZŐI AZ ELEKTROMÁGNESES PARAMÉTEREK FÜGGVÉNYÉBEN SZENT ISTVÁN EGYETEM Gépészmérnöki Kar Jármű- és Hőtechnika Tanszék Beke János - Bihercz Gábor ÖSSZEFOGLALÁS. Tanulmányunkban a mikrohullámú tér elektromágneses polarizációjának a szemes kukorica száradási folyamatára gyakorolt hatását vizsgáltuk. A vízelvonási műveletet 2.45 GHz-es mikrohullámú térben végeztük. A vizsgált mintákat szemes kukoricából készített mátrixok alkották. Több kukoricaszemet ragasztottunk fel műanyag lapokra ugyanolyan irányban, majd ezeket a lapokat egymáshoz rögzítettünk. A műanyag lapok és a ragasztó anyagát úgy választottuk meg, hogy az a mikrohullámú térrel szemben indifferens legyen. A minták megfelelő pozícionálásával különböző polarizációs szögeket állítottunk be. A kukoricamátrix megfelelő mozgatásával lehetőség nyílt az adóantenna és a minta közötti távolság hatásának elemzésére is. A kísérletek azt mutatták, hogy a mikrohullámú térben elhelyezkedő nedves szemben meghatározó az ion polarizáció, a száradási sebesség pedig az elektromos tér térerősségvektorának és a szem eredő nedvesség gradiensének viszonyától függ. Kulcsszavak: mikrohullámú szárítás, polarizáció, száradási sebesség
1.
BEVEZETÉS
Mint ahogyan azt már számos korábbi kísérlet bizonyította, a termények mikrohullámú szárításánál az alapvető probléma az, hogy azok olyan összetett élő szervezetek, amelyek reakciója a kezelési eljárással szemben nehezen határozhatók meg. Köztudott, hogy a szemben a belső nedvesség vándorlás az embrió felé irányul, amely irányt víztengelynek neveznek. Mivel a mikrohullámú energia mechanizmusának hatása, valamint a szárított anyagban keletkező hő a dielektrikum polarizációjának típusától függ. Így megállapítható, hogy a mező polarizációja és a szárított anyag víztengelye által bezárt szög a dehidrációs folyamat jól meghatározható eleme, amennyiben mikrohullámú szárításról van szó.
2.
TUDOMÁNYOS HÁTTÉR
Számos tanulmány egyetért abban [1], hogy a termények nem mutatnak izotrópikus tulajdonságokat, valamint a belső felépítésük sem homogén. A szárítás szemszögéből a szem meghatározó részei a külső (epidermis) és belső (pericarpium) maghéjak, a tápláló szövet (endospermium) és a csíra (embrió). Ezen magrészeknek eltérő a felépítése és a vízháztartása is. A korábbi kísérletek szerint [2] a betakarítási időszakban a szem nedvesség vesztése majdnem független időjárási körülményeitől. A betakarítás után a szemek addig száradnak le, amíg elérik a higroszkópos nedvességtartalmat [3]. Kimutatták, hogy ebben az időszakban a
szemcséknek magas a szénhidrát veszteségük, miközben széndioxid és víz keletkezik. Ez a folyamat hőtermeléssel jár. Jelentős különbségeket lehet kimutatni a szem összetevők víztelenítési folyamatai között. Ezen kísérletek szerint [4] az endospermiumok génbankjának összetétele jelentős befolyással van a szárítási sebességre. A diffúzivitás vizsgálatánál [5] a szerző a kísérletei alapján levezette, hogy a diffúziós tényező a szem kémiai összetevőitől (zsír és nyersrost tartalom) sokkal inkább függ, mint a felületétől. Azt is megállapították [6], hogy a nedvesség közel 80%-a az embrió közelében hagyja el a magvat. A mikrohullámú szárítás esetében a szárítási folyamat első szakaszában valamennyi száradási sebesség görbénél töréspont található [7]. Ez egyértelmű bizonyíték arra, hogy ebben a szakaszban a dielektrikum mikrohullámú energiájának adszorpciója nem egyenletes. A legvalószínűbb magyarázatot erre a magvak egyenetlen belső felépítése adhatja. A nagyfrekvenciás mező alapvető tulajdonsága, hogy hatása a mező jellemzőitől függ, de minderre befolyással van a mikrohullámú térbe helyezett anyag tulajdonsága is. A nagyfrekvenciás elektromágneses mező jellemzőinek és a dielektrikum tulajdonságainak hatását a következő kiegészítő Maxwell egyenlettel lehet leírni: D = ε o ε rE
(1)
ahol E: az elektromos térerősség vektora, ε0: a vákuum abszolút permittivitása, εr: a dielektrikum relatív permittivitása és D: az elektromos eltolás vektora. Ez azt jelenti, hogy a (dielektrikummal telített) mező térereje E/ε0εr-re nő, így a homogén elektromos mező energiája a következő módon írható fel:
W=
1 ε o ε r E 2 = ED 2
(2)
A homogén elektromos mező energiája a mező irányába fordítja a dipólusos molekulákat. A dielektrikum polaritását az elektromos mező térereje okozza, amely azt jelenti, hogy a polarizáció vektora arányos E-vel: P=χE,
(3)
ahol χ dielektrikum szuszceptibilitása, azaz a dielektrikum polarizálhatósága. A polarizáció foka nagyban függ a frekvenciától és a dielektrikum tulajdonságaitól. Következésképpen különböző típusú polarizációk léphetnek fel a dielektrikumban (elektron, atom, orientációs vagy ionos és térfogati polarizáció). A termények veszteséges dielektrikumként foghatók fel, és a veszteséges dielektrikum a következő módon csillapítja a közvetített keresztirányú elektromágneses hullámokat [7]: A = αl = 0.91 ε r tg δfl
(4)
A (4) egyenletben az A az átviteli csillapítást jelenti, továbbá az α a csillapítási tényező, l a rétegvastagság, tgδ a veszteség tangense, és f a frekvencia. Homogén dielektromos térben a disszipációs erő (Pd) a következő egyenlettel határozható meg:
2 Pd = ωε o kE eff
(5)
ahol ω szögsebesség, és k a dielektrikum veszteség tényezője. Nem folytonos dielektrikum esetén az energia egy része (normál irányú, Wpn) – amely a közvetítő antenna szimmetria tengelyében lévő anyag felületét éri – a közölt energiából (Wem) Lambert távolságtörvénye alapján a következő módon számítható: Wpn =
Wem d2
(6)
Amennyiben az anyag az antenna szimmetrikus síkjából kilép, akkor az anyag felületét érő valós energiaérték (Wpn) az elméleti energiaértékből Lambert koszinusz tételével a következő módon számítható: Wp=Wpncosϕ
(7)
A (6) és (7) egyenletekben a Wem a közölt energiát jelenti, d az antenna és az anyag közötti távolságot, ϕ pedig az antenna szimmetriasíkja és az anyag által bezárt szöget. A fent leírtak alapján feltételezhető, hogy a szárítási folyamatot a mező jellemzői és a mikrohullámú térbe helyezett anyag fizikai jellemzői mellett a vizsgált minta helyzete és a polarizáció is jelentősen befolyásolja.
3.
A MÉRŐ BERENDEZÉS ÉS A MÉRÉSI MÓDSZER
A kísérleti berendezés vázlata [9] a 3. ábrán látható. A mérő rendszer fő elemei az 1 kW-os és 2.45 GHz-es magnetron (MAG), a mikrohullámú vezérlőegység (MCU), amellyel a mikrohullámú teljesítmény 0-1000 W-ig változtatható. A detektorok (DET) segítségével az elnyelt, visszavert és az áteresztett energia mérhető, valamint a disszipált energia kiszámítható. Precíziós mérleg (PMM) méri folyamatosan a minta tömegét és egy plotter (PMS) gondoskodik a mért adatok megjelenítéséről. A minták a két antenna között találhatók. Ezek távolsága az adó antennától (EMA) 0,075λ (egységnyi távolság) és 0,375λ között változik az antennák szimmetriatengelyében. A minták mozgatása a keresztirányú antenna síkjától számítva 15 fokonként történt, amíg a 45 fokot el nem érte. Vizsgálati anyagként Pioneer típusú hibridet használtunk a mintában (PI 3910), amelynek a kezdeti nedvességtartalma X=0,47 kg/kg volt. A térbeli kukorica mátrixot (1. ábra) alacsony permittivitású műanyag lapok tartották össze. A magvak azonos irányban helyezkedtek el a mátrixban, de a mátrix helyzete a polarizációs mezőhöz képest 0 és 90° között 15°-onként változott. A mátrixnak a berendezésben való pozícionálása a 2. ábrán látható. A vizsgálathoz az első feladat az volt, hogy meghatározzuk az optimális antenna távolságot. Ez egy fontos paraméter, mivel a szárításhoz magas mikrohullámú energia szükséges és a megfelelő energiaszint biztosításához az antennák távolságát a lehető legkisebbre kell beállítani. Kis távolság esetén a két antenna közötti kölcsönhatás túl erős, ezért megnő a visszaverődés, és továbbá az átviteli csillapítás perturbációját okozza. A mért eredmények
alapján az antennák optimális távolsága 5/4λ=153 mm volt. A berendezés és a nedves anyag viszonyát a fáziseltolódás és az átviteli veszteség mérésével határozható meg.
1. ábra Kukorica mátrix
2. ábra A kukorica mátrix a mikrohullámú berendezésben
SPA
RHM
ABS SCR MCU MAG
MSA
EMA
MSU FCC
MPS
DMM
DET
A20
PMM A30
MPM
3. ábra A berendezés vázlata. SPA: spektrumvizsgáló, ABS: abszorber, SCR: félmerev kábel, MSA: mikrohullámú antenna, MSU: nedves anyag, RHM: sugárzásveszély-érzékelő, FCC: rugalmas koax kábel, A20, A30: feszültségosztók, MPM: mikrohullámú teljesítménymérő, DMM: digitális multiméter
4. ábra. Száradási sebesség a sugárzó antennától való távolság függvényében és a szárítási idő párhuzamos polarizációnál, ha a minta a sugárzó antenna szimmetriatengelyében van.
4.
EREDMÉNYEK ÉS KIÉRTÉKELÉS
A 4. ábrán a mért száradási sebesség értékei láthatók, amelyeket párhuzamos polarizációnál az antenna szimmetriatengelyében mértünk. A keresztpolarizációs adatokat pedig az 5. ábra mutatja. Könnyen belátható, hogy a száradási sebesség a sugárzó antennától mért távolság függvényében változik, és fordítottan arányos a távolsággal. Ennek oka az, hogy amennyiben a mintát a sugárzó antennától távolítjuk, a hatásos teljesítmény csökken, amely hasonló jelenséget okoz a száradási sebességben is. Hasonló jelenség figyelhető meg, ha a mintákat az antennák függőleges síkjából kimozdítjuk (6. és 7. ábra).
5. ábra. Száradási sebesség a sugárzó antennától való távolság függvényében és a szárítási idő keresztirányú polarizációnál, ha a minta a sugárzó antenna szimmetriatengelyében van.
A 4., 5., 6. és 7. ábrák alapján megállapítható, hogy a száradási sebesség párhuzamos polarizációnál sokkal nagyobb (30-40%-kal), mint a keresztirányú polarizációnál. Ezek alapján kijelenthető, hogy a polarizáció iránya meghatározó. Így a kapott eredmény nyilvánvaló, mivel a vízmolekulák maximális szögelfordulása párhuzamos polarizáció esetén következik be, továbbá mert a molekula forgási szöge és a belső hőtermelés között egyenes arány van. Mivel a magvakban a kapillárisok az embrió felé vezetnek, az eredő nedvesség gradiens iránya egybeesik a magvak hossztengelyével. Amennyiben az adó antennától mért 0,075λ távolságot egységnek tekintjük, akkor ebből egy dimenzió nélküli távolság (δ) származtatható. Ugyanúgy a dimenzió nélküli száradási sebesség is deriválható, ha a száradási sebesség értékét elosztjuk annak maximumával. Az eredmények statisztikai kiértékelése a 8. ábrán látható. Ebből kiderül, hogy a polarizáció jellegétől függetlenül a száradási sebesség és a dimenzió nélküli távolság között lineáris a kapcsolat. Valószínű, hogy a szögtényező a szárítandó anyag tulajdonságaitól függ, ám a pontos viszony meghatározásához az anyag tulajdonságai és a szögtényezők között több vizsgálat szükséges.
6. ábra. A száradási sebesség a sugárzó antenna függőleges síkjától mért szög függvényében párhuzamos polarizáció esetén.
7. ábra. A száradási sebesség a sugárzó antenna függőleges síkjától mért szög függvényében keresztirányú polarizáció esetén.
8. ábra A száradási sebesség a polarizációs szög és a nedvességtartalom függvényében
9. ábra. Relatív szárítási sebesség a dimenzió nélküli távolság függvényében (egység: 0,075λ)
10. ábra. Relatív szárítási sebesség a polarizációs szög függvényében.
Hasonló eredményhez jutunk, ha a mért eredményeket a szögelfordulás függvényében fejezzük ki. Amennyiben a száradási sebességet a cosϕ függvényében ábrázoljuk, akkor egyenes vonalat kapunk. Ez nagy valószínűséggel bizonyítja, hogy a szimetriasíkhól kimozdított anyag száradási sebessége koszinusz függvény szerint változik (9. ábra). Így belátható, hogy a száradási idő a polarizációs szög függvényében Lambert koszinusz törvénye alapján meghatározható. Azonban figyelembe kell venni, hogy az anyag tulajdonságainak tényleges behatásának meghatározásához további kísérletek szükségesek. Amennyiben a tér egy pontján ismert a polarizációs szög akkor a szárítási sebesség meghatározható. A mikrohullámú csillapítás (A) és a fáziseltolás (Φ) méréséhez vektoranalizátort alkalmaztunk, amely az EMA és MSA csatlakozóinál található (3. ábra), amennyiben a magnetron ki van kapcsolva. Míg a mért A és Φ nem egyenes arányban változik a nedvességtartalommal, a párhuzamos és merőleges polarizációra jellemző Φ aránya lineáris volt. A folyamatos nedvesség mérés és a mikrohullámú szárítás legnagyobb problémája a nedves anyag visszaverő képességének változása. Beállítás után azonban ez becsülhető.
5.
KÖVETKEZTETÉSEK
A mikrohullámú mezőbe helyezett nedves terményekben az ion polarizáció a meghatározó, és a szárítási sebesség az elektromos mező erővektorának és a mag eredő nedvesség gradiensének viszonyától függ. A sugárzó antennától mért távolság növelésével a terményben elnyelt mikrohullámú energia és a szárítási sebesség lineárisan csökken. A szárítási sebesség a polarizációs szög függvényében (a nedvességáramlás iránya és az elektromos mező erővektora közötti szög függvényében) koszinusz-függvény szerint változik. A párhuzamos és a merőleges polarizációnál mért fáziseltolások aránya egyenes arányban van a nedvességtartalommal.
6.
IRODALOMJEGYZÉK
[1] Bocz, E., Szántóföldi növénytermesztés, Mezőgazda Kiadó, Budapest,1992 [2] Beke, J.: A szemes kukorica szárítás folyamatának elemzése, Akadémia Kiadó, Budapest, 1999. [3] Bauer, J.H., Physikalische Gesetze der Körnerkühlung Ernährungsolienst, Lindau, 1-4.,1967 [4] Nass, H.G., Crane, P.L., Effects of Endosperm Mutants on Drying Rate in Corn. Crop, Science, pp.142-144, 1970 [5] Neményi, M., Energiatakarékosan szárítható kukoricahibridek jellemzői, Budapest, Akadémiai Kiadó, 1988 [6] Beke, J., Vas, A., Testing the Drying Process of Shelled Corn on Aspects of Nutritional Quality and Thermal Efficiency, Drying Technology, Special Issue, New York,. 5.pp. 1007-1027, 1994
[7] Beke, J., Mujumdar, A.S., Bosisio, R.G., Drying of fresh and rewetted shelled corn in micro-wave fields., Drying Technology, New York, 1-2., pp. 463-476., 1995
INFLUENCE OF SOME ELECTROMAGNETIC PARAMETERS OF MICROWAVE FIELD ON GRAIN DRYING PROCESS SZENT ISTVÁN UNIVERSITI Faculty of Mechanical Engineering Department of Automotive and Termodinamics
Beke, János – Bihercz, Gábor ABSTRACT. During this paper the effect of electromagnetic polarization of microwave field was analyzed on the drying process of shelled maize. The dewatering process was investigated in microwave field of 2.45 GHz. Shelled corn matrices were used as test materials. A number of maize kernels with the same orientation were stocked on plastic plates and these plates with corn kernels on their surfaces were fixed to each other, creating the corn matrix. Plastic plates and glue used to the experiments were indifferent, related to the applied microwave power. Rotating test materials the influence of different polarization angles of electromagnetic field could be registered. Furthermore, setting test material in different positions the effect of distance between the aerial and the corn matrix were observed. The experiments carried out showed that in moist crops placed into microwave field the ion polarization is the dominant and the drying rate depends on relationship between the electric field strength vector and the overall moisture gradient of kernel.
