A mikrohullámú energiaabszorpció tanulmányozása mezőgazdasági magvak mikrohullámú és kombinált szárítása kapcsán Ludányi Lajos1- Göllei Attila2- Pallainé Varsányi Erzsébet3Vass András3- Szijjártó Erika3 1
Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, Bólyai János Katonai Műszaki Főiskolai Kar, Szolnok 2 Veszprémi Egyetem, Automatizálási Tanszék, Veszprém 3 Kaposvári Egyetem, Műszaki Kémiai Kutató Intézet, Veszprém Bevezetés A szárítási művelet , amely a legtöbb gyártási technológia végső, minőséget döntően meghatározó lépése közismerten idő- és energiaigényes. Vonatkozik ez, gyakran fokozott mértékben, a mezőgazdasági termények, magvak szárítására is, mivel a tárolhatósághoz, a minőség megőrzéséhez elengedhetetlen az általában 23-35% között változó nedvességtartalom meghatározott mértékű lecsökkentése. Gabonafélék szárítására leggyakrabban konvektív szárítókat alkalmaznak, amelyekben a száradási idő a szárító típusától, és a szárítási kapacitástól függően néhány tíz óra nagyságrendben mozog. A konvektív szárítók egyik hátránya az alacsony száradási (hő-, és anyagátadási) sebesség, amely a száradás előrehaladtával tovább csökken a hővezetőképesség csökkenése folytán. További hátrány a nedvesség egyenlőtlen eloszlása a mag belsejében, amely rosszabb minőséget eredményezhet. Dielektromos szárítással ezek a hátrányok kiküszöbölhetők. A mikrohullámú hevítés során a hő a mag belsejében keletkezik a vízmolekulák szelektív elektromágneses energia-abszorpciója következtében, és az anyag egész térfogatában felmelegszik. Számos vizsgálati eredmény tanúsítja a mikrohullámú gabonaszárítás előnyét (1-4), kiemelve egyrészt a jobb szárítmány minőséget, másrészt a szárítás összköltségének csökkentését a rövidebb száradási idő, valamint a kisebb energiafelhasználás révén. A mikrohullámú szárítással foglalkozó tanulmányok jelentős része továbbá hangsúlyosan foglalkozik (5-7) a kombinált (konvektív és mikrohullámú) hevítés előnyeivel, különösen a minőségre gyakorolt pozitív hatásokkal. Ez utóbbira példa a termék mikrostruktúrára gyakorolt kisebb termikus stresszhatás. A mikrohullámú technika ipari alkalmazását megelőzően igen fontos a szárítás optimális lefolyását biztosító szárítási, valamint mikrohullámú paramétereknek, így például a disszipált mikrohullámú teljesítménynek a meghatározása. Vizsgálataink célja mezőgazdasági szemestermények mikrohullámú és kombinált szárítása kapcsán a különböző magvak által abszorbeált és hővé alakult (disszipált) mikrohullámú teljesítmény mérés útján történő meghatározása, a disszipált teljesítmény időbeni változásának tanulmányozása volt. A vizsgálatokat a disszipált mikrohullámú teljesítmény mérésére alkalmas mérőrendszerrel összekapcsolt, e célra kifejlesztett kombinált ( konvektív recirkulációs és mikrohullámú) szárítóban végeztük. A disszipált mikrohullámú energia A mikrohullámok kibocsátása vagy abszorpciója csak diszkrét quantumok fotonjai útján mehet végbe. Energiaátvitel az elektromos térből az anyagba csak abban az esetben
– 103 –
jöhet létre, amennyiben a foton energiája megegyezik a molekula alap-, és valamely más megengedett energiaszintje között fennálló energiakülönbséggel. Az abszorbeált mikrohullámú energia átalakulása az anyagban hővé különböző komplex energia átadási mechanizmusok révén létrejövő kölcsönhatás eredménye. A mikrohullámú energia-abszorpció tehát elsősorban anyagfüggő. A tökéletes elektromos vezetők, illetve szigetelő anyagok között foglalnak helyet az ún. „veszteséges dielektrikumok”, amelyek általában összetett anyagok, mint pl. vizet tartalmazó mezőgazdasági szemestermények, élelmiszerek, olajok, fa, stb. Ebbe a csoportba tartozó anyagok a mikrohullámú térben mikrohullámú energiát képesek abszorbeálni, amely energia az anyagban „molekuláris súrlódás” következtében hővé alakul. Az anyagok viselkedését a mikrohullámú térben elsősorban dielektromos tulajdonságuk határozza meg. A gyakorlati alkalmazás szempontjából legfontosabb jellemzők: εr ’ a vákuum permittivitására vonatkoztatott dielektromos állandó (a komplex permittivitás valós része), ’’ a dielektromos veszteségtényező ( a komplex permittivitás imaginárius része), εr ε∗ = εr’- jεεr’’a komplex permittivitás. ( A komplex permittivitás azt fejezi ki, hogy a dielektrikum belsejében a töltések nem mozognak szabadon, a külső tér polarizáló hatását molekuláris súrlódás csillapítja. Az εr’’ képzetes rész azért negatív, mert a tér létrehozására az anyagba befektetett energia a tér megszűnésekor nem térül vissza teljes egészében, hanem egy része disszipálódik, hővé alakul.) tgδ δ a veszteségszög tangense, tgδ δ = εr’’/εεr’. (A veszteségszög tangense mértéke az energia disszipációt előidéző képességnek.) σ elektromos vezetőképesség σ = ω ε0 εr’’, ahol ω = 2π πf a váltakozó elektromos tér körfrekvenciája (Hz), ε0 pedig a vakuum permittivitása (dielektromos állandója.) A dielektromos tulajdonságokat befolyásoló tényezők Az anyagok dielektromos jellemzői különböző tényezők hatására változhatnak. Ezek a tényezők az elektromos mező frekvenciája, a hőmérséklet, a sűrűség, az anyag mikroszerkezete, az elektromos és termikus vezetőképesség, a fajhő. A víztartalom ugyancsak jelentős, meghatározó tényező. A folyékony állapotú víz jó példája a poláros dielektrikumnak, dielektromos állandója szobahőmérsékleten: 78. Azonban nedves anyagokban a víz folyékony állapotban ritkán fordul elő, gyakrabban fizikai adszorpció eredményeképpen a pórusos anyag kapillárisaiban, üregeiben van jelen, esetleg kémiai kötéssel kapcsolódik más molekulákhoz. Az anyag szerkezetétől függően különböző erősségű kötési formák jöhetnek létre., amelyek energia és dielektromos tulajdonság tekintetében térnek el egymástól. Alacsony nedvességtartalom esetén ( a kritikus nedvességtartalom alatt ) a víz kötött formában van jelen. A kötött víz dielektromos veszteségtényezője igen kicsi, mivel nem képes szabadon forogni az elektromágneses tér hatására. Jelenleg csak kismértékben ismertek azon nedves anyagok dielektromos jellemzői, amelyek eltérő mikroszerkezettel rendelkeznek, és a vizet különböző kötési formákban tartalmazzák.
– 104 –
A legfontosabb dielektromos jellemzők hőmérséklet-függése víz esetében a következő (8): ε’ (T) = 87-0,36T ε”(T) = 283/T-1,17 tg δ(T) = 1/T (1,82*10-9*f-1,2)
(1) (2) (3)
Az anyag térfogategységében abszorbeált és hővé alakult (disszipálódott) mikrohullámú energia függése az anyag dielektromos jellemzőitől, valamint a mikrohullámú (elektromágneses) tér adatoktól: az elektromos térerőtől (E V/m), és a frekvenciától(f) Metaxas és Meredith (9) alapján: Pd = 2π πf ε0 ε’’ E2 = 2π πf ε0 ε’ tgδ E2 (4) Tekintettel arra, hogy a dielektromos jellemzők hőmérséklet-függőek, következésképpen az abszorbeált és hővé alakult disszipált energia is függ a hőmérséklettől., amint azt az Almássy (10) által javasolt összefüggés mutatja: Pd = 55,63 * 10-14 *f * E2 * ε’’ (T), ahol
(5)
ε’’ (T) = ε’ (T) * tgδ δ (T) MacDowell (11) szerint a disszipált energiának az alábbi közelítő összefüggéssel számított értéke elfogadható egyezést mutat a kísérleti adatokkal: Pd = 0,5126 *
ε ' * tgδ δ * PM, ahol
(6)
PM a rendelkezésre álló mikrohullámú teljesítmény, vagyis a magnetron kimenő teljesítménye. A (6) összefüggés tehát azt jelenti, hogy a disszipált energia egyenesen arányos a veszteségszög tangensével, ami viszont hőmérsékletfüggő. Tulajdonképpen mind az ε’, mind pedig a tgδ függ a hőmérséklettől, azonban a tgδ változása a hőmérséklet függvényében a legjelentősebb. A nemlineáris hőmérséklet-függések is rámutatnak arra, hogy a disszipált mikrohullámú energia a szárítási, hőkezelési műveletek során változó hőmérséklet hatására jelentős mértékben, és igen összetett módon változik. Bengtsson és Risman vizsgálati eredményei alapján a dielektromos veszteségtényező változását a nedvesség függvényében különböző hőmérsékleteken, illetve a hőmérsékletfüggést különböző nedvességtartalmak esetén az 1. és 2. ábrákon szemléltetjük. Mint azt az 1. és 2. ábrák görbeseregeinek lefutása mutatja nagy nedvességtartalom esetén a hőmésékletnövekedés dε’’/dT < 0-t, alacsonyabb nedvességtartalomnál pedig dε’’/dT > 0 –t eredményez. Ez azt jelenti, hogy nedves anyagok mikrohullámú hőkezelése, szárítása során a mikrohullámú energia abszorpció csökkenése, majd növekedése következhet be a nedvességtartalomtól, a víz kötési módjától, az anyag szerkezetétől, valamint a hőmérséklet változásától függően. Az eddigi elemzések alapján –jóllehet nem tértünk ki a frekvencia, az anyag fajsúlya, fajhője, tömege, alakja, stb. által gyakorolt, ugyancsak jelentős változásokramegállapítható, hogy a dielektromos tulajdonságok, és ennek következtében a mikrohullámú energia abszorpció függése a különböző tényezőktől ugyancsak
– 105 –
rendkívül összetett. Meghatározott mikrohullámú hőkezelési, szárítási feladat kapcsán a disszipált energia értékére vonatkozó megbízható adat a legtöbb esetben csak mérések alapján nyerhető. 0,01
dε "/dT
0,005 T1 T2
0 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
-0,005
T3 T4
-0,01
-0,015
Nedvességtartalom (%)
1.ábra dεε”/dT változása a hőmérséklet és nedvességtartalom függvényében
2. ábra A dielektromos veszteségtényező függése a hőmérséklettől A mezőgazdasági magvak többkomponensű, gyakran bonyolult szerkezetű anyagok, amelyek különböző kötési energiákkal megkötött vizet tartalmazhatnak. Vizsgálataink és fejlesztési tevékenységünk arra irányult, hogy ezen szemes termények ( búza, rizs, kukorica, mustármag, borsó, köles ) mikrohullámú hőkezelési, szárítási feladatainak célszerű, előnyökkel járó megoldásához segítséget nyújtsunk a disszipált mikrohullámú energia mérésére alkalmas készülék összeállításával, illetve mérési módszer kidolgozásával. A mikrohullámú generátor és a disszipált energia mérésére szolgáló rendszer kétféle applikátorhoz, úgy mint a hagyományos kockaalakú kezelőtérhez, valamint egy nagylaboratóriumi kombinált (gejzír-rendszerű-konvektív, + mikrohullámú ) szárítóhoz egyaránt csatlakoztatható volt.
– 106 –
A kockaalakú applikátorban a mikrohullámú vizsgálatokat megelőzve a Műszaki Kémiai Kutató Intézetben kifejlesztett módszerrel meghatároztuk a kezelőtérben a mikrohullámú energiaeloszlást, illetve a kezelőtér azon részét, amelyben az energiaeloszlás a legegyenletesebb, az enegiaszint lehetőség szerint maximális, vagyis alkalmas a kezelendő minta elhelyezésére. A módszer egyik fő előnye, hogy az energiaeloszlás mérése ugyanazon anyaggal végezhető, amely anyagnak mikrohullámú kezelésére éppen sor kerül. További előny, hogy a mérés tetszés szerint finomítható, ezáltal pontos kép nyerhető az energiaeloszlásról a kezelőtér függőleges és vízszintes szintjeiben egyaránt. A szemestermény mintát teflonedénybe töltöttük, a minta mennyisége 250-300g , a magnetron kimenő teljesítménye 160W volt ( lásd az 1. táblázat adatait). A gejzír-szárító működési elvét bemutató vázlat a 3.ábrán látható.
c b
b
a
3.ábra A gejzír-szárító működési elve A gejzír-szárító működési elve a következő: A szemcsés anyaggal megtöltött szárító kúpos aljában, a kerület mentén kialakított réseken nagy sebességgel, tangenciálisan lép be a szárítóba a meleg levegő. Hatására a készülékaljban levő szemcsés anyag forgó mozgást végez és intenzív érintkezés jön létre a szárítólevegő és a szemcsék között, aminek következtében a szemcsék már e térrészben lényegében megszáradnak. A szárító függőleges tengelye mentén működtetett ház nélküli szállítócsiga biztosítja a réteg cirkulációs mozgását a szárítón belül. Ílymódon a készülékaljban javarészt megszáradt szemcsék a szállítócsiga terébe kerülnek és a réteg felszíne felé szállítódnak. Eközben a száradás tovább folytatódik, illetve befejeződik. A réteg tetején a szemcsék körkörösen visszaesnek és a szállítócsiga tere körül tömörebb csúszóréteget alkotva ismét a készülékaljba jutnak. Szakaszos szárítás esetén az ismertetett cirkulációs pályát
– 107 –
a szemcsék a száradási időigény szerint többször, vagy kevesebbszer teszik meg. Folyamatos üzemű szárításnál a nedves szemcsés anyagot a kúpos készülékalj felett, a tömör csúszó-rétegbe adagolják, míg a száraz termék elvételét a rétegfelszín magasságában valósítják meg. Ez a szárítórendszer igen egyszerűen és jól szabályozható. A szemcse-tartózkodási idő a rétegmagasság és a szállítócsiga forgássebességével, a száradási sebesség a szárítólevegő térfogati sebességével és hőmérsékletével, továbbá a rétegmagassággal, valamint ugyancsak a szállítócsiga forgássebességével változtatható. Az egyenletes, szabályos szemcsemozgás egyenletes termékminőséget eredményez. A belső szállítócsiga biztosítja a réteget alkotó szemcsék cirkulációs mozgását, így a levegő mennyisége kizárólag a szárítás igénye szerint választható meg. A szárító számítógépes szabályzással (légmennyiség, hőmérséklet szabályzás), adatgyűjtő és rögzítő rendszerrel van ellátva. A kombinált szárító működési elve: A 2,45 GHz-es mikrohullámú energia négyszögletes csőtápvonalon és méretezett teflon illesztőéken keresztül jut az alapmódusú hengeres üregrezonátorba (a gejzír szárítóba). A mikrohullám becsatlakozás a szárító kúpos alja felett, a hengeres szárítótest alján van kiépítve. A hengeres szárítótest perforált fém árnyékolással van körülvéve. A szárító belsejében, a függőleges tengely mentén beépített teflon szállítócsiga biztosítja a szemes terményből álló réteg recirkulációs mozgását. A kombinált szárítóban lehetőség van kizárólag mikrohullámú szárításra, hőkezelésre, továbbá levegős szárítás és egyidejű mikrohullámú hőkezelés megvalósítására, valamint kizárólag szárítólevegő átáramoltatással lefolytatott szárításra is. A szárítási művelet mért, szabályzott paraméterei: a levegő térfogati sebessége, a belépő és kilépő levegő hőmérséklete; mért értékek : a szemcserétegben kialakuló hőmérséklet, valamint a belépő, és kilépő levegő páratartalma.
4.ábra Kombinált (gejzír+mikrohullámú) szárító – 108 –
A disszipált mikrohullámú teljesítmény mérése A mérés alapját a kezelőtérbe belépő (PM) teljesítmény, és az anyag által abszorbeált és hővé alakult, disszipált teljesítmény (Pd) különbségének, azaz akezelőtérből kilépő visszavert teljesítménynek (Pv)-nek a mérése képezte. A (Pd) disszipált teljesítmény a PM ismert, valamint a (Pv) mért értékével az alábbiakban bemutatott számítással meghatározható. A mérési összeállítás az 5.ábrán látható.
FdB 7 dB-es CSILLAPÍTÓ CdB 38 dB IRÁNYCSATOLÓ
TERMISZTOR FEJ MULTIMÓDUSÚ REZONÁTOR T,°C
TÁPEGYSÉG
HANGOLÓ
GENERÁTOR ME-32, RS 232
TELJESÍTMÉNY MÉRŐ
Pvm
K=
mW 10mW = 0,0833 120mV mV
U(PV)
5.ábra Mérési összeállítás a multimódusú kockaalakú rezonátor esetén A mérőrendszer ismertetése: Tápegység: A készülék tápegységével 0-800W közötti teljesítmény állítható be potenciométer segítségével. Működés közben a tápegység a hálózatból 1200-1500W villamos teljesítményt vesz fel. Generátor egység: Magnetron 2,45GHz fix frekvenciával, 4kV anódfeszültségű, 0,25A anódáram egység. Üzemi hőmérséklete 70-80°C. A magnetron a túlmelegedés elkerülése érdekében lég- és vízhűtéssel van ellátva. A generátor egység kimenetére egy 38 dB csillapítású iránycsatoló van illesztve. Ez a visszavert teljesítmény mérés érdekében mérőszonda kimenettel rendelkezik. Ez után van beépítve az ötpontos hangoló csonk a hullámimpendancia illesztésére λ/8-as távolságokkal. A hangoló teflon illesztőékkel csatlakozik a multimódusú kockaalakú applikátorhoz, illetve az alapmódusú kombinált szárítóhoz. Applikátor egységek: Multimódusú kockaalakú rezonátor, illetve az alapmódusú kombinált szárító. A mérés menete: Fixen beállított magnetron teljesítmény (PM) mellett mértük az applikátorból visszaverődött, el nem nyelt teljesítményt (Pvm). A teljesítmény méréséhez az iránycsatoló mérőszonda kimenetét használtuk egy 7dB csillapítású illesztővel. A
– 109 –
mérőműszer EMG-1383 típusú mikrohullámú teljesítménymérő volt. Ezen csillapítás után 0-10mW méréshatárban mértük a visszavert teljesítményt. A mért teljesítmény görbék számítógépes illesztését egy ME-32 típusú multiméterrel oldottuk meg. A multiméterhez mellékelt mérőprogram segítségével rögzítettük a mérési értékeket. A multimódusú kockaalakú rezonátorban, illetve az alapmódusú kombinált szárítóban végzett mérések körülményeit, a mért (Pvm) értékeket és a számított disszipált teljesítmény adatokat (Pd) az 1.táblázatban foglaltuk össze. Mérés száma
030507 4 030513 2 030528 2 030513 1 030515 1 030528 1 030514 1
Kezelt anyag
Kiind. Hőkezelés nedvtart időtartam . a (%) (perc)
Kezelési mód
levegő+ mh levegő+ mh
PM (W )
Fajlagos teljesítmén y (W/g)
Vl (m3/h )
(mW)
P vm
Pd
(W)
60 0 60 0 60 0
0,2
30
6,291
0,24
35
6,355
0,24
-
6,461
levegő
-
-
35
-
50
levegő+ mh
0,2
35
7,132
17,52
22
mh
60 0 60 0
0,2
-
6,158
16,92
50
levegő
-
35
-
-
0,64
-
10,67 4
92,7
0,64
-
11,23 8
89,1
búza
18,86
22
búza
20,12
42
búza
19,88
22
mh
búza
20,12
60
rizs
16,92
rizs rizs
030319 2
búza
14
30
030331 1
kukoric a
9,75
29
-
mh (kocka 16 alakú applikátor 0 ) mh (kocka 16 alakú applikátor 0 )
PM – bemenő mikrohullámú teljesítmény Pvm - a visszavert teljesítmény átlaga
401, 1 399, 1 395, 7 374, 5 405, 3
Vl – a szárító levegő térfogatárama Pd - disszipált teljesítmény átlaga
1.táblázat A multimódusú kockaalakú rezonátorban és az alapmódusú kombinált szárítóban végzett mérések összefoglalása A táblázatban összefoglalt adatok alapján megállapítható, hogy a disszipált mikrohullámú teljesítmény a kockaalakú multimódusú rezonátor esetén a magnetron kimeneti teljesítményének 55-56%-a, míg a kombinált alapmódusú szárítóban 65-67%. Példa a Pd disszipált mikrohullámú teljesítmény számítására: Alapösszefüggések: Pd = PM – PV; PV = PM - Pd Csillapítások:
– 110 –
CdB = 38dB = 10 lg PV/ PV* PV* = a visszavert teljesítmény a 38dB csillapítás után FdB = 7dB = 10 lg PV* /Pvm PV = 10
CdB
10
* 10
FdB
10
* Pvm = 103,8 * 100,7 * Pvm = 104,5 * Pvm
PV [W] = 104,5 * Pvm * 10-3 = 3,162 *104 * Pvm * 10-3 = 31,62 * Pvm A 0305132 számú, búzával végzett mikrohullámú mérés adataival számolva: PM = 600W Pvm = 6,355 mW
PV = 31,62 * Pvm = 31,62 * 6,355 = 200,95W ≅ 201W Pd = PM – PV = 600-201 = 399W = disszipált teljesítmény t = 42 perc = 0,7 óra A disszipált energia: Ed = Pd * t = 399 * 0,7 = 279Wh Példaképpen bemutatunk két „ Pvm–idő” mérési görbét. A 6.ábra a multimódusú rezonátorban rizs mikrohullámú hőkezelésére vonatkozik, míg a 7.ábrán az alapmódusú kombinált szárítóban levegő átáramoltatás mellett végzett mikrohullámú szárítás során mért Pvm értékek alapján szerkesztett „ Pvm – idő” görbét mutatjuk be.
8,4 8,35 8,3
Pvm (mW)
8,25 8,2 8,15 8,1 Pvm 8,05 8 0
1
2
3
4
5 6 Idő (perc)
7
8
9
10
11
6.ábra Rizs (10,3% nedvtart.) mikrohullámú szárítása multimódusú rezonátorban PM = 240W; W/g = 0,83
– 111 –
7,2 7
Pv (mW)
6,8 6,6 6,4 6,2 Pv (mW)
6 5,8 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Idő (perc)
7.ábra Búza mikrohullámú szárítása kombinált szárítóban PM = 600W; W/g = 0,24 Mint az a 6-7. ábrák görbéinek lefutásán látható, a visszavert, illetve a disszipált teljesítmény értékek időbeni változása a görbén jellegzetes lengéseket eredményez. Figyelembe véve az 1. és 2. ábrákon feltüntetett veszteségtényező-hőmérséklet és veszteségtényező-nedvességtartalom összefüggéseket, megállapítható volt, hogy nagy nedvességtartalom esetén a hőmérséklet növekedés dε” /dT<0, alacsony nedvességtartalomnál pedig dε” /dT > 0. A disszipált energia-idő görbén látható lengések elemzéséhez tekintsük továbbá a 8.ábrát:
8.ábra Magyarázó ábra a lengési tulajdonság elemzéséhez A besugárzás kezdetekor az induló nedvességtartalom nagy és q0 értékű volt, amely T0T1 hőmérséklet-növekedés időtartamáig nem változott, emiatt az ε” csökkent, így ε& " 〈0 .
– 112 –
A T1-hőmérséklet eléréséhez szükséges hőmennyiség miatt T1-érték környezetében kipárolgás indult el, amely ugyanakkor hőelvonással járt, tehát T1-érték körül a hőmérésklet állandósult. A párolgás nedvességtartalom csökkenést jelentett q0-értékről egy alacsonyabb, de pozitív iránytangensű q1-re, ahol ε& " 〉0 lett (nevezzük nedvességi inflexiós pontnak). Az újabb T1-T2 hőmérséklet emelkedés a továbbiakban a q1 nedvességtartalom-függvényen futott végig, eközben egy másik inflexiós pont ( ε& " = 0) jött létre, ezt a hőmérséklet emelkedés okozta és nevezzük hőmérsékleti inflexiós pontnak. A továbbiakban pedig ε& " 〈0 a T2 értékig, újabb kipárolgás indult, T2 állandósult, q1 csökkent q2-re , ε& " 〉0 lett, és így tovább. Tehát a lengésekből arra lehetett következtetni, hogy: -szárítás közben az állapotváltozók (q és T) diszkrét állapotterűek voltak; -az ε& " inflexiós pontjai felváltva q-tól és T-től függtek. A lengések dinamikája a dε” /dT < 0-ból dε” /dT > 0-ba ( és fordítva) való változások inflexiós pontjai alapján értelmezhetők. A 9. ábra a nedvességtartalom időbeni változását mutatja be az alapmódusú kombinált szárítóban végzett mikrohullámú, illetve kizárólag konvektív (levegős), valamint egyidejű levegő átáramoltatás és mikrohullámú szárítás esetén. A kísérleti körülményeket (rétegsúly, magnetron teljesítmény, a levegő térfogati sebessége) a különböző szárításoknál értelemszerűen állandó értéken tartottuk. A konvektív szárításnál a belépő levegő hőmérsékletét 40°C-ra szabályoztuk, míg a kombinált szárítást szobahőmérsékletű (25°C) levegővel végeztük. A magnetron kimenő teljesítménye mind a kombinált, mind pedig a kizárólag mikrohullámú szárításnál 600W volt. Mint látható, a száradási sebesség lényeges javulása érhető el a kombinált szárítás alkalmazásával, még környezeti hőmérsékletű levegő átáramoltatás esetén is. A kombinált szárítással kapcsolatos eredmények pontosítása, az energetikai összevetés további vizsgálatokat igényel.
Nedvességtartalom (%)
21 20
0513/1 Nedvtart (%) L
19
0513/2 Nedvtart (%) L+MH 0528/2 Nedvtart (%) MH
18 17 16 15 14 13 12 0
10
20
30 40 Idő (perc)
50
60
70
9.ábra A nedvességtartalom időbeni változása kombinált szárítóban végzett szárítások során
– 113 –
Összefoglalás Az előadásban ismertetett kutatási tevékenység célja a visszavert mikrohullámú energia mérésére alkalmas mérési rendszer összeállítása, a mért értékekből a disszipált mikrohullámú energia számítási módszerének kidolgozása volt mezőgazdasági magvak szárítása kapcsán. A mikrohullámú szárításokat egyrészt multimódusú kockaalakú applikátorban, másrészt a kutatás-fejlesztési tevékenység eredményeképpen kialakított kombinált (konvektív+mikrohullámú) alapmódusú rezonátorban, azaz szárítóban végeztük. Megállapítást nyert, hogy a disszipált mikrohullámú teljesítmény változása a szárítás folyamán jellegzetes lengéseket eredményez a disszipált teljesítmény-idő görbén. Elemezve a lengéseket, arra a következtetésre jutottunk, hogy -szárítás közben az állapotváltozók (q és T) diszkrét állapotterűek, valamint, hogy -az ε& " inflexiós pontjai felváltva q-tól és T-től függenek. A lengések dinamikája tehát a száradás folyamán a dε” /dT < 0-ból dε” /dT > 0-ba ( és fordítva) való változások inflexiós pontjai alapján értelmezhetők. Összehasonlító szárításokat végeztünk továbbá a kombinált szárítóban, azaz konvektív úton levegővel, majd kizárólag mikrohullámmal, valamint levegő és mikrohullám egyidejű alkalmazásával. Az eredmények alapján megállapítható volt a kombinált szárítás előnye a konvektív, illetve a kizárólag mikrohullámú szárítással szemben, különös tekintettel arra, hogy környezeti hőmérsékletű levegőt vezettünk be a szárítóba, mégis jelentős száradási sebesség növekedés következett be. Természetesen igen fontos a kondenzáció elkerülése érdekében a levegő mennyiségének, a magnetron kimenő teljesítményének az összehangolása. Az eredmények pontosítása azonban további vizsgálatokat igényel. Irodalom (1) Jansen, W., van der Wekken, B.: Modelling of Dielectrically Assisted Drying; Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol.26 No.4, 1991 (2) Shivhare, U.S., Raghavan, G.S.V., et al.: Microwave Drying of Corn, part II: Constant Power, Continuous Operation; ASAE Transactions, Vol.35, pp.951-958., 1992 (3) Shivhare, U.S., Raghavan, G.S.V., et al.: Microwave Drying of Corn, part III: Constant Power, Intermittent Operation; ASAE Transactions, Vol.35, pp.959962., 1992 (4) John, C.St. and Otten, L.: Thin-layer Microwave Drying of Peanuts; Canadian Agric. Engng., Vol.31, pp.265-270., 1989 (5) Riva, M., Schiraldi, A., et al.: Drying of Agaricus bisporus Mushrooms by Microwave-Hot Air Combination; Lebensm.Wiss.u.-Technol. 24. 479-183, 1991 (6) Decareau, R.V. (Ed.): Microwave Food Processing Industry; New York: Academic Press. Pp.79-112, 1985 (7) Salek, J.: Heat and Mass Transfer Studies in Fluidized Beds Combined with Microwaves for the Dehydration of Food Materials; Ph.D. thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1986 (8) Kegel, K.: Villamos Hőtechnikai Kézikönyv; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978 (9) Metaxas, A.C. and Meredith, R.J.: Industrial Microwave Heating; Peter Peregrinus, London, 1983 (10) Almássy, Gy.: Mikrohullámú Kézikönyv; Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1973 (11) MacDowell, J.F.; Am.Ceram.Soc.Bull. 63,282, 1984
– 114 –
