Aero-vibrofluidizációs mikrohullámú szárító-mérőegység.

Átírás

1 Aero-vibrofluidizációs mikrohullámú szárító-mérőegység. Szabó Gábor 1 Ludányi Lajos 2 Forgács Endre 1 Beszédes Sándor 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Szegedi Élelmiszeripari Főiskolai Kar. 2 Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, Repülőműszaki Intézet, Szolnok A fluidizációs technológiák széles körű alkalmazása közismert előnyeinek köszönhető, ugyanakkor egyes anyagtulajdonságok (nagy szemcseméretek, tapadásra való hajlam stb.) a fluidizált állapot létrehozását gátolják, vagy emiatt a rétegben rendellenességek lépnek fel (buborék képződés, csatornásodás, csomósodás stb.), melyek a műveletben lejátszódó folyamatok egyenletességét rontják. A fluidizációs anomáliák megszüntethetők vagy legalábbis csökkenthetők a berendezés kedvező áramlástani kialakításával, vagy mechanikai energiaközléssel. A mechanikai energiabevitel egy lehetséges módja a szemcsés anyaghalmaz vibráltatása, vagyis az ún. vibrofluidizációs réteg előállítása. A gyakorlatban a gázfluidizációs műveletek kiegészítéseként alkalmazzák, amelynek során az anyagot hordozó gázelosztó rács vibráltatásával történik a mechanikai energiaközlés a fluidizált halmazzal, melynek együttes eredményeként létrejön az aero-vibrofluidizációs réteg. Az aero-vibrofluidizációs rétegben megvalósított élelmiszeripari műveletek (pl. szárítás, agglomerálás, instantizálás stb.) számos előnyöket biztosítanak a gyakorlatban, amelyek a következők: az impulzusátadással közölt vibrációs energia a szemcsés anyaghalmazban egyenletesen terjed, ami irányított szemcsemozgást biztosít; az aero-vibrofluidizációs rétegben kialakuló egyenletes rétegkeveredés és intenzív szemcsemozgás kedvező hő- és anyagátadási feltételeket hoz létre; az egyenletes rétegkeveredés és intenzív szemcsemozgás a műveleti idők jelentős csökkentését eredményezi; az aero-vibrofluidizációs réteg létrehozása esetén a fluidizációs gázsebesség csökkenthető, így csökken a szálló-por veszteség és ezzel együtt a levegő-szennyeződés mértéke; a közölt energia mennyiségileg folyamatosan és jól szabályozható, ami automatikus vezérlést tesz lehetővé; a vibrációt megvalósító egység viszonylag egyszerű konstrukció. 209

2 Az aero-vibrofluidizációs rétegben lejátszódó hő- és anyagtranszport folyamatok intenzifikálására a konvektív hőközlést mikrohullámú hőközléssel kombinálják. Az így megvalósított eljárással nemcsak a műveleti idők csökkenhetők, hanem olyan irányított szemcseképződési folyamat játszódik le, amely jelentősen javítja a végtermék tulajdonságait és kívánt minőségű terméket eredményez. Az aero-vibrofluidizációs rétegben megvalósított hibrid konvektív-mikrohullámú energiaközlés alacsony hőmérsékletű, kíméletes kezelést biztosít és új lehetőséget teremt korszerű, környezetkímélő eljárások kidolgozására. Az egyik ilyen lehetőség olyan eljárás megvalósítása, amelynek során a hetero diszperz szemcsehalmaz újranedvesítéses agglomerálásával és az azt követő szárítással egyidejűleg a koncentrált mikrohullámú energia-bevitel bizonyos feltételek esetén előidézi a kezelt anyag összcsíraszámának csökkenését is. Az egyidejűleg lejátszódó műveletek során (újranedvesítéses agglomerálás-szárításcsíraszám csökkentés) a megfelelő hő- és anyagátviteli gradiens folyamatos fenntartásához azonban homogén, egymódusú elektromágneses téreloszlás biztosítása szükséges oly módon, hogy ezzel egyidejűleg biztosítható legyen a mikrohullámú energia-bevitel szintjének változtatása, az anyag tulajdonságaihoz igazodó, célszerűen megválasztott technológiai stratégia végrehajtásához. (Szabó, Rajkó 2001.) A cikk szerzői, a Szegedi Tudományegyetem Szegedi Élelmiszeripari Főiskolai Karán egy aero-vibrofluidizációs, mikrohullámú szárító és mérő rendszert fejlesztettek ki. A rendszer a következő feltételeket teljesíti: üzemi frekvencia : 2, 45GHz; hangoló szondákkal biztosított illesztett becsatolás; 100 W-ól 700 W-ig folyamatosan és szakaszosan változtatható magnetron-teljesítmény; az üregrezonátorban, mint szárítókamrában homogén elektromágneses téreloszlás (alapmódusú rezonátor); a konvektív szárítócsatornával együttműködve a szárító levegő átáramlásának illetve a fluidizáció kialakulásának biztosítása a téreloszlás megbontása nélkül; a rezonátorkamrára tervezett iránycsatolóval a P h -haladó, P v -visszavert teljesítmények mérésével a fluidréteg fluktuáló mozgásának, illetve a szárítmányban elnyelődött P d - disszipált teljesítménynek a meghatározása; 210

3 a mért értékek alapján a szárítmányra jellemző Γ-reflexiós tényező és ε -abszorpciós tényező meghatározása; a mért adatok on-line számítógépes feldolgozása és a fuzzy logikán alapuló paramétermérés és szabályozás megvalósítása. A feltételek teljesítése a tervező és kivitelező munkát több részre osztotta, úgy mint a változtatható magnetron teljesítményt biztosító tápegység, a homogén téreloszlást és az abszorpciós tényező mérhetőségét biztosító üregrezonátor, a különböző teljesítmények (P h, P v, P d ) és a Γ-reflexiós tényező mérhetőségére szolgáló iránycsatoló, valamint az egyéb járulékos egységek (hűtőrendszer, réteghőmérséklet mérés, kiemelő mechanizmus) kialakítására. Az elkészült rendszer az 1. ábrán, blokkvázlata a 2. ábrán látható: 1. ábra: Az aero-vibrofluidizációs mikrohullámú szárító-mérőberendezés 211

4 2. ábra: A mérőrendszer mérési blokkvázlata Az ábra jelölései közül az L db, C db, D db paraméterek az iránycsatolót, a P h, P v, P d, Γ t, Z t, ε adatok pedig a szárítmányt jellemzik. A mérőrendszer működése a teljesség igénye nélkül a következő: a 2, 45GHz-es mikrohullámú energia a H 10 terjedést biztosító négyszögletes csőtápvonalon és a méretezett teflon illesztőéken keresztül jut be az alapmódusú (E 010 ) hengeres üregrezonátorba. Ekkor az elektromos tér ( E ) párhuzamos a henger szimmetriatengelyével, amely nem gerjeszti a hosszanti vizsgálónyílásokat, a lezáró perforációt és a szárítmány könnyű cserélhetőségét is biztosító hullámcsapdát. (Ludányi, 2001.) A kör keresztmetszetű tápvonalakban az E 01 -terjedés feltétele, hogy (D/L) 2 >0,97 kell, hogy legyen, ahol D-a tápvonal átmérője, L-a tápvonal vizsgált hossza. Ekkor viszont a rögzített λ g /4-méretű hullámcsapda miatt csökken a vizsgáló rések hosszmérete és a térben az E 01 mellett a H 11 alapmódus is terjed, amely ugyanakkor gerjeszti a vizsgáló réseket, a hullámcsapdát és a perforációt is. Ezért a lezáró perforációtól számított λ T (H 11 )/4-távolságra d= λ g /π átmérőjű rezonáns gyűrűt, mint H 11 -módusszűrőt kell alkalmazni, miközben a mikrohullámú energiabecsatolás és a lezáró perforáció távolsága λ T (E 01 )/2 kell, hogy legyen, ahol λ T -tápvonal hullámhossz. Így kiszűrve a káros H 11 -terjedést a munkatérben, a rezonátor hossztengelyével párhuzamos E -vektorú E 01 -módus terjed, a faláram szintén párhuzamos a vizsgáló résekkel, azokat nem gerjeszti. 212

5 A méretezett hangoló szondák a csőtápvonal és az üregrezonátor illesztésére szolgálnak, megakadályozva a magnetronra jutó káros visszaverődést. Az iránycsatoló a kereszt alakú méretezett csatolórésen keresztül a terjedési iránytól függően P h -haladó irányú, illetve P v - visszavert irányú mikrohullámú teljesítményeket csatol ki a teljesítménymérők szondáira. A mért teljesítménnyel arányos analóg kimenő jelek interfészen keresztül a mérő számítógépre kerülnek. A berendezés bemérését követően különböző szemesterményekkel (búza, kukorica, bab) végeztünk szárításokat. Az első időszakban többnyire fluidizáció nélküli, csak mikrohullámú energiaközléssel történtek a mérések. Ezt követően, kísérletképpen nedves babbal, különböző szárítási üzemmódok vizsgálatát végeztük. A mérés-sorozat feladata a következő kérdések tisztázása volt: Milyen szárításbeli különbségek detektálhatók csak mikrohullámú illetve kombinált (mikrohullám+aero-vibrofluidizációs) szárításnál? A fluidizáció létrejötte milyen hatással van a P v (t) idősorra? A víztartalom-vesztést súlyméréssel, a hőmérsékletet infrahőmérővel mértük. A szárítmányon átáramló levegő szobahőmérsékletű (22 o C) volt és a tömegáramot a ventilátor szívóoldalán egy pillangószeleppel változtattuk. A 3. és 4. ábrán a szárítmány hőmérséklete és súlyvesztesége látható különböző szárítási üzemmódnál a szárítási idő függvényében. Tátl., o C Lev.+Vibr.(Sz=90) Mik. Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45-90) időx1,5min 3. ábra: A szárítmány hőmérséklete különböző szárítási üzemmódnál az idő függvényében. 213

6 Gátl.,g Lev.+Vibr.(Sz=90) Mik. Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45-90) időx1,5min 4. ábra: A szárítmány súlya különböző szárítási üzemmódnál az idő függvényében. Ahogy az várható volt, a csak mikrohullámú szárítás magas szárításvégi hőmérsékletet eredményezett, amelyhez nem párosult intenzív súlyvesztés. Mivel nem volt levegő átáramoltatás, a nedvesség-elvonás csak a külső rétegekből történt. A különböző szelep beállításokhoz (22 o,45 o,60 o,90 o ) egyre nagyobb levegő tömegáram tartozott, amely a hőmérsékletek csökkenésében és a súlyvesztés növekedésében nyilvánult meg (5. ábra): 60 Gv,g Lev.+Vibr.(Sz=90) Mik. Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=60) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=90) T, o C 5. ábra: A szárítmány súlyvesztesége a hőmérséklet függvényében, különböző szárítási üzemmódnál 214

7 Ha az ábra pontozott vonalát vizsgáljuk, látjuk, hogy a legjobb szárítási eredményt a kombinált üzemmódnál, 60 o illetve 90 o -os szelep beállításnál kapjuk. Ekkor a legnagyobb a szárítmány súlyvesztése átlagosan 27 o C-os kimeneti hőmérséklet mellett. Szárítás közben mértük a P v (t) visszavert teljesítménnyel arányos villamos feszültséget is (6. ábra): U(Pv), m V Mik.1 Mik.2 Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=60) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=90) idő, s 6. ábra: A visszavert teljesítménnyel arányos feszültség az idő függvényében különböző szárítási üzemmódnál Az ábrából szintén megállapítható, hogy a csak mikrohullámú szárítás kis visszavert, azaz nagy elnyelt illetve disszipált teljesítményt mutat, tehát a magas hőmérséklet ebből származik. A 22 o -os szelepállás már bizonyos fokig fellazítja a réteget, néhány szem a légáram hatására már eltávolodik a mintától, amely növekvő visszaverődést eredményez. Tovább növelve a légáram nagyságát kapjuk a nagy értékű, fluktuáló jellegű visszavert jeleket. Mint ismeretes a szárítmányban disszipált teljesítmény (P d ): P d = P h - P v A reflexiós tényező pedig, amely megadja, hogy milyen mértékű a visszaverődés a szárítmányról (Γ t ): Γ t = Pv P h Az idősor elemzése kapcsán felmerül néhány kérdés: hogyan lehetséges az, hogy nagy visszavert, azaz kis disszipált teljesítmény mellett (P h =áll.) a súlyvesztés nagyobb, mint például a 22 o -os szelep-beállítás esetén, ahol már intenzív a légáram, de még kicsi a visszavert jel? A nagy visszavert jel azért van, mert a légáramban véletlenszerűen mozgó szemek 215

8 berepülnek az iránycsatoló generáló rése elé, és ezekről verődik vissza a mikrohullám, vagy az intenzíven mozgó halmaz megváltoztatja az üregrezonátor geometriáját, ezzel a rezonancia-frekvenciáját, amely szintén visszaverődéssel jár? Mekkora teljesítmény nyelődik el valójában? Ezen bonyolult kérdések megválaszolása a közeljövő feladata, de már most látszik, hogy a visszaverődés detektálásának van előnyös oldala is, nevezetesen a fluidizáció létrejöttének indikálása (7.,8.,9. ábrák): 7. ábra: A visszavert jel spektruma csak mikrohullám üzemmódnál 8. ábra: A visszavert jel spektruma kombinált (SZ=45 o ) üzemmódnál 216

9 9. ábra: A visszavert jel spektruma kombinált (SZ=90 o ) üzemmódnál A vibrolap rezgési frekvenciája és a fluidréteg fluktuáló mozgása mintegy "ráül" a visszavert teljesítmény P v (t)-idősorára, együtt a lassú lengésű, szárítmányra jellemző idősorra. A termisztor fej inerciájától függő szűrés létrejöhet a vibrolap frekvenciájára vonatkozóan, így a detektált P v (t)-idősor a két hasznos jelsorozatot tartalmazza, melyek jellemzőek a szárítmányra és a fluidréteg fluktuáló mozgására. Ezeket spektrumanalizátoron megjelenítve hasznos információkat kaphatunk az aero-vibrofluidizációs mikrohullámú szárítási technológia ezideáig nyitott kérdéseire. Irodalom: Ludányi L.: Mikrohullámú szárító-mérő berendezés kifejlesztése. 4. Magyar Szárítási Szimpózium, Mosonmagyaróvár, p L. Ludányi: Study of Intermittent and Continuous-mode Microwave Drying. Műszaki Kémiai Napok '01, Veszprém, p Pallai I.-né, Göllei A., Ludányi L., Vass A., Szijjártó E.: Mezőgazdasági magvak mikrohullámú energiaabszorpciójának mérése. Műszaki Kémiai Napok 03. Veszprém, Konferencia Kiadvány. I. Pallai, L. Ludányi, A. Vass, A. Göllei: Investigations to Enforce Advantages of the Use of Microwave Energy at Heat Treatments of Food Products.V. Nemzetközi Élelmiszertudományi Konferencia, Szeged, Konferencia Kiadvány. G. Szabó, L. Ludányi, R. Rajkó, E. Forgács: Recent Developments of Combined Microwave- Assisted Hot-Air Vibrofluidised Bed Drier with Homogeneous Distribution of Electromagnetic Field. The 4 th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Budapest, May 27-30,