MIKROHULLÁMÚ SZÁRÍTÓ-MÉRŐBERENDEZÉS KIFEJLESZTÉSE. Dr. LUDÁNYI LAJOS

Átírás

1 MIKROHULLÁMÚ SZÁRÍTÓ-MÉRŐBERENDEZÉS KIFEJLESZTÉSE Dr. LUDÁNYI LAJOS Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Katonai Műszaki Főiskolai Kar Fedélzeti Rendszerek Tanszék 5008 Szolnok, Kilián út 1. Tel.: , Fax: A jelenleg szinte kizárólagosan alkalmazott konvektív vízelvonási módok elméleti és gyakorlati korlátait az elmúlt években lefolytatott kutatómunkát nagy vonalakban feltárták. Ezek a kutatási eredmények egy része már a gyakorlatba is bevonult. Amint az köztudott a konvektív szárítás kialakulását elsősorban megvalósíthatóságának és üzemeltetésének egyszerűsége motiválta. Másodrendű kérdés volt a szárítmány beltartalmi értékének alakulása és a berendezés energiafelhasználása. A mai közgazdasági környezetben előtérbe kerültek többek között a környezetvédelem és az automatizálás kérdései is E feladatok megoldása viszont a konvektív technológia mellett csak bizonyos kompromisszumok vállalásával lehetséges. Kézen fekvő tehát új, a hagyományostól jelentősen eltérő, például mikrohullámú technológiák elméleti megalapozása. Az ezirányú kutatómunkák többsége főként az energiaátvitel új formáit, illetve annak a szárítmányra és a vízelvonó folyamat jellemző paramétereire gyakorolt hatását vizsgálja. Mint ismeretes a konvektív szárítás hőátadó és felvevő közege maga a szárító levegő. A szárítmány beltartalmi értékeire is a levegő állapot-változói alapján következtethetünk.( Dr. Beke,1997) Azonban a mikrohullámú szárítás esetén a levegő nem a hőátvitel, hanem az elektromágneses tér terjedési közege. Az energiaátvitelt pedig nem ezen közeg állapota, hanem a szárító kamra elektromágneses térstruktúrája és ennek a szárítmánnyal való kölcsönhatása határozza meg. A konvektív szárításnál másodlagos kérdésként kezelt beltartalmi érték alakulás a mikrohullámú technológiánál elsőrendűvé, a mikrohullámú kezelések bio-rendszereken történő alkalmazásának alaptémájává vált. Mindenképpen vizsgálni kell a szárítmány beltartalmi értékét, a túl hosszú ideig, illetve túl nagy intenzitással kezelt élő anyag szárítmányok (pl.: magok, gyümölcsök stb.) károsodásának kezelési határait, hiszen ezek a tényleges gyakorlati alkalmazást kizáró faktorok lehetnek.( Dr. Ludányi, 1999) A cikk szerzője a Nyugat-Magyarországi Egyetem Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézetével közösen egy mikrohullámú szárító és mérő rendszert fejlesztett ki egy OMFB-pályázat kapcsán. A mérő rendszer a következő feltételeket teljesíti: üzemi frekvencia, 2,45 GHz; illesztett becsatolás; 100 W-tól 700 W-ig folyamatosan változtatható magnetron-teljesítmény; 1

2 az üregrezonátorban mint szárítókamrában homogén elektromágneses téreloszlás (alapmódusú rezonátor); a konvektív szárítócsatornával együttműködve a szárító levegő átáramlásának biztosítása a téreloszlás megbontása nélkül; a rezonátorkamrára tervezett iránycsatolóval a P h -haladó, P v -visszavert teljesítmények mérésével a szárítmányban elnyelődött P d -disszipált teljesítmény meghatározása; a mért értékek alapján a szárítmányra jellemző Γ-reflexiós tényező és ε -abszorpciós tényező meghatározása; a mért adatok on-line számítógépes feldolgozása. A feltételek teljesítése a tervező és kivitelező munkát három részre osztotta: a változtatható magnetron teljesítményt biztosító tápegység, a homogén téreloszlást és az abszorpciós tényező mérhetőségét biztosító üregrezonátor, valamint a különböző teljesítmények (P h, P v, P d ) és a Γ-reflexiós tényező mérhetőségére szolgáló iránycsatoló kialakítására. Az elkészült rendszer blokkvázlata az 1. ábrán, a vázlatos röntgenrajza a 2. ábrán látható: 1. ábra. A mikrohullámú szárító-mérő rendszer blokkvázlata 2

3 A mérőrendszer működése a teljesség igénye nélkül a következő: a 2,45 GHz-es mikrohullámú energia a H 10 terjedést biztosító négyszögletes csőtápvonalon és a méretezett teflon illesztőéken keresztül jut be az alapmódusú (E 011 ) hengeres üregrezonátorba. Ekkor az elektromos tér ( E ) párhuzamos a henger szimmetriatengelyével és merőleges a perforált lezáró lapokra. Ezzel egyidejűleg két feltétel teljesül, egyrészt az 3

4 elektromos tér párhuzamos a szárítmányt tartalmazó teflon mérőtállal és lehetővé teszi a dielektromos állandó mérését, másrészt nem gerjeszti a perforáció réseit, ezáltal nem változtatja meg a rezonátorban kialakuló elektromágneses tér homogenitását. A méretezett hangoló szondák biztosítják a csőtápvonal és az üregrezonátor illesztését 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 teljesítménymérők védelme érdekében a szondák fix, 5 db-es csillapítókon keresztül biztosítják a kisteljesítményű mikrohullámú jeleket a műszerekre. A mért teljesítménnyel arányos analóg kimenő jelek interfészen keresztül a mérő számítógépre kerülnek. A rendszerrel elvégezhető mérések adatainak feldolgozása a következő összefüggések felhasználásával lehetségesek ( Dr. Ludányi, 2000),(3. ábra): az iránycsatoló csillapítása (L db ) L P M db = 10lg (1) Pd ahol P M magnetron teljesítmény P d a szárítmányban disszipált teljesítmény csatolási tényező (C db ) C P M db = 10lg (2) ahol P h a szárítmány felé haladó teljesítmény irányhatás (D db ) DdB = 10lg (3) P v ahol P v a szárítmányról visszaverődő teljesítmény a szárítmányban disszipált teljesítmény (P d ) P d = P h - P v (4) reflexiós tényező, amely megadja, hogy milyen mértékű a visszaverődés a szárítmányról (Γ t ) Pv Γ t = (5) a detektált haladó, illetve visszavert teljesítmény (P h det., P v det ) 2 det = ± Γt Pz (6) 2 Pv det = Pz ± Γt ahol P z az iránycsatoló záróirányú csatolt teljesítménye és P v =Γ 2 t P h a szárítmány hullámellenállása (Z t ) 1+ Γt Zt = Z0 T (7) 1 Γt ahol Z 0T tápvonal hullámellenállás, jelen esetben: 489 Ω a szárítmány mint dielektrikum energia-felvételét jellemző abszorpciós tényező (ε ) = P d 2 ε " 14 55,6 10 E f (8) ahol E elektromos térerő 4

5 f üzemi frekvencia A dielektromos állandó függ a mérési frekvenciától és ez a komplex dielektromos állandóval adható meg: * ' " ε = ε jε (9) ahol ε * - komplex dielektromos állandó ε az ε * valós része ε az ε * képzetes része az ε, ε ιs a tgδ vesztesιgi szög közötti összefüggés: " ε tgδ = (10) ' ε A fenti összefüggések 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 szαrítmányt jellemzik. A (10) összefüggésben a tgδ-veszteségi szög és ε -permittivitás nedvességtartalom és hőmérsékletfüggő, ezért a nedvességtartalom változást digitális mérleggel, a hőmérsékletet egy alkalmasan megválasztott nyílással, infrahőmérővel lehet megmérni. 5

6 A mérőrendszer leszállítása és beüzemelése után több, mint 20 mérésből álló mérési sorozatot végeztünk. Ezeknek elsődleges feladata a rendszer behangolása és különböző rezonátor-terhelések vizsgálata volt. Végeztünk méréseket üres, terheletlen és vízzel terhelt állapotokban. Ezek alapján állítottuk be a hangoló szondákat, mértük a különböző teljesítményeket, melyeket RS 232 interfésszel és egy DIGISCOPE-nevű szoftverrel dolgoztunk fel. A mért adatok a 4., 5., 6., 7. ábrán láthatóak: mv U1vt U2vt U1ht U2ht idő x 16s 4. ábra. Haladó és visszavert szintek terhelt rezonátornál a besugárzási idő függvényében mw t átl. Pvt átl. ü Pvü idő x 16s 6

7 5. ábra. Haladó és visszavert teljesítmények terhelt és terheletlen rezonátornál a besugárzási idő függvényében 7

8 Γ, Γ 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, idő x 16s Uvt/Uht Pvt/t 6. ábra. Feszültség és teljesítményreflexiós tényezők a besugárzási idő függvényében W, Ω t,w Pvt,W Pd,W ü,w Pvü,W Zt,ohm idő x 16s 7. ábra. P h, P v, P d, és Z t értékek terhelt és terheletlen rezonátornál a besugárzási idő függvényében A cikk terjedelme nem teszi lehetővé a tervezés menetének teljes körű leírását, illetve az összes mérés adatainak elemzését, ezért a 7. ábra idősorára térünk ki részletesebben. Az ábrán a mért és a korábbi összefüggésekkel meghatározott P h (t), P v (t), P d (t) és Z t (t), idősorok láthatóak üres, terheletlen és víz-terhelésű rezonátornál. A teljesítmény adatok W-ban, a terhelő közeg Z t -hullámellenállása Ω-ban van megadva. Mint ahogy várható volt, az üres, terheletlen rezonátor P vü (t)-visszavert teljesítménye gyakorlatilag megegyezett P hü (t)-haladóirányú teljesítménnyel (nem volt ami elnyelje a mikrohullámú energiát). Ilyen esetekben van fontos szerepe a hangoló szondáknak, amelyek megvédik a magnetront a több száz W-os visszaverődésektől. 8

9 A víz-terhelésű idősorok [P ht (t), P vt (t)] differenciája adja meg a disszipált P d (t) idősort. Mivel a víz elsőrendű dielektrikum, annak hőfokfüggése a reflexiós tényező és a hullámellenállás hőmérsékletfüggésében és ezzel együtt az ábrán látható változásában nyilvánul meg. Amikor a hullámellenállás kicsi, vagy csökkenő tendenciát mutat (amely a kis értékű reflexiós tényezőből adódik) növekszik a disszipált teljesítmény és fordítva. A kapott eredményeket egy másik független mérési sorozattal ellenőriztük, amellyel bizonyítottuk, hogy az iránycsatoló által szolgáltatott adatok helyesek és korrektek. A közölt adatok nyilvánvalóan még részeredmények. Megoldandó feladat a mért adatok illesztése a konvektív szárító ALMEMO rendszeréhez, valamint a kombinált (konvektív + mikrohullám) szárítás optimális szabályozásának kidolgozása.( Dr. Kacz, Berecz, Stépán, 1999) Irodalom Dr. Beke János: Terményszárítás, Agroinform Budapest, Dr. Ludányi Lajos: A mikrohullámú szárítás hő- és nedvességmérési problémái 3. Magyar Szárítási Szimpózium, Nyíregyháza, Dr. Ludányi Lajos: A mikrohullámú üregrezonátor, mint a korszerű szárítástechnika munkatere Doktori értekezés, Gödöllő, Dr. Kacz Károly Berecz Lóránt Stépán Zsolt: Kisérleti szárítóberendezés kifejlesztése különböző szabályozási megoldásokkal. 3. Magyar Szárítási Szimpózium, Nyíregyháza,