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
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
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
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
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 80 70 60 50 40 30 20 Lev.+Vibr.(Sz=90) Mik. Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45-90) 10 0 1 2 3 4 időx1,5min 3. ábra: A szárítmány hőmérséklete különböző szárítási üzemmódnál az idő függvényében. 213
Gátl.,g 310 300 290 280 270 260 250 240 Lev.+Vibr.(Sz=90) Mik. Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45-90) 230 220 1 2 3 4 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 50 40 30 20 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) 10 0 20 30 40 50 60 70 80 T, o C 5. ábra: A szárítmány súlyvesztesége a hőmérséklet függvényében, különböző szárítási üzemmódnál 214
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 450 400 350 300 250 200 150 100 Mik.1 Mik.2 Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=22) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=45) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=60) Mik.+Vibr.+Lev.(Sz=90) 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 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
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. 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, 2001. p. 20-24. L. Ludányi: Study of Intermittent and Continuous-mode Microwave Drying. Műszaki Kémiai Napok '01, Veszprém, 2001. p. 188-193. Pallai I.-né, Göllei A., Ludányi L., Vass A., Szijjártó E.: Mezőgazdasági magvak mikrohullámú energiaabszorpciójának mérése. Műszaki Kémiai Napok 03. Veszprém, 2003. 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, 2002. 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, 2003. 217