Ultrahang felhasználása a szárítási folyamatokban Lakatos Erika Nyugat-Magyarországi Egyetem Mezőgazdaság- és Élelmiszertudományi Kar, Mosonmagyaróvár Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet 9200 Mosonmagyaróvár Vár 2. Tel/Fax: 06-96/566-641 e-mail: lakatose@mtk.nyme.hu A nedvesség az anyagban többféle módon helyezkedhet el: az anyag felületén, az anyag kapillárisaiban, a szemcsék között abszorbeálva és vegyi kötésként. Ha a szárítás során hőenergiát használunk, elsősorban a felületi és a vastagabb kapillárisokban jelenlévő víz távozik el, miközben a belső, finomabb szerkezeti részekből a kapilláris erők következtében a nedvesség a felszínre szivárog. Ez a folyamat nem enged meg gyors szárítást, mert a belső feszültségek a szárítandó anyag megrepedéshez vezethetnek. A szárítási folyamatok gyorsítására, az anyagok kiszáradásának fokozására, különösen alacsony hőmérsékleten egyre szélesebb körben használják az akusztikai szárítást, amely során még az abszorbeált víz is kinyomható az anyagból, mégpedig viszonylag rövid idő alatt, nagyobb arányú hő keletkezése nélkül. Akusztikai szárításkor az anyagot körülvevő és az anyagban lévő gáz, valamint maga az anyag is vibrációs hatás alatt van. Az akusztikai szárítás egyik gyakorlati perspektívája az ultrahangos szárítás. Az ultrahangok olyan mechanikai hullámok, amelyek frekvenciája 16 khz-100 MHz között mozog. Az ultrahang terjedési területére, a hangtérre érvényesek a hullámmozgás alapvető törvényszerűségei. Ezek alapján az energia terjedése, illetve a rezgés folyamán kinetikus energiává történő átalakulása nyomon követhető és befolyásolható. [2.] Az ultrahangos vízkiszorítás elvi megoldása az 1. ábrán látható. [4.] 1. ábra: Az ultrahangos vízkiszorítás elvi megoldása 91
A szárítás során az anyag-levegő válaszvonalán keletkező határréteg megnehezíti a hőcserét, és lassítja a nedvesség eltávolítását. Az ultrahangos szárítás alapja ennek a rétegnek a megszűntetése ultrahangrezgésekkel. A nagy intenzitású rezgések hatására a szárítandó anyag felülete felett erős gázörvény, illetve a közeg pillanatnyi váltakozó összenyomódása és ritkulása következtében vákuum keletkezik. Mindkét jelenség megnöveli a nedvességpárolgás sebességét, ezáltal a szárítás rövidebb idő alatt, és vákuumban viszonylag alacsonyabb hőmérsékleten valósítható meg. [3.] Az ultrahangos szárítás kombinált víztelenítési eljárás. A nedvesség az anyagból folyadék vagy gőz formájában távozik. Ezek alapján a szárítás két szakaszát különíthetjük el. Az első szakaszban a fent említett nyomásváltozás megváltozott hidrodinamikai körülményeket hoz létre, ami miatt a felszíni anyagátadás intenzitása megnő. A szárítás második szakaszában növekszik az anyag hőmérsékletének emelkedése, ami az anyag belsejében elnyelődő akusztikai energia miatt megy végbe. A hő a besugárzott közeg és a kappilárisok fala közötti súrlódás, valamint az anyag belső súrlódása miatt keletkezik. Az itt fellépő hő erősen függ az akusztikai energia behatolási mélységétől és elnyelődésétől, ezáltal a besugárzott anyag fizikai tulajdonságaitól. [2.] Az ultrahangos szárítás sebességét elsősorban a sugárzás intenzitása, valamint a szárítandó anyag rétegvastagsága határozza meg. Az alkalmazott intenzitás rendszerint 150-160 db, míg a rétegvastagság a 3-6 cm-es értéket ér el. A szárítás felgyorsul, ha a szárítandó anyag részecskéi mozgásban, vagy lebegő helyzetben vannak, ekkor ugyanis növekszik az anyag akusztikai hatásnak kitett felülete. Ezért használnak akusztikai szárítás során forgódobos, vibrációs vagy fluidizációs készülékeket, ahol az akusztikai rezgések a szárítandó anyag mozgásával szembe irányulnak. (Diszperz anyagokra vonatkozóan az akusztikai szárítás a pulzáló gázáramú fluidizált rétegű szárítás továbbfejlesztett változata.) [1.] A fluidizációs ultrahangos szárítóberendezés az 1. ábrán látható. 1. ábra: Fluidizációs ultrahangos szárítóberendezés 1. henger; 2. rostélyrács; 3. etető; 4. szárítókamra; 5. szita; 6,7. szirénák; 8. henger; 9. membrán; 10. válaszfal; 11. űrítőbunker; 12. csőtoldat 92
A berendezés központi hengerében alul, illetve felül helyezkednek el az ultrahangos szirénák, amelyek nagy intenzitással sugározzák be a hengerbe jutattott és az ott átáramló levegő segítségével kevertetett, lebegtetett anyagot. A hagyományos fluidizációs szárítók hátránya, hogy az elhasznált nedves levegő jelentős mennyiségű kiszárított anyagot visz magával. A fenti ábrán bemutatott szárítónál ezt olyan módon kívánják elkerülni, hogy beépítettek egy akusztikai szirénát, aminek hatására a kiszáradt anyag részecskéi koagulálógnak és leüllepednek a kitárolótartályba. Az ultrahangos szárítóberendezések másik típusa a forgó szárítóberendezés, aminek egyszerűsített rajza a 2. ábrán látható. 1. ábra: Forgó ultrahangos szárítóberendezés 1. forgó szárítódob; 2. fogazott bandázsok; 3. etetőgarat; 4. kiürítőtartály; 5. ultrahangsziréna A forgó szárítók előnye, hogy az anyag folyamatos mozgása révén jobban kapcsolatba lép az ultrahang hullámokkal, így száradása is gyorsabban és egyenletesebben játszódik le. Az 1. illetve a 2. ábrán bemutatott szárítókat az élelmiszeriparban alkalmazzák. További élelmiszeripari felhasználásként említhető még az ultrahang liofilizálásnál történő felhasználása is, amikor is ultrahang hatására nagyméretű jégkristályok válnak ki az anyagból, így a szárítás hatékonysága növelhető. [1.] Egyéb iparágakban a szárítást gyakran összekötik más, az ultrahang előnyös tulajdonságait kihasználó kezelésekkel. Példaként említhető fémek és műanyagok, illetve textíliák többlépcsős kezelése, amely során nagyfokú tisztítás után alkalmazzák a vákuumszárítást, ahol a hőre érzékeny anyag is tökéletesen megszárad. Az így kezelt fémek felülete ellenáll a korróziónak. Ipari felhasználásra többkamrás tisztító, száríró berendezéseket alkalmaznak. A 3. ábrán egy a textiliparban használt ultrahangos tisztító-szárító berndezés elvi, a 4. ábrán ugyanennek a berendezésnek valós képe látható. 93
3. ábra: Textíliák tisztítására és szárítására használatos ultrahangos berendezés elvi vázlata 2. ábra: Textiliák tisztítására és szárítására használatos ultrahangos berendezés Textíliák szárításakor ügyelni kell, hogy a szárítandó anyag ne érjen hozzáa sugárzófejhez, mert égési folt alakulhat ki. Túlszárítás esetén az anyagban minőségi romlás tapasztalható. Az 5. ábrán egy teljes mértékben automatizált, kombinált ultrahangos tisztító-szárító berendezés látható, amelyet optikai eszközök tisztítására, és vákuumszárítására használják. [5.] 94
5. ábra. Kombinált ultrahangos tisztító-szárító berendezés Ultrahangos vákuumszárítás esetén szárítási időt 10 %-kal rövidítik, ezáltal a folyamat energiafelhasználása 10-25%-kal csökken. Amennyiben az ultrahangos szárítás energiafelhasználása meghaladja az általánosan elfogadott értékeket, az ultrahangot egyéb, klasszikus szárítási eljárásokkal együtt alkalmazzák. [2., 3.] Az akusztikai szárítás módját, a szárítók szerkezeti felépítését a nedves anyag (test) méreteinek, szerkezeteinek, formájának hossza és az akusztikai hullámhossz viszonya, valamint az elpárologtatandó folyadék fizikai tulajdonságai határozzák meg. [3.] A jövőben tovább kell optimalizálni az ultrahangos szárítás technológiáját, meg kell vizsgálni a körkörösen elhelyezett és nagyobb felületű, nagyobb teljesítményű ultrahangsugárzók alkalmazásának hatékonyságát, valamint az ultrahangos szárítás egyéb konvencionális szárítási technológiákkal történő egyidejű használatát. Irodalom: 1. Bezzubov, A. D. Garlinszkaja. E. I. Fridman, V. M. (1967): Ultrahang felhasználása az élelmiszeriparban. Műszaki könyvkiadó, Budapest p. 87-89. 2. Ginzburg, A. Sz. (1976): Élelmiszerek szárításelméletének és technikájának alapjai. Mezőgazdasági kiadó, Budapest. P. 226-232. 3. Povey, M. J. W. Mason, T. J. (1998): Ultrasound in food processing Blackie Academic & Professional. p. 123-124. 4. Tarnóczy, T. (1963) Ultrahangok. Műszaki könyvkiadó, Budapest p. 286. 5. www.hannover2000.net/expo2000hannover/de/tecnologia/proyectos.htm 95