Veszteséges közeggel töltött mikrohullámú tápvonalak energetikai és hőmérsékleti
viszonyainak vizsgálata és gyakorlati alkalmazásai
DOKTORI (Ph.D) ÉRTEKEZÉS
Készítette:
Göllei Attila
Témavezető: Dr. Mink János
egyetemi tanár
Pannon Egyetem
Műszaki Informatikai Kar
Informatikai Tudományok Doktori Iskola
Veszprém
2011
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok
Doktori Iskolájához tartozóan.
Írta: Göllei Attila Témavezető: Dr. Mink János egyetemi tanár
Elfogadásra javaslom (igen / nem)
……….
(aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton ...%-ot ért el,
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás) Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …... %-ot ért el.
Veszprém,
….……….
a Bírálóbizottság elnöke
A doktori (PhD) oklevél minősítése…...
……….…………
Az EDHT elnöke
Tartalomjegyzék
Kivonat / Abstract 7
1. Bevezetés 8
2. Irodalmi áttekintés
2.1 Dielektromos állandó mérése 10
2.2 Ionos folyadékok 11
2.3 Szárítás 12
2.4 Mikrohullámú kutatások magyarországon 17 3. A villamos permittivitás – dielektromos állandó – dielektrikumok
3.1 A dielektromos állandó fogalmának bevezetése 22
3.2 Villamos tér szigetelőanyagban 23
3.3 Elektrofizikai szemlélet 24
3.4 Molekulafizikai szemlélet 26
3.5 A permittivítás mértékegységének származtatása 27 3.6 A hőmérséklet hatása adielektromos állandóra 28 3.7 A frekvenciaváltozás hatása a dielektromos állandóra 29 3.8 A Debye féle polarizációs egyenlet 32 4. Dielektrometriás mérőmódszerek
4.1 Mérőmódszerek felosztása 33
4.2 Mérési módszerek áttekintése 41
5. A dielektromos állandó mérésének elméleti alapjai
5.1 A tápvonal bemenő impedanciájának számítása 45 5.2 A dielektromos állandó számítása a tápvonalban
mérhető paraméterek matematikai összefüggései alapján 50
6. Veszteséges közeggel kitöltött mikrohullámú tápvonal energetikai és impedancia viszonyainak vizsgálata
6.1 Témafelvetés 56
6.2 A modell 56
6.3 Kapott eredmények 60
7. Mikrohullámú dielektrométer fejlesztése
7.1 Tápvonalak 66
7.2 A mérőberendezés felépítése 68
7.3 Detektor diódák 69
7.4 A mintatartó 69
7.5 A mintatartó átmérőjének meghatározása 70 7.6 Állítható pozíciójú lezárás (rövidzár) 71
7.7 A tápvonal méretezése 72
7.8 Az impedancia-mérés elve 74
7.9 Dielektromos állandó és veszteségi szög mérése 76
7.10 Számítások 79
7.11 A detektordiódák jeleinek feldolgozása 80 7.12 Szabályozó és adatgyűjtő rendszer 86 8. A mérőberendezés kalibrációja
8.1 A rövidzár kezdeti pozíciójának meghatározása 92 8.2 A detektorok jelének automatikus kalibrálása 93 8.3 A detektorok jelének kézi kalibrálása 94 9. Epszilon 2 mérése
9.1 E2 mérése egy detektor jelének felhasználásával 95
9.2 Mérési eredmények 96
10. Ionos folyadékok dielektromos jellemzőinek vizsgálata
10.1 Bevezetés 99
10.2 Mérési módszer ionos folyadékok dielektromos
tulajdonságainak meghatározására 99
10.3 A mérőrendszer kalibrációja 102
10.4 A mintatartó egység kalibrációja 103 10.5 Különböző mintaanyagok vizsgálata 104 10.6 A hőmérsékletfüggés vizsgálata 105
10.7 Kapott eredmények 106 10.8 Negatív dielktromos állandó vizsgálata 110
11. Szemes termények szárításának energetikai vizsgálata
11.1 Bevezetés 113
11.2 Szemes termények szárítása 114
11.3 A mérőrendszer ismertetése 116
11.4 A magnetron működésének energetikai vizsgálata 117
11.5 Mérési sorozatok 118
11.6 Az eredmények értékelése 124
11.7 Az eredmények hasznosításának lehetőségei 125
12. Tézisek 127
13. Publikációs tevékenység 130
14. Köszönetnyilvánítás 133
15 Irodalom 134
16 Függelék 145
Kivonat
Az értekezés elméleti, és gyakorlati eljárásokat mutat be egy szimulációs modellről, amely mikrohullámú tápvonalakban különböző anyagok dielektromos tulajdonságainak vizsgálatára szolgál. Külön hangsúllyal foglalkozik ionos folyadékok dielektromos tulajdonságainak mérésével, és mezőgazdasági magvak szárításának energiahatékonysági vizsgálatával. Bemutatásra kerül egy veszteséges anyagokkal töltött mikrohullámú tápvonalak hőmérsékletfüggő energia, impedancia és dielektromos pramétereinek számítására alkalmas modell.
A modell működését különböző mintaanyagokon ellenőrizte a szerző.
Kifejlesztésre került egy mikroszámítógép vezérelt dielektrométer készülék. Ez a berendezés szilárd és folyékony anyagok hőmérsékletfüggő dielektromos tulajdonságainak mérésére alkalmas, széles mérési érték tartományban. Képes továbbá, villamosan vezető anyagok, mint például az ionos folyadékok vizsgálatára, amelyek újfajta környzetbarát oldószerekként kerülnek alkalmazásra számos területen.
A mikruhullámú energia fontos ipari alkalmazása a mezőgazdasági termények dielektromos szárítása. A szárítási művelet előtt fontos a kezelendő anyag dielektromos tulajdonságainak ismerete. A dielektromos szárítás paraméterei alapvetően meghatározzák a végtermék minőségét. A szerző beszámol egy új, energiahatékony szárítási eljárásról, és mérési erdményeiről, melyek a szárítás hatékonyságát és gazdaságosságát igazolják.
Abstract
This dissertation investigate theoretical and practial procedures to develop a model for simulating microwave transmission lines and determining the dielectric properties of different materials. Special emphasis is placed on ionic liquids and the development of an energy efficient drying procedure for agricultural seeds.
A closed model was developed to calculate different temperature dependent energy, impedance and dielecric parameters in microwave waveguide filled with lossy materials. This model was verified by three different sample materials.
A computer controlled dielectrometer unit was designed and developed.
The unit is suitable for measuring the temperature dependent dielectric properties of solid and liquid materials within a wide range. Moreover, this equipment is suitable for measuring well conductive liquid materials such as ionic liquids that are important novel environmently friendly solvents.
One of the main industrial applications of microwave energy is the dielectric drying of agricultural seeds. Before starting a drying procedure, it is very important to know the dielectric parameters of the materials which are to be treated. The parameters of combined drying influences end product quality. The combined drying procedure (convective and microwave process) is very energy efficient. A novel procedure to determine the degree of efficiency of the drying procedure is developed. Finally, the thesis presents the measurement results demonstrating the lower energy consumption of the developed drying procedure.
Astratto
Questa tesi indaga le procedure teoriche e pratiche dello sviluppamento di un modello della simulazione di linee di trasmissione a microonde e della determinazione di proprietà dielettriche dei diversi materiali. Particolare enfasi è posta sui liquidi ionici e sullo sviluppo di una procedura di essiccazione ad alta efficienza energetica per le sementi agricole. Un modello chiuso è stato sviluppato per calcolare le energie diverse dipendenti dalla temperatura, impedenza e parametri dielettrici in guida d'onda a microonde riempiti dai materiali lossy.
Questo modello è stato verificato da tre materiali differenti del campione.
É stato progettato e sviluppato una controllata unità dielectrometer gestita dal computer. L'unità è adatta per misurare la temperatura dipendente dalla proprietà dielettrica dei materiali solidi e liquidi all'interno di una vasta gamma. Inoltre, quest apparecchio è adatto per la misurazione dei conduttivi materiali liquidi come i liquidi ionici che sono adoperati nei diversi campi come solventi rispettanti l’ambiente.
Una delle principali applicazioni industriali dell’energia a microonde è quella dielettrica dell’essiccazione di sementi agricole. Prima di iniziare un procedimento di essiccazione, è molto importante conoscere i parametri dielettrici dei materiali che vengono trattati. I parametri di essiccazione combinati determinano la qualità del prodotto finale. La procedura combinata di essiccazione (convettivo e di processo a microonde) è di molto alta efficienza energetica. Viene sviluppata una nuova procedura per determinare il grado di efficienza del procedimento di essiccazione. Infine, la tesi presenta i risultati di misura dimostrando l’ efficienza e il consumo di energia inferiore della procedura messa a punto di essiccazione.
1. Bevezetés
Különféle anyagok, közöttük is speciálisan a különböző biológiaanyagok, a mezőgazdasági magvak, termények elektromos tulajdonságainak kutatása távoli múltra tekint vissza. Már 1897-ben Nernst és Drude kidolgozták az anyagok dielektromos tulajdonságainak méréstechnikáját, de az akkoriban rendelkezésre álló technikai színvonalon még nem tudtak megfelelő berendezéseket előállítani sem ipari, sem kutatási célokra. Az igazi nagy áttörést a II. Világháború hozta, amikor elsősorban katonai célra fejlesztettek rádiólokátorokat (felderítő és tűzvető lokátorok), amelyek később polgári célokat is szolgáltak (repülőtéri, kikötői lokátorok). Már az alkalmazások kezdetén megfigyelték, hogy a mikrohullámú energia felhasználható biológiai és fizikai folyamatok befolyásolására, azaz különféle anyagok dielektromos kezelésére. A mikrohullámú energia szárítást előidéző hatását pl. már 1947-ben leírták. A mikrohullámú energia felhasználását kezdetben akadályozta a több kilowatt teljesítményű generátorok hiánya. Ez a probléma csak az 1950-es évek elején oldódott meg, amikor – a megelőző katonai célú kutatásoknak is köszönhetően – egyre több cég hozott forgalomba folyamatos üzemű magnetronokat, melyek maximálisan 2,5 kW teljesítmény előállítására voltak alkalmasak. Mikrohullámú energia előállítására alkalmasak továbbá az
amplitronok, klisztronok, kerámia triódák, plazmaerősítők stb. de ezek beszerzési ára a magnetronénál jóval magasabb. A jelenleg használt magnetronok rögzített frekvencián működnek, - amelyet elsősorban mechanikai kialakításuk befolyásol - hatásfokuk 60…80 %, mechanikailag stabilisak, és szabványos tápvonal- csatlakozásuk van.
Az anyagok viselkedését a mikrohullámú térben elsősorban dielektromos tulajdonságuk határozza meg. Nem ismerjük a dielektromos állandó hőmérsékletfüggését, amely különböző anyagok esetén más és más, mint nagyságát, mint jellegét tekintve. Az anyag, mint dielektrikum a mikrohullámú hevítés szempontjából alapvető jelentőségű, ugyanakkor a mérést pontosan a hőfok-függő és nedvességtartalom-függő dielektromos tulajdonság nehezíti meg.
A dielektromos állandó számos tényező függvénye. A dielektromos állandó mérése azon a tapasztalati elven alapszik, hogy a makroszkopikus elektromos teret a szigetelőanyag bevitele megváltoztatja. Ez a változás legegyszerűbben kapacitásváltozásra vezethető vissza, amiből a relatív dielektromos állandó kiszámítható. A hagyományos mérési módszerek kis energiájú teret használnak, ami nincsen befolyással a vizsgált anyag fizikai tulajdonságaira. Az ipari alkalmazások esetében (pl. szárítási folyamatoknál), a felhasznált energia olyan mértékű, amely jelentősen megváltoztatja a kezelt anyagok hőmérsékletét.
Mindeközben változik az anyag dielektromos állandója és ezzel a mikrohullámú térben az energia elnyelő képessége is. A hagyományos mérési módszerek nem teszik lehetővé, hogy a dielketromos állandót a hőmérséklet függvényében is megvizsgáljuk, pedig a legtöbb alkalmazás esetén fontos ismernünk a hőmérsékletfüggést. A mikrohullámú technika ipari alkalmazását megelőzően igen fontos a szárítás optimális lefolyását biztosító szárítási, valamint mikrohullámú paramétereknek, így például a dielektromos állandónak a meghatározása. Ezért fontos feladat a dielektromos állandó automatikus mérése.
A mikrohullámú alkalmazások ipari méretű tervezéséhez elengedhetetlen feltétel, a kezelt anyagok dielektromos állandójának ismerete. 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 As/Vm. Azonban nedves anyagokban a víz szabad állapotban ritkán fordul elő, gyakrabban fizikai adszorpció eredményeképpen a pórusos anyag kapillárisaiban, üregeiben van jelen, esetleg kémiai kötéssel (un. hidrogén-kötéssel) kapcsolódik más molekulákhoz. Az anyag szerkezetétől, illetve kémiai (molekuláris) összetételétől függően különböző erősségű és típusú kötési formák jöhetnek létre, amelyek energia és dielektromos tulajdonság tekintetében is eltérnek egymástól.
Jelenleg még kevésbé ismertek azon nedves anyagok dielektromos jellemzői, amelyek eltérő mikroszerkezettel rendelkeznek, és a vizet különböző kötési formákban tartalmazzák.
Vizsgálataim célja az ilyen módon vizet tartalmazó mezőgazdasági magvak, élelmiszeripari alapanyagok, szerves oldószerek és ionos folyadékok, melyek dielektromos állandója a fentebb említett nagyszámú tényező hatása miatt számítási módszerekkel kellő pontossággal meghatározhatatlan. A dielektromos állandó pontos megismerése csak méréssel lehetséges.
2. Irodalmi áttekintés
2.1 Dielektromos állandó mérése:
[Lane és Saxton, (1952)] már 1952-ben foglalkozott tiszta poláros folyadékok dielektromos tulajdonságainak vizsgálatával miliméteres és centiméteres hullámhosszokon. Nem mérési módszert ír le, hanem a Debye féle összefüggések segítségével számítja ki a diszperzió, a villamos vezetőképesség és dielektromos tulajdonságok értékeit.
[Weir, (1974)] hullámvezetők között elhelyezkedő mintaanyagok permittivítását és permeábilítását vizsgálta számítógép irányítású hálózatanalizátor segítségével.
A vizsgált anyagok teflon és egy Eccosorb SF-5.5 márkanevű mikrohullámot abszorbeáló műanyag. 8-12 GHz tartományban vizsgálta az anyagokat és közölte mérési eredményeit.
[Gunasekaran et al., (1981)] villamosan jól vezető folyadékok dielektromos állandóját vizsgálta aránytranszformátoros mérőhídat alkalmazó eljárás segítségével. Az eljárás egyszerű és mentes a hibáktól. Az eljárás kalibrálásához különböző töménységű kálium-klorid oldatokat alkalmazott. Mintaanyagot nem használt, a dielektromos cella kapacítás és ellenálás viszonyait közli. Az eljárás a cella kapacításának kismértékű megváltozását is kimutatja.
[Charreyre et al., (1984)] elektromágneses térbe helyezett anyagok dielektromos tulajdonságainak mérésére alkalmas berendezést fejlesztettek ki. A készülék mikrohullámú tápvonal elhangolódását mérte dióda detektorok segítségével és az elhangolódás mértékéből számították a dielektromos értékeket. Meghatározták a készülékállandó értékét, mely részben az alkalmazott hullámhossznak, részben a berendezés mechanikai méreteinek függvénye. A vizsgált anyagok teflon és gumidugó. A szerzők kalibrációs görbékkel is illusztálják a bezendezés pontos behangolásának lehetőségét.
[Ndife et al., (1998)] hat féle keményítő dielektromos tulajdondonságait mérték meg dielektromos szonda és hálózatanalizátor felhasználásával 2,45 GHz frekvencián. Mérések közben változtatták a keményítő nedvességtartalmát, valamint melegítették a mintaanyagot 30°C és 95 °C között. A mérési eredményeket táblázatos formában adták meg.
[Venkatesh és Raghavan, (2005)] összefoglalta a dielektromos tulajdonságok mérésére használt módszereket. Több mint 10 féle eljárást ismertet, hangsúlyozva előnyeiket és hátrányaikat. Lásd később 4.2 fejezet. Matematikai eljárásokat is bemutat részben, és teljesen töltött rezonáns üregek számításához. A különböző technikák tulajdonságait táblázatos formában ismerteti, 9 féle paraméter figyelembevételével.
[Oleinikova et al., (2004)] megahertzes és gigahertzes tarományban ribonukleáz enzim vizes oldatának dielektromos relaxációját vizsgálták a fehérje koncentráció függvényében. A vizsgálatokhoz dielektromos reflexiós spektroszkópiát alkalmaztak 300kHz és 1,3 GHz tartományban, az adatokat Hewlett-Packard spektrumanalizátor alkalmazásával kapták. Megadták az oldatok dielektromos spektrumát és számos paraméterét a koncentráció függvényében. A kapott erdményekkel rávilágítottak az oldatok alkotórészeinek fizikai, kémiai és dielektromos tulajdonságaira.
[Kumar és Sharma, (2007)] mikrohullámú üregrezonátort terveztek mikrohullámú tartományban a dielektromos állandó és a dielektromos veszteség mérésére. A matematikai összefüggések elméleti tisztázása után egy adott geometriai méretű üregrezonátor segítségével végeztek méréseket. A próbatest az üregrezonátor geometriai közzéppontjába helyezett teflonrúd volt. Az üregrezonátor átviteli tényezőjének adatain kívül a teflon mérési eredményeit közli két, egymáshoz közeli frekvencián.
[Ku et al., (1999)] hőre lágyuló kompozitok permitivítását vizsgálták magas hőmérsékleteken. A gyártóipari felhasználás számára fontos hőkezelési eljárásokat mikrohullámú technika segítségével megvalósító alkalmazások esetén fontos a kezelt anyag dielektromos tulajdonságainak és a behatolási mélységnek ismerete. Ezek a paraméterek határozzák meg elsősorban az anyag melegedését a mikrohullámú térben. A vizsgálatok eredményeként teflon és más polietilén származékok dielektromos tulajdonságait közlik a szerzők.
Összefoglalás:
Az utóbbi egy- két évtized során jelentős számú közlemény jelent meg, melyek különböző anyagok dielektromos tulajdonságait vizsgálják, vagy vizsgálati módszereket írnak le. Összességében elmondható, hogy a legtöbb esetben a dielektromos állandó értékeket extrapolációs eljárással számítják a statikus értékek alapján. Vizsgálati módszerek leírásakor a validáláshoz használt mintaanyag szinte minden esetben a jól bevált teflon, esetleg gumi- vagy parafa volt. Szintén közös a legtöbb megjelent irodalom esetén, hogy a számításokat vagy a vizsgálatokat a frekvencia függvényében végzik el, mivel a közismert Debye féle összefüggések segítségével a dielektromos állandó frekvencia függése könnyen számítható. Gyakorlati szempontból viszont ezeknek a vizsgálatoknak kisebb a jelentősége, mivel a kezeléseket általában egy frekvencián végzik, miközben az anyag az energia besugárzás hatására folyamatosan melegszik és eközben számos fizikai tulajdonsága megváltozik. Ezért nagyobb jelentőséggel bír a dielektromos tulajdonságok hőmérsékletfüggésének tisztázása.
2.2 Ionos folyadékok:
Ionos folyadékok első alkalmazásai az 1990-es évek elején jelentek meg dimerizációs és polimerizációs reakciókban. Azóta rohamosan nő a különböző alkalmazási területeken, számos új típusú vegyület felhasználása és az ezzel kapcsolatos kutatás. Sok publikáció számol be az ionos folyadékok alkalmazástechnikájáról, különböző kémiai reakciók estén. [Huddleston et al., (1998)] szerint a Butil-Metil-Imidazolium-Hexa-Fluoro-Foszfát – és Tetra-Fluoro- Borát (BMIM-PF6, BMIM-BF4) jó eséllyel helyettesítheti majd a szerves oldószereket, például a folyadék-folyadék extrakciós eljárásokban.
[Crowhurst et al., (2003)] oldószer-oldott anyag kölcsönhatásokat vizsgált ionos folyadékokban. [Wasserschied et al., (2001)] etén kétfázisú oligomerizációja esetén vizsgálata az ionos folyadékok alkalmazhatóságát.
[Swatloski et al., (2003)] felhívja a figyelmet, hogy bár az utóbbi időkben az ionos folyadékok úgy terjedtek el, mint környezetbarát, nem-toxikus vegyületek, bizonyos esetekben nem árt az óvatosság a velük való munka során. Rámutat, hogy bizonyos vegyületek, bár nem illékonyak, magasabb hőmérsékleteken erősen bomlanak és az ilyenkor felszabaduló vegyianyagok már koránt sem
annyira „zöldek”. Figyelembe kell venni, hogy sok ionos-folyadék tartalmaz egészségre ártalmas halogéneket és más mérgező vegyületcsoportokat. Ezek csak addig biztonságosak, míg megfelelő módon kötve vannak az adott vegyületben.
[Consorti et al., (2003)] 1,3-Dialkilimaidazolium sók molekuláris elrendeződését vizsgálja oldatokban. Ezen felül, megadja különböző anionok kapcsolódása esetén a villamos vezetőképesség értékeit is. Különböző szerves oldószerekben az ionos folyadékok szerkezeti változásait mutatja be.
[Krossing et al., (2006)] szintén ionos folyadékok szerkezeti sajátságait elemzi, különösképpen folyékony jellegükre mutatva rá. Különböző ionos folyadékok számos fizikai paraméterét közli többek között dielektromos állandójuk értéket is.
Nem adja sem a frekvencia, sem a hőmérsékleti értékeket, csak hivatkozást [Wakai et al., (2005)] az értékek forrására. Az ionos folyadékok vizsgálatai során kiemeli a dilektromos spektroszkópia, mint mérési eljárás fontosságát a dielektromos állandó meghatározására.
[Hoffman et al., (2003)] Ionos folyadékok melegedési tulajdonságait vizsgálja mikrohullámú energia besugárzás hatására. Megadja különböző vizsgált anyagok melegedési görbéit, különböző energiájú besugárzás hatására és vizsgálja a melegedési időket is.
[Anderson et al., (2002)] szobahőmérsékleten is folyékony ionos folyadékok oldódási jellemzőit vizsgálja 17 különböző anyag esetén. A publikáció tartalmazza a kémiai reakciókban egyre gyakrabban alkalmazott ionos folyadékok számos jellemző paraméterét.
Összefoglalás:
Az ezredforduló óta rohamosan terjed az ionos folyadékok, mint környezetbarát oldószerek és reakcióközegek alkalmazása. Számos mikrohullámú reakcióban vivőanyagként, oldószerként vagy katalizátorként használják őket. Ezért is fontos a dielektromos tulajdonságaik pontos és mélyreható vizsgálata. A mérési eljárást erősen megnehezíti, hogy ezek az anyagok jó villamos vezetők. Az irodalmi utalásokban, ezért általában számítási elveket és eljárásokat találunk a dielektromos állandó meghatározására ionos folyadékok esetén. A dielektromos veszteségi tényező meghatározására sem elméleti, sem gyakorlati eljárást az irodalomban nem találtam.
2.3 Szárítás:
A mikrohullámú kezeléssel az anyagok belsejében valósul meg a hőkeltés, míg a hagyományos konvekciós eljárás alkalmazása esetén elsődlegesen a felület környezetében melegszik az anyag. Ez utóbbi esetben az energia-fluxus létrejöttéhez kívülről befelé irányuló hajtóerő szükséges, ami igen gyakran rendkívül magas felületi hőmérsékletet, a termék minőségének károsodását eredményezi. A kombinált szárítással mindkét hevítési mód előnyei érvényre juttathatók, a hátrányok teljes vagy részleges kiküszöbölésével, ugyanakkor jelentősen megnövelhető a termikus művelet flexibilitása. [Prabhajan et al., (1995)]
Igényes szárítási, hőkezelési feladatok, mint például, biológiailag aktív, bomlékony, hőérzékeny anyagok (mezőgazdasági vetőmagvak, élelmiszeripari, gyógyszeripari stb. termékek) szárítása, sterilezése, stb. állandó és szigorúan kontrollált véghőmérsékletet, vagyis hőmérséklet szabályzást igényelnek,
biztosítva ezzel a termék minősgét. Az egyszerű módon és megbízhatóan szabályozható mikrohullámú rendszer erre jó lehetőséget biztosít.
Mikrohullámmal végzett szárítás esetén számos kutatási eredmény és a különböző iparágakban megvalósult alkalmazások tanúsága szerint [Adu és Otten (1996), Sanches et al., (2000), Khraisheh et al., (1997)] jelentősen lerövidíthető a száradási idő, kiküszöbölhetők a száradási hibák (pl. az anyag felületének túlszáradása). Lehetőség nyílik továbbá új, de legalábbis új tulajdonságokkal rendelkező termékek előállítására (innovációra), a szárítási folyamat egyszerű, megbízható szabályzására.
[Prabhajan et al., (1995)] vékonyra szeletelt sárgarépát szárítottak háztartási mikrohullámú sütőben. A szárítás hatékonyságát 45 és 60 fokos szárító levegő akalmazásával segítették. Kétféle mikrohullámú teljesítményt alkalmazva öszehasonlításokat végeztek a csak konvektív módon történő szárítás és a mikrohullámú eljárás között. A két eljárás együttes alkalmazásának eredményeként jelentősen csökkent a száradási idő és javult a végtermék minősége is.
[McMinn et al., (2005)] gyógyszeripari porok szárítására használt mikrohullámú energiát. A behatást 2,45 GHz frekvencián 90 W teljesítményen végezték. A száradási sebesség görbéket mind konstans, mind csökkenő sebességű szakaszban vizsgálták. A szárító levegő hőmérsékletének növelésével jelentősen csökkent a száradási idő (78%), de a hőmérséklet növelésének határt szabnak a szárítandó anyag hőérzékenysége és a technológiai feltételek is.
Zöld spárga szárítását is elvégezték, miután 85°C-os vízben főzték a meghatározott átmérőjű növénydarabokat [Nondo et al., (2003)]. Öt féle szárítási eljárást próbáltak ki, és vizsgálták a spárga állagát, színét, beltartalmi értékét, különös tekintettel a C-vitamin tartalomra. A mikrohullámmal segített kombinált szárítás csak a harmadik legjobb eredményt adta.
[Szabó et al., (2002)] gombák szárítása kapcsán tanulmányozták a száradási és száradásisebesség görbéket. Elméleti modellt dolgoztak ki váltakozó száradási folyamatokra, amelyet teszteltek. A vizsgálatokat aero-vibro lebegtetéses eljárással és mikrohullámú berendezéssel végezték.
[Riva et al., (1991)] szintén gombaszeletek száradását vizsgálta a hagyományos forrólevegős és kombinált (mikrohullám + forró levegő) eljárás során, miközben változtatták a szeletek vastagságát is. A különböző száradási karakterisztikák alapján a kombinált eljárás bizonyonyult a leghatékonyabbnak.
Fokhagymagerezdek szárítását végezték saját fejlesztésű, laboratóriumi méretű kombinált mikrohullámú szárítóberendezésben, ahol mind a mikrohullámú teljesítmény, a szárító levegő hőmérséklete és áramlási sebessége is változtatatható [Sharma és Prasad, (2005)]. A mintaanyagot jelentős mértékben megszárították, miközben vizsgálták a különböző paraméterek hatását a száradási időre vonatkozóan. Hasonlóan vizsgálták a vétermék minőségét is, többek között itt is a C-vitamin tartalmat.
[Sanchez et al., (2000)] a kombinált mikrohullámú szárítás fő problémáit vizsgálták szabályozástechnikai szempontból. Bemutatták az egyszerű adaptív model-bázisú szabályozás lehetőségeit állandó és változó hőmérsékletű készülék profilok esetében.
A mikrohullámú energiadisszpáció hatását, különösen mezőgazdasági termények szárítása során [Ludányi et al., (2003)] vizsgálták. Megállapítást nyert, hogy a
disszipált mikrohullámú teljesítmény változása a szárítás folyamán jellegzetes lengéseket eredményez a disszipált teljesítmény-idő görbén. Ennek kapcsán vizsgálták a szárítandó tömeg és a hőmérséklet, mint állapotváltozók viselkedését, valamint a szárítandó anyag dielektromos veszteségi tényezőjének hatását a száradási sebességre vonatkozóan. A vizsgálatokat a disszipált mikrohullámú teljesítmény mérésére alkalmas mérőrendszerrel összekapcsolt, e célra kifejlesztett kombinált (konvektív recirkulációs és mikrohullámú) szárítóban végezték.
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. Nem szakszerű üzemeltetés során előállhat alacsony száradási (hő-, és anyagátadási) sebesség, amely a száradás előrehaladtával tovább csökken a hővezetőképesség csökkenése folytán. A nem optimalizált szárítási körülmények további hátránya a nedvesség egyenlőtlen eloszlása a mag belsejében, amely rosszabb minőséget eredményezhet.
Számos vizsgálati eredmény tanúsítja a mikrohullámú szárítás előnyét [Altan és Maskan, (2004), Stanislawski (2005), Jayaraman és Gupta (1995), Tulasidas et al., (1995)] kiemelve egyrészt a szárítmány jobb minőségét, másrészt a szárítás összköltségének csökkentését a rövidebb száradási idő, valamint a kisebb energiafelhasználás révén. A mikrohullámú szárítással foglalkozó tanulmányok jelentős része továbbá hangsúlyosan foglalkozik [Decareau (1985), Feng és Tang (1998), Prabhajan et al., (1995)] 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 szárításoptimális lefolyását biztosító szárítási, valamint mikrohullámú paramétereknek, így például a disszipált mikrohullámú teljesítménynek a meghatározása.
[Adu és Otten (1996)] szójababot vizsgált 2,45 GHZ frekvenciájú mikrohullámú térben szárítva, miközben folyamatosan mérte az elnyelt mikrohullámú teljesítményt, a hőmérsékletet és a tömegvesztést. Kimutatta, hogy kis nedvességtartalmú termények estén is jelentős és gyors nedvességvesztést lehet elérni az eljárással.
[Khraisheh et al., (1997)] mikrohullámú térben modellezte az élelmiszerek hőmérsékletváltozását. Kimutatta, hogy líneáris összefüggés van a minta átmérője és az abszorbált teljesítmény között, valamint nemlíneáris összefüggést talált az abszorbált teljesítmény és a térkitöltöttség között.
[Berecz et al., (1999)] kimutatta, hogy a hagyományos szárítási technikák rongálhatják az élelmiszerek minőségét és csökkenthetik fehérje tartalmukat.
Legjobb eredményeket kombinált eljárással értek el, élesztőgombák vizsgálata során.
[Prabhajan et al., (1995)] vékonyra szeletelt sárgarépát szárított, háztartási mikrohullámú sütőben konvektív eljárással, és vizsgálta a mikrohullámú hevítés
hatását a nedvességvesztésre. A mikrohullámú eljárással kombinálva itt is jelentősen csökkent a száradási idő.
[Thakur és Holmes (2000)] véges elem módszerrel szimulálta homogén dielektromos anyagok dielektromos állandóját és veszteségi tényezőjét, kölönös tekintettel a mérési hibák vizsgálatára és a komplex S-paraméterre.
[Whittaker (1994)] a mikroullámú melegítés folyamatát és és a dielektromos polarizáció összefüggését vizsgálta, valamint a dielektromos állandó és a dielektromos veszteség frekvenciafüggését.
[Bradshaw et al., (1998)] aktív szén szárítását írta le mikrohullámú berendezésben 120kg/h tömeg estén, magas, 600°C feletti hőmérsékleten. Célja az eljárás bemutatása és az aktív szén regenerálása volt.
[Atwater et al., (2003)] porított aktivált szén dielektromos tulajdonságait vizsgálta 0,2 és 26 GHZ frekvencia tartományban, maximum 190°C hőmérsékletig.
[Zagrouba et al., (1993)] magas dielektromos veszteségű – ez miatt hőérzékeny- anyagok szárítására dolgozott ki modellt. A szerzők egy kisérleti berendezés kifejlesztését mutatták be a feladat megoldására és a modellt számos esetre adoptálták.
Gyógyszeripari porok fizikai és dielektromos tulajdonságait vizsgálták [McLoughlin et al., (2003) és McMinn et al., (2005)] többek között a nedvességtartalom függvényében. Magállapították, hogy ezen anyagok esetén létezik egy, a dielektromos tulajdonságok szempontjából kritikus nedvességtartalom.
[Sakai et al., (2005), és Schiffmann (1990)] eljárást és tervezési megfontolásokat dolgoztak ki mikrohullámban kezelt élelmiszerek esetére. Alapvetően a hőmérséklet növekedét és annak hatásait vizsgálták olyan félkész élelmiszerek esetén, melyeket mikrohullámban kell előmelegíteni fogyasztás előtt.
Szemcsés, aprított gyümőlcsök és zöldségek vákuum-mikrohullámú, fagyasztva szárítási, forró levegős és kombinált eljárásait vizsgálta [Quing-guo et al., (2006)]
C-vitamin és klorofil tartalomra, valamint egyéb számos minőségre jellemző tulajdonság figyelembevételével. Rámutattak a forró levegő-vákuum mikrohullámú eljárás előnyeire a hagyományos forró levegős szárítással szemben.
[Gowen et al,. (2006)] megállapította, hogy a forró levegőt és mikrohullámot alkalmazó eljárások jelentősen lerövidítik a szárítási időket. Kísérleteket végeztek előfőzött borsó szárítása kapcsán, valamint modellezték a folyamatokat a hőmérséklet függvényében.
[Shivhare et al., (1994)] rámutat, hogy mezőgazdasági magvak, mint például a kukorica szárításának kinetikája jelentősen eltér más hagyományos szárítási eljárástól, különösen a csökkenő meredekségű száradási szakaszban. A jelenséget egy „belsőleg kontrollált diffúzióval” magyarázza, valamint a kukorica szerkezetének felépítésével.
[Feng és Tang (1999)] fagyasztott feketeáfonyát szárítottak mikrohullámú térben és gejzír szárítóban. Előkezelés után az anyag ozmózis nyomását is vizsgálták.
Összehasonlították a gejzír és a mikrohullámmal kombinált gejzírszárítás eredményességét. Az utóbbi esetében magasabb visszanedvesedési képességet és rövidebb száradási időt tapasztaltak, azon kívül kimutatták a fagyasztva szárítás aroma összetevőkre gyakorolt káros hatását.
Zsugorodó anyagok kombinált szárításának szimulációját végezték [Sanga et al.,(2002)]. A nem homogén anyagok vizsgálata során kapott eredményeket összehasonlították tapasztalati értékekkel is és szoros egyezést tapasztaltak.
[Zhang et al., (2006)] gyümölcsök és zöldségek gyors száradását vizsgálták mikrohullámmal segített eljárások során. A tanulmány során kiemelik a mikrohullámú szárítás előnyeit és összefoglaló áttekintést adnak a mikrohullámmal segített szárítási eljárások tulajdonságairól.
[Stanislawski (2005)] kockára aprított sárgarépát szárított mikrohullámmal kombinált fluidágyas szárítóban. Megállapította, hogy a mikrohullámal segített tecnika 2-5-ször rövidebb idő alatt szárítja meg a mintákat és mind a mikrohullámú, mind a mikrohullám nélküi technológia kétállapotú csökkenő sebességű szakasszal rendelkezik.
[Kaeshup és Wongwishes (2004)] friss borsszemeket szárítottak szintén mikrohullámmal kombinált fluidágyas szárítóberendezésben. A kombinált szárítás során az eddigiekhez hasonló jó eredményeket tapasztaltak, mind száradási idő, mind nedvességvesztés tekintetében és kiemelik, hogy a szárítás után a borsszemek minőségüket és beltartalmi értéküket tökéletesen megőrizték.
[Garcia és Bueno (1998)] energiahatékonyság szempontjából vizsgálja a kombinált mikrohullámú-konvektív szárítást, hínárt és agarkocsonyát használva mintaanyagként. Meghatározták az 1 kg nedvesség eltávolításához szükséges energiát és az abszorbeált energia nagyságát, miközben kölönböző feltételek mellett változtatták a minta tömegét. A vizsgálatok célja a szárítás kinetikai és energiahatékonysági vizsgálata volt.
[Altan és Maskan (2005)] makaróni tészta száradását hasonlította össze hagyományok, csak mikrohullámot alkalmazó és kombinált eljárás során.
Vizsgálták a kölönböző nedvességvesztési értékekhez tartozó időket, kölönböző mikrohullámú teljesítmény esetén. Megállapították, hogy a mikrohullámú eljárás során a keményítő nem zselatinosodik teljes mértékben.
Összefoglalás:
Megállapítható, hogy a szárítással foglalkozó irodalom a különböző anyagok igen széles skáláját vonultatja fel. Az ismertetett hivatkozások egyértelműen a kombinált konvektív-mikrohullámú eljárás előnyeit emelik ki. Ismertetik a kapott száradási eredményeket a különböző anyagok esetében, de kevéssé térnek ki a szárítás körülményeire. [Garcia és Bueno, (1998)] kivételével nem vizsgálják a szárítás energetikai és hatásfokbeli paramétereit. A különböző anyagok szárítása mellett nemzetgazdasági jelentőséggel bír a szemes termények szárítása. Az ismertetett publikációk közül csak egy foglalkozik kukorica szárításával, pedig a szemes termények szárítására fordított éves energiafelhasználás súlyos MWh-ban mérhető. Csekély hatékonyságnövelés is jelentős anyagi megtakarítást eredményezhet. A végtermékek beltartalmi értékének megóvása, talán ennél is fontosabb tényező a szárítás során.
2.4. Mikrohullámú kutatások Magyarországon
50-60 évvel ezelőtt a mikrohullámot csak nagyon kevesen, kizárólag a vele foglalkozó kutatók és tudósok ismerték. A Második Világháború idején kezdett elterjedni, elsősorban katonai alkalmazásai révén (radartechnika). Majd, amikor egy véletlen folytán Percy Spencer amerikai mérnök 1946-ban felfedezi a mikrohullám hőkeltő hatását, rohamos áttörés kezdődik. A mikrohullám részévé válik a háztartásoknak, 20 év elteltével az Egyesült Államokban több mikrohullámú sütőt adnak el, mint hagyományosat. De ne feledkezzünk meg a mikrohullám másik jelentős alkalmazási területéről sem. A GSM technológia a 90’-es évek elején tör világhódító útjára, és manapság már szinte mindenki zsebében ott lapul egy tenyérben is jól elférő mikrohullámú kommunikációs eszköz. A mikrohullámú műsorszórás vagy a mikrohullámú adatátvitel szintén nem ismeretlen fogalmak a mai ember számára.
Kétségtelen tény, hogy minnél jobban elterjed, annál több pártolója és ellenzője is akad, de vitathatatlan az is, hogy mindennapi életünk nélkülözhetetlen velejárója lett a mikrohullám, még akkor is, ha sokszor annyira megszokás szerint használjuk, hogy tudomást sem veszünk róla.
A mikrohullámmal kapcsolatos kutatások természetesen még régebbre nyúlnak vissza, mint az alkalmazások. Magyar viszonylatban mindenképp meg kell említeni Bay Zoltán (1900–1992) nevét, akinek csoportja a Műegyetemen az 1930-as évek végén már mikrohullámú technikai kutatásokkal és fejlesztéssel foglalkozott, elsősorban rádiós telekommunikációval és katonai rádió-radar rendszer kifejlesztésével. Ez akkoriban Európai szinten is kivételesnek számított.
Manapság a kutatási témák két jól elkülönülő irányt mutatnak. Egyik a távközlés és radartechnika, másik a mikrohullámok anyagokra kifejtett hatását kutatja, elsősorban hőkeltéssel kapcsolatos alkalmazások területén. Ez utóbbi területen elsősorban a szárítás és melegítés, valamint az anyagok fizikai tulajdonságaira gyakorolt hatását vizsgálják.
Jelen értekezésemben csak ez utóbbi tématerületről szeretnék beszámolni, bár természetesen elismerem, hogy az adatátvitel és a lokátorok nem kisebb jelentőséggel bírnak és kutatásuk, fejlesztésük rohamos ütemben folyik hazánkban is.
Jelenleg hazánkban több egyetemen és ipari kutatóközpontban is folyik a mikrohullámok és különböző anyagok, anyagi rendszerek kölcsönhatásának vizsgálata. Az általam írt összefoglaló kb. a 4 évvel ezelőtti állapotot tükrözi, mégis jól jellemezheti a kutatási irányokat és törekvéseket. Fontosnak tartom megjegyezni azt is, hogy az azóta eltelt 4-5 évben is jelentős K+F tevékenység történt.
A Debreceni Kossuth Lajos Tudományegyetemen folynak kutatások több tématerületen is. Ezek közül fontos kiemelni az élelmiszeripari szennyvíziszap mikrohullámmal történő sterilizálására, szárítására és későbbi hasznosítására vonatkozó törekvéseket. Ezek a fejlesztések a ma olyan nagyon hangsúlyzott környezetvédelmi szempontok miatt is nagy jelentőségűek. Másik fontos irányvonal a hőmérséklet mérésére és értelmezésére vonatkozó kutatás-fejlesztés.
A mikrohullámú tereken belül a hőmérséklet mérése komoly méréstechnikai
problémát jelent, mivel szinte minden, a térben elhelyezkedő és hőmérséklet mérésére alkalmas eszköz potenciális hőforrás is egyben.
A Szegedi Tudományegyetem Élelmiszeripari Főiskolai Karán is folynak mikrohullámú tématerületen kutatások. Itt mezőgazdasági termények szárítását vizsgálják mikrohullámú és kombinált (mikrohullám + konvektív) energiaközléssel. Hosszú idő óta folynak kísérletek különböző instant termékek előállítására, ahol a mikrohullámú energiaközlést használják, részben energiatakarékossági okból, részben a végtermék minőségmegóvása céljából.
Különböző mezőgazdasági termények és élelmiszerek dielektromos jellemzőit vizsgálják mikrohullámú térben a disszipált energia mérésének segítségével. Ezen kívül különböző roncsolási eljárások intenzifikálását vizsgálják mikrohullámú energia segítségével.
A Szegedi Tudományegyetemen is folynak kutatások szennyvizek és szennyvíziszapok káros hatásainak csökkentése, megszüntetése mikrohulámú energiaközléssel, valamint a mikrohullámú energiaközlés bioaktív anyagokra gyakorolt hatásait is kutatják. A vizsgálatokat egy Labotron 500 típusú professzionális mikrohullámú berendezéssel végzik, mely vákuumozható és konvekciós szárításra is használható, valamint mikrohullámú aero- vibrofluidizációs berendezéssel, amely mikrohullám-fluid, mikrohullám-vibro és mikrohullám-aero-vibro üzemmódban használható. A készülék haladó és visszavert teljesítmény párhuzamos mérésére is alkalmas szenzorokkal és adatgyűjtővel rendelkezik.
A gödöllői Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán folyó kutatások a mikrohullámú energia elsősorban élelmiszerekre gyakorolt hatásait célozzák meg.
Élelmiszeripari anyagok (például: gabonafélék, tej, sör) mikrohullámú dielektromos jellemzőit vizsgálják, ezen kívül tej és sör mikrohullámú hőkézelésének (pasztőrözésének) vizsgálatát végzik mikrohullámú kezeléssel. A hőkezelt mintákon mikrobiológiai, érzékszervi, kémiai valamint beltartalmi vizsgálatokat végeznek, összehasonlítva a mikrohullámú pasztőrözés minőségét a hagyományos technológiához képest. Elkezdték egy kisüzemi folyamatos üzemű mikrohullámú sörpasztőröző elkészítését.
A vizsgálatokhoz szakaszos és folyamatos üzemű mikrohullámú mérőköröket használnak, melyek alkalmasak a folyékony élelmiszerek melegítésére, pasztőrözésére különböző üzemmódokban. A mérőkörökhöz telepítésre került egy 8 csatornás mérőrendszer a folyamatos hőmérséklet, páratartalom, nyomás stb.
meghatározására. A mérőkörökhöz illeszkedik egy ACTARIS típusú teljesítménymérő berendezést, amely az energetikai jellemzőket méri.
A Nyugat Magyarországi Egyetem mosonmagyaróvári Mezőgazdaság- és Élelmiszertudományi Kara is azon hazai műhelyek sorát erősíti, ahol a mikrohullám elsősorban biológiai anyagokra gyakorolt hatásait kutatják. Itt különböző anyagok mikrohullámú kezelése során kialakult hőmérséklet eloszlásokat vizsgálnak infravörös kamera segítségével. A kapott eredmények alapján kialakítottak egy kezelési módot, ami lehetővé teszi, hogy a kezelt anyagon belül homogén hőmérsékleteloszlást érjenek el mikrohullámú besugárzás során. Különböző zsírtartalmú nyers, illetve fogyasztói tejek zsírtartalmát kombinált mikrohullámú kezelés és konvektív szárítási eljárás során határozták
meg. A mikrohullámú kezelést Fiso száloptikával kiegészített Panasonic inverter mikrohullámú készülékben végzik. A kezelt anyag hőmérsékletváltozása a beépített száloptika segítségével nyomon követhető. Ezek alapján egy új tejzsír meghatározási módszert fejlesztettek ki.
Vizsgálják a hagyományos (főzőlapos), valamint a mikrohullámú melegítés hatását a tejben lévő enzimekre (lipáz, xanthin oxidáz) vonatkozóan. Az enzimaktivitás változását spektrofotométer, illetve HPLC segítségével határozzák meg. [Lakatos et al., (2004a), Neményi et al., (2004), Lakatos et al., (2004b), Neményi et al., (2005), Neményi et al.,(2006)]
Az utóbbi években új ága fejlődött ki a mikrohullám alkalmazásának. A gyógyszeriparban, nagy mennyiségben használnak különböző alapanyagokat, amelyeket felhasználás előtt megfelelő kezeléseknek vetnek alá. Mikrohullámok alkalmazásával lehetőség nyílik a kezelési idő lerövidítésére vagy a kezelendő anyagok fizikai-kémiai tulajdonságainak kedvező irányú megváltoztatására. Ezen törekvések elősegítésére is több kutatóhelyen folynak ígéretes kutatások.
A Szegedi Tudományegyetem Gyógyszertechnológiai Intézetében mikrohullám gyógyszerészeti alkalmazásával kapcsolatosan folynak kutatások. Ezek témája az elektromágneses sugárzás anyagszerkezetre és fizikai-kémiai sajátságokra gyakorolt hatásainak vizsgálata. Az eddigiekben két gyógyszertechnológiai segédanyag - burgonya- és kukoricakeményítő - mikrohullámú kezelését végezték el és a következő paramétereket vizsgálták: kristályossági fok, szemcsemorfológia, mikromorfológiai paraméterek, nedvességtartalom, nedvesedési peremszög és felületi szabadenergia, adszorpciós tulajdonságok, duzzadási és gélképző sajátság. A műszerpark jelenleg egy Samsung C108SF típusú konyhai mikrohullámú sütőből áll. [Szepes et al., (2005a), Szepes et al., (2005b), Szepes et al., (2005c)]
A kolloidikai és reológiai csoport mikrohullámmal kezelt és nem kezelt keményítőkből állít elő vizes közegű géleket és ezek reológiai tulajdonságait vizsgálja és nagyon jellemző különbségeket talált. Az adatok feldolgozása és a közlemények előkészítése folyamatosan történik.
A Semmelweis Egyetem, Gyógyszerésztudományi Kar, Gyógyszerészeti Intézetében körülbelül 2 évvel ezelőtt indult mikrohullámú tárgyú kutatás, elsősorban gyógyszeripari alkalmazások terén, mint például szárítás, ehhez kapcsolódó kinetikai vizsgálódások, gyógynövényekből extraktumok készítésének elősegítése mikrohullámú besugárzással. A jelenleg rendelkezésre álló műszerpark egy Whirlpool VIP34, konyhai mikrohullámú sütőből és Goldstar ER65I3D, konyhai mikrohullámú készülékből áll, kiegészítve egy Meditest MVM02 időzítő szerkezettel, ami lehetővé teszi a besugárzás, illetve a besugárzások közötti szünetek hosszának manuális beállítását. Hosszútávú terveik között szerepel egy Mi-Mi-Pro mikrohullámú vákuum granuláló berendezés beszerzése. [Dávid Á.Z. et al (2000a), Dávid Á.Z. et al (2000a), Dávid Á.Z. et al (2005a), Dávid Á.Z. et al (2005a), Á. Kelen et al (2005a)]
A Richter Gedeon Rt.-ben a Készítményfejlesztési Főosztály/Gyógyszertechnológiai Osztályán hő és/vagy oxidációra érzékeny hatóanyag-tartalmú, elsősorban orális gyógyszerkészítmények vákuumszárítását kutatják. A vákuumszárítás önmagában roppant időigényes folyamat és ennek gyorsítására a dielektromos energia igen megfelelő. Előnye, hogy nincs szükség
közegre, prompt vezérelhető, jobb (ha nem is tökéletes) hő eloszlást biztosít, mint más vákuum térben alkalmazható energiaforrás, stb.
Az eltérő összetételű granulátumok (agglomerátum) szárítása folyamán folyamatosan változik a rendszer és annak összetevőinek dielektromos és egyéb fizikai, kémiai jellemzője. A kutatások célja adott hatóanyag(ok) formulálásához leginkább megfelelő segédanyag rendszer kialakítása, továbbá az energiaközlés során kialakuló hő eloszlás optimalizálása.
A vizsgálatok kizárólag 2450MHz frekvencián történnek, 2l-es, 4l-es, 25l-es, 75l- es, és 600 l-es munkatérben. A vizsgált paraméterek: a köpeny hőmérséklet, termék hőmérséklet, nyomás (szokásos: 50-100mbar), inert atmoszféra, kimenő energia, visszavert energia, szumma energia, keverő sebessége, forgatónyomaték.
[Kelen et al (2003), Kelen et al (2005b), Kelen et al (2006a), Kelen et al (2006b)]
A Veszprémi Egyetem Műszaki Kémiai Kutató Intézet munkatársainak korábbi (1997-2000), „Electromagnetic heating for food production” című INCO- COPERNICUS program (DG XII. Science, Research and Development, No.
IC15-cT97-1001) keretében végzett kutatás-fejlesztési tevékenysége a mikrohullámú energia alkalmazás lehetőségeinek vizsgálatára irányúlt az élelmiszeripari gyártási technológiák hagyományos, energiaigényes hőkezelési műveleteinek korszerű, gazdaságos kiváltása céljából. Alapkutatási munkájuk során tanulmányozták a különböző mezőgazdasági szemes terményekben (elsősorban a búza, borsó, rizs esetén, de gyógynövények vonatkozásában is) a mikrohullámú energia közlés hatására végbemenő változásokat. Vizsgálták pl.
káros enzimek mikrohullám hatására végbemenő bomlását értékes, hőérzékeny alkotóelemek megőrzésére törekedve búza, borsó esetében; tanulmányozták rizsféleségek mikroszerkezet módosulását és ezáltal a főzési tulajdonságok változását. [Pallai-Varsányi, E. et al., (1998a), Pallai-Varsányi, E. et al., (1998b), Pallai-Varsányi, E. et al., (1999), Pallai-Varsányi, E. et al., (2000), Kaldec P. et al., (2000), Swain et al., (2000), Pallai-Varsányi, E. et al., (2001a), Pallai- Varsányi, E., Szentmarjai T. (2001b), Pallai-Varsányi, E. et al., (2001c), Pallai Ivánné et al., (2002)]
Az INCO-COPERNICUS pályázat lezárása után a biztató alapkutatási eredmények alapján célul tűzték ki a pályázatban résztvevő ipari partnerrel (jelenleg ABO MILL Malomipari Rt) a hagyományos, több energiaigényes műveletsorból álló „Gyorsrizs” előállítási technológia korszerűsítése, gazdaságosabbá tétele, valamint a piaci igényeknek megfelelő minőség biztosítása érdekében új, környezetkímélő gazdaságos mikrohullámú gyártási technológia kidolgozását a laborméretű alapkutatástól az ipari megvalósításig. A kutatás- fejlesztési tevékenységben harmadik együttműködő partnere a mikrohullámú berendezés célnak megfelelő kifejlesztésére és gyártására vállalkozó német cég (Linn High Therm GmbH) volt. Ez utóbbi cég mikrohullámú szárítói, kemencéi világviszonylatban ismertek, a kifejlesztett speciális konstrukció révén messzemenően biztosítható a mikrohullámú kezelőtérben az egyenletes energiaeloszlás, további fő előny (amiért a választás a nevezett cégre esett), hogy a mikrohullámú berendezés, tetszés szerinti kompatíbilis kezelőtér elemből áll, tehát a kapacitás igen széles határok között változtatható.
A kidolgozott technológia egyetlen mikrohullámú hőkezelő műveletből áll, amelyet természetesen a hőkezelt termék hűtése követ. A technológia fő jellemzője, hogy a hagyományos technológiától eltérően elmarad a rizs
törékenységét növelő áztatási művelet, több mechanikai kezelés, valamint a végszárítás. A rizs mikrohullámú hőkezelése speciálisan kialakított csatornában történik a rizs egyensúlyi nedvességtartalmából származó gőz atmoszférában, megakadályozva rizs kiszáradását. A hőkezelés folyamatos üzemben szállítószalagra helyezett perforált főzőzacskókban (végleges kiszerelésben) megy végbe.
A mikrohullámú technológiával előállított rövid főzési idejű rizs (un. „Hamar rizs”) gyártása és értékesítése folyamatos. A technológia továbbfejlesztése, illetve a rizstermék bővítés további célkitűzésként szerepel.
A kutatás-fejlesztési eredmények alapján egy magyar és egy nemzetközi találmányi bejelentés született, a közzétételi szakasz befejeződött , [Vass A. et al., (2004), ABO MILL találmányi bejelentés (2003)].
Az új mikrohullámú technológiával előállított gyorsrizs termék 2004-ben díjat nyert Németországban (R.I.O. – Ressource Input Optimierung - Innovationspreis 2004), valamint Magyarországon (FOODAPEST 2004).
A mikrohullámú kutatási terület az utóbbi években kiterjedt az ú.n. „kombinált”, azaz mikrohullámú + konvektív szárítási eljárás vizsgálatára, a kombinált és a tisztán konvektív szárítási módok energetikai összehasonlítására, valamint a mikrohullámmal kezelt anyagok (szemes termények) által abszorbeált mikrohullámú energia mérésére. Az eredményekről hazai konferenciákon [30-32]
számoltak be. [Ludányi et al., (2003), Göllei et al., (2004a), Göllei et al., (2004b)], Műszaki Kémiai Kutató Intézetében jelenleg is folyik kutató munka a mikrohullámú energia felhasználása aktív szenek impregnálására (GVOP 3.1.1- 2004-05-0377/20, Mikrohullámmal kombinált eljárás aktív szenek impregnálására)
A különböző ipari és katonai szűrőkben impregnált aktív szenet használnak a levegőben jelenlévő gáz és gőz állapotú káros anyagok kiszűrésére. A jelenleg alkalmazott impregnálási technológia során a környezetre káros, toxikus anyagokat is felhasználnak, a hagyományos impregnálási eljárásnak nagy az energia igénye és gyakran a szén morfológiai tulajdonságai is kedvezőtlenül változnak az eljárás alatt.
A project részvevői a kutatási folyamat során kikísérleteznek és kidolgoznak egy olyan újfajta, mikrohullámmal kombinált impregnálási eljárást, és kifejlesztenek olyan laboratóriumi berendezést az aktív széntöltetek kezelésére, ami a fenti problémákat kiküszöböli: környezetbarát, energiatakarékos, az aktív szenek részleges vagy teljes regenerálására alkalmas – vagyis korszerűbb, olcsóbb, műszakilag jobb, hasznosabb megoldás a jelenleginél. Az így kialakított eljárás jövőbeni üzemesítésével megoldható lenne a gázálarcokban és nagyméretű szűrőkben használt abszorberek versenyképes hazai gyártása.
A fenti összefoglaló talán koránt sem teljes, mégis úgy gondolom, átfogó képet ad a jelenlegi, hazai mikrohullámú kutatások helyzetéről, terveiről és a jövőben elérni kívánt céljairól. Őszintén remélem, hogy ezek után is töretlen erővel folytatódik az új tudományos eredmények elérése.
3. A villamos permittivitás – dielektromos állandó – dielektrikumok
3.1 A dielektromos állandó fogalmának bevezetése
Ideális szigetelő anyagokban a töltéshordozók nem képesek elmozdulni. Ideális szigetelő közegnek tekinthető a tökéletes vákuum. A valóságban a vákuumot tartalmazó gyakorlati eszközökben (például a vákuumkapcsolókban) a vákuumot mindig anyag határolja, ami töltéshordozókat juttat a vákuumba, ezért a gyakorlatban az sem tekinthető tökéletes szigetelőnek. [Istvánffy (1958)].
A dielektrikum olyan szilárd, folyékony vagy gáznemű anyag, amely villamosan szigetelőként viselkedik. Fajlagos ellenállása 108 Ωm-nél nagyobb. A dielektrikumban gyakorlatilag nincsenek szabad töltéshordozók. A dielektrikumban villamos térben polarizáció következik be.
A villamos permittivitás a szigetelő közegeket azok villamos tér jelenléte esetén bekövetkező polarizációjának mértéke szempontjából jellemző mennyiség.
A villamos permittivitás vagy abszolút dielektromos állandó a szigetelő közegekre (a vákuumra és szigetelő anyagokra), más néven dielektrikumokra jellemző állandó. A permittivitás az anyagnak a villamos teret befolyásoló hatására jellemző mennyiség.
A dielektromos állandó skalármennyiség, jele: ε. Mértékegysége:
[ ]
Vm 1As
ε = (3.1)
A villamos permittivitás a tér valamely pontjában a vákuum permittivitásának és a teret az adott pontban kitöltő anyag vákuuméhoz viszonyított, relatív
permittivitásának szorzata:
εr
ε
ε = 0 ⋅ (3.2)
ahol Vm
12 As
0 ≈8,852⋅10−
ε , a vákuum permittivitása, illetve dielektromos térállandója.
εr: dimenzió nélküli számérték, az anyag relatív permittivitása, vagy relatív dielektromos térállandója.
Az anyagra jellemző permittivitás a D=ε⋅E összefüggés szerint tehát a villamos tér anyagtól független, illetve a teret kitöltő anyagtól függő jellemzője közötti kapcsolatot határozza meg.
Néhány anyag relatív dielektromos állandója:
anyag ε
paraffin 1,9 - 2,2 csillám 4 - 8
üveg 5 - 16
porcelán 6 speciális
kerámiák ~ 100 báruimtitanát ~ 1000
víz 81 etilalkohol 24
petróleum 2,1
levegő 1,000 59
A gyakorlatban alkalmazott, legtöbb szigetelőanyag relatív permittivitása egyszámjegyű érték. Különösen nagy érték a vízé, amely az erősen poláros vízmolekula nagy dipólusmomentumának köszönhető.
A levegő relatív dielektromos állandóját a legtöbb számítás esetén 1 értékkel lehet figyelembe venni, mert annak eltérése az egytől 10-4 nagyságrendbe esik.
3.2 Villamos tér szigetelőanyagban
A villamos töltés erőterére igen egyszerű összefüggést kapunk a E
D=ε0 (3.3)
eltolási vektor bevezetésével, ami alakilag is egyszerű összefüggés. [Simonyi (1973)] Bonyolódik a helyzet akkor, amikor szigetelőanyagot helyezünk a térbe.
Ez természetes, hiszen az anyag legkisebb építőkövei töltött részecskék, bár ezek általában kifelé semlegesek. Egy kis térrészben azonos mennyiségű pozitív és negatív töltést találunk, de tudjuk, hogy ezekre a töltésekre a villamos térben erő hat, melynek következtében az eddig semleges dielektrikum maga is erőteret hoz létre, mely a külső térre szuperponálódik, és azt megváltoztatja.
3.3 Elektrofizikai szemlélet
Egy kondenzátor kapacítását a következő összefüggés alapján számíthatjuk ki:
d C A
⋅
= ⋅ π ε 4
0
0 (3.4)
ahol, C a kapacítás, A a szembenálló fegyverzetek felülete, d a fegyverzetek távolsága, ε a fegyverzetek között elhelyezkedő anyag dielektromos állandója.
Ha a kondenzátor fegyverzetei között vákuum van, a kondenzátor vákuumban mért kapacítását C0-al szokás jelölni.
Ha a fegyverzetek között villamosan szigetelő anyag található, a kondenzátor kapacítása megnő.
C0
C=εr⋅ (3.5)
Az összefüggésből látható, hogy εr értéke legalább egy, vagy egynél nagyobb érték.
Innen:
C0
C
r =
ε vagy relatív egységekben számolva
0 0
C C C
r
= +
ε (3.6)
Ha a kapacítás változás nagy, (C >> C0) a két összefüggés eredménye nem tér el egymástól lényegesen. Az így kapott εr értéket szokás ε’-vel is jelölni és ez a mérőszám jellemző az anyag és az elektromágneses tér között létrejövő kölcsönhatás mértékére. Ez a dielektromos állandó az a szám, mely megmutatja, hogy hányszor nagyobb a kondenzátor kapacítása egy adott dielektrikumban, mint vákumban.
Ha egy ideális, veszteségmentes kondenzátort váltakozó áramú áramkörbe kapcsolunk, a kondenzátor feszültsége és a rajta átfolyó áram fázishelyzete között, φ = 90°-os fáziseltolódás jön létre.
C
UI
=90°
Ebben az estben a kondenzátor úgy viselkedik, mint egy veszteségmentes impedancia (meddő ellenállás). Ennek megfelelően a kondenzátor nem vesz fel energiát az áramkörből. A váltakozó áramú teljesítmény kiszámításának összefüggéséből is látható, hogy
W= U I cosφ ahol, φ = 90° cosφ = 0 tehát W = 0 (3.7) Ha a kondenzátor fegyverzetei között dielektrikum van, a dielektrikumban veszteség jön létre. Ez úgy modellezhető, hogy a kondenzátorral egy ellenállást kapcsolunk párhuzamosan. Gyakran az ellenállás reciprok értékét adjuk meg, a
villamos vezetőképességet. Ebben az esetben a feszültség és az áram közötti fáziseltérés kisebb lesz, mint 90°.
C
UI
=900−δ
G δ
A dielektrikum energiát von el az elektromágneses térből (közvetve az áramkörből) és ennek következtében a dielektrikum molekuláinak mozgása megnövekszik. Az elektromos energia egy része hővé alakul át, dielekrtomos veszteség keletkezik. Ennek nagyságát a fázisszög kiegészítő szögének, a veszteségi szögnek a tangensével szokták megadni.
ϕ
δ =90°− (3.8)
A tg δ analitikailag az ε-hoz hasonlóan hasznos elektrofizikai konstans.
Nagyságából pl. egy anyag tisztaságára egyes esetekben még megbízhatóbb következtetéseket vonhatunk le, mint a dielektromos állandóból. Egy párhuzamos veszteségi ellenállást tartalmazó kondenzátor tg δ-ját a következő módon számíthatjuk ki:
a a
C G R tg C
= ⋅
⋅
= ⋅
0
1
ω
δ ω (3.9)
ahol Ga a dielektrikum villamos vezetőképessége, Ca a dielektrikummal együtt mért kapacítás.
Mivel '
''
ε δ =ε
tg amiből ε '' =ε'⋅tgδ . (3.10)
ε’’ tehát egy olyan dimenzió nélküli mérőszám, amely jellemzi az anyag által az elektromágneses térből abszorbeált energia nagyságát.
3.4 Molekulafizikai szemlélet
A dielektrikum felépítéséből, anyagi szerkezetéből adódóan két nagy csoportot különböztetünk meg.
a). Apoláros molekulák
Apoláros molekulák esetén a szigetelő anyag molekulái abban az esetben, ha nincsen villamos erőtér kifelé semlegesek. A pozitív és a negatív elektromos töltés súlypontja ugyanabba a pontba esik, és csak külső tér hatására keletkező töltéseltolódás következtében alkotnak a tér erősségétől függően kis dipólusokat (indukált dipólus). Ebbe a csoportba tartoznak pl. a szimmetrikus felépítésű, permanens dipólus momentum nélküli szénhidrogének (metán, acetilén, benzol, naftalin), valamint a két azonos atomból álló molekulák (F2, Cl2), valamint a nemesgázok.
b). Poláros molekulák
Poláros molekulák esetén a dielektrikum molekulái külső villamos tér nélküli állapotban rendezetlenül elhelyezkedő kis dipólusoknak tekinthetők. A pozitív és a negatív potenciáljaik súlypontja ezekben az anyagokban nem esik egybe, és elektromos tér nélkül is van dipólusmomentumuk (permanens dipólusmomentum). Az elektromos tér ezeket a dipólusokat rendezi és deformálja a molekula dipólusnyomatékának lényeges megváltoztatása nélkül és a hőmozgás ellenére igyekszik a tér irányába beforgatni. Ide tartoznak azok a molekulák amelyek elektrovalens vagy ionkötéssel kapcsolódnak (pl. víz, alkoholok, karboxil-, aminocsoportot tartalmazó vegyületek). Tehát a poláros anyagok nemcsak deformálódással, hanem orientációval is polarizálódnak külső tér hatására.
A dielektromos polarizáció több részből tevődik össze:
Eltolódási polarizáció
1. Az elektronfelhő eltolódik az atommaghoz képest anélkül, hogy a molekulán belül az atommagok egymáshoz viszonyított helyzete megváltozna
(elektronpolarizáció - Pe)
2. Az atomok vagy ionok eltolódnak egymáshoz képest (atom- vagy ionpolarizáció – Pa)
Orientációs polarizáció
3. A dipólusok a tér hatására rendeződnek ( - Po)
+
+ + + + +
Apoláros
molekulák Poláros
molekulák
+ -
- +
- +
- + - + - + - +
- +
- +
+ - + -
- +
-
+ +-
- + - + + -
+ -
- +
- + - +
- + - +
- + - + - +
- +
3.1 ábra Poláros és apoláros molekulák elrendeződése
3.5 A permittivitás mértékegységének származtatása
A Q pontszerű töltés által tőle r távolságra létrehozott villamos térerősség összefüggéséből:
2
2 4
4 E r
Q r
E Q
⋅
= ⋅
⋅ →
= ⋅
ε π ε
π (3.11)
tehát:
[ ] [ ]
[ ] [ ]
m VmAsm V
As r
E
Q 1
1 1
1
2 2 =
⋅
⋅ =
ε = (3.12)
A villamos permittivitás a villamos tér adott pontjában uralkodó villamos eltolás (D) és villamos térerősség (E) közötti arányossági tényező, amely a teret abban a pontban kitöltő közegre jellemző mennyiség.
E
= D
ε (3.13)
3.6 A hőmérséklet hatása a dielektromos állandóra (hőmérsékletfüggés)
Apoláros oldószerekben a keletkező dipólus molekulák mindig a tér irányába rendeződnek, s ezt a kialakult állapotot a hőmozgás nem befolyásolja jelentősen, tehát az apoláros anyagok dielektromos állandója nem függ a hőmérséklettől.
Poláros anyagok esetén viszont a hőmérséklet növekedésével rendszerint csökkenő dielektromos állandó értékeket kapunk. (Nő a rendeztlenség.)
A poláros anyagok polarizációja, mint arról már előbb szó volt, eltolódási és orientációs polarizációból tevődik össze. Az orientációs polarizáció esetében az elektromos térnek a molekulákra gyakorolt irányító hatását gátolja a molekulák hőmozgása, és az erővonalak irányába történő beállást akadályozza. Annál jobban akadályozza, minnél nagyobb a hőmérséklet és nagyobb a hőmozgás. Tehát a hőmozgás hatására a dipólus tengelyek rendezetlen állapot felvételére törekednek, és nem lehetséges tökéletes rendeződés az erővonalak irányába, és csak statikus egyensúly kialakulását teszi lehetővé. A polarizáció mértéke függ a dipólusok számától és erősségétől, valamint a hőmozgás intenzitásától.
Néhány folyékony vegyület hőmérsékleti együtthatója a 3.1 Táblázatban található.
Látható, hogy a hőmérsékleti koefficiens a polárosság értékével növekszik.
Anyag Hőmérsékleti koefficiens Benzol 0,00160
Klór-benzol 0,00174 Etilén –klorid 0,0553 Nitro-benzol 0,185
Víz 0,366
3.1 táblázat. Folyékony vegyületek dielektromos állandójának hőmérsékleti együtthatója
