Mikrodalga frekansları üç bant içermektedir: Ultra Yüksek Frekans, Süper Yüksek Frekans ve Aşırı Yüksek Frekans.

Transkript

1 Mikrodalga Tekniğinin Gelişimi ve Temel Özellikleri İkinci dünya savaşı sırasında radar kullanımının yaygınlaşması, mikrodalga teknolojisinin hızla gelişmesini sağlamıştır. Çok geçmeden gıda maddelerinin ısıtılmasını da içeren ilk mikrodalga ısıtma uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Bu gelişme, evlerde kullanılan mikrodalga fırınların geniş ölçekli kullanımına yol açmıştır. Elektromanyetik spektrumda (Şekil 1.) değişik isimlerle incelenen ışınlar temelde dalgalar halinde yayılan ışınlardır ve elde ediliş yöntemleri, ışının etki özelliği, fiziksel özelliklerine göre birbirinden ayrılmaktadır. Elektromanyetik ışınların dalga boyları ve frekanslarıyla tanımlandığı ve enerjinin dalga frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılı olduğu bilinmektedir. İnfrared ışınları ile radyo dalgaları arasında yer alan dalgalara mikrodalgalar adı verilmektedir. Mikrodalgalar, elektrik ve manyetik alandan oluşan, magnetron ve klistronlarca yayılan yüksek frekanslı, çok kısa dalga boylu elektromanyetik dalgalardır. Elektromanyetik spektrumdaki mikrodalga bölgesine ait frekans aralığı 300 MHz -300 GHz arasında, buna karşılık gelen dalga boyu aralığı ise l cm 1 m arasında değişmektedir. Mikrodalga frekansları üç bant içermektedir: Ultra Yüksek Frekans, Süper Yüksek Frekans ve Aşırı Yüksek Frekans. Bir mikrodalga ışınımının frekansı ne kadar yüksek olursa, o ışınımın oluşturulabilmesi için harcanması gereken enerji miktarı da o kadar yüksek olmaktadır. Mikrodalga Uygulayarak Isıtma Prensibi Mikrodalgalar, iyonik parçaların göçü ve/veya dipolar parçaların rotasyonu ile moleküler harekete sebep olurlar. Bir malzemeyi mikrodalga ile ısıtma işlemi, malzemenin Dissipation (harcama, tüketme) faktörüne büyük oranda bağlıdır. Bu faktör malzemenin dielektirik sabitine, dielektirik kaybının oranı olarak ifade edilir. Dielektrik sabiti, malzemenin mikrodalga enerjisinin içerisinden geçmesi esnasında alıkoyma yeteneğinin bir ölçüsüdür. Kayıp faktörü ise malzemenin enerjiyi tüketmesinin bir ölçüsüdür. Diğer bir değişle, kayıp faktörü giren mikrodalga enerjisinin malzeme içinde ısı olarak tükenmesiyle kaybolma

2 miktarını vermektedir. Bu nedenle yüksek kayıp faktörlü bir malzeme mikrodalga enerjisi ile kolaylıkla ısıtılabilmektedir. Mikrodalga ısıtma sistemi dört temel bileşen ile yapılmakladır. Bunlar güç uygulayıcı, magnetron, hedef malzemenin ısıtılması için aplikator (örn. fırın) ve jenaratörden gelen mikrodalgaları aplikatöre ileten dalga rehberidir. Bir kaynaktan çıkan mikrodalga, dalga hareketi sonucunda tüm yönlere dağılmaktadır. Bu dalgaların taşıdığı enerjinin miktarı, kaynakta yüklenen enerjinin miktarı ile orantılıdır. Mikrodalga enerjisi, bir güç kaynağınca yüksek voltajlara çevrilmiş elektrik enerjisinden kaynaklanmaktadır. Bu yüksek voltajdaki enerji, mikrodalga güç tüpüne veya jeneratörüne uygulanmaktadır. En yaygın güç tüpü magnetrondur ve enerjisini fırın, dalga kılavuzu veya ısıtılacak maddeyi içeren başka bir cihaza yaymaktadır. Klasik mikrodalga fırınlarda kullanılan magnetronlar kilowatt mertebesinde enerji üretirken, endüstride kullanılan magnetronlar megawatt mertebesinde enerji üretebilirler. Magnetron bir anot ve doğrudan ısıtılmış bir katoda sahip bir dioddur. Katot ısıtıldıkça, elektronlar serbest kalır ve anoda doğru çekilirler. Anot, her biri ayarlı devrelerden oluşan çift sayıda boşluktan meydana gelmiştir. Her boşluk bir kapasitör gibi çalışır. Bu yüzden anot, belirli frekanslarda osilasyon yapan devre serilerinden oluşmuştur. Çok güçlü bir manyetik alan eksenel yönde anot içersinde indüklenir. Bu olay katottan anoda hareket eden elektronların yollarının bükülmesine neden olur. Saptırılmış elektronlar boşlukların içerisinden geçerken küçük miktarda yükü bu devrelere indükleyerek boşlukta osilasyona sebep olurlar. Doğru faz ilişkisinin kurulabilmesi için, alternatif boşluklar iki ince tel şeritle bağlantılanır. Osilasyon işlemi belli bir genlik sağlanıncaya kadar devam eder. Daha sonra anottan bir anten aracılığıyla uzaklaştırılır. Geri kalan enerji ise ısıtmada kullanılır. Mikrodalga; infrared ve görünür ışık gibi yansımakta, iletilmekte ve absorbe edilmektedir. Mikrodalga fırın, içinde enerji dalgalarının duvarlarından yansıdığı bir sistem olarak tasarımlanmış metalik bir kutudur. Mikrodalgalar cam, seramik, plastik ve kağıt gibi bir çok maddenin içinden geçebilme özelliğine sahiptirler.

3 Bir maddenin mikrodalga enerjisi kullanılarak ısıtılması, o maddenin üzerine gelen mikrodalga ışınımını absorbe etmesine ve bünyesine aldığı bu enerjinin yardımıyla, molekülleri arasında meydana gelen titreşim ve sürtünmeler sonucunda sıcaklığının artması prensibine dayanmaktadır. Absorbe edilen elektromagnetik enerji moleküler faaliyetler sonucunda ısı enerjisine dönüştürülmektedir; ancak, elektromagnetik enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşebilmektedir. Dönüştürülemeyen enerji nedeniyle bir kayıp faktörü tanımlanmıştır. Mikrodalga enerjisini absorblama yeteneğine sahip olan maddelerin, enerjiyi depolama özelliği dielektrik özelliktir. Bir maddenin mikrodalga ile etkileşime geçip ısı üreten kısımları polar molekülleridir. Gıdaların en temel bileşenlerinden biri olan su da polar bir bileşiktir ve mikrodalga elektrik alanının varlığında, su moleküllerinin hareket yetenekleri hızla artmakta ve açığa çıkan kinetik enerji tüm kütlenin ısınmasını sağlamaktadır. Dielektrik Kaybı Mikrodalga enerjisi ile ısıtılan bir cismin ısınma modeli, kısmen o cismin dağıtım (dissipation) faktörüne bağlı olacaktır (tand). Dağıtım faktörü, maddenin dielektrik kaybının ya da kayıp faktörünün (e ) dielektrik sabitine (e ) oranıdır; tan=e /e. Dielektrik sabiti, cismin mikrodalga enerjisini tutabilme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Bu büyüklük, enerjinin ne kadarının numune tarafından adsorblanıp ısıya dönüştüğünü ve ne kadarının havanumune ara yüzeyinde yansıdığını göstermekledir. Kayıp faktörü ise cismin bu enerjiyi dağıtabilme kabiliyetini ifade etmektedir. Kayıp kelimesi cisme girip ısı olarak dağılan kayıp mikrodalga enerjiyi göstermek amacıyla kullanılmaktadır ve maddenin gelen enerjinin ne kadarını ısıya çevirebildiğinin bir ölçüsüdür. Değişik malzemeler için dağıtım faktörlerini ve dielektrik katsayılarını içeren tablolar mevcuttur. Mikrodalga Uygulayarak Isıtmayı Etkileyen Faktörler Mikrodalga fırınların tasarımları deneysel formüllere dayanılarak yapılır. Genelde mikrodalga, hatta elektromanyetik alanlarla ilgili her türlü hesaplama Maxwell eşitliklerine uyacaktır. Bu eşitlikler manyetik alanın zamana ve mekana göre nasıl hareket ettiklerini açıklar. Burada karşımıza çıkan sorun sistem kompleksleştikçe (düzgün olmayan şekiller, farklı dielektrik katsayıları, boşluklar ) analitik metotlarla çözüme ulaşmak mümkün olmamaktadır. Bunun yerine sayısal yöntemlerle hesaplama yapan bilgisayar simülasyonları geliştirilmiştir. Gıda maddelerinin mikrodalga enerji ile ısıtılması, ısıtma ekipmanının ve ısıtılacak gıda maddesinin birçok özelliği tarafından etkilenmektedir. Bu etkiler gıdaların mikrodalga enerji ile ısıtılmasında dikkate alınmalıdır. Frekans Değişik şekillerde, çok geniş bir spektrumda elde edilebilen mikrodalgalarda kullanılan frekansları ve dalga boyları endüstriyel, bilimsel ve tıbbi amaçlar için sınırlandırılmıştır. Gıda sanayiinde işleme pişirme için, I.T.U. (Uluslararası Haberleşme Birliği) tarafından düzenlenen mikrodalga kullanım frekansları, 2450±50 MHz ve 915± 15 MHz olarak öngörülmektedir. Bu frekanslardaki dalga boyları havada sırası ile 33 ve 12,2 cm dir.

4 Mikrodalga gücü ve ısıtma hızı Bir çok endüstriyel mikrodalga sistemi kw arasında değişen mikrodalga gücünde çalışmaktadır. Güç akışının verilen kütle için yüksek olması, sıcaklığın hızla artmasına neden olmaktadır. Bu gibi sistemlerde mikrodalga ısıtmanın hızı güç akışının değişimi ile kontrol edilmektedir. Ancak pişirme, fırınlama ve diğer bazı gıda işlemlerinde başlangıçta yükselen ısı etkisiyle bazı reaksiyonların hızlanması sonucu oldukça kompleks fizikokimyasal olaylar ortaya çıkmaktadır. Bu reaksiyonlar normal koşullarda uygun sırada ve sürede meydana gelirler. Ancak mikrodalganın hızlı ısıtması sonucu bu reaksiyonların oluşması için yeterli süre bulunmayabilmektedir., Mikrodalga gücü dolayısıyla ısıtmanın hızlı olmasıyla yaratılan bir diğer problem homojen olmayan sıcaklık dağılımıdır. Bunun nedeni kısmen çabuk ısınan kısımlardan daha yavaş ısınan kısımlara ısı transferinin düşük hızda gerçekleşmesi, kısmen de ısıtılan materyalin şekli, örneğin köşeli bir gıda olmasıdır. Gıdanın kütlesi Genel olarak materyalin kütlesi büyüdükçe, sabit güçteki bir mikrodalga ekipmanında ısıtmak için gerekli süre artmaktadır. Ancak ısıtmanın etkinliği genellikle kütledeki artışla artmaktadır. Örnek olarak bir patatesi pişirmek için gerekli süre dört dakika, iki patates için yedi dakika, üç patates için on dakika olmaktadır. Isıtılacak toplam kütle göz önüne alındığında, istenen ısıtmayı sağlayabilmek için kütle ile mikrodalga gücünün miktarı arasında direkt bir ilişki vardır. Toplam kütle küçük ise kesikli bir sistem işlem için daha uygundur. Ancak kütle büyüdükçe bantlı sistemlerin kullanımı daha verimlidir. Bu gibi sistemlerde ısıyı homojen bir şekilde sağlamak da mümkün olmaktadır. Gıdanın su içeriği Su genellikle mikrodalga enerjinin absorblanmasında önemli bir etkendir. Yüksek su içeriği, gıdanın yüksek dielektrik kayıp faktörüne sahip olması, dolayısıyla daha iyi ısınma sağlar. Ancak düşük su içeren gıdalar da mikrodalga ortamında iyi ısıtılabilirler, bu işlem spesifik ısıdaki azalma sayesinde olmaktadır. Mikrodalga ısıtma sırasında materyalin kurumasıyla daha nemli bölgelerin mikrodalga enerjiyi absorblamaları daha kolay olmaktadır. Bu olay, özellikle kurutma işleminde önemli bir avantajdır. Genel olarak, gıdanın nem içeriği yüksekse dielektrik sabiti yüksek olur. Dielektrik kayıp faktörü, nem içeriği %20 30 oluncaya kadar artış gösterir ve bazı durumlarda bu nem içeriğinden sonra azalma olabilir. Karışımın dielektrik sabiti (e ) karışımı oluşturan bileşenlerin dielektrik sabitleri arasında yer almaktadır. Yoğunluk Yoğunluk direkt olarak dielektrik sabitini etkilemektedir. Havanın dielektrik sabiti 1.0 dır ve endüstriyel ısıtma frekanslarında tamamen geçirgendir. Böylece yapısında boşluklar olan ve hava içeren bir materyalin dielektrik sabiti azalmaktadır. Bununla birlikte materyalin yoğunluğunun artmasıyla dielektrik sabiti hemen hemen lineer olarak artmaktadır.

5 Sıcaklık Mikrodalga ısıtmada materyalin sıcaklığı birçok yönden etkilidir. Dielektrik kayıp faktörü sıcaklıkla materyale de bağlı olarak artar veya azalır. Isıtma işlemi süresince materyalin sıcaklık ve nem içeriğinde değişimler olduğundan, buna bağlı olarak dielektrik özelliklerinde de önemli değişimler ortaya çıkar. Mikrodalga ısıtma sırasında üründe meydana gelen faz değişimi dikkate alınmalıdır. Gıda materyalinin başlangıç ısısı kontrol edildiği sürece mikrodalganın gücü veya ısıtma süresi homojen bir son sıcaklık için ayarlanabilmektedir. Fiziksel geometri Ürünün fiziksel geometrisi de mikrodalga ısıtma üzerine etki etmektedir. Eğer ısıtılacak materyalin boyutu mikrodalga enerjinin dalga boyu veya daha önemlisi penetrasyon derinliğine göre fazlaysa tekdüze bir ısıtma yapabilmek çok zor olacaktır. Diğer taraftan ısıtılacak gıdanın şekli ne kadar düzenli ise ısı dağılımı o kadar düzenli olmaktadır. Keskin köşe ve açılar mikrodalga ısıtmada aşırı ısınan bölgelerdir. Bu nedenle küresel şekilli gıdalar küp şekillerden daha homojen ısınmaktadır. İletkenlik Mikrodalga sistemlerinde genellikle dipolar dönme, ısının oluşmasında etken mekanizma olurken, gıda maddelerinin ısınmasında çoğunlukla iyonik kondüksiyon esas rol oynamaktadır. Gıda maddelerine çoğunlukla tuz eklenmesi gıdanın mikrodalga ısıtılmasında etkili olup ısıtma oranını artırmaktadır. Gıdanın içeriğinde böyle bir değişiklik ısıtmada mikrodalga sistemlerin kullanılması durumunda dikkatle yapılmalıdır. Tuz katılması mikrodalga penetrasyon derinliğini doğrudan etkilemekte ve yüzeyde aşırı ısınmalara neden olabilmektedir. Spesifik Isı Mikrodalga ısıtmada gıdanın spesifik ısısı genellikle ihmal edilen bir parametredir, ancak ısıtma işleminin uzun sürmesi durumunda dikkate alınması gereken bir etken olmaktadır. Spesifik ısı özellikle mikrodalga alanında ısıtmada düşük dielektrik kaybı olan materyallerin ısıtılmasında önemli rol oynamaktadır. Özellikle çok bileşenli gıda ürünlerinin mikrodalga sistemlerde başarıyla ısıtılabilmesi için spesifik ısının etkisi de mutlaka göz önüne alınmalıdır. Mikrodalga Fırının Çalışma Prensibi Mikrodalga, fırın içindeki magnetron adı verilen vakum tüpünden üretilir. Magnetron 60 Hz lik elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüştürür. Üretilen mikrodalgalar foton olarak adlandırılan ışın tanecikleri halinde yayılır. Mikrodalga fotonları düşük düzeyde enerjiye sahiptir. Su gibi artı yüklü ve eksi yüklü uçları olan moleküller polar moleküller olarak adlandırılır. Üretilen mikrodalgalar besinlere ulaştığında besinde bulunan su molekülleri mikrodalga fotonlarının enerjisini soğurarak artı ve eksi uçları arasında titreşmeye başlarlar. Bu titreşmeler sonucu etraflarındaki moleküller ile oluşan sürtünmeden dolayı açığa çıkan ısı besinlerin pişmesini ve kurumasını sağlar.

6 Mikrodalga ile pişirme geleneksel pişirme yöntemlerinden hem daha hızlıdır hem de daha ekonomiktir. Çünkü, pişirme sürecinde yalnızca besin pişer, fırın ve ortamın ısınması için enerji ve zaman harcanmaz. Mikrodalga fırınlar kullandıkları elektrik enerjisinin %50 sini besinlerin ısıtılması için kullanırken bu oran konvansiyonel fırınlarda %10 lara kadar düşmektedir. Mikrodalga fırınlar yiyeceklerin ısıtılması ve pişirilmesinde kullanılmak üzere mikro dalgaları kullanan çeşitli elektronik ve mekanik parçalardan oluşan bir elektrikli cihazdır. Bu cihazın içerisinde zamanlayıcı(elektromekanik veya elektronik), güç yönetim birimi, koruma elemanları vb elektriksel elemanlar vardır. İçerisinde ev gerilimini yüksek gerilime dönüştüren bir trafo vardır. Bu yüksek voltaj magnetron denilen elemanla mikrodalgaya dönüştürülür. Magnetron tüpü iki mıknatıs arasında bulunan bir sargı ve bu sargını ortasın bulunan bir iletkenden oluşur sargıdan geçen 3000 voltluk elektrik güçlü bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan mıknatıslar sayesinde ortadaki ısınmış olan flamandan elektron kopartır elektronlar ortadaki mıknatıslar sayesinde yönelirler bu şekilde antene verilir antende bu elektronları iletir. Ve dalga kılavuzu sayesinde karıştırıcıdan geçerek fırın içerisine verilir Elektrik enerjisini mikrodalga enerjisine dönüştürmesi ise bir magnetron ile olur. Magnetron 2450 MHz frekansında mikrodalgalar üretir. Bu mikrodalgalar, dalga kılavuzu vasıtasıyla fırının içine ulaşırlar. Bu noktada mikrodalgaların birkaç karakteristik özelliğinden bahsedelim. Mikrodalgalar, tıpkı güneş ışığının camdan nasıl geçiyorsa cam, porselen, kağıt ve plastik gibi çoğu maddelerin içinden geçebilirler. Mikrodalgalar, duvara çarpan bir topun geri dönmesi gibi, metallerden yansıyıp geri dönerler. Mikrodalgalar maddelerin içine nüfuz ederler ve özellikle yiyecekler tarafından emilirler. Mikrodalgalar pişirmek ve kurutmak istediğimiz yiyecek tarafından emilirler. Saniyede 2,45 milyar kez titreşen mikrodalgalar yiyeceğin içine girdiklerinde, su moleküllerinde bir titreşim oluştururlar. Mikrodalgaların polaritesi (kutupsallık) her değiştiğinde (+) ve (-) yüklerle yüklü su molekülleri bir ileri bir geri saniyede 4,9 milyar kez titreşirler. Bu yüksek hızdaki titreşmeden dolayı birbirine sürtünen su molekülleri ısı enerjisini açığa çıkarırlar. Bu ısıyla ise yiyecek pişmiş olur. İçinde daha fazla su molekülü olan yiyecekler daha hızlı pişerler.klasik fırınlarda olduğu gibi mikrodalga fırınlarda ortam ve yiyecek kapları ısınmazlar. Yalnızca yiyecekler ısınır ve pişerler. Pişirme süresi ise çok daha kısadır.

7 KAYNAKLAR