ÖNS ÖZ TABLO LĠ STESĠ. ġekġ L LĠ STESĠ SE MBOL LĠ STESĠ. 1. GĠ RĠ ġ 1

Transkript

1 ÖNS ÖZ Bu çalıģ ma mada yar dıml arı nı esirge meyen ve bana yol göst eren değerli hoca m sayı n Pr of. Dr. Taner DERBENTLĠ YE t eģekkürl eri mi sunarı m. Ağust os 2002 M. Kağan ÇalıĢkan

2 ÖNS ÖZ TABLO LĠ STESĠ ġekġ L LĠ STESĠ SE MBOL LĠ STESĠ ÖZET SUMMARY i iv v vii ix xi 1. GĠ RĠ ġ 1 2. KURUT MANI N FĠ ZĠ ĞĠ Kur ut ma Kur ut manı n AĢa mal arı ve Ki neti ği Ort a mı n Ne mġçeri ği Kur uma Süreleri ni n Bul unması Kur u ma Hı zı nı Et kileyen Fakt örl er Dı Ģ Fakt örler Ġç Fakt örler Kur ut manı n Ter modi na mi ği Isı Transferi ile Benzerli k Endüstri yel Kur ut ucul ar Fırı n Kur ut ucul ar Kabi n Kur ut ucul ar Tünel Kur ut ucul ar Bantlı ( Konveyör) Kur ut ucul ar Akı Ģkan Yat aklı Kur ut ucul ar Pnö mati k Kur ut ucul ar Püskürt meli Kur utucul ar Vaku m kur ut ucul ar Döner kur ut ucul ar Dondurarak kur ut manı n yapıl dı ğı kur ut ucul ar Mi kr odal ga kur utucul ar Kur ut ucul arı n KarĢılaĢtırıl ması 28 ii

3 3. MĠ KRODALGA I SI TMA VE KURUT MA GiriĢ El ektromanyeti k Dal gal ar Ant en Tarafı ndan Ol uģt ur ul an El ektromanyeti k Dal gal ar El ektromanyeti k Dal gal arı n Tayfı Mi kr odal ga ve Isıt ma Et kisi Tari hçe Mi kr odal ga Isıt ma Mekani ği Mi kr odal ga Isıt maya Et ki eden fakt örler Mi kr odal ga Frekansl arı Di el ektri k Özelli kler Mi kr odal ga Enerjisi ni n Isıl Enerji ye DönüĢü mü Mi kr odal ganı n Et ki Deri nli ği Mi kr odal ga Emilmesi Isıt ma Hı zı Mi kr odal ga Fırı nl arı n Tanıtı mı Mi kr odal ga Fırı n Bil eģenl eri DENEYLER GiriĢ Deney Düzeneği Deneyl eri n YapılıĢı Su ile yapılan deneyl er ġeker ile yapılan deneyl er Ku mile yapılan Deneyl er Di ğer Maddel erle Yapıl an Deneyl er MĠ KRODALGA KURUMA Ġ ÇĠ N SAYI SAL MODEL Tanı m Sayısal Model Pr ogra mı n Açı kl anması ve Akı Ģ Ģe ması nı n Veril mesi SONUÇLAR VE TARTI ġma KAYNAKLAR 69 EKLER 73 ÖZGEÇMĠ ġ 78 iii

4 TABLO Lİ STESİ Sayf a No Tabl o 2. 1 Bazı maddeleri n kriti k ne mi çeri kl eri Tabl o 2. 2 ÇeĢitli kur uma hı zı modelleri içi n kuru ma za manl arı Tabl o 2. 3 Bazı cisi ml erin gözeneklili kl eri Tabl o 2. 4 Su Buharı- Hava çifti ni n difüzyon katsayıları Tabl o 2. 5 Bazı maddel erde su buharı nı n efektif diffüzi viteleri Tabl o 2. 6 Bazı kur ut ucu çeģitleri ni n enerji t üketi ml eri ve buharl aģ ma hızl arı. 28 Tabl o 3. 1 I SM Bantları Tabl o 3. 2 Bazı yalıt kan maddel eri n di el ektri k sabitleri Tabl o 3. 3 Buz ve suyun dielektri k özelli kl eri iv

5 ŞEKİ L Lİ STESİ Sayf a No Şekil 2. 1 Kur ut manı n AĢa mal arı... 6 Şekil 2. 2 Sor bsi yon Ġzoter ml eri Şekil 2. 3 Kur u ma Hı zı Eğrisi Şekil 2. 4 Bir kabi n kur ut ucunun Ģe mati k ol arak göst eriliģi Şekil 2. 5 Paral el hava akı mlı t ünel kur ut ucul arı Şekil 2. 6 Ters hava akıml ı t ünel kur ut ucul arı Şekil 2. 7 Bantlı kur ut ucu Ģe mati k res mi Şekil 2. 8 Sürekli çalıģan akıģkan yat aklı kur ut ucu Ģe ması Şekil 2. 9 Si kl on ti p bir püskürt meli kur ut ucu Ģeması Şekil Bantlı bir vaku m kur ut ucunun Ģe mat i k göst eri mi Şekil Tekli ve çiftli döner kur ut ucul arı n Ģemati k göst eri mi Şekil 3. 1 Bir El ektromanyeti k Dal ganı n ġe matik Göst eri mi Şekil 3. 2 Ant en ve el ektromanyeti k dal ga üreti m Ģe ması Şekil 3. 3 El ektromanyeti k Dal gal arı n Tayfı Şekil 3. 4 Uygul anan el ektri k alan ve pol arizasyon arası ndaki faz farkı Şekil 3. 5 Kayı p Tanj antı Şekil 3. 6 Suyun Di el ektri k Özelli kl eri ni n Frekansa Bağlı DeğiĢi mi Şekil 3. 7 Suyun di el ektri k özelli kl eri ni n sıcaklı ğa bağlı değiģi mi Şekil 3. 8 Ti pi k bir mi krodal ga fırı nı n kesit Ģe ması Şekil 3. 9 Magnetron ġeması Şekil Sanayi ti pi bir mi kr odal ga fırı nda kullanılan dal ga kılavuzu Şekil Sanayi ti pi bir mi kr odal ga fırı nı n kesit Ģe ması Şekil 4. 1 Mi kr odal ga Fırı nı n ÇalıĢ ma Karakt eristi ği Şekil 4. 2 Suyun ta m güçt e (800 W) buharl aģtırılması Şekil 4. 3 ġeker- Su karıģı mı içi n 800 Wgüçt e yapıl an deneyl er Şekil Wgüçt e %10 su içeren Ģekeri n kur ut ul ması Şekil Wgüçt e %10 su içeren Ģekeri n kurut ul ması v

6 Şekil Wgüçt e %10 su içeren Ģekeri n kurut ul ması Şekil 4. 7 Su- Ku m KarıĢı mı nı n ÇeĢitli Güçl erde Kur ut ul ması Şekil 4. 8 Kur ut ul an su-ku m karıģı mı nı n yüzey sı caklı ğı nı n değiģi mi Şekil 4. 9 Su- ku m karıģımı nı n çeģitli güçl erde kur ut ul ması Şekil 5. 1 Kontrol Haciml eri Şekil 6. 1 %10 su- ku m karıģı mı deney- model karģılaģtırıl ması (sıcaklı k) Şekil 6. 2 %10 su- ku m karıģı mı içi n deney- model karģılaģtır ması(ne mi çeri ği) 67 Şekil 6. 3 %20 su- ku m karıģı mı deney- model karģılaģtırıl ması (sıcaklı k) Şekil 6. 4 %20 su- ku m karıģı mı içi n deney- model karģılaģtır ması (ne mi çeri ği) 68 vi

7 SEMBOL Lİ STESİ A: Al an ( m 2 ) C: DeriĢi kli k (kg/ m 3 ) c: Özgül ısı (kj/ kg K) D: Di ff üzi vite ( m 2 /s) D eff : Ef ektif Diffüzi vite ( m 2 /s) E: El ektri k al an Ģi ddeti ( V/ m) f: Fr ekans ( Hz) h: Isı taģı nı mkatsayısı ( W/ m 2 K) h D : Kütl e taģı nı mkatsayısı (m/ s) h fg : Suyun buharl aģ ma gi zli ısısı (kj/ kg) k: Isı ileti mkatsayısı ( W/ m K), mutl ak geçirgenlik ( m 2 ) k G : Gaz geçirgenli ği k R, G : Bağıl gaz geçirgenli ği l: Uzunl uk ( m) M: Mol kütlesi (kg/ kmol) M k : Kur u katı kütlesi (kg) m '' : Kütl e akısı (kg/ m 2 s) m ''' : Haci msel buhar üretimi (kg/ m 3 s) N s N: Kur u ma hı zı (kg/ m 2 h) n b : Kütl esel akı (kg/ m 2 s) P: Bası nç ( Pa) P d,q: Mi kr odal ga güç yoğunluğu ( W/ m 3 ) q' ' : Isı akısı ( W/ m 2 ) q ''': Haci msel ısı üreti mi ( W/ m 3 ) t: Za man (s) t S : Sabit hı zda kur u ma za manı T: Sı caklı k ( o C) u: Hı z ( m/ s) u c : IĢı k hı zı (310 m/ s) V: Haci m( m 3 ) x: Uzunl uk ( m), mol fraksiyonu X. Ne mi çeri ği (kg ne m/ kg kur u cisi m) X o : BaĢl angı ç ne mi çeri ği (kg ne m/ kg kur u cisi m) X k : Kriti k ne mi çeri ği (kg ne m/ kg kur u cisi m) X*: Denge ne mi içeri ği (kg ne m/ kg kur u cisi m) Z: Et ki Deri nli ği ( m) : Bağıl di elektri k sabiti 0 : Ser best uzayı n elektrik geçirgenli ği (8. 854x10-12 C 2 / Nm 2 ) : Bağıl di elektri k kayı p fakt ör ü vii

8 : Gözeneklili k : Isı yayılı mkatsayısı (m 2 /s) : Dal ga boyu ( m) : Di na mi k viskozite ( Ns/m 2 ) Ki ne mati k viskozite ( m 2 /s) : Yoğunl uk (kg/ m 3 ) viii

9 ÖZET ÇalıĢ manı n a macı çeģitli maddel eri n mi kr odal ga enerjisi ile kuru mal arı nı n deneysel ve teori k ol arak i ncel enmesi dir. Kur ut ma, ne mi n maddeden uzakl aģtırıl ması iģle mi ni n genel adı dır. Bu i Ģl e m, maddeye ı sı veril mesi ile maddedeki suyun buharl aģtırıl ması ile gerçekl eģtirilir. Bu nedenl e kur ut ma, ısı ve kütle transferi ni beraberce içerir. Kur ut ma ki mya, t arı m, bi yot eknol oji, gı da, poli mer, sera mi k, eczacılı k, kağıt ha mur u ve kağıt, mi neral ve kerest e i Ģle me endüstrileri nde kull anılan t e mel iģle ml er den biri dir. Kur ut maya çeģitli nedenl erle i hti yaç duyul abilir, bunl ar hazırla ma ve depol a ma kol aylı ğı, nakli ye ücretleri ni n azaltıl ması, belirlen mi Ģ ol an ür ün kalitesine ul aģı m gi bi nedenl erdir. Günümüzde en çok kull anıl an yönt e m, t aģı nı ml a kurut madır. Bu yönt e mde maddede bul unan ne m bağıl ol arak daha az ne m i çeren havanı n madde üzeri nden geçiril mesi yle uzakl aģtırılır. Kur ut ma i Ģl e mi baģl angıçta gı da sakl an ması al anı nda uygul an maya baģlan mı Ģ ve bunun i çi n kull anılan en yaygı n yönt e m güneģte kur ut ma ol muģt ur. Teknol oji ni n geliģ mesi il e gı da ür ünleri ni n yanı sıra t oprak, sera mi k, t aht a, kağıt, t ekstil, kö mür ve benzeri sanayi ürünl eri ne de kur ut ma iģle mi uygul an maya baģlanmı Ģtır. Kur uma hı zı nı et kileyen f akt örler, iç ve dıģ faktörler ol mak üzere i ki baģlık altı nda incelenebilir. Dı Ģ fakt örler maddeden bağı msı z, hava hı zı, havanı n bağıl ne mi, maddeni n yüzey al anı gibi fakt örlerdir. Ġç fakt örler ise geçirgenli k, gözeneklili k, çözünürl ük, ısıl ilet kenlik gi bi fakt örler ol up, maddeni n iç yapısı ndan kaynakl anırlar. Mi kr odal gal ar dal gaboyu mm ar ası nda değiģen el ektro manyeti k dal gal ardır. El ektromanyeti k dal gal ar, manyeti k al anı n değiģtiril mesi il e ol uģt ur ul abilirler. Gör ünür ı Ģı k el ektromanyeti k dal gal ara ör nek ol arak verilebilir. El ektromanyeti k dal gal ar yansıtılabilirler, odaklanabilirler ve kırılabilirler. Mi kr odal gal ar, suyu ı sıtma et kisi keģfedil di ği nden beri birçok ı sıt ma ve kur ut ma uygul a mal arı nda araģtır ma konusu ol muģl ardır. Bu et ki, mi kr odal ga il e kur ut manı n di ğer kurut ma yönt e ml eri ne göre daha avant ajlı ol duğunu göst er mi Ģtir, çünkü enerji doğr udan asıl hedefl enen maddeye verilmekt edir. Mi kr odal ga enerjisi nin maddeye uygul anması i çi n, mi kr odal ga fırı nl ar kullanıl makt adır. Yönt emi n di ğer bir üst ünl üğü, mi kr odal ga enerjisi ni n az bir kayı p ile maddeye verilebil mesi dir. Günü müzde mi kr odal ga enerjisi, sera mi k üreti mi, kaynak, kauçuk sertleģtiril mesi, poli merl eri n ı sıtıl ması, zararlı atı kl arı n vitrifi kasyonu gi bi iģl e ml er de uygul an makt adır. Ek olarak tı pt a t ümörl eri n t edavisi nde de kullanıl maktadır. ix

10 Bu çalıģ manı n biri nci böl ü münde kur ut manı n t anı mı yapıl mı Ģ ve t ari hçesi üzeri nde dur ul muģt ur. Daha önce yapılan çalıģmal ar kısaca özetlenmi Ģtir. Varılan sonuçl arı n kısa bir özeti yapıl mı Ģtır. Ġki nci böl ümde kur ut manı n fi zi ği i ncel enmi Ģ ve kur ut manı n aģa mal arı açı kl an mı Ģtır. Kur ut mada kull anılan t er modi nami k bağı ntılar üzeri nde dur ul muģ, kur ut ma para metrel eri ne iliģki n t abl o ve di yagra ml ar bu böl ümde yer al mı Ģtır. Ek ol arak kur ut ma çeģitleri nden bahsedil mi Ģ ve çeģitli kur ut ucul ar hakkında bil gi veril mi Ģtir. Üçüncü böl ümde mi krodal ga kur ut manı n t e meli ol an el ektromanyetik dal gal ar tanıtıl mı Ģ, nüf uz deri nliği, ısı ya dönüģen enerji gi bi el ektromanyeti k dal gal ar il e il gili t anı ml ar yapıl mı Ģ ve f or müll eri üzeri nde dur ul muģt ur. Buna ek ol arak çeģitli maddel eri n el ektri ksel özelli kl eri tabl o hali nde veril mi Ģtir. Dör düncü böl ümde deney t esisatı t anıtıl mı Ģ, kull anılan ci hazl arı n özelli kl eri belirtil mi Ģtir. Deneyl erin yapılıģı açı kl anmı Ģ, yapılan öl çü ml er grafi kler hali nde sunul muģt ur. Sonuçl arı n kısaca değerl endiril mesi yapıl mı Ģtır. BeĢi nci böl ümde mi krodal ga ı sıt ma ve kur utma i çi n kullanılan sayısal model açı kl an mı Ģtır. Yazılan pr ogra mı n açı kl an ması da bu böl ü mde yapılmı Ģ, akı Ģ Ģe ması da bu böl ümde veril mi Ģtir. Al tı ncı böl ümde, deneyl eri n ve sayısal model sonuçl arı nı n karģılaģtırıl ması yapıl mı Ģtır. Deney sonuçl arı na göre, kur u ma i Ģle mi i ki kıs ma ayrılabilir. Biri nci böl ümde buharl aģ manın ol madı ğı ve mi kr odal ga enerjisi ni n sadece maddeni n sı caklı ğı nı n yüksel mesine harcandı ğı kabul edil mi Ģtir. Sı caklı k suyun kayna ma nokt ası na çı ktı ğı nda ise, kur uma sabit sıcaklı kt a gerçekl eģ mekt edir. x

11 DRYI NG WI TH MI CROWAVE ENERGY SUMMARY The pur pose of t his research i s t o st udy t he dr yi ng of vari ous mat erials wit h mi cr owave-ener gy bot h experi ment all y and t heoreticall y. Lit erall y, dr yi ng means t he re moval of t he moist ure of a mat erial. This can be done wit h appl yi ng heat t o t he mat erial and evaporati ng t he wat er i nsi de. Theref ore, dryi ng i ncl udes bot h heat and mass-transfer. Dr yi ng i s a f unda ment al operati on used i n chemi stry, agri cult ure, bi otechnol ogy, nourishment, pol ymers, cera mi cs, phar macy, paper, ti mber, and mi neral i ndustries. There are about hundred t ypes of wi del y used dr yi ng met hods; however, more t han four-hundred met hods i n t he literat ure have been report ed. There can be vari ous reasons t o use dr yi ng. Preparati on and easi ness in st ori ng, reduci ng cost i n transport ati on, and opti mi zi ng t he pr oduct qualit y can be gi ven as good exa mpl es. The most used dr yi ng met hod t oday i s dr yi ng by convecti on. The wor ki ng pri nci pl e of t his met hod i s based on convecti onall y re movi ng t he moi st ure i n t he mat erial by passi ng an air strea m, whi ch has rel ati vel y l ess moi st ure t han t he mat erial itself. The ver y fist application of dr yi ng pr ocess has been used i n l ong-ter m f ood st orage by si mpl y l etti ng t he pr oduct dr y under t he sunshi ne. The develop ment i n i ndustry all owed us t o use dr yi ng f or ot her t ype of pr oducts such as soil, cera mi cs, ti mber, paper, textile, coal and si mil ar industries. The f act ors t hat affect t he dr yi ng pr ocess can be exa mi ned under t wo different t opi cs as t he ext ernal and t he i nt ernal ones. The ext ernal fact ors are caused by t he vari ati ons bet ween t he mat erial and t he out er space such as t he vel ocit y of t he airfl ow, t he rel ati ve hu mi dit y, t he surface area of t he mat erial. The i nt er nal fact ors are mor e r el ated t o t he i nner structure li ke per meabilit y, por osit y, conducti vit y, and sol ubilit y of t he mat erial. Mi cr owaves are el ectro- magnetic waves whose wavel engt h vari es between one and hundred milli met ers. The el ectro- magnetic waves can be created by a conti nuousl y changi ng magnetic fi el d. Vi si bl e li ght is an exampl e of el ectromagnetic waves. El ectromagnetic waves can be r eflect ed, f ocused and refract ed. It was f ound t hat mi cr owaves can war m up wat er. Aft er t his fi ndi ng, t here was a a mount of research on t he heati ng and dr yi ng effect of mi cr owaves. This heati ng effect is caused by t he ener gy absor pti on of wat er. Thi s i s a ver y i mport ant advant age of mi cr owaves t o ot her dr yi ng met hods, because by t his met hod t he ener gy i s appli ed t o t he mat erial directl y. To appl y t he mi cr owave-energy t o t he mat erial, mi cr owave ovens are used. Anot her advant age of t his met hod i s t hat a xi

12 great percent age of t he mi cr owave ener gy can be applied t o t he mat erial wit h j ust a little ener gy-l oss i n t he pr ocess. Today, mi cr owaves are bei ng wi del y used i n i ndustries such as cera mi c pr oducti on, melti ng, wel di ng and i n pr ocesses such as r ubber har deni ng, heati ng pr ocesses of pol ymers, gl ass vitrificati on of hazar dous mat erials. Mor eover, t hese waves are also bei ng used i n medi ci ne t o cure tu mors. In t he first chapt er of thi s t hesis, t he defi niti on, and t he short hist or y of dr yi ng have been r evi e wed. So me pr evi ous researches about t he subj ect and a short su mmar y of fi ndi ngs have also been menti oned i n t his chapt er. In t he second chapt er, the physi cs behi nd dr ying and st eps of dr yi ng have been expl ai ned. The connecti ons and t he vari abl e tabl es and di agra ms, whi ch have been used duri ng t he dryi ng pr ocess, have been menti oned i n t his chapter. Dr yi ng met hods, dryers have also been covered i n t he second chapt er. The t hird chapt er covers t he defi niti on of el ectromagnetic waves and t he funda ment al mechanism of t hese waves, whi ch i s i oni c pol arizati on and di pol e rot ati on. The war mi ng effect and t he fact ors have been r evi e wed i n t his chapt er. Additi onall y, t he magnetic fi el ds, t he ener gy heat conversi ons, so me for mul as, t he defi niti on of mi cr owave ovens, magnetron, wave gui de, mi xer and power unit have been expl ai ned i n the t hird chapt er. The experi ments i n t his t hesis are discussed i n t he f ourt h chapt er. I n t hese experi ments, t he vaporizi ng of t he wat er wit h mi cr owave ener gy and t he dr yi ng of mat erials such as sugar, wat er, sand, salt, and coal are anal yzed. The experi ments, t he features of t he devi ces used i n t he experime nt s, t he measure ment s have been expl ai ned and presented i n t he f ourt h chapt er. A short eval uati on of fi ndi ngs is also menti oned i n t his chapt er. The fift h chapt er covers the nu meric model, whi ch i s used f or heati ng and dr yi ng. This model is one di mensi onal. The model is sol ved by a co mput er pr ogram and t he flow diagra m was gi ven also i n this chapt er. In t he si xt h chapt er, t he results of experi ments and nu meric model have been compared. Accor di ng t o the experi ments t he dr ying treat ment was di vi ded i nt o t wo sub secti on i n t he nu meric model. Duri ng t he first secti on, it is assumed t hat t here is no vaporizati on exist and t he mi crowave energy rises onl y of t he t e mperature of t he mat erial. Aft er t he t e mperat ure reaches t he boiling poi nt of wat er, drying begi ns wit h no change i n te mperat ure. xii

13 1. GĠ RĠ ġ Çalış manı n a macı çeşitli maddel eri n mi kr odal ga ı sı nmanı n et kisi altı nda kur u ması nı n teori k ve deneysel ol arak i ncel en mesi dir. Bu çalış manı n 1. böl ümünde kur ut manı n t anımı yapıl mı ş ve t ari hçesi üzeri nde dur ul muşt ur. Daha önce yapılan çalış mal ar kısaca özetlenmi ştir. Varıl an sonuçl arı n kısa bir özeti yapıl mı ştır. 2. böl ümde kur ut manı n fi zi ği i ncel enmi ş ve kurut manı n aşa mal arı açı klanmı ştır. Kur ut mada kull anılan t er modi na mi k bağı ntılar üzeri nde dur ul muş, kur ut ma para metrel eri ne ilişki n t abl o ve di yagra ml ar bu böl ü mde yer al mı ştır. Ek ol arak kur ut ma çeşitleri nden bahsedil mi ş ve çeşitli kur ut ucul ar hakkında bil gi veril mi ştir. 3. böl ümde mi kr odalga kur ut manı n t e meli ol an el ektromanyeti k dal gal ar tanıtıl mı ş, nüf uz deri nliği, ısı ya dönüşen enerji gi bi el ektro manyeti k dal gal ar il e il gili t anı ml ar yapıl mı ş ve f or müll eri üzeri nde dur ul muşt ur. Buna ek ol arak çeşitli maddel eri n el ektri ksel özelli kl eri tabl o hali nde veril mi ştir. 4. böl ümde deney t esisatı t anıtıl mı ş, kull anılan ci hazl arı n özelli kl eri belirtil mi ştir. Deneyl eri n yapılışı açıkl an mı ş, yapılan öl çü mler grafi kl er hali nde sunul muşt ur. Sonuçl arı n kısaca değerlendiril mesi yapıl mı ştır. 5. böl ümde mi kr odal ga ı sıt ma ve kur ut ma i çi n kull anılan sayısal model açı kl an mı ştır. Yazılan progra mı n açı kl an ması da bu böl ü mde yapıl mı ş, sonuçl ar deney sonuçl arı ile karşılaştırıl mı ştır. Kur ut ma bir maddeden ne mi n çeşitli yollarla uzakl aştırıl ması işle mi ni n genel adı dır. Maddeye ı sı veril mesi yl e maddede sı vı hal de bul unan suyun buharl aştırıl ması ve dı şarı atıl ması sonucunda bu i şl e m gerçekl eştiril mekt edir. Kur ut ma, ki mya, bi yot eknol oji, gı da, poli mer, sera mi k, eczacılı k, kağıt, maden ve ağaç endüstrileri nde uygul anan te mel bir işle mdi r.

14 Kur ut maya çeşitli nedenl erle i hti yaç duyul abilir, bunl ar hazırla ma ve depol a ma kol aylı ğı, nakli ye ücretleri ni n azaltıl ması, belirlen mi ş ol an ür ün kalitesine ul aşı m gi bi nedenl erdir. Günü müzde en çok kull anılan yönt e m t aşı nı ml a kur ut madır. Bu yönt e mde maddede bul unan ne m bağıl ol arak daha az nem i çeren havanı n madde üzeri nden geçiril mesi yl e uzakl aştırılır. Kur ut ma i şl e mi başl angıçta gı da sakl an ması al anı nda uygul an maya başlan mı ş ve bunun i çi n kull anılan en yaygı n yönt e m güneşte kur ut ma ol muşt ur. Teknol oji ni n geliş mesi ile gı da ür ünleri ni n yanısıra t oprak, sera mi k, t aht a, kağıt, t ekstil, kö mür ve benzeri sanayi ürünl eri ne de kur ut ma işle mi uygul an maya başla mı ştır. Mi kr odal ga fırı nl arı n ilk ol arak 1947 de üretilmesi nden ve sanayi de kull anıl maya başl an ması ndan iti baren, kur ut mada kull anılmal arı na yöneli k günümüze kadar birçok araştır ma yapılmı ştır. Başl angı çt a sadece gı da endüstrisi i çi n kull anıl an mi kr odal ga enerjisi daha sonral arı ki mya t ekstil gi bi sekt örlerde de uygul a ma ve araştır ma konusu ol muştur ( Datta, 1999). Kuang ve Nel son( 1997), 23 f ar klı t aze meyve ve sebzeni n den 20 GHz e kadar ol an frekansl arda ve çeşitli ne m or anl arı nda di el ektri k özelli kl eri ni belirle mi ş ve bir t ablo hali nde sun muşl ardır. Bo ws ( 1999), st andart ol arak kullanılan 2450 ve 915 Mhz dı şı nda MHz arası nda 8 f ar klı frekans değeri i çi n deneyl er yap mı ş ve bazı gı da maddel eri i çi n bu frekansl ardaki et ki deri nli ği, di el ektri k sabiti ve kayı p fakt ör ü değişi ml eri ni i ncel e mi ştir. Fiber opti k pr obl ar ile öl çül müş olan sı caklı k uygul anan frekansa bağlı ol makl a birli kt e yakl aşı k ol arak 17 s de 90 o C ye kadar çı ktı ğı nı belirt mi ştir. Di ğer bir çalış mada, mi kr odal ga enerjisi yl e kur ut ma i şl e mi 3 böl üme ayrıl mı ştır ( Per ki n, 1980). Bunl ar dan il ki yukarı da belirtil mi ş ol an ve kurut ul an cis mi n sı caklı ğını n suyun kayna ma sı caklı ğı na kadar yüksel di ği böl ümdür. Bu böl ü mde mi kr odal ga enerjisi ni n sadece ı sl ak cis mi n sı caklı ğı nı arttırdı ğı, buharl aş ma ol madı ğı kabul edil mi ştir. Bu ı sı nma süreci nden sonra başl ayan ve sı caklı ğı n sabit kal dı ğı 2. böl ümde, verilen mi kr odal ga enerjisi ni n bası ncı n belli bir maksi muma ul aşana kadar sadece suyun buharl aş ması i çi n harcanı p, cisi mden çevreye su buharı geçişi 2

15 ol madı ğı nı kabul edil mi ştir. Bası nç gradyeni ni n ol uşu mundan sonraki 3. böl ü mde ise verilen mi kr odal ga enerjisi ile buharl aşan suyun, bası nçt a değişi me yol aç madan ci si mden çevreye geçti ği kabul edilip, bu 3 böl ü m de analiti k ol arak i ncel e mi ştir. Joll y ( 1986) poli üret an köpüğün 60 o C sı caklı kt a mi krodal ga ve zorl anmı ş t aşı nı ml a bi rli kt e kur u ması nı i ncele mi ştir. Mi kr odal ga enerjisi il e kur ut ma i şl e mi ne zorl an mı ş t aşı nı mı n da dahil edil mesi dur u munda ı sıl veri mi n sadece zorl anmı ş t aşı nıml a kur ut ma yapıl an bi r siste mden daha yüksek ol duğu sonucuna var mı ştır. Poliüret an köpüğün sı caklık kontrol ünün zorl an mı ş t aşı nı m ve mi kr odal ga kaynağı nı n kesi ntili çalış ması ile yapılabil di ği ni göst er mi ştir. Bo ws un ( 1999) deneysel verileri Per ki n i n ( 1980) mi kr odal ga enerjisi il e kur ut ma pr obl e mi ne ol an yakl aşı mı nı dest ekl er nit eli kt edir. Yapıl an deneyl er den el de edilen sonuçl ar, mi kr odal ga enerjisi ile yapıl an kur ut ma i şle ml eri nde sı caklı ğı n Bo ws ( 1999) un deneyl eri nde ol duğu gi bi kısa bir za manda 1 at m bası nçt a suyun kayna ma nokt ası na çı ktı ğı nı göster mi ştir. Lit erat ürde yukarı daki yakl aşı ml ar dan f ar klı ol arak t aht a, patat es gi bi bi yo mat er yaller üzeri nde yapıl mı ş ol an kur ut ma çalış mal arı da bul un makt adır. Bu çalış mal arda kur u ma za manl arı maddel eri n i ç yapısı ve su t ut ma özelli kl eri nedeni yl e daha uzun sür müşt ür. Aşağı daki sözü edil en çalış mal ar da kur ul muş ol an mat e mati k modeller Per ki n i nki nden ( 1980) far klı ol arak su buharı nı n yanı sıra havanı n da kütl e ve enerji kor unu munu içeren daha geliş mi ş modellerdir. Const ant ve di ğerleri ( 1996) yap mı ş ol dukl arı çalış mada; mi kr odal ga ile ı sıt mada yüzeye doğr u ol an bir sı vı po mpal a ma et kisi nin var ol duğunu il eri sürmüşl er ve bu et ki yi de göz önüne al arak birli kt e ol an kütle ve ı sı transferi i çi n haci msel ı sı üreti mi ni de i çeren bir model geliştir mi şler dir. Ni ve di ğerleri ( 1998) araştır mal arı nda mi kr odal ga enerjisi ile kur ut ma i çi n bir boyutl u bir mat e mati k model ku muş, bu model de Const ant ve di ğerleri ni n ( 1996) modeline be nzer şekil de, sı vı po mpal ama et kisi de i ncel emi şl erdir. Bu modeli pat at esi n kur ut ul ması na uyarl a mı ş, el de etti kl eri sı caklık ve kur u ma pr ofillerini n deney sonuçl arı ile karşılaştırması nı yap mı şl ardır. 3

16 Geliştir me aşa ması nda ol an bu çalış mada yukarı da anılan çalış mal ar dan mat e mati k model geliştir me aşa ması nda f aydalanıl mı ş ol up, bu model de ı sı ve kütle geçiş pr obl e mi bir boyutl u ol arak i ncel enmi ştir. Bu model de kuru ma önce sı caklı ğı n buharl aş ma ol madan yüksel di ği, daha sonra sı caklı ğı n sabit kalı p yut ul an mi kr odal ga enerjsi ni n buharl aş maya harcandı ğı bir süreç ol arak düşünül müşt ür. 4

17 2. KURUT MANI N FĠ ZĠĞĠ Bu böl ü mde kur ut manı n t anı mı yapılı p aşa mal arı ndan bahsedil mi ştir. Daha sonra kur ut maya et ki eden f akt örler belirtil mi ş, kur ut ucu çeşitleri t anıtıl mı ş, s or bsi yon izot er ml eri ni n tanı mı yapıl mı ştır Kurut ma Kur ut ma ı sı ve kütl e geçişi ni n birli kt e gerçekl eşti ği kar maşı k bir işle mdir. Kur ut ma sırası nda meydana gel en çeşitli kimyasal ve fi zi ksel deği şi kli kl er belirtilen ı sı ve kütl e geçişi ni et kileyebilir. Fizi ksel değişi kli kl ere krist alleş me, büzül me, şiş me ör nek verilebilir. Renk, yapı ve kokuda ol uşabilecek değişi ml er ise ki myasal veya bi yoki myasal değişi ml er dir. Kur ut manı n ve kur ut ucul arı n bazı t e mel özellikl eri aşağı da veril mi ş ol up bunl ar birer araştır ma ve geliştir me konusudur. Ür ün boyutl arı mi kr onl ar düzeyi nden dm l er düzeyi ne kadar çı kabilir. Ür ün gözeneklili ği 0 dan %99 kadar değişebilir. Kur ut ma za manl arı s gi bi kısa sürel erden (i nce kağıt kur ut ul ması) 5 ay gi bi sürel ere (bazı sert ağaç t ürleri ni n kur ut ul ması) kadar çı kabilir. Kur ut ucu kapasiteleri, kg/ h ile 100 t/ h arasında değiş mekt edir. Ür ün hı zl arı 0 dan ( durgun hal) 2000 m/ s ye kadar (i nce kağıt kur ut ul ması) değiş mekt edir. Kur ut ucul arı n i şlet me bası nçl arı mili barlar sevi yesi nden 25 bar değerl eri ne kadar değiş mekt edir. Kur ut ma i çi n gerekli ısı s ürekli veya kesi ntili olarak t aşı nı m, il eti m r adyasyon veya el ektromanyeti k dal gal arla geç mekt edir. 5

18 Kur u ma ı sl ak maddeye sı vı nı n buharl aşabil mesi i çi n gerekli enerji ni n sağl an ması ile ol uşur. Katı daki ne mi n geçişi ise aşağı daki mekani z mal ar dan biri ya da bir kaçı ile meydana gelir. Kur uyan cisi mde ol uşan sı vı difüzyonu, Kur uyan cisi mde ol uşan buhar difüzyonu, Kur ut ma çok düşük sı caklı k ve bası nçt a yapılı yorsa ( dondurarak kurut ma) Knudsen Difüzyonu, Kur ut ul an maddeni n i ç kı sı ml arı ndaki buharl aş ma hı zı nı n, buharı n katı dan etrafa geçiş hı zı ndan yüksek ol duğu dur u mda, bası nç far kı nedeni yl e ol uşan ne m geçişi ( Muj u mdar, 2000) Kur ut manı n AĢa mal arı ve Ki neti ği Şekil 2. 1 Kur ut manı n Aşa mal arı Şekil 2. 1 de gözenekli maddel ere ait genel kur uma eğrisi veril miştir. Bu eğri de A- B böl ümü maddeni n sıcaklı ğı nı n arttığı 1. aşamayı göster mekt edir. Bu böl ümde kur ut ulacak maddeni n yüzeyi ni n sıcaklı ğı kurut ma havası ile dengeye gel mekt edir. B- C böl ümü kur u manı n sabit hı zda gerçekl eştiği 2. aşa mayı göst er mekt edir. Bu aşa mada kur ut ul an maddeni n yüzeyi sı vı ile doygun hal de bul un makt adır. Di ğer bir anl atı ml a katı nı n i çinden yüzeye gel en sı vı mi kt arı buharl aş ma il e yüzeyden 6

19 ayrılan sı vı mi kt arı nı karşıla makt adır. Kur ut ma bu aşa mada kur ut ul an yüzeyde ol an ı sı geçişi ne bağlı dır. Isı geçişi ile buharl aşan mi kt ar cis mi n i ç böl gel eri nden yüzeye ol an sı vı akışı il e dengel en mekt e, böyl eli kl e kur ut ul an yüzey doygun hal de bul un makt a ve sıcaklı ğı yaş ter mo metre sıcaklı ğı ol arak sabit kalmakt adır. Kur ut ma işl e mi deva m etti kçe öyl e bir noktaya erişilir ki; bu noktada artı k kur ut ul an maddeni n i çi nden yüzeye ul aşan ne m, buharl aşan ne m mi kt arı nı karşılaya maz ve yüzey kur u maya başl ar. C nokt ası nda kur u ma hı zı azal maya başl ar ve azal an hı zda kur u ma aşa ması na geçilir. Bu nokt adaki maddenin i çer di ği ne m mi kt arı da kritik ne m i çeri ği ol arak adl andırıl makt adır. Bu nokt adan sonra kur ut ma i şl e mi ne deva m edil di ği nde kuruyan yüzeyi n sı caklı ğı art maya başl ar ve kur ut ma havası nı n kur u t er mo metre sı caklı ğı na erişir. Azal an hı zda kur u ma i ki böl üme ayrılabilir. İl k böl ümde yüzey kur ur ve kur u ma hı zı düş meye başl ar. İ ki nci böl ümde i se buharl aş ma yüzeyi katı nı n i çi ne kayar ve kuruma hı zı daha da azalır. Azal an hı zda kur u ma böl gesi nde kur u ma hı zı en çok buharı n katı içi ndeki hareketi nden ve hava hı zı ndan et kilenir. Aşağı da bazı maddel er i çi n kriti k ne mi çiri kl eri veril mi ştir. Tabl o 2. 1 Bazı maddel eri n kriti k ne mi çeri kl eri ( Muj u mdar, 2000). Ma dde Kri ti k Ne m Ġçeri ği X k (kg su/ kg kur u madde) Tuz kristalleri, kaya t uzu, ku m Tuğl a (kil), kaoli n, mı cır Kağıt, t oprak, yün ku maş Çeşitli besi nl er, ça mur Jel ati n, jel, sebze, meyve >

20 Ma ddeni n ne miçeri ği 2. 3 Ort a mı n Ne mġçeriği Ma ddel eri n i çer di ği nem mi kt arı ort a mda bul unan su buharı mi kt arı na gör e deği şi kli k göst er mekt edir. Ort a mı n ne mi arttırıl dı ğı nda ve azaltıl dı ğı nda ma ddedeki ne m deği şimi f ar klı karakt eristi klere sahi p ol makt adır. Ma ddeni n içi nde bul unduğu havanı n ne m mi kt arı nı n sabit sı caklı kt a deği ştiril mesi il e ma ddeni n i çer di ği nem mi kt arı ndaki deği şi mi göst eren eğriler sor bsi yon izot er ml eri ol arak adl andırılırlar. Sabit sı caklı kt a ort a mı n ne mi ni n arttırıl ması ile meydana gel en, maddeni n i çer di ği ne m mi kt arı ndaki deği şi m adsor bsi yon ( maddeni n ne m al ması), yi ne sabit sı caklı kl a ort a mı n ne mi ni n azaltıl ması il e ma ddeni n i çer di ği nem mi kt arı ndaki meydana gel en deği şi m desor bsi yon ( maddeni n ne m bırak ması) ol arak adl andırıl makt adır. Genel de çoğu madde i çi n bu i zot er meğrileri birbiri nden far klılı k göst er mekt edir. Havanı n Bağıl Ne mi Şekil 2. 2 Sorbsi yon İzoter ml eri ( Krischer, 1956). 8

21 Buna göre kur ut ulan cisi ml erdeki ne m mi kt arı havanı n bağıl ne mi ne bağlı ol arak desorbsi yon eğrisi ne göre değişir. Kur ut ma işlemi havanı n bağıl ne mi ne karşılı k desorbsi yon eğrileri ile belirtilen ne miçeri ği ne kadar deva medebilir Kuruma Sürel eri nin Bul unması Şekil 2. 3 Kur u ma Hı zı Eğrisi ( Muj u mdar, 2000). Şekil 2. 3 te genel bir kur u ma eğrisi veril mi ştir. Burada X * il e belirtilen denge ne mi i çeri ği desor bsi yon eğrileri ile belirlenen, belli sı caklı k ve bağıl ne me sahi p havaya göre maddede bul unan ne m mi kt arı dır. Kur ut ma i şl e mi nde dengeye gel me aşa ması ol an 1. böl ge geçil di kt en sonra kriti k ne m i çeri ği ne ul aşılana kadar ol an sabit kur u ma hı zı aşağı daki bi çi mde belirtilebilir. N S M K dx ( 2. 1) A dt Sabit hı z böl gesi içi n geçen süre(t S ) bu dur u mda aşağı daki gi bi ol acaktır. 9

22 t S M A K X 1 X N S K ( 2. 2) Azal an hı z böl gesi nde ise hı zı n ne m i çeri ği ne doğr usal bi r oranl a bağlı ol duğu kabul üyl e; M K dx N X ( 2. 3) A dt X K t ts X M K X K dx dt A N ( 2. 4) X X K ve buradan, M K X K X K t tk ln ( 2. 5) A N X el de edilir. Sabit hı zda kur u ma böl gesi nde kriti k ne m i çeri ği ne ul aşılana kadar geçen süre (2. 5) de yeri ne konul ursa; X 0 X K X K X K t ln ( 2. 6) N N X eşitli ği el de edilir. Burada, N( kg m - 2 h - 1 ) suyun buharlaş ma hı zı, A(m 2 ) buharlaş ma al anı ve M k ( kg) net kur u katı kütlesi dir. Çeşitli kuruma modelleri i çin kur uma za manl arı Tabl o2. 2 de özetlenmi ştir. 10

23 Tabl o 2. 2 Çeşitli kuruma hızı modelleri içi n kuruma za manl arı ( Muj umdar, 2000). Mo del Kurut ma süresi Ki neti k model, N M A K dx dt t d = başl angı ç ne m i çeriği X 1 den son ne m i çeri ği X 2 ye ul aş mak i çi n geçen kur ut ma süresi N = N( X) ( Genel) t M A K X1 X 2 dx N N = N S ( Sabit hı z böl ümü) t c M A K ( X X ) 2 1 N S N = a X + b ( Azal an hı z böl ümü) t a M A K ( X ( N 1 1 X 2 ) N1 ln N ) N 2 2 N = Ax, X * X 2 X K t a M K X AN S K ln X X K 2 Tabl o 2. 2, sabit ve doğr usal azal an kur u ma hı zl arı modelleri ne ait kur u ma za manl arı nı hesapl a mak i çi n veril mi ştir. s ve a i ndisleri sırası ile sabit ve azal an hı z böl ü ml eri anl a mı na gel mekt e ve kur ut ma süresi, bu i ki kur ut ma böl ümündeki süreni n t opl a mı na eşit ol makt adır Kuru ma Hı zı nı Et kileyen Fakt örl er Kur ut ma hı zı nı et kileyen f akt örl er i ç ve dı ş fakt örler ol mak üzere t emel de i ki başlı k altı nda i ncel enebilir. Dı ş fakt örler daha çok kur ut ul acak ci si mden bağı msı z, cis mi n çevresi ile dış yüzeyi ndeki f ar klılı kt an kaynakl anan fakt örlerdir. İç fakt örler ise cisi mi ç yapısı ndan kaynakl anırlar. 11

24 Dı Ģ Fakt örl er Havanı n sı caklı ğı kuru ma hı zı nı et kileyen dı ş fakt örl erden biri dir. Havanı n sı caklı ğı nı n yüksel mesi il e yüzey sı caklı ğı ile hava sı caklı ğı arası ndaki f ar k art acağı ndan ı sı geçişi art ar. Isı geçişi zamanl a cisi m kur udukça ci s mi n sı caklı ğı nı n havanı n sı caklı ğı na yakl aş ması nedeni yl e azalır ve kur u manı n il eri ki aşa mal arı nda buharl aşma artı k cis mi n i ç böl gel eri nde meydana gel di ği nden cis mi n ısıl ilet kenli ği nden daha fazl a et kilenmeğe başl ar. Ci s mi n yüzey al anı nı n art ması sonucunda havadan ol an ı sı geçi ş ve buharl aş ma yüzeyi artar. Bu yüzden kur u ma hı zı nda bir artış meydana gelir. Ort a mı n buhar bası ncı da kur u ma hı zı nı et kileyen dı ş fakt örler arası ndadır. Kur ut ul acak ol an cismi n i ç böl gel eri ndeki ne mi n yüzeye ul aşabil mesi i çi n cisi mdeki buhar bası ncı nı n ort a mı n buhar bası ncı ndan daha yüksek ol ması gerekir. Ort a mı n buhar bası ncı nı n yüksek ol ması dur u munda gerekli bu f ar kı n sağl anabil mesi i çi n cisimdeki buhar fazı nı n sı caklı ğı nı n daha da arttırılması, di ğer bir deyişle cis me daha fazl a ısı veril mesi gerekir Ġç Fakt örl er Gözeneklili k ( ), katı yapı daki boşl ukl arı n oranı dır. Darcy kanununa gör e geçirgenli k ( k) bir katı nı n akışa direnci ni n bir öl çüsüdür ve gözeneklili ğe bağlı dır. Bu i ki özelli k katı i çi ndeki akışı et kiledi ği nden kur u ma hı zı nı belirleyen fakt örlerdendir. Kur ut ma sırası nda gözenekli cisi ml eri n i çi nde buhar akışı başlıca i ki me kani z ma ile ol uş makt adır. Bunl ar dan il ki bası nç far kı nedeni yl e ol an akı ştır. Dar cy kanununa göre bası nç far kı nedeni yl e meydana gel en akış aşağı daki gi bi ifade edilebilir. n B kg P B ( 2. 7) x G Bur ada k G cis mi n gaz geçirgenli ği ol up aşağı daki gi bi tanı ml anır. 12

25 k G k k R, G ( 2. 8) Bur ada k mutl ak geçirgenli k, k R, G de bağıl gaz geçirgenli ği dir ve gözenekler deki sı vı ve buhar haci ml erine, di ğer bir deyişle sıvı ve buhar doygunl ukları na bağlı ol up değeri 0 ile 1 arasında değiş mekt edir. Tabl o 2. 3 Bazı cisi ml eri n gözeneklili kl eri ( Kaviany, 1995). Ma dde Gözeneklili k Poli üret an köpük Fi ber gl as Silis tanel eri Kar a Bar ut Tozu Deri Taneli kat alizör Öğüt ül müş Taneli Taş Toprak Ku m Silis Tozu Tuğl a Ku m Taşı (petroll ü Kum) Ki reç taşı Kö mür Gözenekl erdeki di ğer bir kütle transferi mekaniz ması da buharı n difüzyonudur. Di f üzyon il e ol an kütl e geçişi ni n sapt anabil mesi i çi n gerekli ol an büyükl ük havasu buharı çifti i çi n difüzyon katsayısı dır. Difüzyon katsayısı nı n hesaplanabil mesi içi n aşağı daki bağı ntı kullanılabilir ( Cussl er, 1984). 13

26 10 3 1, i1 1/ D ( 2. 9) 1/ 3 1/ 3 2 P T i M M V i 1 V i Bur ada T Kel vi n ci nsinden sı caklı k, P bası nç (at m), M gazl arı n mol ekül kütl esi (M hava =29 kg/ kmol, M su =18 kg/ kmol), Vi 1 de t abl olarda veril mi ş ol an hacim i katsayısı dır. Bu katsayı hava i çi n 20, 1, su i çin 7, 07 değeri ndedir. Yukarı daki a mpiri k ifade yakl aşı k olarak %3-8 arası nda hatalı sonuçl ar ver mekt edir. Hava-su buharı çifti ni n difüzyon katsayıları t abl ol ardan da alı nabilir, aşağı da 1 at mbası nca göre düzenlen mi ş tabl o bul un makt adır. Tabl o 2. 4 Su Buharı- Hava çifti ni n Difüzyon Katsayıları ( Cussl er, 1984). T( K) D (c m 2 /s) , , 2 0, , 6 0, , 2 0, 305 Ef ektif diffüzi vite de katı nı n t ort ul ul uğuna bağlı ol arak belirlenen gözenekli cisi m i çerisi ndeki kullanılan difüzyon katsayı sı dır. İzotropi k ort aml ar i çi n aşağı daki gi bi tanı ml anmı ştır ( Kavi any, 1995). D eff 2 ( 2. 10) D 3 Burada gözenekliliktir. 14

27 Yukarı daki t abl ol ar ve denkl e m dan efektif diffüzi vite değeri hesapl anabilir, bununl a beraber buharın gözenekli maddel erde ol an difüzyonuna ilişki n efektif diffizüvite değerl eri ni n veril di ği t abl ol ar da l iterat ür de yer al makt adır. Tabl o 2. 5 ta buharı n bazı maddel erdeki yakl aşı k efektif diffüzi vite değerl eri veril mi ştir. Tabl o 2. 5 Bazı maddel erde su buharı nı n efektif diffüzi viteleri ( Muj u mdar, 2000). Mal ze me Ne m i çeri ği ( kg/ kg kuru Sı caklı k Di ff üzi vite (m 2 /s) madde) ( 0 C) El ma x x10-9 Ye m x x10-9 As bestli x x10-9 Bet on Muz x x10-10 Bi sküvi x x10-8 Havuç x x10-9 Ki l Tuğl a x x10-8 Ca m Yünü x x10-8 Gl i koz x x10-10 Kaoli n Ça mur < x x10-7 Ka ğıt- ~ x10-11 Kalı nlı kça Ka ğıt- ~ x10-6 Uzunl ukça Bi ber x x10-11 Kur u Üzü m x x10-10 Piri nç x x10-7 Deni z ku mu x x10-6 Sili kaj el x x10-6 Tüt ün yaprağı x x10-11 Et x x10-10 Yu muşak taht a x x10 Ma ddeni n i çi ndeki ısı geçişi, dol ayısı yl a sı vı ve buhar fazı na geçen ı sı ma ddeni n ısıl ilet kenli ği ne bağlı olduğundan kur u ma hı zı nı et kile mekt edir. Bunl ar dan başka maddeni n suda çözünüp çözün me mesi de kur u mayı et kil eyen di ğer bir fakt ör dür. Çözün müş maddel er suyun buhar bası ncı nı düşür mekt e bu nedenl e buharl aş ması nı güçl eştir mekt edir. Maddeni n bil eşi mi de onun suyu bağl a ma özelli ği ile yakı ndan il gili dir. Ser best su maddeden kol ayca uzakl aşabilen su ol duğu hal de katı parçacı kl ara adsor bsi yonl a bağl anan su daha 15

28 zor uzakl aş makt adır. Bu nedenl e gli kozda ol duğu gi bi ki myasal ol arak bağlı suyun buharl aştırıl ması güç ol makt adır. Yüzey t abakası nı n kur u ma sırası nda sertleş mesi ve büzüş mesi de kur u ma hı zı nı azaltmakt adır Kurut manı n Ter modi na mi ği Isı Transferi ile Benzerli k Kütle geçişi probl e mleri ni n çözü mü i çi n, ı sı transferi ni n benzeşi mi nden faydalanılabilir. Isı iletimi i çi n kullanılan bağı ntı Fourier kanunudur. Buna göre ısı akısı; dt q' ' k (2. 11) dx bağı ntısı ile verilir. Burada k ı sı ileti m katsayısı (W/ m K), T sı caklı k ( K), ol makt adır. Kartezyen koor di natlarda, geçici reji mde ısı ileti mi; q ''( W/ m 2 ) 2 T 2 x 2 T 2 y 2 T 2 z 1 T t (2. 12) denkl e mi ile verilir. Burada, k (2. 13) c ısı yayılı m katsayısı olmakt adır. Kütle geçişi içi n ise benzer ol arak aşağı daki bağı ntılar yazılabilir. dc m '' D (2. 14) dx burada ' m ' biri m za mandaki kütle akısı dır. Sonsuz küçük bir haci m i çi n kütle kor unu mu uygul anırsa, 16

29 17 t C D z C y C x C (2. 15) Buradan da ısı yayılı mkatsayısı ile difüzyon katsayısı nı n biri ml eri aynı dır. Hareketli bir orta mda ise; sürekli reji mde i ki boyutlu ısı ve kütle geçişi i çi n aşağı daki gi bi olacaktır. 2 2 y T y T v x T u (2. 16) 2 2 y C D y C v x C u (2. 17) akış i çi n ise mo ment um kor unu mu denkl e mi; sadece viskoz t eri ml eri n varlı ğı nı n kabul ü ile; 2 2 y u y u v x u u (2. 18) yazılabilir. Zorl anmı ş taşı mı nl a olan ısı geçişi boyutsuz sayılar ci nsi nden yazılacak ol ursa; Pr) (Re, f Nu (2. 19) ), ( '' k c ul f k hl T k l q (2. 20) Kütle geçişi ise ısı taşı nımı na benzer şekil de aşağıdaki gi bi yazılabilir. C h m D ' ' (2. 21) burada D h kütle geçiş katsayısı ol up ( m/s) boyut undadır denkl e mi göz önüne alınacak ol ursa;

30 dt q' ' k (2. 11) dx q'' dx kdt 1 (2. 22) eşitliği sol t arafı Nusselt sayısı bi çi mi ndedir denkl e mi nde aynı işle m yapılacak ol ursa; m'' dx DdC 1 (2. 23) el de edilir. Bu sayı ısı t aşı nı mı ndaki Nusselt sayısı nı n karşılığı gi bi düşünül ebilir ve Sher wood sayısı olarak adl andırılır. Sh m '' l hdl (2. 24) DC D ol acaktır. Kütle geçiş katsayısı bu durumda ol arak yazılabilir. ShD h D (2. 25) l Re sayısı sadece akışla ilgili bir değer göst erdiği nden kütle geçiş bağıntısı nda da değiş meden kalacaktır. Prandtl sayısı içi n ise / c Pr (2. 26) k / c k bi çi mi nde t anı ml anır. ve değerleri denkl e m ve i n sağ t arafı nda yer al makt adır. Kütle geçişi içi n geçerli ol acak sayı nı n i se ve denkl eml eri ndeki ve D ni n oranı olacağı düşünül ebilir. Bu oran Schmi dt sayısı olarak bilinir. 18

31 Sc (2. 27) D Böyl eli kle, kütle geçişi için ısı geçişi ne benzer olarak aşağı daki bağı ntı el de edilir. Sh f (Re, Sc) (2. 28) h D l D ul f (, ) (2. 29) D Bu dur umda zorlanmı ş taşı nı m i çi n geliştiril miş bağı ntılar, benzer şartlarda kütle geçiş probl e ml eri ne uygulanabil mekt edir. Ör nek ol arak Uzunl uğu 5 m, genişliği 3 m ol an suyl a kaplı bir yüzeyi n üzeri nden hava 3 m/ s hı zla aksı n. T=20 o C i çi n havada kg/ m 3 su buharı bul unduğu kabul edilsi n. Bu durumda ısı taşı nı mı aşağı daki for mülle bellidir: Nu Re Pr 0.33 Benzeşi mden faydal anılarak bu kütle transferi içi n gi bi yazılabilir. Sh Re Sc Sh ( ) 0.8 (0.6) 0.33 ml DC o C de 1 at m bası nçta Hava- Su buharı çiftini n difüzyon katsayısı D ol duğu kabul edilsi n. m 2 /s dir. Yüzeyi n he men yakı nı nda havanı n su buharı na doy muş T o 20 C içi n havada bul unan su mi kt arı kg/ m 3 olacaktır. C kg / m 19

32 Yüzeyden buharlaşan su mi kt arı bu durumda: 3 ml kg/ s ol acaktır Endüstri yel Kurutucul ar Fı rı n Kurut ucul ar En pr ati k kur ut ma yönt eml eri nden biri dir, çok küçük bir yatırı m gerektir mekt edir. Genelli kl e kur ut ma i şl emi hava şartları na bağlı değil dir. Sürekli kullanı m i çi n fırı n kur ut ucul arı t avsi ye edil me mekt edir, çünkü di ğer kur ut uculara gör e veri ml eri düşükt ür, ayrıca fırı nl arda düşük kur ut ma sı caklı ğı sağl ana mamakt adır. Bu da ürün kalitesi ni etkil eyebil mekt edir ( ANON1., 2002) Kabi n Kurut ucul ar Kur ut ma kabi ni nde kurut ul acak ol an maddel er kur ut ma havası ile t e mas yüzeyi ni arttıracak şekil de t epsilere yerl eştiril mekt e ve t epsiler, ür ünün kur ut ma havası yl a te mas etti ği, kur ut ucu böl üme sür ül mekt edir. Bu şekil de gör ül düğü gi bi sı cak hava üst üst e di zil mi ş t epsiler arası ndan ve her t epsi de bul unan ür ünl eri n üzeri nden geçerek t ekrar ısıt ma böl gesi ne geri döner te hava ür ün yüzeyi ne paral el ol arak geç mekt edir, fakat başka ti p kur ut ucu t asarı ml arı nda hava ür ün içi nden t epsilere di k ol arak da geçebilir. Bu ti p kur ut ucul arda çı kış havası nı n bir böl ümü t ekrar ür ün üzeri ne gönderilerek daha ekono mi k bir i şl eti m sağl anabil mekt edir. 20

33 Şekil 2. 4 Bir kabi n kur ut ucunun şe mati k ol arak göst erilişi 1. Hava dol aşı mı nı sağlayan f an 2. Isıtıcı bat aryal arı 3. Hava girişi 4. Ayarl anabilir duvarl ar 5. Vagon böl ümü 6. Kabi n ( Kyzli nk 1990). Kabi n kur ut ucul ar çoğunl ukl a birkaç t onl uk kapasitede yapılırlar. Sabit yatırı mı genelli kl e az, çalıştırıl mal arı kol aydır. Isıtıcı kapasitesi m 2 t epsi al anı na k W ısı verebilecek şekil de seçilir. Kabi n kur ut ucuları nda hava hı zı genellikl e m/ s dol ayı ndadır. Kur uma s üresi ise ür üne ve istenen ne m or anı na bağlı ol arak saat arası nda değiş mekt edir Tünel Kurut ucular Sürekli veya yarı sürekli ol arak çalıştırılan t ünel kurut ucul ar geliştiril miş edil mi ş kabi n kur ut ucul ardır. Bu tip kur ut ucul arda ür ün t epsilere yerleştirilir, tepsiler üst üst e raflara konur ve sonra ür ün t epsilerden ol uşan çok raflı siste m hava t üneli ne yerleştirilir. Şekil 2. 5 ve 2. 6 da gösterildi ği üzere ür ünün t ünel e girişi nde ve çı kışı nda çeşitli uygul a mal ar vardır. Bunl ar: ürünleri n ve kur ut ma havası nın paral el hareket ettiği paralel hava akı mlı kur ut ucul ar, birbiri ne zıt yönde hareket ettiği t ers hava akı mlı kur ut ucul ardır. Havanı n t ekrar ısıtıl ması veya t ekrar dolanı m il e siste mden çı kmadan önce daha fazla ne mal ması sağlanabilir. 21

34 Şekil 2. 5 Paralel hava akımlı tünel kurut ucul arı. Şekil 2. 6 Ters hava akıml ı t ünel kur ut ucul arı (Br ennan, 1969) Bantlı ( Konveyör) Kurut ucul ar Bantlı kur ut ucul arı n çalış ma prensi bi t ünel kurut ucul arı nı nki ile t e mel de aynı dır aradaki fark ne mli mat eryali n vagonl ar yeri ne bir bant üzeri nde siste mde hareket ettiril mesi dir. Genelli kle ür ünün al anı büyük ol duğundan kur ut ma hı zlı dır ve yüksek kur u ma or anl arına ul aşıl makt adır. Bununl a beraber kur ut ul acak ma ddeni n bant üzeri nde i yi bir hava akışı sağl ayacak biçi mde hazırlanması zorunl ul uğu var dır. Ek ol arak eki p manl ar pahalı dır, bu nedenl e genelli kl e kabi n kurut ucul arl a birli kt e kull anıl makt adırlar. Si st e mde zi ncirden yapıl mı ş hareketli bantl ar bul un makt adır de bu ti p bir model gör ül mekt edir. Kur ut ul acak ür ün D nokt ası ndan siste me besl enerek bant üzeri ne yayılır. Kur uyan ürün i se F nokt ası nda siste mden alınır. A il e göst erilen kı sım kur u ma havası nı n fırına girdi ği kı sı mdır. Kur ut ma havası B il e göst erilen böl ümde ı sıtılır ve ı sıtılan hava alttan 22

35 üst e doğr u siste me verilir. Tü m fırı n i çi nde dağıl an ve su buharını t aşı yan kur ut ma havası fırı nı n üst kı s mı ndan C il e göst erilen açı kl ardan uzakl aştırılır. He m ür ün, he m de hava her bandı n alt ve üst yüzeyi arası nda bul unan ı sıt ma el e manl arı yl a tekrar ısıtılır. Şekil 2. 7 Bantlı kur ut ucu şe mati k res mi ( Kyzli nk, 1990) Akı Ģkan Yat aklı Kur ut ucul ar Bu ti p kur ut ucul arı n çalış ma prensi bi sı cak kurut ma havası nı n kur ut ulacak ol an katı parçacı kl ara alttan belli bir hı zda veril mesi ne dayanır. Bu hı z katı parçacı kl arı n havada asılı kal acağı şekil de seçil mi ştir. Isıtıl mı ş havanı n gör evi he m kur ut ma he m de akışkanl aş ma i çi n gerekli ol an yerçeki mi ne karşı et ki yi ol uşt ur maktır. Bu ti p kur ut ucul ar yı ğı n hali nde veya sürekli hal de çalışacak şekil de t asarlanabilirler. Şekil 2. 8 de sürekli hal de çalışan bir akışkan yat aklı kur ut ucunun şe mati k res mi ni göst er mekt edir. Akı şkan yat aklı kurut ucul ar da sı caklı k yakl aşı k 1000 o C ye kadar çı kabil mekt edir. Bazı ti pl erde kur ut ul acak maddeni n hareketi ni sağla mak içi n vi brasyon üniteleri de mevcutt ur. 23

36 Şekil 2. 8 Sürekli çalışan akışkan yat aklı kur ut ucu şe ması ( Brennan, 1969) Pnö mati k Kurutucul ar Bu ti p kur ut ucul arda kur ut ma havası kur utma i şl e mi nden başka kur ut ul acak maddeni n sist e m boyunca t aşı nması görevi ni de üstlenmekt edir. Bu nedenl e pnö mati k kur ut ucul ar akı şkan yat aklı kur ut ucuları n geni şletil mi ş bir şekli ol arak düşünül ebilir. Kur ut ul acak maddeni n aynı za manda t aşı nabil mesi i çi n daha büyük hava hı zl arı kullanıl makt adır. Bu ti p kur ut ucularda yüksek kur u ma oranl arı na ul aşılabilir( Brennan, 1969) Püs kürt meli Kurut ucul ar Püskürt erek kur ut ma, sı vı hal deki veya çamur kı va mı nda ol an maddel eri n kur ut ul ması nda kull anılan geliş mi ş yönt e ml er den biri dir. Bu ti p kur utmada sı vı hal deki maddel er siste me püskürt ül ür ve da ml acı kl ar hali nde sı cak hava akı mı il e te mas eder, sonuçt a kuruyan madde t oz hali ne gelir. Bu ti p kur ut manın belirgi n 24

37 özelli kl eri kısa sürede kur ut manı n gerçekl eştiril mesi ve son sı caklı kl arı n düşük ol ması dır ( ANON1., 2002). Püskürt erek kur ut mada il ke, kur ut ul acak ol an ür ünün at omi ze edil mesi il e çok geniş bir yüzey kazandırıl ması ve böyl ece sı cak hava i çi nde hı zlı bir kur u ma sağl an ması dır de Si kl on ti pi bir püskürt meli kur ut ucunun şe ması gör ül mekt edir. Şekil 2. 9 Si kl on ti p bir püskürt meli kur ut ucu şeması. ( ANON2, 2002) Vaku m kurut ucul ar Bu kur ut ucul arda kur uma vaku m altı nda, düşük sı caklı kl arda gerçekleşir. Ger ek tesis ve gerek i şl et me masrafları yüksek ol duğundan, ısı ya çok duyarlı ür ünl eri n kur ut ul mal arı nda veya ne m i çeri ği her hangi çok düşük düzeye düşür ül mesi gereken ür ünl erde uygul an makt adır. Vaku m kur ut ucul arda he m sı vı he m katı parçacı k hali ndeki ür ünler kur ut ul abil mekt edir. Bu ti p kur ut ucul ar yaklaşı k

38 k W kapasit el eri nde üretil mekt edir. Şekil da bantlı ti p bi r vaku m kur ut ucunun şe mati k resmi gör ül mekt edir. Şekil Bantlı bir vaku m kur ut ucunun şe mat i k göst eri mi ( Brennan, 1969) Döner kurut ucul ar Bu si st e ml er de gı da maddesi ni n yapısı nda bul unan suyun buharl aş ması i çi n gerekli ısı maddeye il eti ml e verilir. Döner kur ut ucul ar, kendi yat ay eksenl eri nde dönen bir veya i ki adet içi boş sili ndir i çerir. Bu sili ndirler buhar, su veya başka bir sı vı t arafı ndan ı sıtılır. Kur ut ul acak madde yüzeye unifor m kalı nlı kt a fil m hali nde yayılır. Sili ndir döndükçe kur u ma gerçekl eşir ve kur uyan madde yüzeyden bir bı çak yardı mı yl a sı yrılarak alı nır. Bu ti p kur ut ucul arda buharl aş ma hı zl arı kg/ h değerl eri ne ul aşabil mekt e, kur ut ucu veri mi i se yakl aşı k ol arak %75-85 aralı ğı nda yer al makt adır. Şekil de t ekli ve çiftli döner kur ut ucul arı n şe mati k resi ml eri gör ün mekt edir. 26

39 Şekil Tekli ve çiftli döner kur ut ucul arı n şemati k göst eri mi ( Brennan, 1969) Dondurarak kurut manı n yapıl dı ğı kurut ucul ar Bu yönt e mde, don muş hal de bul unan su sübliml eşerek, doğr udan buhar hali ne geçer. Dondurarak kur ut ma i şl e mi ni n en belirgi n üst ünl üğü, ne mi n uzakl aştırıl ması veya kurut ma i şl e mi sırası nda, ür ünün yüksek sı caklı klara mar uz kal ma ması dır. Ayrı ca ürünün yapısı bozul madan kor unabil di ği i çi n, daha kaliteli kur u ür ün el de edil mektedir. Genel ol arak ürün önce dondur ul ur sonr a ür ün yüzeyi ne ı sı uygul anarak buzun sübli ml eş mesi sağl anır. İşl e m başlangı cı nda, ür ünün yüzeyi ne uygul anan ı sı o nokt ada sübli ml eş meye yani buharı n uzakl aş ması na neden ol ur. Başl angı çt a gözl enen bu sübli ml eş me il e buharı n uzakl aş ması, buz yüzeyi ni n geri çekil mesi ne neden ol ur. Buz yüzeyi, ür ün i çi ne doğr u hareket eder ken, dondurarak kur u ma debisi ni, ısı transferi ve buhar difüzyonu belirler Mi krodal ga kurut ucul ar Mi kr odal ga 3 MHz i le GHz frekans ara1ı ğı ndaki el ektro manyeti k dal gal ardır. Di el ektri k maddel eri n ı sıtıl ması nda r ol oynayan i ki ana me kani z ma di pol r ot asyon ve i yonik pol arizasyondur. Nem i çeren gı da maddesi mi kr odal ga radyasyona mar uz kal dığı nda, su gi bi di pol mol ekülleri, hı zlı bir şekil de deği şen el ektri k al anı yl a birli kte di polleri sıraya sok ma eğili mi göst erir. Sonuç ol arak ol uşan sürt ün meyl e ısı açı ğa çı kar ve bu ısı komşu mol eküllere iletilir. 27

40 Mi kr odal gayl a kalı n maddel er kol aylı kl a ı sıtılabilir, ayrı ca yüksek ne m i çeri ği ne sahi p maddel eri n çeşitli böl gel eri seçi mli ol arak ı sıtılabilir. Mi krodal gayl a ısıtılan ür ün i çerisi nde bul unan ser best ne m hı zl a buharl aşır ve uzakl aştırılan ne m or anı t aşı nı ml a kurut maya göre daha yüksektir. Yukarı da ifade edilenl er de dahil ol mak üzere çeşitli üst ünl ükl eri sebebi yle mi kr odal ga kur ut ucular, gı da, tekstil ve ki mya endüstrileri nde çeşitli ür ünl eri n kur ut ul ması nda son yıllar da yaygı n ol arak kullanıl makt adır ( Decareau, 1995) Kurut ucul arı n KarĢıl aģtırıl ması Kabi n ti pi kur ut ucul ardan genelli kle reçi ne, alçı t uğl a ve kireçtaşı kur utul ması nda faydalanıl makt adır. Tünel ti pi nde ol anl ar ise pat ates, şeker, kur u üzü m gi bi tarı msal ür ünl eri n yanı sıra kabi n ti pi nde ol duğu gi bi t uğla ve t aht a ür ünl eri n kur utul ması nda da kullanıl makt adır. Bantlı ti p kur ut ucul ardan genellikle t ekstilde ha mmaddel eri n kur ut ul ması nda faydal anıl makt adır. Akışkan yat aklı kur ut ucul ar t aneli ürünl eri n kur ut ul mal arı nda kullanıldı ğı ndan, genellikle tahıl ür ünl eri ni n kur ut ul ması nda faydalanıl makt adır. Püskürt meli kur ut ucul ar ise süt t ozu, kahve, sabun ve det erjan üreti mi nde kullanılır. Dondurarak kur ut ma far makol oji k ür ünl er, seruml ar, bakt eri kült ürleri, meyve sul arı, sebze, kahve ve çay özl erini n el desi nde, et ve süt üreti mi nde uygul anmakt adır. Tabl o 2. 6 Bazı kurut ucu çeşitlerini n enerji tüketi mleri ve buharlaş ma hızları Kurut ucu Ti pi ( ANON 2., 2002). Enerji Tüketi mi (kj/ kg buharl aģtırılan su) Buharl aģ ma hı zı (kg su / h m 2 veya m 3 ) Kabi n Kur ut ucul ar l l - l5 / m 2 Tünel Kur ut ucul ar / m 2 Pnö mati k Kur ut ucul ar / m 3 Püskürt meli Kur ut ucul ar l-50/ m 3 Vaku m Kur ut ucul ar l - l / m 2 Döner Kur ut ucul ar / m 2 28

41 3. MĠ KRODALGA ISI TMA VE KURUT MA 3. 1 Gi riģ Bu böl ümde el ektromanyeti k dal gal arı n t anı mı yapıl mı ş, mi kr odal ganın ı sıt ma ve kur ut mada kullanıl masını n t ari hçesi nden bahsedil mi ştir. Mi kr odal ga ile ısıt ma prensi bi açı kl anmı ş ve ı sıt mada et ki n ol an mekani z mal ar t anıtıl mı ştır. Mi krodal ga ile ısıt maya et ki eden fakt örler belirtil mi ştir. Son ol arak mi kr odal ga fırı nl arı n tanıtı mı yapılı p bileşenl eri nden bahsedil mi ştir El ektro manyeti k Dal gal ar Za manl a değişen bir manyeti k al an za manl a değişen bir el ektri k al anı ol uşt ur makt adır, Max well de buna ek ol arak za manl a değişen bir el ektri k al anı n bir manyeti k al an ol uşt urduğunu göst er mi ştir. Max well t eorisi ile bu sayede el ektri k ve manyeti k alanl ar arası nda öne mli bir bağı ntı yı gerçekl eştir mi ştir. Ma x well i n bu kanunu s onucunda el ektromanyeti k dal gal arı n varlığı ve ı şı k hı zı nda yayıl dı ğı öngörül müşt ür. Bu öngör ü elektromanyeti k dal gal arı il k defa üret en ve onl arı al gılayan Hert z tarafı ndan da deneysel ol arak doğr ul anmı ştır. Şekil 3. 1 Bir elektromanyeti k dal ganı n şe mati k göst eri mi. 29

42 El ektromanyeti k dal galar ivmel endiril miş elektri k yükl eri tarafı ndan ol uşt urul urlar. Yayı nl anan bu dal galar birbirleri ne ve dal gaları n yayıl ma doğrult usuna di k olan ve titreşen elektri k ve manyeti k alanlardan meydana gelirler ( Bal anis, 1989; Ser way, 1996) Ant en Tarafı ndan Ol uģt urul an El ektro manyeti k Dal gal ar El ektromanyeti k dal galar, i ki et ki ni n sonucunda ol uşurl ar: ( 1) Manyeti k al an değişi mi bir el ektri k al an ol uşt urur, ( 2) El ektri k al anı n değişi mi bir manyeti k al an ol uşt ur ur. Sabit akı ml ar ve dur gun el ektri k yükl eri el ektri k al anı nı n deği şi mi ne neden ol a mayacağı ndan el ektromanyeti k dal ga ol uşt ur mak i çi n akı mı n za manl a değiştiril mesi gerekir. Şekil 3. 2 de ör nek ol arak bir t el den geçen akı mı n za manl a değiştiril mesi ile el ektromanyeti k dal ga üreti mi açı kl an mı ştır. Şekil 3. 2 Ant en ve El ektromanyeti k Dal ga Ür etim Şe ması. Bi r ant eni n t elleri ne uygul anan alternatif voltaj, ant endeki el ektri k yükl eri ni hareket e zorl ar. Bu yükl ü parçacı kl arı i vmel endir mek i çi n genel bir t ekni ktir ve bir radyo i st asyonunun ant eni nden yayılan radyo dal gal arı bu şekil de üretilir. İ ki met al çubuk bir alternatif akı m ür et eci ne bağlı dır. Ür et eç yükl eri n i ki çubuk arası nda titreş mesi ni sağl ar. t =0 anı nda üstteki çubuk bir maksi mu m yükl e yükl enirken alttaki çubuk eşit sayı da negatif yükl e yükl enir. Yükl er titreşti kçe 30

43 çubukl ar daha az yükl ü hal e gelir, çubukl arı n yakı nı ndaki el ektri k al an şi ddeti azalır ve t =0 anı nda aşağı ya doğr u yönel mi ş ol arak maksi mu m şi ddette ol uşan el ektri k al anı çubukt an uzakl aşır. Yükl er nötrleşti ği nde el ektri k alanı sıfıra düş mekt edir. Bu dur u m geçen za man titreşi m peri yodunun ¼ üne eşit ol duğunda meydana gelir ve titreşiml er bu şekil de deva m eder. Şekil 3. 2 deki di yagra ma di k yönde titreşen bir manyeti k al an, titreşen el ektri k yükl eri t arafı ndan ol uşt ur ul an el ektri k al anı ile ant enden ışı k hı zı yl a uzakl aşır ( Ser way, 1996) El ektro manyeti k Dal gal arı n Tayfı Şekil 3. 3 El ektromanyeti k Dal gal arı n Tayfı. Radyo dal gal arı ilet ken t ellerden geçen i v meli yükl er sonucu ol uşurl ar. Bu dal gal ar, radyo ve televizyon iletişi msiste ml erinde kullanılırlar. Mi kr odal gal ar 1 mm ile 1 m ar ası nda değişen dal gaboyl arı na sahi ptirler. Kı sa dal gaboyl arı ndan dol ayı, hava yol cul ukl arı nda kull anılan radar siste ml eri ve maddeni n at omi k ve mol ekül er yapısı nı n i ncel en mesi i çi n uygundurl ar. Mi kr odal ga fırı nl ar ise bu dal gal arı n farklı bir uygul a ması nı t emsil eder. Mi kr odal gal ar i yoni ze ol an X ve Ga ma dal gal arı gi bi yüksek sevi yede enerji taşı madı kl arı ndan bil eşikl er den el ektron kop ması na neden ol mazl ar. Yi yecekl er mi kr odal gaya mar uz bırakıl dı ğı nda ı sıl ol mayan her hangi bir et ki gör ül me mekt edir ( Saltiel ve Datta 1999). 31

44 Kı zıl öt esi dal gal ar ( bazen ı sı dal gal arı denir), 1 mm den gör ünür ı şı ğın en uzun dal ga boyu ol an m ye kadar değişen dal ga boyul arı na sahi ptirler. Kı zıl öt esi radyasyonun fi zi k t edavi kı zıl öt esi f ot oğrafçı ğı nı da i çeren bir çok pr ati k ve bili msel uygul a mal arı vardır. El ektromanyeti k dal gaları n en bili nen şekli ol an gör ünür dal gal ar, i nsan gözünün görebil di ği ışı k ol arak t anı ml anabilir. Işı k at om ve mol eküllerdeki elektronl arı n yeni den düzenl en mel eri il e ol uşur. Gör ünür ı şı ğı n çeşitleri dal ga boyl arı, mor dan 7 ( 410 m) kır mı zı ya kadar ( 7 10 Mor öt esi ( ultravi yol e) dal gal ar, m) değişen renkl erle sı nıflandırılır. m ( 380n m) ile m ( 60n m) arası ndaki dal ga boyl arı nı kapsar. Güneş yanı kl arı nı n başlıca sebebi ol an mor öt esi ışı nl arı n en öne mli kaynağı dır. X ı şı nl arı, 10 8 m ( 10 nm) il e ( 10 4 n m) aralı ğı nda dal ga boyl arı na sahi p el ektromanyeti k dal galar dır. X ı şı nl arı en genel kaynağı bir metal hedefi bo mbar dı mana t abi t utan yüksek enerji el ektronl arı n yavaşl a ması dır. X ı şı nl arı tı pta bir t anı aracı ol arak ve belirli kanser t ürleri ni n t edavisi nde kul lanılır. X ışı nl arı kristal yapı nı n incel en mesi nde de kullanılır. Ga ma ı şı nl arı, radyoaktif çekirdekl er t arafı ndan ve belirtileri nükl eer tepki mel er süresi nce yayılan el ektromanyeti k dal gal ardır. Dal ga boyl arı, ve m böl gesi ndedir. Bu ı şı nlar yüksek derecede girgi nli k özelli ği ne sahi ptirler, canlı dokul ar tarafı ndan soğurul duğunda ci ddi zarar oluşt ur urlar Mi krodal ga ve Isıtma Et ki si Tari hçe Mi kr odal gal arı n ı sıt mada kullanılabileceği il k ol arak 1945' i n sonl arı na doğr u Percy Spencer t arafı ndan r adar araştır mal arı sırası nda t esadüfen keşfedil mi ştir ve bu a maçl a kullanılan ilk magnetronun pat enti alı nmı ştır. 1946' da K. J. St effel tarafı ndan il k yarı klı dalga kıl avuzu geliştiril mi ş ve besi n maddel eri ni n ı sıtılırken mi kr odal ganı n yansı yabil mesi i çi n etrafları nı n met al pl akal arla çevrilmesi fi kri 32

45 ort aya atıl mı ştır. İl k mi krodal ga fırı n ol an Radarange 1947' de üretilmi ştir. İl k ticari fırı nl ar 1950' leri n başl arı nda üretil meye başl anmı ştır l ere geli ndi ği nde birçok şirket endüstri yel mi kr odal ga uygul amal arı i çi n ci hazl ar geliştir meye başl a mı ştır de Sut t on suyun uzakl aştırılması nı n da ekl en mesi yl e mi kr odal ganı n sera mi k ı sıt ması nda kull anılabileceği ni keşfet mi ştir MHz frekansı nda çalışan endüstri yel bir mi kr odal ga fırı n suyu absor be et meyen bir i zol asyonl a kapl andı ğı nda, yüksek derecede al ümi nyu m oksit i çeren kalı pl ar C ye kadar ı sıtılabil mi ştir. Bu çalış ma il e sera mi k ür ünl eri n mi kr odal ga kull anılarak gaz fırı nl ardaki nden daha çabuk ı sıtıl dı ğı nı ve kur ut ul duğunu göst er miştir. Mi kr odal ganı n kull anıl dı ğı di ğer uygul a mal ar da erit me, si nt erle me, t el çek me (fi ber çek me), kaynak, birleştir me yakma ol arak ör nek göst erilebilir. Bi rçok yüksek sı caklı k uygul a ması hal a t est edil mesi ne karşılı k bazı düşük sı caklı k ( C ni n altı nda) uygul a mal arı ticari anla mda da başarı sağl a mı ştır l arı n sonuna doğr u mi kr odal ga enerjisi, poli merl eri n ür eti mi nde kullanıl maya başl an mı ştır. Kalı n kauçuk parçal arı n ön ı sıtıl masında ve sertleştiril mesi nde mi kr odal gadan f aydal anıl mı ştır. Bu geliş meden sonra mi kr odal ga il e ı sıt ma ot omobil endüstrisi nde kauçuk kapl a ma ve ön ı sıt ma i çi n terci h edilen yönt e m ol muşt ur. Poli merl er i çin mi kr odal ga i şl e mi n avant ajları yüksek et ki deri nli ği sayesi nde el de edilen hızlı ısıt ma ve düzgün dağılı mlı sı caklı k profili dir. Son za manl ar da mi kr odal ga enerjisi basılı devre kartları nı n i mhası, altı n ar a ma ve kur u t e mi zl e mede kull anıl an aktif kar bonl arı n yeni den üreti mi, nükl eer ve zehirli atı kl arı n vitrifi kasyonu ( ca m hali ne getir me) gi bi işle ml er de t est edil mekt edir. Mi kr odal ga ile işle myap manı n avant ajları, Seçi ci ısıt ma, İşle mza manı nı n azaltılması içi n haci msel ısıtma, Uzakt an i şl e m yapıl ması na ol anak veril mesi sayesi nde t ehli keli işle ml er de kullanılacak personeli n azaltıl ması, 33

46 Bul aşı cı atı kl arı n işle ml eri, toprak te mi zl enmesi, Bazı özel uygul a mal arda kat alizör ol arak kullan ma bi çi mi nde özetlenebilir. Mi kr odal ganı n en bilinen kull anı mı gı dal arın ı sıtıl ması na ilişki ndir. He men çalış maya başl a ma, hı zlı ısıt ma, seçi cili k yani kabı n değil, sadece ye meği n ısıtıl ması ve veri mlili k bu kullanı mda öne çı kan fakt örlerdir. Kur ut ma i şl e mi nde, mi kr odal ga enerjisi kullanıl ması nı n sağl adı ğı fayda enerji ni n doğr udan suya veril mesi dir. Bu sayede maddeni n ı sı ileti m özelli kl eri nden bağı msı z ol arak cis mi n i ç böl gel eri ndeki suya da enerji veril mesi ve cis mi n her böl gesi nde buharl aş ma sağl an mı ş ol ması dır. Bunun sonucu ol arak, artan buhar bası ncı sayesi nde su geleneksel yönt e me göre daha büyük bir hı zl a kur ut ul acak maddeden dışarı ya atıl makt adır. Mi kr odal ga t eknol ojisini n ı sıt mada kull anıl ması tı pt a geniş bir araştır ma al anı ol muşt ur. Hi pert er mi i çi n uygul an makt a, düzenl enen özel siste ml erle çeşitli t ümörl eri n tedavisi nde kull anıl makt adır (Saltiel ve Datta, 1999) Mi krodal ga Isıt ma Me kani ği Mi kr odal gal ar el ektromanyeti k dal ga ol dukları i çi n bir yere odakl anabil me, boşl ukt a il erle me gi bi özelli kl ere sahi ptir. Ma ddeni n el ektri ksel yalıt kanlı k (di el ektri k) özelli kl eri ne bağlı ol arak e mil ebilir ve yansıtılabilir, ma ddeni n içi nden e mil meden geçebilir. Ör nek ol arak ca m, sera mi k, t er mopl asti k gi bi mal ze mel er den neredeyse hi ç e mil meden geç mekt edir. Mi kr odal ga bir ma ddeden di ğeri ne geçer ken ışı k ışı nl arı nda sudan havaya geçer ken ol duğu gi bi kırılabilir. Mi kr odal ganı n ı sıt ma et kisi yalıt kan ( di elektri k) bir mal ze me t arafı ndan yut ul ması ve enerjisi ni n bu madde t arafı ndan e mil mesi sonucu sıcaklı ğı nı n art ması şekli nde açı kl anabilir. Mi kr odal ga al anı ndaki ısı üreti mi ni açı kl ayan i ki öne mli mekani z ma var dır. Bunl ar i yoni k pol arizasyon ve di pol rot asyonudur. 34

47 Ġyoni k Pol ari zasyon Bi r çözelti ye el ektri k alanı uygul andı ğı nda bu çözelti de bul unan i yonl ar doğal yükl eri nedeni yl e ol uşan kuvvetler sonucu bir i vme il e hareket ederl er. Har eket eden i yonl ar arası ndaki çar pış mal ar ki neti k enerji ni n ı sıl enerji ye dönüş mesi ne neden ol ur. Yüksek i yon konsantrasyonu ol an bir çözelti de daha fazl a sayı da i yon çar pışacağı ndan sıcaklı kta daha hı zlı bir yükselme gözl enir Di pol Rot asyonu Pol ar ol an su mol eküll eri genel ol arak bul undukl arı ort a mda gelişi güzel yöneli mli dirler. Bir el ektri k al anı uygul andı ğı nda i se el ektri k al anı nı n pol arizasyonuna göre sıral anırlar. Bir mi kr odalga al anda pol arizasyon çok hı zlı değişir ( Ör: Mi kr odalga frekansı 2450 Mh z ol an ti cari fırı nl arda sani yede 2. 45x10 9 kere değişir). Su mol ekülleri bu hı zlı değişen pol ariteye bağlı ol arak hi zal anabil mek i çi n sürekli dönerl er. Bu dönüşler mol ekülleri n etrafı ndaki ort a m ile sürt ün mesi ne yol açar ve bu sayede ısı açı ğa çı kar ( Decareau, 1995) Mi krodal ga Isıt maya Et ki eden fakt örl er Mi kr odal ga enerjisi ni n ı sıl enerji ye dönüşümü aşağı daki denkl e mle yakl aşı k ol arak belirlenir ( Per ki n, 1980). Q 2 2f '' E (3. 1) o Di el ektri k kayı p fakt örü ( '' ) maddeni n, frekans (f) ve el ektri k alan ( E) de enerji kaynağı nı n özelli kl eri dir. Bu yüzden, ısıtılan madde ve mi kr odal ga et kisi ile madde içi ndeki ısı üretimi arası nda doğr udan bir bağl antı vardır Mi krodal ga Frekansl arı 300 MHz den 300 GHz e kadar değişen mi krodal ga frekansl arı ul usl ar arası teleko müni kasyon birli ği t arafı ndan (I TU) endüstri yel, bili msel ve tı p uygul a mal arı (I SM) bantları na ayrıl mı ştır. Bunlar Tabl o 3. 1 de veril mi ştir. 35

48 Tabl o 3. 1 ISM Bantları Frekans Aralı ğı Me r kez Frekansı MHz MHz MHz 915 MHz MHz 2450 MHz MHZ 5800 MHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz 245 GHz En çok kullanılan frekanslar ısıt ma uygul a mal arını n yapıl dı ğı ve GHz frekanslardır. Bunl ardan GHz frekansı endüstri yel uygul a mal arda, GHz frekansı da evl erde bul unan ticari fırınlarda kullanıl makt adır. Bu frekanslara karşı gel en dal ga boyl arı ise; u c (3. 2) f bağı ntısı yl a bul unabilir. Bur ada u c ( m/ s) ışı k hı zı, f( Hz) de mi kr odal ganı n frekansı dır. Sanayi i çi n üretil mi ş ol an mi kr odalga fırı nl arda kull anıl an 915 MHz ve ti cari fırı nl arda kullanıl an 2450 MHz frekansl arı i çi n dal ga boyl arı aşağı daki gi bi ol makt adır m m

49 Di el ektri k Özellikl er Mi kr odal ga uygul a mal arı nda öne mli el ektri ksel özelli kl er bağıl di el ektri k sabiti ( ' ) ve bağıl di el ektri k kayı p fakt ör ü ( '' ) ol makt adır. Bağıl di el ektri k sabiti ' maddeni n el ektri k enerjisi depol a ma yet eneği nin bir öl çüsüdür. Kayı p teri mi i se el ektri k enerjisi ni n ı sıl enerji ye dönüşü münü belirtir. Bu i ki özelli k bir maddeni n el ektri ksel yalıt kanlı k (dielektri k) kabili yeti ni belirtir. '' aşağı daki gi bi tanı ml anır: ' ' ' tan (3. 3) Bur ada el ektri k al anı nın yönü ve maddeni n pol arizasyonu arası ndaki f az farkı dır. Di ğer bir deyişle el ektri k al ana yönl enmesi arası ndaki faz farkı dır. Şekil 3. 4 Uygul anan elektrik alan ve pol arizasyon arası ndaki faz farkı Tan ( Kayı p t anj antı), el ektri k al anı nı n maddeye ne kadar nüf uz edebileceği ni ve el ektri k enerjisi ni n ne kadarı nı n ı sıl enerjiye dönüşeceği ni n gösteril mesi ni sağl ayan bir para metredir. Di el ektri k sabiti genelli kl e i ki bileşenl e t arif edil mekt edir. Bunl ar dan il ki bağıl di el ektri k sabiti ve di ğeri de kayı p fakt ör üdür. Bu bil eşenl er şekil 3. 5 t e ol duğu gi bi t opl am akı mı n il etilen akım ve ı sı ya dönüşen kayı p akı ml arın vekt örel t opl a mı gi bi düşünül ebilir. 37

50 Akı m Kayı p (ısı ya dönüşen) Akı m İletilen Akı m Şekil 3. 5 Kayı p Tanj antı Suyun Di el ektrik Özelli kl eri Mi kr odal ga ı sıt ma ve kur ut mada t e mel ol arak suyun ı sı nması söz konusu ol duğundan suyun di elektri k özelli kl eni n bağlı ol duğu f akt örler işle mi n veri mi açısı ndan öne mli dir. Suyun di el ektri k özelli kleri t e mel ol arak uygul anan mi kr odal ganı n frekansı ve suyun sıcaklı ğı ol mak üzere i ki değişkene bağlı dır. Suyun di el ektri k kayı p f akt ör ü, uygul anan mi krodal ga frekansa bağlı ol arak değiş mekt edir. Aşağı daki şekil de bu değişi m gör ül mekt edir. Buna gör e suyun di el ektri k kayı p fakt örü frekansları nda bir maksi mu m değeri ne çı kmakt a, di ğer bir anl atı ml a uygul anan el ektrik al anı nı n sebebi yl e ol uşan ı sı n ma et kisi bir maksi mu ma çı kmakt adır. Bunun nedeni de şu şekil de açı kl anmakt adır. Daha düşük frekansl arda su mol ekülleri ni n değişen el ektri k al ana yönel mesi kol ay ol makt adır ve sürt ün mel er daha azdır. Daha yüksek frekanslarda i se yönel ebil mek i çi n gerekli za manı bul a ma makt adır. Su mol ekülleri bu i ki arada sürekli hareket hali ndedir ve efektif bir ısıt ma et kisi söz konusudur. Şekil 3. 4 t en gör ül düğü üzere suyun di el ektri k kayı p fakt ör ünün maksi mu ma çı ktı ğı yer ti cari mi kr odal ga fırı nl arda kullanılan frekans ol an 2450 MHz değil dir Mhz frekansı nı n kull anıl masını n sebebi bu frekanst a suyun yakl aşı k ol arak 1, 5 c m ol an et ki deri nli ği ni n güncel kull anı ml ar i çi n uygun ol ması ndan kaynakl an makt adır ( Decareau, 1995). 38

51 Şekil 3. 6 Suyun di el ektri k özelli kl eri ni n frekansa bağlı değişi mi Şekil 3. 7 Suyun dielektrik özellikleri ni n sıcaklı ğa bağlı değişi mi Şekil 3. 7 de gör ül düğü üzere suyun di el ektri k kayı p fakt ör ü sı caklı ğı n art ması il e azal makt adır. Bu dur umda art an sı caklı kl a suyun mi kr odal ga enerjisini soğur ma kabili yeti azal acağı ndan; ı sıt ma veri mi art an sı caklı kl a azal makt adır. Suyun sı caklı ğı 25 0 C den C ye çı ktı ğı nda di elektri k kayı p fakt ör ü 2450 Mhz frekansı nda yakl aşı k olarak 1/ 5 i ne kadar düş mekt e, bu da art an sıcaklı k il e birli kt e mi kr odal ga enerjisi ile ı sıt manı n veri mi ni n düşt üğünü göster mekt edir ( Decareau, 1995). 39

52 Di ğer Bazı Maddel eri n Di el ektri k Özelli kl eri Di ğer bazı yalıt kan maddel eri n di el ektri k özellikl eri tabl o 3. 2 de veril miştir. Tabl o 3. 2 Bazı yalıt kan maddel eri n di el ektri k sabitleri ( Bal anis 1989). Ma dde Hava Strof or (suni köpük) Taht a Parafi n 2. 1 Tefl on 2. 1 Kontrpl ak 2. 1 Poli etilen Toprak (kur u) 3 Kauçuk 3 Buz Pl eksi gl as 3. 4 Silis Nayl on 3. 8 Kağıt 3-4 Kuvars 3. 8 At eşe dayanı klı ca m 4. 0 Kükürt 4 Bakalit 4. 8 Mi ka 6 Mer mer 8 Sera mi k 8-11 Sili kon 12 Amonyak (sı vı) 22 Gl iseri n 50 Su 80 Bağıl Di el ektri k Sabi ti ' Mi krodal ga Enerjisi ni n Isıl Enerji ye DönüĢ ümü Mi kr odal ga kendi başı na bir ısıl enerji değil dir, ısıt ma et kisi mi kr odal ganı n ve di el ektri k (yalıt kan) maddeni n et kileşi mi sonucu ortaya çı kar. Bur ada fırı n i çi ndeki el ektri k al an şi ddeti fırı nı n boyut una ve uygul anan mi kr odal ga güce bağlı ol arak aşağı daki f ormüll e yakl aşı k ol arak belirlenir ( Met axas ve Meredit h, 1983). 40

53 ( P / V ) C Q E f o 1/ 2 (3. 4) Denkl e m 3. 4 t e E ( kv/ m) el ektri k al an şi ddeti, P ( k W) magnetron gücü, V c (m 3 ) fırı n oyuk hac mi, Q kalite fakt ör ü, f ( Hz) mi krodal ga frekansı, o ser best uzayı n di el ektri k geçirgenli ği dir. Kalite fakt ör ü birçok uygul a ma i çi n 1000 ol arak kabul edil mekt edir. ( Met axas ve Mer edit h, 1983). Buna göre yakl aşı k ol arak m 3 hac me sahi p 2450 MHz frekansı nda çalışan 0. 8 k W lı k bir mi kr odalga fırı n oyuğu içi ndeki el ektri k al an şi ddeti; (0.8/ 0.015) 1000 E / 2 E 3136 V/ m ol acaktır. Bu dur u mda suyun biri m hac mi nde üretilecek ol an ı sı da; denkl e m 3. 1 den hareketle, Q Q W/ m 3 =16. 7 W/ c m 3 ol acaktır. Ör nek ol arak yoğunl uğu 1200 kg/ m 3 ol an gözenekli bir madde göz önüne alı nsı n. Bu maddeni n 1200 kg ı na ( 1m 3 üne), 120 kg ( % 10 kütlesel oranı nda) su ekl ensi n. Bu durumda 120 kg suda üretilen ısı : 1m 1000kg kg W / m W ol acaktır. Bu ısı topla molarak 1 m 3 güç yoğunl uğu maddede üretil mekt edir. Buna göre maddedeki 41

54 6 P d W/ m 3 bul unur. Su oranı arttığında bu sebepl e biri m haci mde üretilen ısı aynı oranda artacaktır Mi krodal ganı n Et ki Deri nli ği Mi kr odal ga ve mi kr odal ga al ana konul an madde arası ndaki enerji geçişi ma ddeni n el ektri ksel özelli kl eri ne ve mi kr odal ga kaynağı n özelli kl eri ne bağlı dır. Et ki deri nli ği ( Z), madde i çi ndeki el ektri ksel al an şi ddeti ni n, madde yüzeyi ne uygul anan el ektri ksel alan şi ddeti ni n 1/ e oranı na düşt üğü, yani %63 ünün madde tarafı ndan ısı ya dönüşt üğü deri nli k ol arak tanı mlanmı ştır. 2 2 ' 1 tan 1 (1/ 2) 2 Z (3. 5) Burada ( ) uygul anan elektromanyeti k dal ganı n dal gaboyu, ( ' ) bağıl di elektri k sabiti, (tan ) ise kayı p tanjantı dır. Buna göre su i çi n 915 MHz frekansı ndaki bir mi kr odal ganı n el ektrik al anı nı n 2450 MHz frekansı ndaki bir mi kr odal ganı n elektri k al anı ndan daha deri ne et ki edecektir Mi krodal ga Emilmesi Buz suya oranl a daha geçirgendir, bu yüzden mikrodal ga ile ı sıtılabil me kabiliyeti (dielektri k kayı p faktör ü) daha düşükt ür. Don muş maddel eri n mi kr odal ga kullanılarak ısıtıl ması nda başlangı çta maddenin sı caklı ğı nı n eri me sıcaklı ğı nı n he men altında ol ması na di kkat edil meli dir. Aksi durumda il k ol arak eriyen buzun bul unduğu böl üm maddeni n di ğer böl üml eri ne oranl a çok daha fazla mi kr odal ga enerjisi emecek ve bu da deneti msi z yerel ısınmaya yol açacaktır. 42

55 Tabl o 3. 3 Buz ve suyun di elektri k özellikleri Bağıl Di el ektri k Sabiti ' Bağıl Di el ektri k Kayı p Sabiti '' Kayı p Tanj antı tan Buz Su (25 o C) Buz ve suyun et ki deri nli kl eri hesapl anacak ol ursa, su içi n; Buz içi n ise ; Z m (3. 6) Z m (3. 7) ol makt adır. Su, yüzeyi ne gönderilen mi kr odal ga enerjisi ni n %64 ünü yüzeyi nden c m deri nli ğe kadar ı sı ya dönüşt ür mekt e, buz i çi n i se bu değer m ol makt adır. Gör ül mekt edir ki buzun mi kr odal ga enerji yi ısıl enerji ye dönüşt ür me kabili yeti suya göre daha azdır. Bu nedenl e buzl u maddel eri n mi krodal ga il e ısıtıl ma veri ml eri suya göre daha düşük ol makt adır. Ma ddeni n şekli de mi krodal ga ı sıt maya et ki etmekt edir. Düzgün ol mayan şekiller ve keski n köşel er yerel ısı nmaya yol aç makt adır. Isıtılacak maddeni n i çi nde bul unan ne m, mi krodal ga e mil mesi ne doğr udan et ki mekt edir. Su mi kt arı nı n art ması besi nl erde belirtilen frekansl arda di el ektri k kayı p fakt ör ünü ( '' ) arttırmakt adır. Ma dde gözenekli yse ve bu gözenekl erde hava bul unuyorsa havanı n ı sıl ilet kenli ği yüzünden madde i yi bir yalıt kan gi bi davran makt a ve mi kr odal ga ı sıtma veri mi daha yüksek ol makt adır. Ma ddeni n t uz i çeri ği de mi kr odal ga enerji ni n e mil mesi ni arttır makt adır. Art an i yon konsantrasyonu daha önce belirtildi ği üzere i yoni k pol ari zasyon 43

56 mekani z ması nı da et kinl eştireceği nden, mi kr odal ga ı sıt mayı hı zl andır makt adır ( Si ngh ve Hol d man, 1999) Isıt ma Hı zı Isıt ma hı zı mi kr odal ga siste mi n gücü il e doğr u orantılı dır. Günü müzde endüstri de genel de 5 il e 100 kw ar ası nda kapasitesi ol an fırı nl ar kull anılmakt adır. Mi kr odal ga il e çok hı zlı ısıt ma yapıl abil mesi ne r ağ men endüstri yel uygul a mal ar içi n bu gücün çok i yi kontrol edil mesi gerek mekt e, aksi dur u mda ı sıt mada istenmeyen fi zi ksel ve bi yoki myasal reaksi yonlar ort aya çı kabil mekt edir ( Si ngh ve Hol d man 1999) Mi krodal ga Fı rı nları n Tanıtı mı Mi kr odal ga fırı nl ar, mi kr odal gal arı n ve bu sayede mi kr odal ga enerjisini n i şl e m görecek maddeye akt arımı nı sağl ayan aygıtlardır. Isıt ma ve kur ut ma i şle ml eri nde sanayi ve ti cari ol mak üzere i ki ti p mi kr odal ga fırı n kullanıl makt adır. Bu i ki çeşit mi kr odal ga fırı nı n başlıca far kl arı besl e me yönte mi, uygul anan mi kr odal ga gücü ( mi kr odal ga üret eç sayı sı), büyükl ük ve bi çi m ol arak göze çar p makt a ol up te mel de yönt e maynı dır Mi krodal ga Fı rı n BileĢenl eri Şekil 3. 8 de ticari bir mikrodal ga fırı nı n kesit şeması gör ül mekt edir. Magnetronda üretilen mi krodal ga, dalga kılavuzundan geçerek fırı n oyuğuna gönderil mekt edir. Fırı n oyuğundaki ürünl er bu et ki yle ısıtıl makt adır (Saltiel ve Datta, 1999). 44

57 Şekil 3. 8 Ti cari ti p bir mi krodal ga fırı nı n kesit şeması ( Si ngh ve Hol dman, 1999) Güç Ünitesi Mi kr odal ga fırı nl arda bul unan güç ünit esi ni n görevi şebekeden alı nan el ektri k enerjisi ni magnetronun çalış ması i çi n gerekli ol an volt ajı üret mektir. Ma gnetronl ar genel de birkaç bi n voltl uk pot ansi yel farkl arı nda çalışırlar ( Si ngh ve Hol d man, 1999) Mi krodal ga Üreteci ( Magnetron) Ma gnetron el ektri ksel gerili mi mi kr odal ga r adyasyonuna çeviren di yot ti pli bir el ektroni k t üpt ür de Al bert Wall ace Huli t arafı ndan il k defa yapıl dı ğı ndan beri günü müze kadar t e mel de bir değişi kli ğe uğra ma mı ştır. Küçükl ük ve ucuzl ukl arı yüzünden magnetronl ar cisi ml eri ısıtmak i çi n ti cari fırı nl arı n hepsi nde ve endüstri yel fırı nları n büyük bir bölü münde kull anılan mi kr odal ga kaynağı dırlar. Günü müzde ti cari fırı nl arda kullanılan çok oyukl u magnetr on il k defa 1940 da J. T. Randall ve H. A. H. Boot t arafı ndan t asarl an mıştır. Bu magnetronl ar MHz frekansı nda çalış makta ol up, yapısı ve çalış ma prensi bi aşağı da açı kl anmı ştır. 45

58 Genel de magnetronl ar ekseni nde sili ndiri k i çi boş bir anotl a birli kte met ali k kat ot bul unan dairesel si metri k t üpl erdir. Met alik sili ndir ve i çi ndeki kanat çı kl ar, bir sıra trapezoi d şekilli boşl uk, kat odu ol uşt urur. Oyukl ar dan biri ni n i çi ne giren ant en mi kr odal ga enerjisi ni magnetrondan al arak sabitlenmi ş bir dal ga kıl avuzuna gönderir. Magnetron elektronl arı n kat ottan anoda doğr u akı şı nı kontrol ederek çalışır. Bu i şl e m mer kezde bul unan kat ot filamanı nı n dı şarı dan düşük gerili mi el ektri k üretici yl e ı sıtılması ve çalış ma sı caklığı na ul aş ması ile başl ar. Sı caklı k artışı kat ottaki mol eküler akti vite ile hı zl anır ve el ektronl ar kayna maya başl ar. Isıtıl ma anotla beraber uygul anan pot ansi yel elektronl arı kat ottan radyal ol arak anoda doğr u hareketlendirir. Doğal veya el ektro mı knatıslar t arafı ndan ür etilen ve eksene paral el, el ektronl arı n yol una di k olarak et kileyen manyeti k al an el ektronl arı kat odun etrafı nda sanki dairesel bir yör üngede hareket e zorl ar. Anot ve anott a bul unan oyuklar el ektronl arı n peri yodi k ol arak sırası yl a hı zl an mal arı na ve yavaşl a mal arı na neden ol arak bir el ektron bul ut unun ol uş masına ol anak verirler. El ektron bul ut unun sürekli dön me hareketi her oyukt a artı yükl eri meydana getirir. Anodun oyukl arı nda sırası ile ol an şarj ve deşarj ol ayı bir alternatif akı m ol uş ması na yol açar. Bu sayede ol uşan el ektromanyeti k dal ga ant en aracılı ğı ile dışarıya verilir. Ma gnetronl ar % veri ml e çalışırlar. Çı kış gücü kat ottaki doğru akı m ve doğal veya el ektromanyeti k mı knatıslar t arafı ndan üretilen manyeti k al anl a kontrol edilir ve anot sıcaklı ğı na bağlı dır, anot ve kat ottaki ısı ya dönüşen enerji kanatlarla ve fanl a alı nır (Saltiel ve Datta, 1999; Pl atts 1991). 46

59 Şekil 3. 9 Magnetron Şeması ( Pl atts 1991) Dal ga Kıl avuzu Mi kr odal ga üretil di kt en s onra bu dal ganı n fırı na veril mesi ve ı sıtılacak maddeye yönl endiril mesi gerekli dir. Genel de i ki t ane il eti m ci hazı bu i ş i çi n kullanıl makt adır. Bunl ar i ki adet t el ve bir koaksi yel kabl odan ol uşan il etişi m hatları ve dal ga kılavuzları dır. İleti m hatları ile yay ma genel de düşük frekanst a uygul an makt a ve il etişi mde kullanıl makt adır. Yüksek güçt e çalışıl dı ğı duru ml ar da akı m yoğunl uğu yüksek ol duğu i çi n il eti m kayı pl arı meydana gel mektedir. Bunu önl e mek i çi n kesit al anl arı nı n daha büyük ol duğu i çi boş t üpl er ( dal ga kıl avuzl arı) daha yüksek frekanst a çalışan ci hazlar i çi n kull anıl makt adır. Opti k dal ga kıl avuzl arı gi bi mi kr odal ga dal ga kıl avuzl arı nda mi kr odal ga yay mak i çi n yüksek yansıt ma özelli ği ne sahi p duvarl ar bul un makt adır. 47

60 Dal ga kıl avuzl arı çok çeşitli şekil ve boyutl arda ol abilirler. Bunl ar dan en çok kullanılanl arı di kdörtgen kesitli ol anl ardır. Sili ndiri k ol anl ardan daha çok bili msel uygul a mal ar da f aydal anıl makt adır. Dal ga kıl avuzl arı nı n kesit öl çül eri genel de sabittir ve bu değer kull anılan dal ga boyunun en az 1/ 4 ü kadar dır. Dal ga kıl avuzunun açık böl ümü mi kr odal ga fırı nı n fırı n böl ümünün besl e mesi gi bi davranır. Bu böl üm fırı na mi kr odal ga yayı nl a mak i çi n mi kr odalga fırı nı n karakt eristi kl eri ne göre özel ol arak t asarlanmı ştır. Fırı n i çi ne verilen dal gal arı n bir kıs mı da geri yansıyarak magnetrona t ekrar geri döner. Fırı nda bu dal gal arı n enerjisi ni soğuracak bi r el e man yoksa yüksek enerjisi ile geri yansı dı ğı nda mi kr odal ga üret eci ne zarar verebilir( Saltiel ve Datt a, 1999; Pl atts 1991). Şekil da sanayi ti pi mi krodal ga fırı nl ar i çi n kull anılan bir dal ga kıl avuzu gör ül mekt edir. Şekil Sanayi ti pi bir mi kr odal ga fırı nda kullanılan dal ga kılavuzu 1. Mi kr odal ga fırı n t üneli, 2. Dal ga kılavuzu, 3. Dal ga kılavuzu yarı kl arı KarıĢtırıcı Karıştırıcılar genelli kl e f an bi çi mi nde şekl e sahi p ol up apli kat öre gönderilen mi kr odal ga enerjisi ni dağıt mak a macı yl a kull anılırlar. Karıştırıcılar durağan dal ga şabl onl arı nı bozarl ar ve böyl eli kl e apli kat ör i çi nde daha düzgün bir enerji dağılı mı sağl arlar ( Si ngh ve Hol d man, 1999). 48