Mikrodalganın hacim içerisinde dağılımının sıcaklık profiline etkisinin incelenmesi
Investigation of the microwave distribution in the volume on the temperature profile
Yazar: DEMET BÜYÜKKOYUNCU
Danışman: PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dielektrik özellikler = Dielectric properties ; Fiber optik = Fiber optics ; Mikrodalga ısıtma = Microwave heating ; Patates = Potato

Özet:
Mikrodalga ısıtma, mikrodalga enerjinin sağladığı avantajlar sayesinde hızla ve geniş bir sahada gelişmektedir. Malzemelerin dielektrik kayıplarının kullanılarak, mikrodalga enerjisi ile ısıtılması, geleneksel ısıtma işlemlerine göre birçok avantaj sunmaktadır. Mikrodalga ile malzemelerin ısıtılmasında, mikrodalgalar malzemenin iç kısımlarına kadar ilerledikleri için daha hacimsel bir ısıtma sağlanmaktadır. Bu da sıcaklık gradyanının çok küçük olmasına neden olup, ısı transferinin hızlı ve ısıtma süresinin kısa olmasını sağlamaktadır.Mikrodalga ısıtma sürecinde, malzeme içindeki sıcaklık dağılımı; güç kaynağının ürettiği elektrik alan şiddeti değerinin belirlenip, ısıya dönüşen mikrodalga güç değerinin hesaplanması ve bu değerin, ısı transfer denklemine dahil edilip, denklemin çözümü yapılarak elde edilmektedir. Isı transferi denkleminin çözümü için farklı sayısal teknikler bulunmaktadır. Bu tezde sonlu hacim yöntemi zamana bağlı olarak uygulanmıştır. Ayrıca ısıtılan hacim içerisindeki mikrodalga dağılımının, sıcaklık profiline olan etkisi incelenmektedir. Mikrodalganın, ısıtılan hacim içerisindeki dağılımı analiz programlarıyla ayrıntılı olarak belirleneceği gibi, bu tez kapsamında olduğu gibi ısıtılan maddenin yüzeyleri için basit oranlar verilerek de belirlenebilmektedir. Bu yüksek lisans tez çalışması, mikrodalga ortamda ısıl modelleme çalışması için başlangıç olup, bu konuda yapılan ilk çalışma olma özelliğine sahiptir.Tezin ikinci bölümünde, mikrodalga ısıtma hakkında genel bilgi verilip, mikrodalga ısıtmanın temel prensipleri ve teorik olarak incelenmesi sunulmaktadır. Mikrodalga ısıtmanın teorik olarak incelenmesinde; elektromanyetik dalga büyüklükleri arasındaki bağıntıları gösteren Maxwell Denklemleri incelenmektedir.Üçüncü bölümünde, mikrodalga ısıtmanın modellenmesi ve gıdaların dielektrik özelliklerinin açıklanmasına yönelik literatür taraması sunulmaktadır. Bu araştırmada önemli görülen noktalar şunlardır; ısıya dönüşen kayıp mikrodalga gücü, enerji korunumu denklemlerinde kaynak terimi olarak kullanılıp, kütle transferi hesabı üzerinde genellikle durulmayıp yada deneysel çalışmalardan yararlanılarak hesaplanıp, ısı transferi denklemlerinin çözümüyle sıcaklığın zamana göre değişimi belirlenmiştir. Sıcaklık değerleri genelde 1 yada 2 boyut için belirlenip, gıda ile çalışmanın, mikrodalga ortamda çalışmanın ve fiber optik problarla çalışmanın zorluğundan dolayı; sıcaklık ölçümleri belirli birkaç gıdanın belirli noktaları için yapılmıştır. Ayrıca, gıdaların dielektrik özelliklerinin neme, sıcaklığa ve frekansa bağlı olan değişimleri için bir genellemenin yapılamayacağı sunulmuştur.Dördüncü bölümde, mikrodalga ortamda ısıtılan gıdanın, ısıtma süresince sıcaklığını belirleyebilmek için kullanılan sistem ve deneysel çalışmalarda kullanılan ölçüm elemanları ile mikrodalga ortamda ısıtılan patatesin farklı noktaları için elde edilen zamana bağlı sıcaklık değerleri gösterilmektedir. Mikrodalga ortamda sıcaklık ölçümü yapabilmek için temin edilen fiber optik probların yapısı ayrıntılı olarak sunulmaktadır. Deneysel çalışmalarda amaç mikrodalga ısıtmada sıcaklık ölçümü olup, bu deneylerin öncesinde hem kurulacak modele hem de sıcaklık ölçüm deneylerine hazırlık olması amacıyla mikrodalga ısıtma için güç çıkışı ve verim deneyleri, mikrodalga ısıtma için ısıtılan hacim içinde homojenlik deneyleri, kütle değişimi ve nem tayini deneyleri de yapılmıştır. Mikrodalga ortamda yapılan sıcaklık ölçümü sonuçları; 50 s'lik, geçici rejim süresi için sunulmaktadır.Beşinci bölümde, mikrodalga ortamda ısıtılan gıdaya ait ısıl modelleme için kurulan yarı analitik modelin ayrıntıları sunulmaktadır. Modelde kütle transferi sınır şartı deneysel çalışmalardan elde edilmekte olup, kavite içindeki farklı mikrodalga dağılımlarında patatesin farklı noktalarına ait, elde edilen sıcaklık değerleri için model sonuçları ile deneysel sonuçlar karşılaştırılmaktadır. Model şartları deneysel sonuçlarla eş alınmıştır.Son bölümde elde edilen sonuçların özeti ile öneriler sunulmuştur. Mikrodalga ısıtma özelliğine sahip hacim içerisinde homojen bir dağılım olmadığı ve gıdanın her yüzeyinin farklı mikrodalga etkisi altında olduğu elde edilen sonuçlarla desteklenmiştir.

Abstract:
Microwave heating is an industrial process technique which was originally conceived about seventy years ago. Microwave heating of food has existed since 1949, and almost all household in the United States own a domestic microwave oven. In recent years, there has been a lack of growth in the development of microwave food products and processes. Currently, over 80% of American families are using microwave ovens. The popularity of microwaveable foods are increasing in the market. However, there are problems related with the use of the microwave energy such as unsatisfactory product quality ? nonuniform temperature distribution, bad texture in the end product and unacceptable flavor development. These problems are based on the lack of sufficient understanding of simultaneous heat transfer, mass transfer, chemical reaction during microwave heating.Compared with conventional heating, heat transfer is typically more difficult to study due to the complex interaction of the microwaves with the cavity and the food. This makes generalizations difficult. The two key issues in microwave heating of food are: the magnitude of the energy deposited by the microwave and the uniformity of the energy deposition. The magnitude and uniformity are affected by both food and oven.Microwave heating using the dielectric loss of materials offers more advantages than conventional heating. Microwaves occupy the portion of the electromagnetic spectrum between 300 MHz and 30 GHz. Microwaves penetrate inside the materials, providing more volumetric heating. Because of the more volumetric heating, the temperature gradient is very small. In addition, heat transfer gets faster and the heating time gets shorter. Microwave processing involves complex interactions between a wide-ranged disciplines; such as electromagnetics, dielectric properties, heat transfer, moisture transfer, solid mechanics, fluid flow, food chemistry, food microbiology and packaging.The characteristics of microwave heating compare to those of conventional heating as follows: It is quick. The rates of heating are much higher than in conventional heating. It is generally more uniform than conventional heating. It is selective; moist areas heat more than the dry areas. Such selectivity is absent in conventional heating. Unlike conventional heating, significant internal evaporation inside the microwave-heated materials leads to additional mechanisms of moisture transport that enhance moisture loss during heating. It can be turned on or off instantly, unlike conventional heating.The characteristic of microwave heating can be beneficial or detrimental, depending on the application. For example, the selective heating of microwaves is extremely useful when the wet interior areas of a material need to be heated; they heat moist areas faster than the drier areas, driving out the moisture. On the other hand, when a food with a crispy surface is reheated, the wet interior areas are heated more by the microwaves and too much moisture is transported to the surface, making the food soggy. The volumetric and fundamentally nonuniform heating of microwaves is dependent on many food and oven characteristics.The electrical properties of materials known as dielectric properties are of critical importance in understanding the interaction of microwave electromagnetic energy with those materials. These properties, along with thermal and other physical properties and the characteristics of the microwave electromagnetic fields determine the absorption of microwave energy and consequent heating behavior of food materials in microwave heating and processing applications.The temperature distribution within the material is obtained by solving the heat transfer equation with the electric field as the power source when microwave heating is used. There are different techniques to solve the heat transfer equation. In this thesis the time dependent finite volume method (FVM) is used to solve the heat transfer equation. The main objective of this study is to develop a three-dimensional FVM to simulate coupled heat and mass transfer in microwave heating of food material. Experimental time-dependent temperature results for slab-shaped potato specimens are obtained to verify the FVM. In addition, the effects microwave distribution in the volume on the temperature profile is investigated. The reason for this investigation is that the temperature distribution inside food heated with microwaves is determined by both the thermal properties of the food and the distribution of the absorbed microwave energy. The microwave distribution in this study is determined without the use of a commercial solver. Instead, simple rates are used. This study which is a first step for the modeling of microwave heating has significant assumptions about mass transfer. A mass transfer experiment is conducted in this study to obtain the surface mass flux. Mass losses of the sample at different temperature levels are collected. It is found that surface mass flux is a function of time. The resulting correlation is given in an equation.General information about the microwave heating is given and microwave heating is described theoretically in the second part of this thesis. This part focuses on the nature of the electromagnetic fields inside a microwave volume and their mathematical descriptions as defined by Maxwell?s Equations.At the third section, general literature review is given for modeling of microwave heating and dielectric properties of food on microwave heating. First group of studies have modeled microwave heating by solving the heat and mass transfer equations and assuming a source term for implementing microwave heating. Dielectric properties of food are investigated on microwave heating, after numerical techniques for the microwave heating of food. The heating efficiency in a microwave volume is determined by dielectric properties in addition to thermal properties of foods. Dielectric properties that determine the microwave absorption in food are introduced. Depending on the dielectric properties of food, heat is generated inside the food- this leading to thermal diffusion and moisture transfer.The systems used to measure the microwave volume, its working principles and experimental time-dependent temperature results for 50 second - temporary regime are presented in the fourth chapter. The new system, in which the maximum number of channels for temperature measurement is limited to four fiber optic probes, is explained in detail.Fiber optic (glass) is a method of carrying information, such as copper wire. But unlike copper wire, fibers carry light (photons) instead of electricity (electrons). Some advantages of fiber optic are: immunity to electromagnetic fields, all dielectric material probe construction, robust, flexible, the ability to install chemically resistant probes in harsh environments, true intrinsic safety in explosive environments, minimal thermal shunting, relative ease of installation. Furthermore, efficiency and distribution experiments for microwave volume and mass transfer experiments are presented.In the fifth section, a semi-analytical model is presented where microwave heating is modeled with a VISUAL BASIC program. Model results obtained for three different microwave distributions are compared with the experimental results. Model operating conditions are the same with the experimental conditions.The final section offers suggestions with a summary of the results obtained. It is shown in the results of the model and experiments that there is nonuniform microwave distribution.?