Estratégias para melhoria da uniformidade do aquecimento eletromagnético em secador de micro-ondas a vácuo com controle de temperatura

Abstract

A secagem por micro-ondas a vácuo ocorre a taxas elevadas de evaporação, com potencial para aplicação em alimentos sensíveis ao calor e à oxigênio. No entanto, a não uniformidade do campo eletromagnético cria pontos de sobreaquecimento no interior da cavidade de secagem, que podem degradar o produto. A escolha da geometria da cavidade, a utilização de múltiplos magnetrons, a movimentação do material durante a secagem e o controle da temperatura da amostra pela manipulação da potência emitida pelos magnetrons podem melhorar a uniformidade do aquecimento. Os magnetrons de alta potência são comuns industrialmente, mas apresentam altos custos de importação e manutenção. Por outro lado, os magnetrons usados ??em fornos de micro-ondas domésticos são mais baratos e de instalação simples. O objetivo deste estudo foi desenvolver um secador de micro-ondas a vácuo, com controle de temperatura pela manipulação da potência, utilizando magnetrons de fornos de micro-ondas domésticos; o sistema é de fácil operação e modular, aplicável a diferentes escalas de produção. O desenvolvimento da secadora foi baseado na experiência do grupo de pesquisa e em simulações numéricas usando o COMSOL Multiphysics® versão 5.5. As simulações serviram para compreender a influência das posições relativas e do número de magnetrons ativos na distribuição do campo elétrico no interior de uma bateria metálica com um tambor de polipropileno vazio e também na cavidade contendo um sólido poroso. A cavidade tem 100 cm de comprimento e 60 cm de largura, com doze magnetrons (1,2 kW/magnetron) posicionados em suas paredes, e dois tambores rotativos de polipropileno, com volume interno de 83,50 L. O modelo matemático foi validado experimentalmente por testes de dissipação de potência em água, resultando na curva de carga do equipamento. Os resultados numéricos foram de acordo com os dados experimentais de dissipação de potência em diferentes volumes de água. A curva de carga indicou que quanto maior a massa de água e o número de magnetrons ativos, maior foi a eficiência do equipamento. O controle de temperatura durante o aquecimento e a secagem foi realizado pela modulação da potência, com um driver liga-desliga. A estratégia de controle de temperatura e as condições de operação foram validadas utilizando 10 kg de argila expandida hidratada. Um estudo de caso com 10 kg de cubos de cenoura foi prolongado para uma condição operacional, avaliando-se o consumo de energia do processo. As simulações indicaram que seis magnetrons ativos são suficientes para obter um campo elétrico uniforme em uma mineração metálica vazia. Também foi observado que o uso de vários magnetrons de baixa potência favorece a distribuição uniforme do campo elétrico em comparação com apenas um magnetron de maior potência. A secagem da argila expandida ocorreu de maneira uniforme em dois tambores; a melhor condição de operação do equipamento consiste em girar os tambores em 2 RPM e ativar 6 magnetrons (7, 2 kW) até uma temperatura de 57 °C, seguida pela redução para 2 magnetrons (2,4 kW) quando a temperatura da amostra estava entre 57 °C e 60 °C. Estas condições também foram aplicadas na secagem de cubos de cenoura, que durou 190 minutos e resultou em um produto com umidade (bs) de 0,28 ± 0,03 g g-1 e atividade água de 0,529 ± 0,091. A relação entre a energia consumida pela secagem de cubos de canoura e a energia eletromagnética encontrada durante o processo comprovado em uma eficiência energética de aproximadamente 30%. Considerando a relação entre a energia de vaporização e a energia total, a eficiência do processo foi de 16%. A disposição da amostra, a disposição adequada dos magnetrons (número e posição) e o controle de temperatura são estratégias cruciais para a uniformidade do aquecimento e aquecimento da câmara de secagem.

Abstract: Microwave vacuum drying has high drying rates, with the potential for drying foods sensitive to heat and oxygen. However, the non-uniformity of the electromagnetic field creates hot points inside the drying cavity, which can degrade the product. The cavity geometry, the use of multiple magnetrons, the movement of the material during drying and the sample temperature control by power manipulation can improve the heating homogeneity. High-power magnetrons are industrially common, but have high import and maintenance costs. On the other hand, magnetrons used in domestic microwave ovens are cheaper and simple to install. The objective of this study is to develop a microwave vacuum dryer, with temperature control by power manipulation, using these magnetrons. The system is easy-to-operating and modular, and can be used on different production scales. The development of the dryer was based on the experience of the research group and on numerical simulations using COMSOL Multiphysics® version 5.5. The simulations were used to understand the influence of the relative positions and number of active magnetrons on the distribution of the electric field inside a metallic cavity with an empty polypropylene drum and also in the cavity containing a porous solid. The cavity is 100 cm long and 60 cm wide, with twelve magnetrons (1.2 kW each) positioned on its walls, and two rotating polypropylene drums, with an internal volume of 83.50 L. The mathematical model was validated experimentally through power dissipation tests in water resulting in the equipment load curve. The numerical results were in agreement with the experimental data of power dissipation in different volumes of water. The load curve indicates that the greater the mass of water and the number of active magnetrons, the greater the efficiency of the equipment. Temperature control during heating and drying was carried out by power modulation, with an on-off controller. The temperature control strategy and operating conditions were validated using 10 kg of hydrated expanded clay. A case study with 10 kg of carrot cubes was conducted in the best operational condition, evaluating the energy consumption of the process. The simulations indicated that the use of six magnetrons is sufficient to obtain a more uniform electric field in an empty metallic cavity. Furthermore, the use of several low-power magnetrons generates a more uniform electric field distribution compared to just one high-power magnetron. The expanded clay dried uniformly in both drums. The best operating condition of the equipment consisted of rotating the drums at 2 RPM and activating 6 magnetrons (7.2 kW) up to a temperature of 57 °C followed by reduction to 2 magnetrons (2.4 kW) when the sample temperature was between 57 °C and 60 °C. These conditions were also applied to drying carrot cubes, which lasted 190 minutes and resulted in a product with moisture (bs) of 0.28 ± 0.03 g g-1 and water activity of 0.529 ± 0.091. The relationship between the energy consumed by drying carrot cubes and the electromagnetic energy supplied during the process resulted in an energy efficiency of approximately 30%. Considering the relationship between vaporization energy and total energy, the process efficiency was 16%. Sample movement, the appropriate arrangement of magnetrons (number and position) and temperature control are crucial strategies for uniform heating and drying in the drying chamber.