Wasser unter lautloser Kraft Kontaktultraschallunterstütze Konvektionstrocknung. B. Eng. Christoph Püning

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1 Wasser unter lautloser Kraft B. Eng. Betreuer KIT: Betreuer Hochschule Trier: Dipl.-Ing. Johannes Schanz Prof. Dr.-Ing. Marc Regier

2 Agenda Einleitung Grundlagen Versuchsaufbau Die Trocknung von Äpfel Die Trocknung von Kartoffeln Vergleich 2

3 Motivation Konvektionstrocknung zur Haltbarmachung von Lebensmitteln Einfaches Verfahren Probleme mit der Produktqualität Quelle: Einsatz von Ultraschall zur effizienteren Gestaltung der Trocknungsprozesse Reduzierung der Trocknungszeit/-temperatur Produktschonenderer Prozess Quelle: 3

4 Ziele der Arbeit Bestimmung des Einfluss von Ultraschall auf den Trocknungsverlauf Untersuchung des Einflusses von Ultraschall auf die Wasserverteilung während der Trocknung Nichtinvasive Untersuchung mit Magnetresonanztomographie Quelle: Quelle: 4

5 Prinzip der Konvektionstrocknung Überströmung mit Heißluft Einbringen von Energie Austragen des Wassersdampfes Quelle: Gehrmann et al. Einteilung der Trocknung in 3 Trocknungsabschnitte 1. Trocknungsabschnitt Entfernung des freien Oberflächenwassers 2. Trocknungsabschnitt Trocknung aus dem Inneren Widerstände beim Wärme- und Stofftransport 5

6 Ultraschall in der Trocknungstechnik Einsatz von Leistungs-US Frequenz: 25,9 khz Steuerung US über Amplitude Steigende Amplitude entspricht steigender Leistung Quelle: Kentish und Ashokkumar Bei der Trocknung beschriebene Wirkmechanismen: sponge-effect Mikrorührbewegungen Entstehung von Mikrokanälen Quelle: J.Schanz 6

7 Grundlagen der Magnetresonanztomographie (MRT) Schnittbildverfahren Detektion von Kernspins (hier 1 H-Kerne) über Wechselwirkung mit Magnetfeld Quelle: G.Guthausen Aufnahme von Voxeln Betrachtung der ortsaufgelösten Wasserverteilungen 7

8 Versuchsaufbauten Heißluft Kabel Glasrohr Probe Sonotrode Cryomagnet Cryomagnet Verlängerung PC Thermoelement Schallwandler Generator+ Bedienfeld Gradientensystem 8

9 Trocknungsversuche von Äpfeln Versuchsparameter Apfel (Braeburn) Probengeometrie: Zylinder Durchmesser 25 ± 0,25 mm, Höhe 15 ± 0,2 mm Luftstrom = 270 l/min Technikumsversuche (diskontinuierlich) Temperatur: 60 C,75 C Ultraschallamplituden: 0µm; 8,9 µm ( 0,4 W); 12,2 µm ( 1,8W); 16,5 µm ( 2,2W) Wägung im 30 Minutentakt Versuchsende bei Massedifferenz von 0,01 g Versuche im MRT (kontinuierlich) Temperatur = 60 C, Ultraschallamplituden: 0 µm ; 8,9 µm ; 16,5 µm Temperatur = 75 C, Ultraschallamplituden: 0 µm ; 16,5 µm 9

10 Deutliche Unterschiede zu beginn der Einfluss Trocknung der Ultraschallleistung bei 60 C Wasserge dx/dt [g Wasser/g ehalt [%] TM *h -1 ] n = 2 0 µm 8,9 µm 12,2 µm 16,5 µm Wasserbeladung Zeit [h][g Wasser /g TM ] 10

11 Trocknungsverlauf von Äpfeln bei 75 C und verschiedenen Ultraschallamplituden Wasserge ehalt [%] n = 2 0µm 8,9µm 12,2µm 16,5µm Zeit t [min] 11

12 Abnehmender Einfluss des Ultraschalls bei Deutlicher steigender Temperatur Einfluss der Trocknungstemperatur Wasserg gehalt [%] Amplitude = 0µm 16,5µm 0 µm, 60 C 60 C n = 2 0 µm, 75 C 75 C 16,5 µm, 60 C 16,5 µm, 75 C Zeit t [h] 12

13 Unterschiedliche Stärke der Zelldegradation bei getrockneten Proben erkennbar Amplitude: 0µm 16,5µm Temperatur 60 C Temperatur 75 C 13

14 Qualitative Betrachtung des Trocknungsvorganges mittels MRT bei 60 C Amplitude t = 0 h t = 0,5 h t = 3 h 0µm 16,5µm 14

15 Wesentlich höhere Wassergehälter bei vorherigen Trocknungsversuchen µm, 60 C 16,5 µm, 60 C Wasserg gehalt [%] Zeit t [min] 15

16 Hinweise auf thermischen Effekt des Ultraschalls 60 C, 0µm 60 C, 16,5µm 75 C, 16,5µm Bei Dauerbeschallung starke Verbrennungen 16

17 Steigende Temperatur im Boden der Probe, bei steigendem Leistungseintrag Tempera atur [ C] T= 20 C n = 1 16,5µm 12,2µm 8,9µm Zeit t [min] 17

18 Entwicklung der Kerntemperatur während der Trocknung Temperatu ur [ C] Zeit t [min] n = 1 60 C; 0 µm 60 C; 16,5 µm 75 C; 0 µm 75 C; 16,5 µm 18

19 Trocknungsversuche von Kartoffeln Versuchsparameter Kartoffel (Belana) Probengeometrie: Zylinder Durchmesser 25 ± 0,25 mm, Höhe 15 ± 0,2 mm Luftstrom = 270 l/min Technikumsversuche (diskontinuierlich) Temperatur: 60 C,75 C Ultraschallamplituden: 0µm; 8,9 µm ( 0,4 W); 12,2 µm ( 1,8W); 16,5 µm ( 2,2W) Wägung im 30 Minutentakt Versuchsende bei Massedifferenz von 0,01 g Versuche im MRT (kontinuierlich) Temperatur = 60 C, Ultraschallamplituden: 0 µm ; 8,9 µm ; 16,5 µm 19

20 Geringere Wirkung des Ultraschalls bei 60 C dx/dt Wasserge [g ehalt [%] er/g TM *h -1 Wasse ] 100 3,0 90 2, ,0 60 1, , ,5 10 n = 1 0 µm 8,9 8,5 µm 12,2 µm 16,5 µm 16,5 µm 0, , , , , Wasserbeladung Zeit [h] X [g Wasser /g TM ] 20

21 Qualitative Betrachtung des Trocknungsvorganges mittels MRT bei 60 C Amplitude t = 0 h t = 0,5 h t 3= 3 h 20 x µm Pixel Protonenintensität x Pixel ,5µm

22 Vergleich der Trocknung Äpfeln und Kartoffeln mittels MRT bei 60 C Amplitude t = 0 h t = 0,5 h t = 3 h Apfel Kartoffel 22

23 Zusammenfassung Positiver Einfluss auf die Trocknungszeiten durch Ultraschall Abnehmender Einfluss des Ultraschalls bei steigender Temperatur Sichtbarer Ultraschalleffekt während der Trocknung im MRT Hinweise auf einen starken, Ultraschall bedingten, thermischen Effekt Unterschiedliche Stärke der Zelldegradation Starke Abhängigkeit von der strukturellen Beschaffenheit Ausblick Weitere Untersuchungen zur Temperaturverteilung in der Probe Überprüfung der Ergebnisse bei ununterbrochener Trocknung Quantitative Betrachtung der MRT-Ergebnisse 23

24 Danke an: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Marc Regier Dipl.-Ing. Johannes Schanz Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit PD Dr. rer nat. Giesela Guthausen Prof. Dr.-Ing. Heike P. Schuchmann 24

25 Anhang 25

26 Modellierung 26

27 Trocknungen von Äpfeln bei 60 C Theoretische Werte stimmen mit experimentell bestimmten Werten sehr gut über ein 1,0 Amplitude R 2 0,8 0 µm 0,9995 X r,theo 0,6 0,4 0,2 0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 X r,exp 0 µm 8,9 µm 12,2 µm 16,5 µm 8,9 µm 0, ,2 µm 0, ,5µm 0,9996 Mittelwert 0,

28 Trocknung von Äpfeln bei 75 C Werte weichen teilweise deutlich von einander ab 1,0 Amplitude R 2 0,8 0 µm 0,9841 X r,theo 0,6 0,4 0,2 0,0 0 µm 8,9 µm 12,2 µm 16,5 µm 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 X r,exp 8,9 µm 0, ,2 µm 0, ,5µm 0,9996 Mittelwert 0,

29 Trocknungsgeschwindigkeit für Äpfel bei 75 C dx/dt [g r/g TM *h -1 Wasser ] µm 8,9 µm 12,2 µm 16,5 µm Wasserbeladung X [g Wasser /g TM ] 29