بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر ذرات بی اثر حامل انرﮊی در خشک کردن توده لوبیا سبز در یک خشک کن بستر سیالی ناپیوسته
چکیده
در این مقاله، فرایند خشک کردن در یک خشک کن بستر سیالی (FBD) که حاوی مقداری ذرات بی اثر بعنوان حامل انرﮊی می باشد مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور یک خشک کن بستر سیالی پیشتاز که در آن از قطعات استوانه ای لوبیا سبز بعنوان ماده خشک شونده و از گلوله های شیشه ای، فولادی و پلی اتیلنی بعنوان مواد بی اثر و حامل انرﮊی استفاده شده مورد بررسی قرار گرفته و اثر این ذرات بی اثر بر سرعت خشک شدن و راندمان خشک کن بررسی شد. همچنین اثر اندازه ماده خشک شونده، قطر، جنس و مقدار مواد بی اثر و همچنین سرعت و دمای هوای خشک کننده بر سرعت خشک شدن ماده غذایی مورد بررسی قرار گرفت. داده های تجربی ثابت می کند که حضور ذرات بی اثر باعث تسریع سرعت خشک شدن می گردد و همچنین کیفیت سیالیت مواد خشک شونده را بهبود می بخشد.
همچنین نتایج این تحقیق نشان داد که افزایش ضریب هدایت حرارتی ذرات بی اثر ، کاهش اندازه مواد خشک شونده و افزایش دمای هوا باعث افزایش سرعت خشک شدن ماده غذایی میگردد اما افزایش سرعت گاز در محدوده عملی، تاثیر قابل ملاحظه ای بر سرعت خشک شدن ندارد که این نشان دهنده آنست که فرایند نفوذ خارجی در انتقال رطوبت، عامل کنترل کننده سرعت خشک شدن نیست.
لیدیواﮊههای ک : خشک کن بستر سیالی، ذرات حامل انرﮊی، ماده بی اثر، لوبیا سبز
١- مقدمه
خشک کردن یک جامد به معنی جداسازی مقادیر نسبتا" کم آب یا مایع دیگر از ماده جامد و کاهش مـایع باقیمانـده آن به مقدار قابل قبول می باشد. در مهندسی صنایع غذایی خشک کردن فراینـدی اسـت کـه در آن جهـت کـاهش رشـد میکرو ارگانیسمهای مخرب و همچنین واکنشهای شیمیایی ، آب ماده جدا میگردد. خشک کردن ، فرایندی با کاربرد وسیع و نیز همراه با مصرف بالای انرﮊی است. بنابراین اجرای این فرایند در مقیاس صنعتی و بازدهی حرارتی بالا از اهمیت بالایی برخوردار است. روشهای گوناگونی جهت خشک کردن جامدات ، توسعه یافته است که هر روش دارای مزایا و مشخصه های
خود است. از نظر بازدهی حرارتی ، خشک کن های بستر سیالی از بهترین انواع خـشک کـن هـا بـوده و دارای کاربردهـای گوناگونی می باشند ]١.[
حذف آب از محصولات غذایی معمولا" باعث آسیبهای بیولوﮊیک و نیز تغییرات شیمیایی در آنها میگردد. از آنجـا کـه دما یکی از عوامل موجد اینگونه آسیبهاست ، جهت دستیابی به محصول بهتر ، معمولا" انجام فرایند خشک کردن در دمای پایینتر ارجح می باشد. تحت این شرایط افزایش نرخ انتقال حرارت می تواند باعث کارایی بیشتر خشک کن گردد. یکـی از فنون بهبود نرخ انتقال حرارت افزودن مقداری مواد بی اثر حامل انرﮊی به مواد خشک شونده است.
Jariwara و ] Hoelscher٢[ گزارش کردند که افزایش مقداری شن ریز mesh) ۰۲۱) به نشاسته با جرمـی مـساوی آن باعث بهبود رفتار جریانی نشاسته میگردد. ] Chancellor٣[ پیشنهاد کرد که مخلوطی از دانهها و شن می توانـد از داغ شدن موضعی دانه ها جلوگیری کند. در این صورت شن مانند ماده بی اثری عمل می کند که گرما را از صفحه داغ گرفته و آنرا به کمک یک هم زن بصورت یکنواخت به بستری از دانهها و شن منتقل مـی کنـد. Lee و ] Kim٤، ٥[ اثـرات سـرعت گاز، دمای گاز ورودی و نسبت جرمی نشاسته به مواد بی اثر را بر نرخ خشک شدن نشاسته در یک خشک کن بستر سیالی با مواد بی اثر مورد بررسی قرار دادند. آنها نتیجه گرفتند که افزایش دما و سرعت گـاز ورودی باعـث افـزایش نـرخ خـشک شدن مواد می گردد.
Zhou و همکاران ]٦[ اثر ذرات بی اثر یا حامل انرﮊی را بر نرخ خشک شدن قطعات استوانه ای هـویج مـورد بررسـی قرار دادند. آنها دریافتند که نرخ خشک شدن در حضور مواد بی اثر بطور قابل ملاحظه ای نسبت بـه حالـت خـشک شـدن بدون حضور این مواد افزایش می یابد که این مسئله نشان دهنده اینست که انتقال حرارت در حضور ذرات بی اثـر تـشدید می شود.
Abid و همکاران ]٧[ سینیتیک خشک شدن دانه های ذرت را در خشک کن بستر سیالی حاوی ذرات بی اثـر مـورد بررسی قرار دادند و دریافتند که مکانیسم های کنترل کننده انتقال جرم و حرارت عمدتا" به طبیعت درونی دانههـا مربـوط می شود و شرایط بیرونی مانند رطوبت و سرعت گاز اثر کمی بر نرخ خشک شدن دانه ها دارند. تجزیه و تحلیل نظری آنهـا بر مدل استوار]Luikov٨[ است که آن نیز برگرفته از ترمودینامیک حالاتناپذیبرگشت بوده است.
حاتمی پور و مولا ]٩،١٠[ ، اثر ذرات بی اثر را بر نرخ خشک شدن نخود سبز و قطعات استوانه ای هویج مورد بررسی قرار دادند. آنها جهت بررسی عملی و آزمایشات خود از یک خشک کن بستر سیالی پیشتاز استفاده نمودند. ایـشان در ایـن تحقیقات با آویختن یک نمونه منفرد و توزین متناوب آن نرخ خشک شدن آنرا بدست آوردنـد. یـک مـدل ریاضـی توسـط ایشان جهت پیش بینی نرخ خشک شدن و نیز تغییرات دمای نمونه ارائه گردید. ایشان دریافتند که حـضور ذرات بـی اثـر بطور قابل ملاحظه ای نرخ خشک شدن ماده را افزایش میدهد. آنها همچنین چروکیدگی هـویج، ذرت و نخـود سـبز را در یک خشک کن بستر سیالی حاوی مواد بی اثر بررسی نموده و در این خصوص روابطی ارائه نمودند ]١١،١٢.[
Senadeera و همکاران ]١٣،١٤[ خشک شدن و نیز رفتار سیالیت لوبیا سبز را در یک خشک کن بستر سـیالی مـورد بررسی قرار داده و در مورد چروکیدگی و تغییرات دانسیته و تخلخل بستر با رطوبت ، در حین خشک شدن روابط مفیـدی ارائه نمودند.
] Ibrahim Doymaz١٥،[ فرایند خشک شدن لوبیا سبز به عمل آمده در ترکیه را مورد بررسی قرار داده و با اسـتفاده از داده های عملی و مدلهای نیمه تجربی ، ضریب نفوذ مؤثر رطوبت را برای لوبیا سبز در دماهای مختلف بدست آورد.
هدف این مقاله ، مطالعه تجربی رفتار خشک شدن توده ای از مواد متخلخل (لوبیا سبز) در یک خشک کن بـستر سـیالی ، با و بدون حضور ذرات بی اثر حامل انرﮊی بوده است.
۲- مواد مورد استفاده و روش انجام کار
۲-۱- مواد مورد استفاده
در این تحقیق ، لوبیا سبز تازه ( Phaseolus vulgaris) ، بعمل آمده در شیراز جهت بررسی انتخاب شده است. جهـت تکرار احتمالی نتایج ، این محصول از محل مشخصی تهیه گردید. نمونهها به گونه ای انتخاب شد که قطر همه نمونه هـا در
حدود ۵/۰±۸ mm باشد. اندازه نمونهها توسط یک میکرومتر به دقت ۵۰/۰ mm تعیین شد. دو سر لوبیاها قطع شد و فقط قسمت میانی که استوانه ای شکل است جهت تهیه نمونه ها مورد استفاده قرار گرفت. نمونهها با طولهای ۱ تـا ۴ سـانتیمتر تهیه شد و قبل از انجام آزمایشات ، جهت تثبیت رطوبت در آنها به مـدت ۴۲ سـاعت در یـک ظـرف دردار پلاسـتیکی در یخچال در دمای ۴ درجه سانتیگراد نگهداری شدند.
۲-۲- خشک کن بستر سیالی پیشتاز
جهت انجام آزمایشات و بررسی خشک شدن لوبیا سبز ، یک خشک کن بستر سیالی پیشتاز ساخته شـد. طـرح کلـی این دستگاه در شکل ۱ آمده است. خشک کن پیشتاز مذکور از یک شیشه استوانه ای پیرکس به قطر ۷۷ میلیمتری کـه از یک صفحه متخلخل بعنوان توزیع کننده هوای ورودی در ورودی آن استفاده شده ، تشکیل شده است. از گلوله های کروی پلی اتیلنی ، شیشه ای و فولادی توخالی بعنوان ماده بی اثر حامل انرﮊی استفاده شـد. هـوای خـشک کننـده توسـط یـک کمپرسور تامین شد و فشار هوای ورودی توسط یک شیر تنظیم گردید.
هوا قبل از ورود به خشک کن ابتدا از یک روتامتر جهت تعیین دبی گذشته و سپس از یک گرم کننده الکتریکی کـه توسط یک کنترلر ، دمای هوای ورودی را در مقدار دلخواه تنظیم می کند عبور می نماید. دقت کنترلر دما در محدوده ۱± درجه سانتیگراد میباشد. رطوبت هوای خشک کننده توسط اندازه گیری دمای حباب خـشک و تـر تعیـین گردیـد. در هـر آزمایش قبل از وارد کردن نمونهها جهت رسیدن به حالت پایا دستگاه به مدت دو ساعت با حضور مواد بـی اثـر در شـرایط عملیاتی آزمایش مورد عمل قرار گرفت. یکی از نمونهها توسط یک نخ سبک در داخل بستر آویخته شد. میزان اتلاف آب از نمونهها با توزین نمونه آویخته شده و نیز موازنه کلی انتقال جرم در خشک کن تعیـین گردیـد. عمـل تـوزین توسـط یـک دستگاه توزین الکتریکی با دقت ۵۰۰/۰ گرم که در کنار خشک کن قرار داده شده بود انجام شد. عمل تـوزین بـه گونـه ای انجام شد که کل عمل بیرون آوردن نمونه آویخته شده ، توزین و بازگرداندن مجدد نمونه به داخل خشک کن بـیش از ۰۱ ثانیه به درازا نکشد. دقت این روش توسط محققین دیگر نیز تاﹾیید شده است ]۶ ،۷۱،۶۱.[ دمای مرکز نمونهها توسط یـک ترموکوپل کوچک که در داخل یکی از نمونهها تعبیه گردید بدست آمد. رطوبت اولیه نمونه ها با خشک کردن چنـد نمونـه به مدت ۴۲ ساعت در یک اجاق الکتریکی در دمای ۵۰۱-۰۱۱ درجه سانتیگراد بدست آمـد. متغیرهـای عملیـاتی عبـارت بودند از دمای هوای خشک کننده ، نوع ماده بی اثر ، اندازه ماده بی اثر ، طول ماده خشک شونده ، سـرعت هـوای خـشک کننده ، نسبت جرمی مواد بی اثر به مواد خشک شونده و زمان خشک شدن. خلاصه شـرایط عملیـاتی در جـدول ۱ آمـده است. اثرات پارامترهای مختلف بر خشک شدن لوبیا سبز با توجه به داده های آزمایشگاهی بررسی میگردد.
۳- نتایج و بحث
۳-۱- منحنی های خشک شدن
اولین مرحله در تحقیقات در زمینه فرایند خشک کردن ، تعیین رطوبت (X) و نرخ اتلاف آب از ماده خشک شونده با زمان است. در این مطالعه از آنجا که تمامی نمونهها به گونه ای انتخاب شدند که قطر متوسطی معادل ۵/۰±۸ mm داشـته باشند ، فرض می شود که تمامی نمونهها استوانه ای شکل و دارای قطر متوسطی معادل ۸ mm می باشند. بنابراین میـزان اتلاف آب از نمونهها و رطوبت ماده در هر زمان توسط تعیین این متغیرها در نمونه آویخته شده بدست آمد و سپس توسط رابطه موازنه جرم برای کل نمونه های موجود در بستر و با استفاده از رطوبت مطلق هوای ورودی ( ( Yi و خروجی ( ( Yo از خشک کن که توسط دمای حباب خشک و مرطوب بدست آمده اند ، طبق معادله (۱) مورد تاﹾیید قرارگرفت:
در معادله (۱) ms جرم جامد خشک و X(0) رطوبت اولیه نمونه هاست. شکل ۲ نشان دهنـده منحنـی خـشک شـدن نمونه های استوانه ای لوبیا سبز در حضور ذرات بی اثر شیشه ای می باشد (آزمایش ۲۱ ). میزان رطوبـت در هـر زمـان بـا توزین نمونه آویخته شده و همچنین توسط معادله (۱) بدست آمده است. همانطور که انتظار می رود منحنیهـا تقریبـا" بـر هم منطبقند. دقت در بدست آوردن تغییرات رطوبت نمونهها با زمان توسط توزین یکی از نمونه ها ، بـستگی بـه شـباهت و یکسانی اندازه نمونهها دارد.
اثر حضور ذرات بی اثر بر نرخ خشک شدن لوبیا سبز
پتانسیل استفاده از خشک کن های بستر سیالی به میزان زیادی بستگی به استفاده مـوثر از انـرﮊی مـصرفی در آنهـا دارد. بازدهی گرمایی خشک کنها بصورت رابطه (۲) تعریف شده و با توجه به موازنـه انـرﮊی در خـشک کـن و قـانون اول ترمودینامیک به صورت رابطه (۳) بدست می آید ]١٨:[
که در آن Hi آنتالپی واحد جرم هوای خشک ورودی با رطوبت همراه آنست که بصورت زیر تعریف میشود .
در این رابطهT0 دمای مرجع جهت تعیین آنتالپی است که معمولا" صفر درجه سانتیگراد انتخاب می شـود و λ0 گرمـای
