بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق عملکرد یک خشک کن بستر سیال- مایکروویو آزمایشگاهی بر اساس قوانین اول و دوم ترمودینامیک مورد بررسی قرار گرفت . در این راستا چندین آزمایش در شرایط مختلف خشک کردن بر روی محصول سویا انجام شد . در این آزمایشات چهار سطح دمای هوای ورودی شامل 30 ، 40، 50 و 60 درجه سانتی گراد و همچنین شش سطح دانسیته توان مایکروویو شامل صفر، 0/89، 1/60، 3/20 ، 4/30 و 5/30 وات بر گرم استفاده شد و در هر تست تغییرات رطوبت دانه، دمای هوای خروجی و رطوبت هوای خروجی به وسیله تجهیزات آزمایشگاهی اندازگیری شد .
علاوه بر این، از یک مدل ریاضی از پیش اعتبارسنجی شده ، جهت پیش بینی پارامتر های نامبرده استفاده گردید . داده های به دست آمده از آزمایش و پیش بینی شده توسط مدل ریاضی جهت محاسبه راندمان انرژی و اگزرژی خشک کن به کار گرفته شدند . نتایج نشان داد که به کارگیری انرژی مایکروویو در خشک کن های بستر سیال موجب افزایش راندمان انرژی و اگزرژی خشک کردن می شود.
همچنین معلوم گردید که بهتر است که در ابتدای خشک کردن مواد از انرژی مایکروویو استفاده نشود . نتایج نشان داد که به کار گیری سطوح بالاتر دمای هوای ورودی در خشک کن های بستر سیال- مایکروویو تاثیر بسزایی در افزایش راندمان خشک کردن دارد. همچنین نشان داده شد که این خشک کن ها بیشتر از انهدام اگزرژی ورودی رنج می برند. جهت ارتقای راندمان و کاهش تلفات اگزرژی در این خشک کن ها راهکار هایی در این مقاله پیشنهاد شده است.
مقدمه
خشک کردن از مراحل فرآوری پر کاربرد در صنایع غذایی است . یکی از موفق ترین روش های خشک کردن مواد گرانوله روش خشک کردن بستر سیال است . در این روش کل مواد داخل بستر به صورت یکنواخت خشک می شوند. مهمترین عیب این روش مدت زمان زیاد خشک شدن مواد است . در مقابل به کار گیری انرژی مایکروویو در خشک کردن مواد مرطوب موجب کاهش چشمگیر زمان خشک شدن می شود . از معایب این روش غیر یکنواختی در خشک شدن ماده غذایی است. با استفاده ترکیبی این دو روش می توان از مزیت های هر دو بهره جست که این موجب کاهش زمان خشک کردن و یکنواختی در خشک شدن دانه های مرطوب می شود.
امروزه از شبیه سازی کامپیوتری در طراحی فرایند [Zare and Ranjbaran, 2012] و همچنین جریان هوا و مواد درون خشک کن ها [Ranjbaran and Zare, 2012] استفاده می شود. آنالیز ترمودینامیکی روشی موثر و پر کاربرد در طراحی و بهینه سازی سیستم های حرارتی مانند خشک کن ها است . امروزه کاربرد قانون دوم ترمودینامیک در آنالیز انرژی خشک کن ها رو به افزایش است . در این چا رچوب مفهوم پر کاربرد اگزرژ ی معرفی می شود. اگزرژی ماکزیمم کار مفید قابل دستیابی توسط یک سیستم است در هنگامی که سیستم به سمت تعادل با محیط اطرافش پیش می رود
راندمان حرارتی سیستم های خشک کن تاکنون توسط محققان زیادی بر اساس قانون اول ترمودینامیک بررسی شده است. هر چند این روش بررسی راندمان ممکن است برای کاربر گمراه کننده باشد . بنابراین توجهات بیشتر معطوف به کاربرد قانون دوم ترمودینامیک در این زمینه شد . آنالیز انرژی و اگزرژی خشک کن های بستر سیال توسط سیاهرل و همکاران [2002] گزارش شده است. بررسی منابع موجود نشان می دهد که تاکنون اطلاعاتی در زمینه آنالیز انرژی و اگزرژی خشک کن های بستر سیال - مایکروویو منتشر نشده است . در این تحقیق خشک شدن دانه های مرطوب سویا به روش بستر سیال- مایکروویو مورد تحلیل ترمودینامیکی از منظر انرژی و اگزرژی قرار گرفت. در این راستا از یک مدل ریاضی و داده های تجربی استفاده شد.
مواد و روشها
یک خشک کن بستر سیال - مایکروویو آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد . شماتیک این دستگاه در شکل 1 آمده است. بستر خشک کن یک استوانه از جنس پیرکس به قطر 6 سانتی متر و ارتفاع 25 سانتی متر و مجهز به یک پخش کننده هوا بود . در کف آون مایکروویو یک سوراخ به قطر 10 سانتی متر ایجاد شد و هوا توسط یک لوله به داخل آون منتقل شد و بستر خشک کن بر روی آن قرار گرفت . آون مایکروویو قادر به تولید پنج سطح توان مایکروویو بود.
جهت فراهم سازی هوای خشک کننده از یک فن دمنده با قابلیت تغییر دور استفاده شد. دمای هوا قبل از ورود آن به فضای خشک کن توسط یک واحد گرم کن و به کارگیری یک ترمومتر دیجیتالی به سطح دلخواهی می رسید . آزمایش های خشک کردن در شش سطح توان مایکروویو شامل صفر، 180، 360، 540، 720 و 900 وات و چهار سطح دمای هوای ورودی شامل 30، 40، 50 و 60 درجه سانتی گراد اجرا شد . در هر تست در حدود 55 گرم سویا به قطر متوسط 5/44 میلیمتر، رطوبت اولیه 18/32 درصد - بر مبنای وزن خشک - و دمای اولیه 25 درجه سانتی گراد استفاده شد .
مقادیر دانسیته توان مایکروویو بر روی سطح مواد نمونه که ب ه صورت آزمایشگاهی اندازگیری شد به ترتیب 0/89، 1/60، 3/20، 4/30 و 5/30 وات بر گرم بودند . جهت اندازگیری رطوبت محصول در حین خشک شدن از یک ترازوی دقیق دیجیتالی با دقت 0/001 گرم استفاده شد. در این راستا کل بستر خشک کن در فواصل زمانی معینی از آون خارج می شد و در کمتر از 10 ثانیه توزین می شد. دما و رطوبت هوای خروجی توسط دستگاه Testo 625 اندازگیری شد . سرعت هوای گذرنده از بستر توسط بادسنج حرارتی Testo 425 اندازگیری شد.
شکل .1 شماتیک دستگاه خشک کن بستر سیال-مایکروویو
مدلسازی ریاضی
معادله بقای جرم
رطوبت مطلق هوای خروجی Wout با استفاده از رابطه زیر محاسبه گردید:
که در آن به ترتیب نرخ هوای ورودی به بستر و نرخ انتقال رطوبت از دانه های مرطوب به هوا - کیلوگرم بر ثانیه - است که در طول زمان خشک شدن محصول تغییر می کند.
معادله بقای انرژی
بر اساس قانون اول ترمودینامیک معادله بقای انرژی برای بستر خشک کن به شرح زیر است:
که جرم خشک محصول - کیلوگرم - ، انتالپی نمونه - ژول بر کیلوگرم - ، انتالپی هوا،نرخ انرژی صرف شده جهت تبخیر آب نمونه - وات - ، نرخ انرژی درونی تولید شده توسط امواج مایکروویو درون نمونه و نرخ انرژی هدر رفته از سیستم است . تعریف کامل هر یک ا ز ترم های معادله فوق و معادلات خصوصیات مواد، رطوبت تعادلی سویا در کار پیشین نویسندگان [Zare and Ranjbaran, 2012] آمده است . راندمان انرژی سیستم به صورت زیر تعریف می شود که انتالپی هوای محیط است.
معادله بقای اگزرژی
- معادله بقای اگزرژی برای بستر خشک کن به صورت زیر است که نرخ انهدام اگزرژی و نرخ اتلاف اگزرژی - وات - در اثر عدم عایق بودن سیستم خشک کن است.
- نرخ انتقال اگزرژی به محصول به صورت زیر است که ترتیب دمای مطلق - کلوین - محیط اطراف و محصول است
- برای یک جریان پایا نرخ اگزرژی هوای ورودی یا خروجی به فرم زیر است.که T دمای مطلق هوا است.
نرخ اگزرژی مورد استفاده در تبخیر آب محصول به صورت زیر است.
راندمان اگزرژی سیستم عبارت است از نسبت خروج اگزرژی توسط هوای خروجی به صورت زیر تعریف می شود
