بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روش هایی که در سال های اخیر برای تحلیل انرژی مورد توجه قرار گرفته است تحلیل اکسرژی می باشد. در این مقاله پس از طراحی و ساخت یک دستگاه خشک کن خورشیدی فعال غیر مستقیم،تاثیر دبی جرمی هوا در شرایط فعال و غیرفعال خشک کن برعملکرد دستگاه از نظر میزان جذب انرژی و ایجاد گرما در خشک کن بررسی شد. ابتدا بر اساس قوانین بقاء جرم و انرژی ابعاد خشک کن طراحی و سپس دردانشکده مهندسی بیوسیستم دانشگاه شهرکرد ساخته شد. و بر اساس دوم ترمودینامیک به تحلیل اکسرژی و پارامترهای موثر برآنها پرداخته شد.
آزمایشات بر روی نعناع در روزهای 4، 5 و6 تیرماه 1394در دو حالت فعال - فن مکنده روشن - و غیر فعال - فن خاموش - انجام شد. آزمایشها از ساعت 9 صبح شروع و تا 7 بعدازظهر ادامه داشت و اثر سه سطح سرعت هوا 0/5 - ، 1 و 2 متر بر ثانیه - بر روی خشک کن ساخته شده مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از این بود که بیشترین بهره وری اکسرژی در جریان همرفت طبیعی مشاهده شد.
.1 مقدمه
عملیات خشک کردن یکی از پرکاربردترین عملیات مهندسی در اغلب صنایع نظیر صنایع کشاورزی، داروسازی و ... میباشد که هدف آن جذب آب از ماده و کاهش رطوبت آن است. درطی این عملیات، پدیده های انتقال جرم و گرما بصورت همزمان درون جامد و سیال حامل انرژی انجام می پذیرد. مکانیسم یا مکانیسم های خشک شدن مواد بر اساس شدت و روند خشک شدن آن ماده طبقه بندی میشود .
[1] از بدو ساخت و توسعه ی خشک کنهای صنعتی مشابه با اکثر صنایع از انرژیهای فسیلی به عنوان منبع اصلی تولید حرارت استفادهشده است؛ اما با توجه به محدودیت های خاص سوختهای فسیلی نظیر پتانسیل بالای آلایندگی هوا، حمل و نقل، کاهش این منابع و در دسترس نبودن آن در تمام نقاط، نیاز به جایگزین کردن آن با منابع جدید انرژی کاملا محسوس است. در این راستا به دلیل هزینه های اولی ه و عملیاتی اندک و سازگاری با محیط زیست، امروزه انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع لایزال، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است.
به دلیل بالا بودن پتانسیل استفاده از این انرژی در کشورمان لازم است تلاش بیشتری دراستفاده بهینه از آن درکلیه علوم ازجمله کشاورزی صورت پذیرد. به طور کلی خشک کنهای خورشیدی به دو گروه عمده خشک کنهای فعال و خشککنهای غیرفعال تقسیم میشوند. خشککنهای خورشیدی غیرفعال، خشککنهایی هستند که در آنها تنها از انرژی خورشید جهت خشک کردن محصول استفاده میگردد ولی در خشککنهای خورشیدی فعال علاوه بر انرژی خورشید معمولا از یک مکنده یا دمنده برای ایجاد جریان هوا در سرتاسر بستر محصول استفاده میشود.
از آنجا که در صنعت خشک کردن هدف بیشترین مقدار رطوبت زدایی با صرف کمترین مقدار انرژی است می توان با شناسایی شرایط عملیاتی و با تجزیه وانجام تحلیل بازده انرژی مصرف بهینه انرژی را بررسی کرد، اما تحلیل انرژی به تنهایی باعث بی دقتی در رسیدن به وضع دلخواه می شود زیرا که مقدار انرژی طبق قانون اول ثابت است و فقط قابل تبدیل می باشد بنابراین نیاز به پارامتر دیگری که بتواند کیفیت انرژی را مشخص کند وجود دارد.
قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که انرژی هم کمیت و هم کیفیت دارد و فرآیندهای خود به خودی در جهت کاهش کیفیت انرژی اتفاق می افتند .[6] اما با موارد گفته شده تحلیل اکسرژی که خود یک تحلیل ترمودینامیکی می باشد به تنهایی قادر به توضیح در مورد بهینه سازی سامانه نیست بلکه تنها نشان می دهد که چه میزان از فرآیند فعلی به اتلاف انرژی منتهی شده و امکان بهبود آن وجود دارد .[14]بنابراین برای تحلیل این سامانه های باید تحلیل انرژی و اکسرژی را به صورت همزمان انجام داد. به عنوان مثال سیهرول و همکاران - - 2003 اثر پارامترهای دما و سرعت هوای ورودی و رطوبت محصول را بر روی بازده انرژی و اکسرژی بررسی کردند.
نتایج نشان می دهد که افزایش سرعت هوای ورودی سبب کاهش بازده اکسرژی و انرژی و افزایش دمای هوای ورودی سبب کاهش بازده انرژی و اکسرژی وافزایش محتوای رطوبتی محصول سبب افزایش بازده انرژی و اکسرژی می شود.. میدلی و کوکوک - 2003 - تحلیل انرژی و اکسرژی را برای فرآیند خشک شدن پسته پوست کنده و پوستنکنده با استفاده از یک خشککن کابینتی خورشیدی انجام دادند.
ایشان تحلیل انرژی را بهمنظور برآورد مقدار انرژی کسبشده توسط کلکتورهای خورشیدی و نسبت سودمندی انرژی و تحلیل اکسرژی را برای تعیین موقعیت، نوع و مقدار تلفات اکسرژی فرآیند خشک شدن انجام دادند. به این منظور آنها از یک خشک کن با 16 قفسه استفاده کردند و قفسه اول و شانزدهم را برای هوادهی خالی نگه داشتند. بر اساس نتایج ایشان نسبت سودمندی انرژی در قفسه پانزدهم بیشتر از قفسه دوم بود.
ایشان گزارش کردند که بیشترین راندمان اکسرژی زمانی اتفاق میافتد که هدر رفت اکسرژی کاهش مییابد، اگرچه هدر رفت اکسرژی با افزایش نسبت سودمندی انرژی در قفسه و محفظه خشک کن افزایش می یابد. ایشان همچنین مشاهده کردند که تلفات اکسرژی در پسته پوستنکن ده بیشتر است و پیشنهاد کردند که ساختار و محتوای رطوبتی محصول برای کاهش نسبت سودمندی انرژی و هدر رفت اکسرژی در نظر گرفته شود. سلما و کادروس - 2009 - نوعی زیتون آسیایی گیاه - OMW - رادریک خشککن خورشیدی مستقیم خشککردند. ایشان دما، رطوبت نسبی هوای ورودی و خروجی، شدت تابش خورشید را هر30 دقیقه اندازهگیری کردند.
همچنین برای اندازه گیری رطوبت ازدست رفته محصول از یک نیروسنج که در جریانهای جرمی مختلف کالیبره شده بود استفاده کردند. آن ها تحلیل اکسرژی را برای محفظه خشککن با فرض پایا بودن جریان انجام دادند و هوای ورودی و خروجی اتاقک را گاز ایده آل فرض کردند. سودمندی انرژی را در تحلیل انرژی به صورت گرما مصرفشده در اتاقک به انرژی دریافت شده توسط هوا در کلکتور تعریف کردندو راندمان اکسرژی هم بهصورت نسبت اکسرژی خروجی به اکسرژی ورودی در محفظه تعریف شد.
زمان شروع عملیات را 12ظهر در نظر گرفتند و نتیجه گرفتند که در روز دوم هدر رفت اکسرژی بیشتر و سودمندی انرژی کمتر است. همچنین در نتایج ایشان راندمان اکسرژی با افزایش دمای هوای ورودی کاهش یافت، آنها پیشنهاد کردند که میتوان با کاهش زمان شروع عملیات از 12 ظهر به 10:30 صبح، زمان خشککردن برای رسیدن به محتوای رطوبتی دلخواه را از دو روز به یک روز کاهش داد و با این کار سودمندی انرژی و هدر رفت اکسرژی را کاهش و ظرفیت عملیاتی را افزایش داد. سامی و همکاران - 2010 - تحلیل انرژی و اکسرژی را برای یک خشککن خورشیدی غیرمستقیم انجام دادند. آنهادادههای دما و رطوبت را برای انجام تحلیل انرژی و اکسرژی با استفاده از مدلسازی دینامیکی و مطالعه پارامتری خشککن به دست آوردند.
در تحقیق ایشان مدلسازی دینامیکی برای خشککن در شرایط گذرا برای کلکتور و محفظه خشک کن به صورت مجزا صورت گرفت و مدل مناسب برای مطالعه انرژی و اکسرژی توسعه داده شد. ایشان دما و آنتاپی جریان گاز، دما و آنتاپی و محتوای رطوبتی محصول و راندمان انرژی و اکسرژی را پیشبینی کردند و نتایج خود را با آزمایش های مهانراج وکاندراسکارا مقایسه نمودند و انطباق خوبی را گزارش کردند. در سیستمهای دمایی که تغییرات دمایی در درون سیستم دارای اهمیت است، محاسبه مقادیر اکسرژی کمک میکندتا کل انرژی حرارتی در دسترس محاسبه گردد، دریک خشک کن خورشیدی تمام انرژی جذبشده توسط کلکتور به هوای عبوری از خشککن منتقل نمیشود.
در محفظه خشک کن هم تمام انرژی حرارتی که جریان هوای عبوری از دست میدهد، به ماده خشکشونده منتقل نمیشود. از سویی تمام انرژی منتقلشده لزوماً صرف هدف فرآیند که خشک شدن محصول است، نمیشود. مطالعه بر روی این اختلافات و تغییر پارامترهای عملیاتی و طراحی برای کاهش آن ها هدف اصلی مطالعات انرژی و اکسرژی درزمینه خشککنها ی خورشیدی استکه به ندرت به طور همزمان روی محصولات مختلف بویژه سبزیجات انجام شده است.نعناع گیاهی است از رده دولپه ایهای پیوسته گلبرگ که سردسته تیره نعناعیان و از سبزیهای خوراکی است. این گیاه تمام اسانسها و خواص پونه را دارد؛ ولی برگهایش کرک کمتری دارند و بریدگیهای کنار برگهای آن بیشتر از پونه و اسانس آن نیز ملایمتر است.
.2 مواد و روش ها
دراین تحقیق یک خشک کن خورشیدی فعال غیرمستقیم در گروه مکانیک بیوسیستم دانشگاه شهرکرد، به منظور تحلیل انرژی و اکسرژی برای سامانه ی مورد نظر، تحت تاثیر سرعت های مختلف هوا طراحی و ساخته شد.
تحلیل اکسرژی
مبنای تحلیل اکسرژی قانون 2 ترمودینامیک است. قانون اول بیانگر قانون بقای انرژی و قانون دوم کیفیت انرژی و ماده را بیان میکند. هدف اصلی از تحلیل اکسرژی محاسبه راندمان اکسرژی و برگشت ناپذیری های سیستم است. تعاریف متعددی در محاسبه راندمان اکسرژی در خشک کن ها استفاده شده است.
