بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی، ساخت و ارزیابی مدل آزمایشگاهی خشک کن خورشیدي
هدف از این تحقیق، مطالعه طراحی و ساخت و ارزیابی خشککن خورشیدي جهت خشککردن سبزیجاتی از جمله ورقه هاي نازك گوجه فرنگی می باشد. براي این هدف خشککن خورشیدي در گروه امور فنی کشاورزي پردیس ابوریحان دانشگاه تهران ساخته شد. این خشککن داراي یک جمع کننده خورشیدي، فنمحفظهالکتریکی، حامل سینی هاي محصول و شاسی جهت حمل و نقل دستگاه می باشد. جمع کننده خورشیدي از نوع صفحه جاذب ساده بوده، مساحت آن برابر 1/95 مترمربع بود. آزمایش ها در سه سطح ضخامتی 3، 5 و 7 میلیمتر و در دو سطح سرعت هواي 0/5 و 1 متر بر ثانیه انجام شد. مدت زمان لازم براي خشککردن گوجه فرنگی در خشککن خورشیدي در ضخامت 3، 5 و 7 میلیمتر به ترتیب برابر270 دقیقه، 390 دقیقه و 450 دقیقه بود. بازده کلی سیستم برابر %26 بود.
واژه هاي کلیدي: خشککن خورشیدي، خشکشدن لایه نازك، جمع کننده خورشیدي، بازده سیستم
مقدمه
فناورى ساده، کاهش آلودگی هوا و محیط زیست و از همه مهمتر ذخیره شدن سوختهاى فسیلی براى آینده، از دلایل لزوم استفاده از انرژى خورشیدى در کشور هستند. خشک کردن خورشیدي مواد غذایی در مناطقی که رطوبت نسبی هوا کمتر از 60 درصد و دماي هوا بالاتر از 22 درجه سانتیگراد و داراي تعداد زیادي روز آفتابی است، قابل اجراست. به همین دلیل کشور ما منطقهاي بسیار مستعد براي استفاده از انرژي خورشیدي در خشک کردن موادغذایی است. یکی از راههاي استفاده از این انرژي، ساخت خشک کن خورشیدي و خشک کردن محصولات کشاورزي توسط این سیستم می باشد. خشک کردن با خشک کن خورشیدي یک روش خوب براي کم کردن رطوبت موادغذایی بوده که جهت جلوگیري از تخریب آنها به کار می رود. از میان سبزیجات جهت خشک شدن گوجه فرنگی (به دلیل بالا بودن میزان رطوبت) انتخاب شد. تا کنون تحقیقات فراوانی در زمینه ساخت خشککن خورشیدي صورت پذیرفته که از بین آنها می توان به نمونه هاي زیر اشاره کرد. در سال Mittal 1984 و Lapp به بررسی در مورد خشککن هاي خورشیدي غلات همراه با منبع ذخیره انرژي پرداختند. ایشان دریافتند که شن براي خشک کردن گندم از رطوبت %17 به %14/5 بدون از بین رفتن کیفیت گندم، بهترین منبع ذخیره انرژي میباشد(Mittal و همکاران، .(1984 در سال Muhammad 1986 و همکاران نوعی خشککن براي رطوبت زدایی از سبزیجات را طراحی و آزمایش نمودند. ساختمان اولیه خشککن از مواد محلی و در دسترس ساخته شده بود.
هواي داغ مورد نیاز، از کوره گاز حرارتی تامین می گردید. ظرفیت این خشککن 3 تا 5 تن سبزیجات بود که در 3 مرحله در روز در داخل خشککن قرار می گرفت. میزان رطویت و درجه حرارت سیستم توسط یک کنتور نصب شده در روي سیستم کنترل می شد(Muhammad Jamil و همکاران، .(1986 هدف از پژوهش انجام گردیده، طراحی و ساخت یک خشک کن خورشیدي از نوع مختلط براي سبزیجات می باشد، که در انتها به ارزیابی سیستم می پردازیم.
مواد و روش ها
دستگاه داراي سه قسمت اصلی جمع کننده خورشیدي، محفظه اصلی خشک کردن و فن الکتریکی می باشد. بدین منظور براي طراحی قسمت هاي مختلف خشک کن خورشیدي باید به دو پارامتر اساسی زیر توجه نمود: نوع محصول و میزان حجمی که از محصول خشک می شود و شرایط آب و هواي منطقه (از جمله میزان تابش خورشید، دما و رطوبت محیط، . . .). در ابتدا گوجه فرنگی با میزان حجمی برابر 10 کیلوگرم محصول تازه،در منطقه ورامین براي خشک کردن انتخاب گردید. در قسمت طراحی از طریق تعیین میزان محصول جهت خشک شدن توسط دستگاه، محاسبه ضریب انتقال حرارت جمع کننده خورشیدي و میزان انرژي تابشی دریافتی توسط جمع کننده، به محاسبه سطح مفید جمع کننده خورشیدي و سپس به طراحی محفظه اصلی خشک کن پرداخته شد.
همچنین در ادامه با توجه به شرایط محیطی، میزان جرم و هواي مورد نیاز جهت خشک کردن محصول تعیین گردید و با توجه به میزان دبی هواي مورد نیاز و مدت زمان خشک شدن محصول به طراحی و انتخاب پارامترهاي مختلف فن پرداخته شد. بر اساس اطلاعات سازمان هواشناسی کشور در یک دوره پنج ساله براي فصل تابستان در شهرستان پاکدشت، شرایط اقلیمی برداشت گردیده شد. نتایج در جدول 1 گردآوري شده است(بی نام، .(1387
براي بدست آوردن میزان دبی حجمی هواي مورد نیاز، میانگین مقادیر دبی هواي بدست آمده، از رابطه تراز انرژي جهت فرآیند خشک شدن و مقدار دبی هواي بدست آمده از طریق جدول سایکرومتریک، در نظر گرفته شد. براي محاسبه مقدار دبی هوا توسط جدول سایکرومتریک فرضیات زیر مفروض است:
رطوبت اولیه محصول %93، رطوبت نهایی محصول%10، دماي ورودي محفظه خشک کن 50 درجه سلسیوس، دماي خروجی محفظه خشک کن 34 درجه سلسیوس، رطوبت نهایی هواي خروجی از محفظه خشک کن .%38
از طریق محاسبات انجام شده جرم هوا مورد نیاز برابر 1580 کیلوگرم بوده، حال از طریق رابطه 1 میزان حجم هوا مورد نیاز برابر است با:
Va حجم هواي مورد نیاز m3 ، R ثابت جهانی گازها (287/055 J/kg.K)، T3 دماي مطلق خروجی خشک کن
K ، ρa چگالی هواي خشک
براي بدست آوردن میزان دبی هواي لازم، نیاز به محاسبه زمان لازم براي خشک کردن محصول (گوجه فرنگی)
میباشد، بدین منظور از طریق رابطه 2 زمان مورد نیاز بدست می آید(Doymaz، .(2007
Meرطوبت تعادلی رطوبت محصول در هر لحظه
ثابت زمان خشک کردن ، Td مدت زمان خشک شدن محصول h
با توجه به جرم هوا و زمان مورد نیاز جهت خشک شدن محصول دبی جرمی هواي مورد نیاز برابر 1406متر مکعب بر ساعت می باشد. براي تعیین میزان سطح موثر جمع کننده خورشیدي نیاز به محاسبه پارامترهاي حاصلضرب ضریب پوشش- ضریب جذب، ضریب انتقال حرارت جمع کننده خورشیدي، نرخ شدت تابش در واحد سطح روي صفحه جمع کننده شیبدار و گرماي نهان تبخیر آب می باشد.
سطح موثر جمع کننده از رابطه زیر بدست می آید(El-Lamushe، :(1998
Lv گرماي نهان تبخیرآب وW وزن خشک ماده ، IT نرخ شدت تابش در واحد سطح روي صفحه جمع کننده شیبدار حاصل ضرب ضریب عبور شیشه - ضریب جذب، Mf رطوبت نهایی محصول ، mi رطوبت اولیه محصول ، FR ضریب انتقال حرارت جمع کننده خورشیدي.
با انجام محاسبات انجام شده، سطح موثر مورد نیاز برابر بدست می آید. براي تعیین میزان حجم خشک کن و تعداد سینی هاي لازم براي خشک کردن محصول، نیاز به تعیین چگالی ظاهري محصول (گوجه فرنگی) و ضخامت محصول، تعیین دبی و سرعت هوا در محفظه اصلی خشک کن می باشد. میزان چگالی ظاهري گوجه فرنگی تعیین گردید و ضخامت سه، پنج و هفت میلیمتر براي لایه هاي محصول جهت خشک کردن، در نظر گرفته شد. بنابراین حجم مورد نیاز برابر است با:
M bd چگالی ظاهري محصول ، M وزن محصول Vcrop , حجم محصول مورد نیاز , حال با توجه به حجم مورد نیاز، به محاسبه سطح (تعداد سینی ها) مورد نیاز می پردازیم:
L1 محصول ارتفاعAt , مساحت سینی مخصوص محصول .
پس از انجام محاسبات مربوطه حجم محفظه اصلی خشک کن برابر با در نظر گرفته شد. توان
الکتریکی فن از رابطه 6 بدست می آید
افت فشار کلی توان الکتریکی فن فن، بازدهدمنده Vblower دبی
براي طراحی فن نیاز به محاسبه افت فشار در سیستم می باشد. افت فشار هوا در این سیستم شامل دو افت فشار استاتیکی و دینامیکی می باشد. حال با فرض بازده %60 براي فن و انجام محاسبات مربوطه قدرت فن برابروات 20 میباشد.
محاسبه بازده جمع کننده خورشیدي
میزان اتلاف حرارتی از جمع کننده خورشیدي به محیط به وسیله ضریب انتقال حرارت کلی U L، مساحت جاذب جمع کنندهAc و اختلاف دماي بین صفحه جاذب و محیط تعیین می شود. بنابراین نرخی که در آن جمع کننده خورشیدي حرارت را از دست می دهد، برابر است با:
٣
Q اتلاف حرارت توسط جمع کننده خورشیدي ، U L ضریب انتقال حرارت کلی جمع کننده خورشیدي سطح مقطع کانال ، Tدما ، T∞دماي محیط
محاسبه بازده کلی سیستم
با توجه به محاسبات انرژي انجام شده، بازده کلی سیستم از رابطه 8 بدست می آید(Ozturk1، :(2004
ηdrying بازده کلی خشک کن، Pfan توان الکتریکی فن W ، Lv گرماي نهان تبخیر آب جرم رطوبت تبخیر شده( kg
ساخت خشک کن خورشیدي ساخت جمع کننده
در این قسمت انرژي خورشیدي رسیده به سطح جمع کننده به انرژي گرمایی تبدیل می گردد. جمع کننده ساخته شده در این سیستم از نوع صفحه تخت ساده می باشد که هوا با عبور از زیر صفحه جاذب نور، گرم شده و به محفظه اصلی خشک کن می رسد. مساحت کلی جمع کننده 1/95 متر مربع می باشد، که با توجه به عرض جغرافیایی محل و شرایط محیطی آزمایش، در زاویه 36 درجه بر روي سیستم قرار می گیرد.
ساخت محفظه ي اصلی خشک کن
محفظه اصلی خشک کن ابعادي برابر با 50 40 30 cm3 را دارد. براي ساخت محفظه ذکر شده از ورق گالوانیزه در اطراف و بالاي محفظه استفاده شده است. براي قرار دادن محصول در داخل خشک کن از توري هاي فلزي به ابعاد 40 30 سانتیمتر مربع استفاده شد. فاصله سینی ها از هم برابر 10 سانتیمتر می باشد. تمام قسمت هاي مختلف محفظه خشک کن توسط چسب آکواریومکاملاً درزبندي شد و کل مجموعه نیز براي کمترین اتلافات حرارتی بوسیله عایق حرارتی پشم شیشه پوشانده شد (شکل .(1
