بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله در ابتدا گستره کاربرد مهندسی مکانیک در تبدیل و فرآوری محصولات غذایی و چند نمونه از سامانههای مکانیکی طراحی شده مرور می شود. سپس مراحل این پژوهش شامل مدل سازی فرایندهای ترمودینامیکی ،انتقال حرارت و جرم و طراحی سامانه سرمایش و خلاء ارائه میشود. در انتها نتایج طراحی و بسته نرم افزاری این سامانه معرفی و بحث و نتیجه گیری آن ارائه میشود.
1 مقدمه
تا زمانی که مکانیزه کردن فرایندهای صنایع غذایی ادامه داشته باشد لازم است مهندسی مکانیک به خدمت گرفته شود. یک سامانه1 پردازش غذا مواد خام را به محصولات غذایی آماده تبدیل میکند. این پردازشها به وسیله یک سری عملیات و با استفاده از تجهیزات حمل کننده پنوماتیکی، مکانیکی و هیدرولیکی و تاسیسات ذخیره سازی، خط بخار و گاز فشرده، پمپ کردن، تولید و انتقال انرژی حرارتی و برودت، تجهیزات بسته بندی و سامانه های جانبی مانند پسمانده ها، ایمنی، تمیز کردن و نگهداری انجام میگیرد. مهندس مکانیک در بخش عمده ای از طراحی، بهره برداری و نگهداری این سامانه ها نقش دارند.
برخی از پیشرفت های اساسی در صنایع غذایی مرهون پیشرفت در روشهای گردش مواد جهت پردازش آنها میباشد. برای انتقال مواد غذایی از روشهای پنوماتیکی، بستر سیال، نوار نقاله ها و بالابرها و سامانه مارپیچی استفاده میشود. برای جداسازی و دانه بندی برخی از محصولات نیز از سرندها یا فیلترهای مشبک لرزشی یا دورانی استفاده می شود.
شاید مهمترین عملیات در صنایع غذایی عملیات حرارتی باشد. یکی از بزرگترین مشکلاتی که محققان با آن مواجهاند ایجاد شرایط مناسب عملیات حرارتی است. در عملیات حرارتی صدمه نخوردن آنزیم ها، حفظ پایداری دائم رنگ غذاها، بافت مواد غذایی، طعم، ارزش غذایی و میکروب زدایی از مهمترین عوامل محدود کننده روشهای عملیات حرارتی می باشند - 1 و . - 2 فرایندهای خشک سازی محصولات غذایی با توجه به خصوصیات ترموفیزیکی، حمل و نقل و تعادل ماده بسیار متنوع است.
خشککن های سیلویی - انبارک - ، طبقی، تونلی - بارکشی - ، بستر سیال، پنو ماتیکی، افشانه ای، نواری، روتاری - چرخنده - ، طبلی، خلاء و انجمادی انواع گوناگون خشککنهای محصولات غذایی هستند . - 2 - یافتههای مهندسی مکانیک در حوزه صنایع غذایی بسیار گسترده و زیاد میباشد. در اینجا به چند طرح پژوهشی گروه مکانیک پژوهشکده علوم و صنایع غذایی در چند سال اخیر که در صنایع غذایی کاربرد دارد اشاره میشود.
برای مکانیزه کردن توزین و بسته بندی زعفران تودهای الیاف به هم چسبیده و گره خورده زعفران از بستر هوا عبور داده شده تا این الیافها از یکدیگر جدا شود . - 3 - به هنگام ذبح گاو برای جلوگیری از تحرک دام دستگاه مکانیکی مکانیزه مهار جایگزین شوک الکتریکی شده که این جایگزینی سبب بهبود کیفیت گوشت شده است - . - 4 برای تغلیظ آزمایشگاهی آب پنیر و مواد مشابه دستگاه تغلیظ کننده ساخته شده است. تبخیر کننده این دستگاه از نوع لایه نازک افتان میباشد. با انتخاب نوع سرریز، نرخ جریان و مواد مناسب عمل تبخیر به خوبی انجام میشود . - 5 -
برای بهبود کیفیت نان و کاهش ضایعات آن طرح پژوهشی طراحی و ساخت دستگاه مکانیزه تولید نان سنتی در دست اجرا است. در این طرح ابتدا کیفیت و خواص آرد ورودی به دستگاه دسته بندی و دستورالعمل تولید نان از آن تهیه میشود. بر اساس این دستورالعمل دستگاههای هم زن، تخمیر و پخت طراحی و ساخته خواهد شد . - 6 -
برای انتقال مکانیزه حلوا شکری از انتهای تونل پخت به بخش بسته بندی حلوا از سامانه نوار نقاله ویژهای استفاده شده که مکانیزمهای آن متناسب با خواص حلوا طراحی شده است . - 7 - در این پژوهش اجزاء یک سامانه شامل مبدلهای حرارتی، برج خنککن و جت پمپ مدل سازی و برنامه محاسبات طراحی آنها به شکل یک بسته نرم افزاری درآمده است 8 - ، 9 و . - 10 با استفاده از این بسته نرم افزاری طراحی یک سامانه سرمایش و یا یک سامانه ایجاد خلاء امکان پذیر میباشد.
2 طراحی و ساخت سامانه سرمایش و خلاء
بسیاری از سامانههایی که در صنایع غذایی برای، تغلیظ کردن، سرد کردن، بو زدایی، ایجاد خلاء و انتقال جرم و انرژی استفاده میشود شامل اجزاء سامانه شکل 1 میباشند. سامانه سرمایش و خلاء شامل مبدلهای حرارتی دو فازی تبخیرکننده و تقطیرکننده، برج خنککن، جت پمپ، دیگ بخار و منبع گرمایی است که نوع هرکدام از اجزاء متناسب با کاربرد آن طراحی میشود.
به عنوان مثال برای سرد نگه داشتن شیر در دمای 4 درجه سانتی گراد همه اجزاء این سامانه استفاده میشود و منبع گرمایی همان مخزن نگهداری شیر میباشد. در برخی کاربردها لازم است محصول تحت خلاء و سرد شود. برای بوزدایی لازم است محصول تحت خلاء بالا قرار گیرد. در این دو حالت محصول داخل تبخیر کننده قرار میگیرد. سامانه اجکتور بخار یک مرحلهای از مرتبه یک دهم و دو مرحلهای از مرتبه یک صدم اتمسفر خلاء ایجاد میکند. بنابراین برای نگهداری شیر سامانه دو مرحلهای مانند شکل 1 کافی است. اما برای بوزدایی سامانه اجکتور بخار چند مرحلهای لازم میباشد.
مدل سازی فرایندها
فرایندهای انتقال حرارت تقطیر لایهای و اثر گازهای غیر قابل تقطیر بر فرایند تقطیر لایهای مدل سازی میشود. با فرض وجود تعادل ترمودینامیکی در مقاطع مختلف اجکتور و با استفاده از قوانین بقاء حاکم بر حجم معیار انتخاب شده شامل معادلات پیوستگی، اندازه حرکت و انرژی برنامه محاسباتی اجکتور نوشته شده است. همچنین با برنامه سامان سرمایش که تکامل یافته برنامه اجکتور است و برنامه برج خنککن یک سامانه سرمایش کامل یک مرحلهای تحلیل شده است. این نرم افزار علاوه بر تعیین نقطه طراحی، عملکرد دستگاه را در شرایط خارج از نقطه طراحی پیش بینی مینماید.
3 بحث نتایج
معمولاً در دستگاههایی که تحت خلأ کار میکنند گازهای قابل تقطیر، طی یک یا چند مرحله تقطیر شده و برای حفظ خلأ گازهای غیرقابل تقطیر به بیرون تخلیه میشود. با توجه به تأثیر گازهای غیرقابل تقطیر بر نرخ انتقال حرارت انتخاب تعداد مراحل تقطیر در طراحی مبدل حرارتی اهمیت پیدا میکند. به عنوان مثال جدول 1 دادههای مربوط به خط گاز با دمای 112 °C و نرخ جریان مخلوط بخار 66 kg h و هوای 25 kg h با فشار مطلق 0/1 bar نشان میدهد. برای حفظ این خلأ لازم است مجموعه- ای از کندانسورها و اجکتورهای تخلیه طراحی شود.
