مقاله طراحی و ساخت خشک کن خورشیدی هیبریدی محصولات کشاورزی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحی و ساخت خشک کن خورشیدی هیبریدی محصولات کشاورزی

چکیده
نگهداری محصولات کشاورزی در عصر حاضر بسیار مهم است چرا که نقش بسیار مهمی در تغذیه بشر دارد. از راهکارهای افزایش عمر مفید آنها، خشک کردن میباشداخیراً. استفاده از انرژی خورشیدی در بخش کشاورزی به دلیل افزایش قیمت سوختهای فسیلی، نگرانیهای محیطی و کاهش مخازن سوخت طبیعی موجود افزایش یافته است خشک کن های خورشیدی یکی از جذابترین و پرکاربردترین موارد استفاده از انرژی خورشیدی به ویژه در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری است مدل خشککردن از زمان بسیار دور به شیوه سنتی( خشککردن در هوای آزاد و در معرض تابش مستقیم نور خورشید )انجام گرفته است، اما به دلیل مشکلات موجود در این زمینه از جمله تغییرات نامطلوب در کیفیت محصول به علت طولانی بودن زمان خشککردن نیاز به نیروی کارگری فراوان، هزینه زیاد خشککردن،عدم کنترل کافی در مراحل خشککردن، ضایعات ناشی از حمله حشرات و پرندگان، تغییرات شرایط، جوی، تغییرات رنگ ناشی از اشعه خشک شدن، عدم خشک شدن کافی بعضی از محصولات توسط انرژی خورشید و... کاربرد خشک کن های جدید پیشرفته را ضروری ساخته است. به طور خلاصه مزیت استفاده از انرژی خورشیدی را میتوان بدین صورت بیان کرد که انرژی خورشیدی قابل تجدید پاک و یک منبع انرژی رایگان است و میتواند نیازهای جوامع کشاورزی راخصوصاً در نقاط دور افتاده تامین کند طراحی و ساخت وسایل استفاده از انرژی خورشیدینسبتاً ساده و ارزان قیمت می باشد استفاده از انرژی خورشیدی منابع موجود را حاظ می کند.در تحقیق حاضر به طراحی و ساخت یک خشک کن خورشیدی هیبریدی محصولات کشاورزی پرداخته شده است.

کلمات کلیدی: خشک کن خورشیدی، کلکتور، محصولات کشاورزی

مقدمه
خشک کردن مواد غذایی یکی از قدیمیترین روشهای نگهداری آنهاست. با کاهش مقدار رطوبت ماده غذایی، امکان فساد میکروبی آن از بین میرود و وزن و حجم آن نیز به مقدار زیادی کاهش مییابد. از طرفی، فرآیند خشک کردن از لحاظ مصرف انرژی یکی از پرهزینهترین عملیات پس از برداشت در کشاورزی است. امروزه منبع اصلی تامین انرژی سوختهای فسیلی هستند که در آینده به اتمام خواهند رسید. از جمله انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است که میتواند جایگزینی برای انرژیهای فسیلی باشد.در بسیاری از مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه، خرید خشککنهای صنعتی برای کشاورزان از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست و کشاورزان خرده پا به ندرت از این تجهیزات استفاده میکنند. روش سنتی خشک کردن محصول زیر تابش مستقیم آفتاب هم معایب و محدودیتهایی دارد که از جمله میتوان به تلفات بالای محصول، خشک شدن ناکافی، آلودگی به گرد و غبار، آلودگیهای قارچی، حمله حشرات، پرندگان و جوندگان به محصول، و بارندگی غیرمنتظره اشاره کرد.نگهداری محصولات کشاورزی در عصر حاضر بسیار مهم است چرا که نقش بسیار مهمی در تغذیه بشر دارد. از راهکارهای افزایش عمر مفید آنها، خشک کردن میباشد. خشک کردن یک فرآیند انتقال جرم است که طی آن آب یا هر حلال دیگری از ماده مورد نظر (معمولاً جامد) تبخیر شده و خارج میشود. عملیات خشک کردن معمولا در مراحل پایانی و پس از دیگر عملیاتها صورت میگیرد و منجر به تولید محصول نهایی میشود. خشک کردن باعث استفاده راحتتر مواد غذایی خشک شده در فرآیندهایی مانند خرد کردن، آسیاب کردن و مخلوط کردن میشود. همچنین وزن و حجم مواد غذایی در طول این فرآیند کاهش مییابد که باعث سهولت در بستهبندی، حمل و نقل و انبارداری میگردد و در نتیجه هزینههای وابسته به آن نیز کاهش مییابد (لی1 و همکاران، 2011؛ هولدمن و لاند2، .(1992کاربرد خشککنهای خورشیدی در محلهای تولید محصولات کشاورزی مانند مزارع و باغها باعث صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش هزینههای تولید و تبدیل بهینه محصولات کشاورزی میشود. کیفیت محصول، به خصوص محصولاتی مانند سبزیهای برگی (که با داشتن ترکیبات معطر در برابر دمای بالای خشککنهای صنعتی فوقالعاده حساس هستند وقتی با خشککنهای خورشیدی خشک شود به طور قابل توجهی نسبت به روشهای سنتی (پهن کردن محصول در معرض آفتاب و باد) و روش صنعتی (که پرهزینه است) خواهد بود.

مزایای مواد غذایی خشک شده

حفاظت ماده غذایی دلیل اصلی خشک کردن آن محسوب می شود. اما تنها دلیل برای انجام عمل خشک کردن نمی باشد. کاهش وزن و حجم نیز از دلایل درخور توجه می باشند. ماده غذایی در حالت خشک شده به فضای کمتر برای حمل و نقل و مقدار کمتری از مواد لازم جهت بسته بندی نیاز دارد و دلیل دیگر سهولت استفاده از مواد غذایی خشک است.اثر حفاظتی خشک کردن بر مواد غذایی اساساً ناشی از کاهش فعالیت آبی در آن می باشد.بطور کلی وجود آب در یک ماده غذایی عامل اصلی برای رشد و نمو و فعالیت میکروب ها و مواد شیمیایی است. در واقع میزان فعالیت آبی در یک ماده غذایی نشاندهنده موجودیت یا در دسترس بودن آب برای انجام واکنش های نامطلوب و زمینه ساز در آن ماده می باشد.وقتی یک ماده غذایی در محیطی با یک رطوبت خاص قرار می گیرد، بر حسب میزان رطوبت و ویژگی های اجزاء تشکیل دهنده خود ممکن است با محیط تبادل رطوبت کند تا به یک حالت تعادل با رطوبت برسد.یعنی دیگر از محیط رطوبت جذب نکند و یا رطوبت خود را به محیط ندهد. این رطوبت ماده غذایی را رطوبت متعادل (Equilibrium Humidity) و رطوبت محیط را رطوبت نسبی متعادل (Equilibrium Relative Humidity) می گویند.

انواع خشککن ها

محصولات زیادی در صنایع مختلف نیاز به خشک شدن دارند. تنوع بسیار زیاد این محصولات موجب طراحی انواع مختلفی از خشککنها شده است. در میان معیارهای مختلفی که برای تقسیمبندی خشککنها در نظر گرفته شده است، آنهایی که کراراً استفاده شده است در جدول زیر آورده شده است (مسگری و همکاران، .(1392 به جز موارد این جدول، روشهای حرارتدهی عامل خشک کننده، فرم فیزیکی خوراکی، در نظر گرفتن شکل به خصوص برای مواد خشک شونده (در صورت نیاز) و سایر موارد مهم مانند اینکه آیا مواد سمی هستند یا به درجه حرارت حساس میباشند و غیره را بایستی منظور کرد.

معیارهای دستهبندی خشککنها

مثال برای نوع خشککن معیار دستهبندی خشک کردن

خشککنهای جابجایی، هدایتی، مادون قرمز، دیالکتریک، تصعیدی روش حرارتدهی

هوای داغ، بخار داغ، گازهای خروجی از سیستمی، حاملهای آبی حرارت نوع ماده خشککننده

با داشتن خروجی برای ماده خشک کننده، با گاز بی اثر، با مواد شیمیایی جاذب رطوبت روش خارج شدن رطوبت

مواد مایعات، دانه ای، مایع غلیظ (دوغابی)، پودری، خمیری شکل ماده شکل مواد تر

سینیدار، تونلی، گردان، طبلی، بستر سیالی و انواع دیگر خشککنها ساختمان خشککن

ماده در حال سکون، ماده در حال حرکت نوع جریان

در میان انواع مختلف خشککنها گروههای زیر را میتوان به تفکیک نام برد (استرامیلو 1و همکاران، :(1377
- خشککنهای با محفظه ثابت که در آن مواد به صورت ساکن هستند. حرارت به آنها اعمال شده و رطوبت از آنها خارج میشود.
- خشککنهای با محفظه متحرک که در آن ذرات ماده به سبب نیروی ثقل آنها یا نیروی مکانیکی حرکت میکنند.
- خشککنهای با سقوط آزاد مواد، که در آنها مواد به صورت تودهای یا به صورت ذرات منفرد به داخل هوای تقریباً ساکن رها شده و با نیروی وزن به سمت پایین حرکت میکنند.
- خشککنهای با بستر شناور، که در آنها اثر جریان هوا بر مواد باعث شناور شدن ذرات مواد با سرعت معمول و یا با سرعت بیشتر میشود (ذرات خشک شده در اثر کاهش چگالی، سرعت بیشتری به خود میگیرند).

- خشککنهای با بستر متحرک (جریان مواد) که در آن مواد با جریان هوا حرکت میکنند.
طراحی یک خشککن
تنوع زیاد محصولات و اهداف متعدد خشک کردن موجب شد خشککنهای مختلفی طراحی و ساخته شوند(جعفری و همکاران، .(1389
برای طراحی سامانه خشککن مراحل زیر را باید در نظر گرفت (جایاس و همکاران، :(1383

-1 تعیین ابعاد و گنجایش مخزن دانهها
-2 تعیین میزان جریان عبور هوای لازم که بستگی به نوع دانهها، مقدار رطوبت دانهها در زمان برداشت، تاریخ برداشت، مدت زمان در دسترس برای خشک کردن دانهها و شرایط جوی هوا دارد.
-3 تعیین مقاومت دانهها در برابر جریان هوا در مخزن
-4 یافتن یک منبع شامل منحنیهای عملکرد دمندههای مختلف و انتخاب یک دمنده که بتواند جریان هوای لازم را در برابر فشار استاتیکی محاسبه شده فراهم نماید.
-5 تعیین مساحت کانال، مساحت مشبک کف مخزن و مساحت هواکش تخلیه.
انتخاب و ویژگی های خشک کن مناسب

انتخاب خشککن به عواملی مانند شرایط منطقهای، مقدار محصول، واریتهی دانهها، منابع انرژی موجود، شرایط اقتصادی کشاورزان، الگوهای بازاری، موقعیت مزرعه (اشتراکی یا انفرادی) و زمان در دسترس برای خشک کردن محصول بستگی دارد. عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شود عبارتند از (جایاس و همکاران، :(1383

- قیمت اولیه به ازاء هر تن از ظرفیت خشککن

- مصرف انرژی به ازاء کیلوگرم از آبی که دفع شده است
- هزینههای نگهداری
- آسانی کار
تصمیمگیری برای خرید یا اجاره کردن یک خشک کننده تنها میتواند پس از بررسیهای دقیق و جزئی عوامل فوقالذکر صورت پذیرد. در مناطقی که محصولات برداشت شده عموماً خشک میباشند، داشتن یک خشک کننده لازم به نظر نمیرسد اما به هرحال ممکن است اجاره کردن آن در زمانهای نیازمندی مشکل باشد. در مناطقی که همیشه محصولات برداشت شده مرطوب هستند، داشتن یک خشککن از ضروریات میباشد.

خشک کن های خورشیدی

به طور کلی خشک کنهای خورشیدی به دو گروه عمده خشککنهای فعال و خشککنهای غیرفعال تقسیم میشوند. خشککنهای خورشیدی غیرفعال، خشککنهایی هستند که در آنها تنها از انرژی خورشید جهت خشک کردن محصول استفاده میگردد. در خشککنهای خورشیدی فعال علاوه بر انرژی خورشید معمولا از یک مکنده یا دمنده برای ایجاد جریان هوا در سرتاسر بستر محصول استفاده میشود.
خشککنهای خورشیدی فعال نیز در انواع کلی زیر وجود دارند:

-1 خشککن خورشیدی فعال غیرمستقیم، در این نوع خشککنها علاوه بر انرژی خورشید معمولا از یک مکنده یا دمنده برای ایجاد جریان سریع هوا در سرتاسر بستر محصول استفاده میگردد و محصول مستقیما در معرض تابش نور خورشید نمیباشد.

-2 خشککن خورشیدی فعال مختلط، در این نوع علاوه بر جابجایی اجباری- هوای گرم شده- به وسیله دمنده (یا مکنده) بستر محصول نیز در معرض تابش مستقیم خورشید قرار میگیرد.
خشککنهای خورشیدی غیرفعال به سه دسته تقسیم میشوند:
-1 خشک کن غیرفعال مستقیم، در این خشککنها بستر محصول در معرض تابش مستقیم خورشید قرار میگیرد و جریان هوا به روش جابجایی آزاد برقرار میگردد.
-2 خشک کنهای غیرفعال غیرمستقیم، در این خشککنها هوای گرم از سرتاسر بستر محصول عبور میکند و جریان هوا معمولا به روش جابجایی آزاد برقرار میگردد. در این روش بستر محصول مستقیما در معرض تابش خورشید قرار ندارد.

-3 خشک کنهای غیرفعال مختلط، این نوع از خشککنها ترکیبی از دو روش قبلی هستند. در این روش هوای گرم شده توسط انرژی خورشید از سرتاسر بستر محصول عبور میکند و در عین حال خود بستر نیز به طور همزمان در معرض تابش مستقیم خورشید قرار دارد.
مواد و روشها
در ابتدا خشک کردن مقدار 150 gr سبزی نعناع تارطوبت ثانویه 12 درصد در نظر گرفته شد . رطوبت اولیه محصول با وزن کردن محصول تر و قراردادن در آون بمدت 24 ساعت در دمای 70 c مقدار 82 درصد بدست آمد.وزن محصول خشک را با استفاده از رابطه (1-2) می توان بدست آورد (شهسوار و همکاران، 1392؛ صناعی و همکاران، (1390

که در آن x0 درصد رطوبت محصول تر ،xf درصد رطوبت محصول خشک، m0 وزن محصول مرطوب (gr) ، mf وزن محصول خشک (gr) است .

که مقدار mf برابر است با :

(رابطه m0-mf=m w (2-2

mw = 150 - 31= 119 (gr) وزن آب

انرژی حرارتی مورد نیاز :

برای بدست آوردن انرژی حرارتی لازم جهت تبخیر آب محصول از رابطه زیر استفاده می شود :

که در این رابطه  مقدار گرمای نهان تبخیر آب می باشد و مقدار آن حدود 2500 kj/kg است. (شهسوار و همکاران ،.(1392

Q مقدار حرارت است بر حسب .kj

لذا مقدار Q برابر 298/3 kj بدست می آید .

مساحت مورد نیاز کلکتور :

در سیستم های خورشیدی برای محاسبه ی سطح کلکتور مورد نیاز از رابطه ی مقابل استفاده می شود (قائم مقامی، 1368؛ کالوگیرو، : (2009