بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی بنیادی انتقال رطوبت طی خشککردن دانه جو به روش الکتروهیدرودینامیک
چکیده
خشککردن مواد و محصولات کشاورزی به منظور افزایش ماندگاری و سهولت در حمل و نقل از دیرباز توسط بشر انجام می شده است. پیشرفت تکنولوژی، روش های جدیدی را برای خشک کردن در اختیار بشر قرار داده است که یکی از آن ها استفاده از میدان الکتریکی با ولتاژ ب الا در خشک کردن می باشد. با توجه به تأثیر خشک کردن بر خواص فیزیکوشیمیایی و کیفی محصول، با استفاده از مدل سازی بنیادی انتقال رطوبت، می توان سینتیک تغییرات رطوبت طی خشک کردن را پیش بینی و برای رسیدن به محصولی با کیفیت مطلوب کنترل نمود . در این تحقیق خشک کردن دانه جو به شیوه الکتروهیدرودینامیک در مهر ماه سال قهظز در دانشگاه صنعتی اصفهان مورد مطالعه قرار داده شدل جو رقم ریحانظق با استفاده از روش الکتروهیدرودینامیک در شدت میدان های الکتریکی ث وه کیلو ولت بر سانتی متر خشک گردید. برای توصیف انتقال یک بعدی رطوبت طی فرآیند خشککردن دانههای جو، از مدل ایجاد شده با روش حل عددی قانون دوم فیک و بکارگیری روش تفاضل محدود توسط نرم افزار متلب استفاده گردید. برای توصیف انتقال رطوبت در شرایط مرزی، از روابط مربوط به محاسبه ضریب انتقال حرارت در یک جریان همرفت اجباری استفاده گردید. مقایسه دادههای تجربی سینتیک خشک کردن با نتایج تئوریک پیش بینیشده توسط مدل، نشان داد که همبستگی مناسبی (R2=0.99)فمابین آنها وجود دارد.
کلمات کلیدی: الکتروهیدرودینامیک، جو، خشک کردن، مدل سازی بنیادی
مقدمه
جو با نام علمی Hordeum vulgare یکی از غلات است. چرخه زندگی این گیاه یک ساله و از خانواده گرامینه ها (گندمیان) است. بسیاری از محققین، خاستگاه این گیاه را کوه های زاگرس در غرب ایران، آناتولی جنوبی و فلسطین می دانند .[Byung-Keeand and ullrich., 2008] خشککردن محصولات کشاورزی با بهرهگیری از انرژی آفتاب، مشکلات ذیل را به دنبال دارد: بروز تغییرات نامطلوب در کیفیت محصول به علت طولانی بودن زمان خشک شدن، عدم امکان اعمال کنترل کافی در طی خشک شدن به علت بروز تغییرات جوی، عدم وجود نور کافی در مراحل مختلف خشککردن در پارهای از مناطق جغرافیایی، عدم امکان خشککردن بعضی از محصولات در نور آفتاب و ریزش بیش از حد محصول، بکارگیری تکنولوژی های نوین در فرآیند خشککردن را ضروری ساخت. یکی از فرآیندهای نوین خشککردن، روش الکتروهیدرودینامیک می باشد. در این شیوه از میدان الکتریکی با ولتاژ بالا برای خشککردن مواد حساس به دماهای بالا مانند فرآورده های کشاورزی که با استفاده از روش خشککردن معمول بوسیله هوای داغ آسیب ببینند، مناسب میباشد .[Hashinaga et al., 1999] توسعه ابزاری برای شبیه-سازی پدیده های انتقال (حرارت و جرم) بعنوان تابعی از عوامل بیرونی و درونی طی خشک شدن مواد غذایی، پیشبینی رفتار محصول خشک، کنترل بهتر فرآیند و رسیدن به کیفیت بالای محصول را امکان پذیر می سازد. یک روش مفید برای درک پدیدهها طی فرآیندهای متفاوت و پیشبینی رفتار ماده تحت حالتهای مختلف، مدل
سازی است که ابزاری پیشرفته جهت تجزیه و تحلیل، تفسیر دنیای پیرامون ما است. تحقیقات محدودی در زمینه خشک کردن محصولات کشاورزی توسط میدان الکتریکی ولتاژ بالا صورت گرفته است از جمله می توان به خشک کردن اسفناج توسط باجگای و هاشیناگا (2001)، خشک کردن دانه های گندم توسط کاو و همکاران (2004) خشک کردن دانه های کلزا توسط بصیری و اسحق بیگی (2010) اشاره کرد اما تاکنون تحقیقی در مورد مدل سازی بنیادی فرآیند خشک کردن محصولات کشاورزی به شیوه الکتروهیدرودینامیک صورت نگرفته است . اهداف تحقیق حاضر عبارتند از مدل سازی بنیادی خشک کردن دانه های جو به صورت لایه نازک به شیوه الکتروهیدرودینامیک در میدان های الکتریکی با شدت 6، 9 کیلو ولت بر سانتیمتر و مقایسه نتایج تئوری با نتایج آزمایشگاهی.
مواد و روشها
در این تحقیق، دانه های جو واریته ریحان03 از مرکز جمع آوری دانه های مرکز تحقیقات جهاد کشاورزی استان اصفهان در مهر ماه 1390 تهیه شده و توسط سامانه الکتروه یدرودینامیک خشک شدند. این خشککن در ابعاد آزمایشگاهی از دو صفحه مربعی فولادی موازی با ابعاد 140 ×140 میلیمتر مربع ساخته شد. صفحه بالایی شامل 25 عدد میخ فولادی موازی به قطر 2/5 میلیمتر و قطر نوک 0/2 میلیمتر بود. فاصله بین الکترودهای نقطهای و صفحه پایینی با توجه به تحقیقات قبلی برابر 20 میلیمتر در نظر گرفته شد . سامانه مورد نظر از یک منبع تغذیه ولتاژ بالا با قابلیت تنظیم ولتاژ بین 0 تا 22 کیلو ولت و حداکثر خروجی جریان 1 میلیآمپر تشکیل شده بود (شکل .(1
شکل(- ( 1 سامانه خشک کردن به شیوه الکتروهیدرودینامیک
رطوبت اولیه نمونه قبل از آزمایش بر اساس استاندارد ASAE S352.2 DEC97 تعیین شدند . آزمایشها با شدت میدانهای الکتریکی 6 و 9 کیلو ولت بر سانتیمتر انجام شد. در هر آزمایش حدود 15 گرم دانه جو به شیوه الکتروهیدرودینامیک در شدت میدان های الکتریکی 6 و 9کیلوولت بر سانتی متر خشک شدند . آزمایشها در دمای اتاق 60-63% RH) ،Cْ(25±3 انجام شد . خشک شدن دانه های جو تا محتوای رطوبتی %13 بر پایه خشک صورت گرفت و روند سنتیک خشک شدن در فواصل زمانی منظم با ترازوی دیجیتال با دقت 0/001 ثبت
2
شد و نمودارهای تغییرات محتوی رطوبتی در مقابل زمان برای هر تیمار رسم شد . هر آزمایش سه بار تکرار شد . مدل سازی بنیادی فرایند انتقال رطوبت با حل عددی با فرض اینکه انتقال جرم به صورت یک بعدی صورت می-گیرد و محتوای رطوبتی در تمام قسمتهای دانه های جو قبل از آغاز انتقال جرم، یکنواخت و برابر مقدار ثابتی است انجام گرفت. (1 معادله اصلی: برای انتقال جرم از قانون دوم فیک استفاده شد (معادله .(1
که M رطوبت نمونه (گرم آب بر گرم ماده خشک)، D ضریب انتشار رطوبت (متر مربع بر ثانیه)، t زمان (ثانیه) و x فاصله (متر) می باشد. :(2 شرایط مرزی: چون در خشک کردن تبخیر تنها از سطح نمونه ها صورت می گرفت، فرض شد که سطح زیرین عایقبندی شده و انتقال رطوبت تنها از سطح صورت میگیرد .(2)
که km ضریب انتقال جرم در سطح (متر بر ثانیه) و Me رطوبت تعادلی ( کیلو گرم آب بر کیلو گرم ماده خشک ) می باشد. در کل آزمایش رطوبت تعادلی صفر فرض شد . :(3 شرایط اولیه: محتوای رطوبت کل نمونه قبل از آغاز انتقال جرم یکنواخت و برابر مقدار ثابت M0 است (رابطه.(3
:(4 تعیین پارامترهای مدل: الف) ضریب انتشار رطوبت موثر ( :( Deff برای تعیین ضریب انتشار رطوبت از منحنی-های سینتیک افت رطوبت با استفاده از حل کرانک بر رابطه قانون دوم فیک برای صفحه نامتناهی استفاده شد. ب) ضریب انتقال حرارت جابجایی :(hm) ابتدا با استفاده از میانگین دمای محیط و نمونه در هر تیمار ویژگی های فیزیکی هوا شامل چگالی ( )، ظرفیت گرمایی ویژه ( C p )، ویسکوزیته سینماتیک ( (، هدایت حرارتی ( ( k و عدد پرانتلٌ ( ( Pr را از جدول مربوطه تعیین شد. برای محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی از روابط مربوط به جریان همرفت اجباری روی صفحه نامتناهی استفاده شد ( روابط (4)،( (5 و .[Ozisil., 1994]
