بخشی از مقاله
مطالعه آزمایشگاهی عملکرد یک خشک کن سینی دار خورشیدي در حالت
استفاده ازمواد تغییر فاز دهنده
چکیده:در این تحقیق که در آن از مواد تغییر فاز دهنده براي ذخیرهسازي انرژي بهره گرفته شده، عملکردیک خشککن سینیدار خورشیدي غیرمستقیم با جریان اجباري مورد بررسی قرار گرفته است.
ویژگی این خشککن خورشیدي استفاده از قابلیت ذخیرهسازي انرژیدر بخش جمعکننده آن میباشد. اثر متغیرهایی مانند سرعت هواي ورودي و سطح جمعکننده بر محتواي رطوبت نهایی نمونه مورد بررسی قرار گرفته است. براي این منظور، مقدار این پارامترها در دو سطح در نظر گرفته شد. سطوح انتخاب شده براي سرعت هواي ورودي 1 و 3 متر بر ثانیه و براي سطح جمع کننده 2 و 4/2 متر مربع بودند، همچنین تأثیر استفاده یا عدم استفاده از مواد ذخیره ساز انرژي مطالعه گردید. نتایج نشان داد که در صورت استفاده از مواد ذخیرهساز انرژي در سرعتهاي کمتر هواي ورودي و با استفاده از جمعکننده با سطح بیشتر محتوي رطوبت محصول نهایی کمتر خواهد بود. از سوي دیگر اگر دماي محیط بالاتر باشد، حتی در سرعتهاي بالاتر هواي ورودي، میتوان به محصولی با رطوبت کمتر دست یافت. همچنین اثر استفاده از مواد ذخیرهساز انرژي در تغییرات دماي خروجی از جمعکننده در سرعتهاي مختلف هوا مورد بررسی قرار گرفت.
واژههاي کلیدي:انرژي خورشیدي، خشککنسینیدار خورشیدي، جمعکننده، ذخیرهسازي انرژي
.1 مقدمه
بحران انرژي از مسائل مهم جوامع بشري است و یافتن راهی براي تهیهĤسان انرژي پاك، ایمن، پایا و همیشگی یکی از اهداف اساسی محققان بوده است. از آنجا که سوخت هاي فسیلی و هسته ایبه صورت بالفعل یا بالقوه قابلیت ایجاد آلودگی هاي زیست محیطی دارند و استفاده دائمی از آنها مقدور نیست،تمایل براي استفاده از منابع انرژیتجدید پذیر از جمله خورشید، آب و باد افزایشیافته است. در این میان استفاده از انرژي خورشیدیبیشترین توجه را به خود جلب کرده است.بر اساس مطالعات انجام شده مصرف انرژي در جهان هر 20 سال دو برابر میشود. این مسئله اهمیتاستفاده از منابع تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیسترا بیش از پیش روشن میکند. در ایران به دلیل زیاد بودن روزهاي آفتابی، رطوبت کم و پائین بودن ارتفاع بسیاري از مناطق، انرژي خورشیدي میتواند جایگزین مناسبی براي سوخت هاي فسیلی و هستهاي باشد.[1] از سویی ذخیرهسازیانرژي گرمایی خورشید نه تنها نقش مهمی در حفظ انرژیو توزیع مناسب زمان بهرهبرداري دارد بلکه کارایی و قابلیت اطمینان گسترهي وسیعی از سامانههاي انرژي را بهبود میبخشد. این مسئله در مواردیمانند خورشید که منبع انرژي منبع با دسترسی متناوب باشد، اهمیت بیشتري مییابد.ذخیره انرژي حرارتی5 در مکانهاییکه میزان انرژي خورشیدي در آنها داراي نوسان استو یا در مناطقی که اختلاف دماي زیادي بین روز و شب وجود دارد، بسیار مفید است. در سامانههاي گرمایشی خورشیدي، آب به عنوان مادهي ذخیرهکننده حرارتمورد استفاده قرار میگیرد در حالیکه برایسامانههایی با سیال عامل هوا از یک بستر جامد نظیر سنگ استفاده میشود. یکی از مسائل مهم در هنگام استفاده از مواد ذخیره کننده انرژي حرارتی، فضاي مورد نیاز براي نگهداري آنها میباشد. به عنوان مثال فضاي حجمی مورد نیاز به هنگام استفاده از آب تقریباً 5 برابر بیش از فضاي مورد نیاز براي نمک سولفات سدیم است. کاهش فضاي مورد نیاز براي نگهداري این مواد منجر به کاهش هزینههاي عایقکاري و ساخت خواهد شد. ذخیره انرژي حرارتی به عنوان یکی از فناوريهاي کلیدي براي تامین انرژي در آینده شناخته میشود. انرژي حرارتی را میتوان با ذخیره گرماي محسوس، ذخیره گرماي نهان و ذخیره گرماي واکنش شیمایی برگشتپذیر، ذخیره نمود. از بین این روشها،ذخیره انرژي گرماي نهان با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده ( PCM) 6 موثرترین تکنیک به شمار میآید. مؤثر بودن این روش ناشی از بهرهمندي از شرایط دما ثابت در دورهاي طولانی از فرآیند ذخیرهسازي و قابلیت بالاي ذخیره انرژي است. در میان مواد تغییر فاز دهنده پلیاتیلن گلایکول مورد توجه بسیاري قرار گرفتهاست. خصوصیات مناسباین ماده مانند دماي تغییر فاز مطلوب، ظرفیت گرماي نهان بالا، ذوب متجانس، غیر سمی بودن، عدم فوق سرمایش، فشار بخار کم، مقدار کم تغییر حجم حین تغییر فاز جامد-مایع و پایداري حرارتی و شیمیایی بالا علاقهمندي به استفاده از این ماده را افزایش دادهاست.[2]
دواهاستین و همکاران (2006) امکان استفاده از ذخیره حرارتی در پارافین جامد به عنوان یک ماده تغییر فاز دهنده را بررسی کردند. آنها از این ماده به منظور حفظ انرژي خورشیدي حین خشک کردن و آزاد کردن در شرایطی که دسترسی به انرژي ناکافی یا غیرممکن است، مورد استفاده قرار دادند و اثر آن روي سینتیک خشک کردن سیبزمینی شیرین را بررسی کردند. خصوصیات انتقال حرارت، پروفیلهاي دما و همچنین اثر سرعت و دماي هواي ورودي بر دورههاي شارژ و تخلیه بررسی شد.[3] کنیسارین و همکاران نیز در سال 2010 بررسی جامعی در رابطه با موادي که می توانند به عنوان
PCMدر دماهاي بالاتر از 120 تا 1000 درجه سانتیگراد به کار گرفته شوند انجام دادند. باید گفت مسلما هیچ مادهاي همه مشخصات مورد انتظار لازم به عنوان یک PCM را ندارد و انتخاب یک PCM براي کاربردي معین لازمه تامل دقیق
بر روي خواص مختلف مواد است. طراحی و تعیین ظرایف عملیاتی یک سامانه ذخیرهساز انرژي به صورت گرماي نهان به خواص فیزیکی و شیمیایی PCM مورد استفاده بستگی دارد که از آن جمله می توان به نسبت دانسیته ي ذخیره سازي انرژي به حجم مورد نیاز اشاره نمود.[4]
خشککنهایخورشیدي نمونهاي از سامانههاي خورشیدي هستند که قابلیت بکارگیري مواد همراه با تغییر فاز دهنـده را بـه خوبی دارا هستند. بهرهگیري از PCM ها در این سامانهها با هدف ذخیرهسازي انرژي خورشیدي و پیوسـته سـازي فراینـد خشک شدن در ساعات عدم حضور خورشید میباشد. تحقیقات گستردهاي در خصوص این نوع خشککنهـا و بـراي انـواع مواد خشک کننده صورت گرفته است.10]،11، 9، 8 ،7، 6، [5
مطالعه و بررسی فرایند خشک کردن در سامانههاي خورشیدي بدلیل بروز و وجود همزمـان پدیـدههـاي انتقـال حـرارت و انتقال جرم از پیچیدگی و جذابیت فراوانی برخوردار است. خواص جامد خشک شونده و رفتار PCM مورد استفاده در ایـن تحلیلها بسیار مؤثر میباشد. مطالعه عملکرد سامانههاي خورشیدي بهرمند از PCM بـا هـدف افـزایش رانـدمان عملکـرد انرژي و اکسرژي نیز حائز اهمیت است.
هدف از انجام این تحقیق بررسی عملی وتئوري کارایی و عملکرد یک خشککن خورشیدي سینیدار بهرمند از فرایند ذخیرهسازي انرژي خورشیدي در مواد تغییر فاز دهنده (PCM) میباشد. به بیان دیگر این تحقیق با هدف مطالعه میزان افزایش کارایی سامانه خشککنخورشیدي با افزایش مدت زمان بهرهگیري از انرژي خورشیدي صورت میگیرد. پیشتر ذکر گردید کاربرد مواد PCM باعث ذخیرهسازي انرژي در طی مدت تابش خورشید و استفاده از آن در طول شب میشود. این ویژگی بهرهگیري از انرژي خورشیدي را براي محصولات کشاورزي که نیاز به خشک شدن در شرایط متعادل وآرام دارند نیز فراهم میسازد.
.2 مواد و روشها
.1,2 خشککن خورشیدي
شماتیک سامانه مورد استفاده در این تحقیق در شکل (1) نشان داده شده است. این سامانه شامل محفظهي خشک-
کن، دو جمعکنندهیخورشیدي به شکل صفحه تخت و ترموکوپلهاي لازم براي اندازهگیري دما میباشد. در درون خشککن از دو سینی به طور همزمان استفاده شده و هوا با استفاده از یک دمنده به گردش در میآمد. این فن در ابتداي جمعکننده اول نصب شد. سه سبد کوچک جهت قرار دادن نمونهها براي هر سینی در نظر گرفته شد. تمامی دیوارههاي خارجی سامانهراي هرادن نمونه انرژي بسیار بالا است.هی زیاد ین بحث بشه،نمیدونم حالا خودتون ببینی) نکک سولفات سدیم است. عایقشدند تا از اتلاف حرارت جلوگیري شود. در زیرپایههایخشککن چهار عدد چرخ تعبیهگردیده است که امکان تغییر مکان جمعکنندهها در زاویهاي مناسب به منظورجذب حداکثري تشعشع خورشیدي فراهم شود. آزمایشهاي خشک شدندرحضورموادذخیرهساز انرژي و همچنینبدون استفاده از این مواد انجام شدند.در آزمایشهایی که با استفاده از ماده ذخیرهساز انرژي انجام گردید از نوعی پارافین استفاده شد. مقدار پارافین مورد استفاده 65/6 کیلوگرم بود.
پارافین در ظروفی از جنس آهن گالوانیزه با ضخامت پوسته 0/9 میلیمتربا ابعاد 1 متر طول، 20 سانتیمتر عرض و 4
سانتیمتر ارتفاع قالبگیري شد. 10 عدد از این جعبههاساختهودرکف جمعکنندهشماره 1 قراردادهشدند. فاصله بالاي جعبههاتاشیشه جمعکنندهشماره 1، 16 سانتیمتر میباشد، که هواي دمیده شده از فن از اینفضا عبور میکند. نحوه قرارگیري جعبههادرجمعکنندهدرشکل (1) نشان داده شده است.
شکل :(1) نماي شماتیک خشک کن خورشیدي
.2,2 مواد
ماده خشک شونده منتخب در این تحقیق میوه موز میباشد. به منظور آمادهسازي نمونهها،ابتداپوستموزهاگرفته شد و از هر نمونه 6 قسمت با ابعاد برابر انتخاب شد.براي هر آزمایش 70 گرم از نمونههاوزنودرسبدها قرار داده شد. نمونهها بر
روي سبدها گذاشته شده و از طریق دریچههایی که در درب خشککن تعبیه شده بودند، در محفظه خشککن قرار داده میشدند. به منظور تعیین وزن محصول از یک ترازوي دیجیتالی با دقت 0/001 گرم (model: AND CF-300)
استفاده شد. دماي هواي محیط توسط دماسنج دیجیتالی مخصوص (مدل:(P 300w temp با دقت یک دهم درجه سانتیگراد اندازهگیري شده است. براي اندازهگیري سرعت هوا از یک بادسنج (model: Testo 425) با دقت یک صدم
متر بر ثانیه استفاده شد. از یک سیستم اندازهگیري دماي هوا شامل یک ثبت کننده داده که به تعدادي حسگر دمایی متصل است به منظور تعیین دما در قسمتهاي مختلف داخل محفظه، جمعکننده و محیط استفاده گردید. فاصله زمانی ثبت دادهها در ابتدا 30 دقیقه و به تدریج با کاهش سرعت خشک شدن افزایش یافت. پس از آزمایش، دادههاي آزمایشگاهی به صورت منحنیهاي سنیتیکی خشک شدن تهیه گردید.
مشخصات ماده ذخیرهساز انرژي مورد استفاده در این تحقیق در جدول (2) نشان داده شده است.
.2,3 نحوهي انجام آزمایشها
آزمایشها در تابستان 1393 انجام شد. یکی از اهداف این تحقیق بررسی اثر سرعت هواي ورودي و سطح جمع کننده بر کارایی خشککن در یک بازهي سه روزه بود. سطوح انتخاب شده براي این پارامترها در جدول (3) نشان داده شده است.
در طی آزمایشها محتواي رطوبت مطلق هواي خشککنندهاندازهگیري و ثبت میگردید.
-3 نتایج و بحث
در این بخش، به ارائه و تحلیل نتایج به دست آمده از آزمایشها پرداخته شده است. لازم به ذکر است که به منظور جلوگیري از خطاي سیستماتیک، آزمایشها به صورت تصادفی انجام شدند. از طرفی هر آزمایش 2 بار تکرار شده و مقادیر متوسط بدست آمده گزارش شده است.
.1,3 اثر سرعت هوا بر فرایند خشک شدن در شرایط استفاده از یک جمع کننده بدون حضور مواد ذخیرهساز
انرژي
در این حالت از ورودي مستقیم انرژي خورشید به درون خشککن با پوشاندن سطح شیشهاي خشککن جلوگیري به عمل آمد. به عبارت دیگر هواي خشک صرفاً در جمعکننده اول گرم گردید.
شکل((2 اثر سرعت هواي ورودي بر تغییر محتواي رطوبت با زمان را نشان میدهد. با توجه به این شکل اگر سرعت هواي ورودي کمتر باشد، محتواي رطوبت لحظهاي و نهایی کمتر خواهد بود. نتایج به دست آمده تنها براییک جمعکننده (جمعکننده اول) در شکل((2 نشان داده شده است.
شکل :(2) تغییرات محتواي رطوبت بدون حضور مواد ذخیرهساز انرژي (سرعت هواي ورودي: 1m/s و 3m/s، سطح جمعکننده: (2m2
شکل :(3) تغییرات دمایهواي خروجی جمعکننده و محیط بدون حضور مواد ذخیرهساز انرژي (سرعت هواي ورودي: 1m/s، سطح جمعکننده: (2m2
