مقاله چرخش هوای گرم خروجی در خشک کن خورشیدی و تاثیر آن بر راندمان دستگاه

بخشی از مقاله

چکیده:

خشک کن خورشیدی شامل یک واحد جذب انرژی خورشید، فن برای ایجاد جریان هوای گرم در خشککن، محفظه استقرار سینیهای محصول، دیفیوزر - کانال ارتباطی بین واحد جذب و محفظه - ، مکانیزم دریافت مستقیم تابش خورشید، پایش دما در نقاط مختلف خشککن و مکانیزم تغییر زاویه واحد جذب انرژی خورشید می باشد. از محدودیت های خشک کن خورشیدی اتلاف هوای گرم خروجی از خشک کن میباشد. برای جلوگیری از این اتلاف، کانال برگشت در خشک کن و در انتهای خروجی محفظه تعبیه شده است که وظیفه برگشت دادن هوای گرم خروجی و استفاده مجدد آن برای فرایند خشک کردن را به عهده دارد.

ارزیابی این خشککن در راستای مطالعه تاثیر برگشت جریان هوای گرم خروجی از مخزن و استفاده مجدد آن بر راندمان، با خشک کردن لایه های نازک گوجه فرنگی با ضخامت 6 میلی متر در 3 سطح جریان هوا 0/018 - ، 0/036 و 0/054 متر مکعب بر ثانیه - ، 4 سطح میزان باز بودن دریچه برگشت جریان - صفر، 50، 75 و 87/5 درصد - در فصل پاییز انجام شد. در کلیه آزمایشها، زاویه شیب واحد جذب 45 درجه نسبت به سطح افقی درنظر گرفته شد. در زمان های مختلف در طی فرایند خشک شدن، نمونه ها توزین و تغییرات رطوبت محصول در طی فرایند تا رسیدن به رطوبت 12 درصد - بر پایه تر - تعیین شد. در این راستا راندمان خشک کن نیز در حالت های مختلف محاسبه گردید. نتایج حاصل از آزمایشات انجام شده در این تحقیق نشان داد که در هر سه سطح جریان هوا - 0/018 ، 0/036 ،0/054 متر مکعب بر ثانیه - ، 75 درصد برگشت جریان حداقل مقدار مصرف انرژی و بیشترین راندمان را برای خشک کن به دنبال خواهد داشت.

واژه های کلیدی: خشک کن خورشیدی، چرخش جریان هوای خروجی، انرژی مصرفی، راندمان

مقدمه:

گوجه فرنگی یکی از مهمترین محصولات کشاورزی در جهت تولید اقتصادی و ارز آوری برای کشور است. ایران با تولید سالانه 5 میلیون تن گوجه در دنیا مقام هفتم را در تولید این محصول به خود اختصاص داده است. از طرف دیگر خشک کردن محصولات کشاورزی علاوه براینکه مانع تغییرات نامطلوب ناشی از فعالیت میکروبی می شود، موجب کاهش جرم و حجم محصول و بهبود بخشیدن بسته بندی، انبار کردن و حمل و نقل میشود. با توجه به اینکه ایران از جمله کشورهای چهارفصل در دنیا میباشد در اکثر مناطق آن امکان بهره برداری از انرژی خورشیدی برای خشک کردن محصولات کشاورزی وجود دارد. با کاربرد خشک کن های خورشیدی علاوه بر استفاده بهتر از انرژی تابشی و حرارتی خورشید، محصول در یک محیط کنترل شده به صورت طبیعی و بدون صرف انرژی گزاف فسیلی خشک شده و مورد بهره برداری قرار میگیرد.

بولین و همکاران - 1978 - اقدام به ارائه طرحی جهت دوباره به گردش درآوردن هوای گرم نمودند. در این طرح از جمع کنندههای خورشیدی لوله ای از جنس پلی اتیلن استفاده شد.. این دستگاه بعلت جلوگیری از هدر رفتن دمای هوا از راندمان بالاتری برخوردارمی باشد. آبنه و همکاران - 2004 - اقدام به طراحی و ساخت و ارزیابی یک خشک کن خورشیدی از نوع غیر مستقیم فعال با موانعی در سطح جمع کننده نمودند. نتایج نشان داد زمان خشک کردن انگور برای رسیدن به ظرفیت رطوبتی لازم با دبی جریان هوای 31/3 m"/h بدون موانع یا پاگیر در جمع کننده ورق مسطح 13 ساعت و 20 دقیقه و با موانع یا پاگیر 5 ساعت و 50 دقیقه میباشد. رومن و همکاران - 2009 - نشان دادند که جمع کننده های خورشیدی می توانند تا حدود 19/6 درصد از انرژی مورد نیاز برای خشک کردن محصول لانگان در تایلند را تامین می کند.

مطالعات جانجیا و همکاران - 2009 - در مورد خشک کردن موز و محصول لانگن نشان داد که خشک کردن لانگن و موز در خشککن خورشیدی به ترتیب 3 و 4 روز طول می کشد در حالی که در شرایط خشک کردن آفتابی به 5 و6 روز زمان نیاز بود. در روش خشک کردن خورشیدی طعم و رنگ مطلوب تر بود. کاکمک و یلدیز - 2009 - یک تیغه چرخشی در مدخل ورودی مخزن برای به چرخش درآوردن هوا و هم چنین 32 قطعه تسمه فلزی خم شده به ابعاد 3*5*21 میلیمتر در داخل مخزن خشککن تعبیه کردند. یک نوع جدید از کلکتور خورشیدی نیز با ابعاد 940*1850*200 میلیمتر برای تامین هوای گرم لازم برای خشک کردن محصولات کشاورزی طراحی شده است که به منظور افزایش سطح جذب، به صورت پلکانی ساخته شده است. بر اساس نتایج، خشک کردن محصولات بوسیله این نوع خشک کن سریعتر انجام شده است.

لالیت. و همکاران - 2010 - بیان نمودند که استفاده از دستگاه ذخیره انرژی میتواند زمان خشک کردن و انرژی لازمه جهت خشک کردن را کاهش دهد. همچنین آزمایشات نشان داد که چوب بامبو به علت استحکام بالا و عایق حرارتی، برای ساخت خشککنهای خورشیدی مناسب هستند. روستاپور و زمردیان - 2013 - یک خشک کن خورشیدی ترکیبی هیبریدی با کلکتور مجهز به مکانیزم تغییر زاویه را طراحی کردند. نتایج ارزیابی با خشک کردن سیب گلاب، نشان داد که زاویه استقرار کلکتور تاثیر به سزایی در مدت زمان خشک کردن داشته است. لوپز- ویدانا و همکاران - 2013 - مطالعهای را بر روی راندمان یک خشک کن گازی-خورشیدی هیبریدی انجام داده اند. در این تحقیق راندمان خشک کنندگی و حرارتی در یک خشک کن گازی-خورشیدی هیبریدی در وضعیت ناپایدار محاسبه شده است. آنها در این تحقیق نشان داده اند که راندمان گرمایی کلکتور، اساساً تحت تأثیر جریان انبوه هوا، انحراف زاویه کلکتور، و اختلاف بین دمای محیط و دمای داخلی کلکتور می باشد.

مواد و روش ها:

خشک کن خورشیدی شامل یک واحد جذب انرژی خورشید، فن برای ایجاد جریان هوای گرم در خشک کردن، محفظه استقرار سینیهای محصول و دیفیوز میباشد. از محدودیت های خشک کن خورشیدی اتلاف هوای گرم خروجی از خشک کن می باشد. برای جلوگیری از این اتلاف، کانال برگشت برای خشک کن طراحی و ساخته شد و درانتهای مخزن نصب شد. این کانال وظیفه برگشت دادن هوای گرم خروجی و استفاده مجدد از آن در فرآیند خشک کردن را به عهده دارد. با توجه به اینکه خشک کن مورد استفاده مجهز به مکانیزم تغیر زاویه واحد جذب می باشد. در ساخت کانال برگشت از لوله خرطومی نیز استفاده شد تا بتوان شرایط لازم جهت تغییر زاویه واحد جمع کننده را بوجود آورد - شکل . - 1

برای انجام آزمایشات دستگاه خشک کن در محوطه آفتاب گیر در مرکز تحقیقات کشاورزی فارس - شهرستان زرقان - قرارداده شد طوری که جمع کننده و محفظه برای بهره گیری بیشتر از پرتوهای تابش خورشیدی به سمت جنوب قرار داده شد. زمان انجام آزمایشات اول مهر ماه تا اواسط آبان 1391 بود. ارزیابی خشک کن با خشک کردن لایه های نازک گوجه فرنگی به ضخامت 6میلی متر به صورت مختلط و همراه با تابش نور خورشید درمحفظه خشک کن و فعال همراه با کار کردن فن در سه سطح جریان هوا 0/018 و0/036و0/054 مترمکعب بر ثانیه وچهار سطح میزان باز بودن دریچه برگشت جریان هوا 0 - و50و70و87/5درصد - انجام شد .در زمان های مختلف طی فرآیند خشک شدن نمونه ها توزین و تغییرات رطوبت طی فرآیند تارسیدن به رطوبت 12درصد - برپایه تر - تعیین شد. دراین راستا راندمان خشک کن نیز درحالت های مختلف محاسبه گردید.

برای محاسبه راندمان به مقادیر دمایی هوای ورودی به خشک کن و خروجی از مخزن نیاز است، بنابراین دما در قسمت های مختلف خشککن توسط 7 عدد ترموکوپل نوع K اندازه گیری شد. در این راستا، 2 عدد ترموکوپل در ورودی جمع کننده ، 1عدد در خروجی جمعکننده، 2عدد زیر سینی پائین، 1 عدد زیر سینی بالا و 1 عدد در خروجی مخزن نصب شد. برای اندازهگیری شار تابش خورشید در طی انجام آزمایش از شیدسنج مدل Kimo-sL100 استفاده شد. برای محاسبه راندمان، مقدار متوسط شدت تابش در مدت زمان خشک شدن لازم است. تغییرات وزن محصول در دوره خشک شدن نیز به وسیله ترازوی دیجیتال مدل AND-EK-6000 اندازهگیری شد. جرم آب تبخیر شده - mw - برای رسیدن به رطوبت مطلوب 12 - درصد بر پایه تر - ، از رابطه ذیل قابل محاسبه است - رابطه . - 1 در این رابطه mi جرم اولیه محصول، Xi رطوبت اولیه و Xf رطوبت نهایی محصول است.

راندمان خشککن برای دبیهای مختلف هوا و حالت های مختلف دریچهی برگشت توسط رابطهی - - 2 قابل محاسبه است - خطاب، 1995 و الجمیلی و همکاران، . - 2007 در این رابطه،   راندمان خشککن،   دبی جرمی هوای ورودی - kg/s - ، Cp حرارت مخصوص هوا در فشار ثابت - kJ/kg.c - ،   و   بهترتیب دماهای هوای ورودی و خروجی خشککن - c - ،   مجموع مساحت واحد جمعکننده و سطح تابش مستقیم به مخزن - m2 - ،   شار تابشی خورشید - W/m2 - و PF توان مصرفی فن - W - میباشد. انرژی مورد نیاز خشک کردن محصول برابر مجموع انرژی جذب شده از طریق واحد جمع کننده و پوشش شیشه ای مخزن و انرژی مصرفی فن میباشد که از رابطه - 3 - قابل محاسبه است. در این رابطه، E انرژی مورد نیاز برای خشک کردن - Wh - ، t مدت زمان خشک شدن محصول - h - و QF انرژی مصرفی فن - Wh - است.

نتایج و بحث:

ورقه های گوجه فرنگی به ضخامت 6 میلیمتر در دبیهای مختلف هوا و درحالت های مختلف باز بودن دریچه های برگشت تا رسیدن به رطوبت 12 درصد خشک شد و راندمان خشک کن و انرژی مورد نیاز جهت خشک کردن محصول مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر راندمان خشک کن و انرژی مصرفی در منحنیهای ذیل نشان داده شده است - شکلهای 2 تا . - 7 با توجه به شکلهای 2 و 3 راندمان خشککن و انرژی مورد نیاز جهت خشک کردن در دبی 0/018 متر مکعب بر ثانیه و حالت های 0 - و 50 و 75 و 87/5 درصد - درصد بازبودن دریچه برگشت به ترتیب برابر با 20 درصد و 10115wh، 18 درصد و 10182wh، 21/6 درصد و 9559wh و در نهایت 19درصد و 11181 wh بهدست آمد. بر این اساس، بیشترین و کمترین راندمان به ترتیب برای حالت های 75و50 درصد باز بودن دریچه و در ادامه بیشترین و کمترین میزان انرژی مورد نیاز مربوط به حالت های 87/5 و 75 درصد باز بودن دریچه بود.

نتایج نشان داد که بهترین حالت خشککردن از لحاظ راندمان و مصرف انرژی در دبی 0/018 مترمکعب بر ثانیه زمانی است که 75 درصد هوای گرم خروجی از مخزن به ورودی کلکتور بازگشت داده شود. با توجه به شکل 4 و 5 راندمان و انرژی مورد نیاز جهت خشک کردن برای دبی 0/036متر مکعب وحالتهای 0 - و50 و75 و 87/5 درصد - بازبودن دریچه برگشت به ترتیب برابر با 25/1 درصد و 11690wh، 25/4 درصد و 10869wh، 32/5درصد و 10379wh و در نهایت 32/6 درصد و 10508wh بود. مشاهده شد که بیشترین و کمترین راندمان به ترتیب برای حالت های 87/5 درصد برگشت هوا و دریچهکاملاً بسته و بیشترین و کمترین میزان انرژی مورد نیاز مربوط به حالت هایدریچه کاملاً بسته و75 درصد بازبودن دریچه بوده است.