طراحی، ساخت و ارزیابی عملکرد خشک‏ کن کابینتی جدید لیموترش با دو ترکیب هندسی با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

 

بکارگیری روش‏های مکانیزه برداشت مستلزم استفاده از خشک‏ کن‏ های مناسب برای فرآوری محصول است زیرا در برداشت مکانیزه، رطوبت میوه برداشت شده بیشتر از رطوبت برداشت به طریق سنتی است. از میان انواع خشک‏کن‏ها خشک‏کن‏های کابینتی کارکرد ساده تری دارند. عیب خشک‏کن‏های کابینتی در یکنواخت خشک نکردن محصول و نیاز به نیروی کارگری برای جابجایی سینی‏های محصول می‏باشد. در این طرح برای رفع کامل مشکل غیر یکنواختی خشک‏شدن در خشک‏کن‏های کابینتی، اقدام به طراحی یک خشک‏کن کابینتی جدید با محفظه جانبی مجزا برای هر قفسه خشک‏کن شده است. برای طراحی دقیق این خشک‏کن کابینتی جدید، پاره‏ای از خواص فیزیکی لیمو از جمله ابعاد، میانگین هندسی اقطار، جرم حجمی دانه‏ای، جرم حجمی توده‏ای، کرویت، تخلخل بستر و افت فشار استاتیکی عبور هوا از بستر محصول اندازه‏گیری گردیدند. اندازه‏گیری خواص مورد نظر در پنج سطح رطوبتی 84، 64، 44، 24 و 10 درصد بر پایه تر انجام گرفت. نتایج نشان داد با کاهش رطوبت ابعاد، میانگین هندسی اقطار، جرم حجمی دانه‏ای و جرم حجمی توده‏ای کاهش پیدا کردند. در حالیکه کرویت و تخلخل افزایش پیدا کردند. به منظور اندازه‏گیری مقاومت بستر لیمو در برابر عبور جریان هوا سامانه آزمایشگاهی ساخته شد. آزمایشات افت فشار به دو صورت لایه ضخیم و لایه نازک صورت گرفت. آزمایش های اول در چهار عمق بستر (25، 50، 75 و 100 سانتیمتر)، چهار دمای هوا (25، 35، 45 و 50) و 11 شار هوای عبوری به صورت چیدمان تصادفی انجام شدند. نتایج نشان داد که با افزایش عمق بستر و افزایش سرعت جریان هوا افت فشار افزایش پیدا می‏کند. دما تاثیر معنی‏داری در نتایج نداشت. آزمایش لایه نازک در پنج سطح رطوبتی، سه چیدمان و 11 شار هوای عبوری انجام شد. نتایج نشان داد که با کاهش رطوبت به دلیل افزایش تخلخل افت فشار کاهش پیدا می‏کرد. همچنین چیدمان اثر معنی‏داری بر افت فشار داشت. برای پیش بینی افت فشار در بین مدل‏های ریاضی ارزیابی شده، مدل ارگان به عنوان بهترین مدل (بیشترین) برای تبیین رابطه نرخ عبور جریان هوا و افت فشار در بستر لیمو انتخاب گردید. از خواص فیزیکی ذکر شده برای طراحی خشک‏کن جدید استفاده شد. برای بررسی نظری یکنواختی توزیع خطوط همتراز سرعت و فشار هوا از ابزار CFD به کمک نرم افزار فلوئنت بهره گرفته شد. بر اساس نتایج مدل سازی عددی طرح جدید بهینه سازی گردید و هندسه نهایی مشخص شد. طرح بهینه انتخاب شده ساخته و در بازه‏های مختلف سرعت هوای ورودی (1، 2 و 3 متر بر ثانیه) و دمای هوای ورودی (50 درجه سلیسیوس) مورد آزمایش قرار گرفت. با بررسی نتایج آزمایشگاهی بر یکنواختی توزیع دمای هوای خشک‏کننده و سرعت آن در خشک‏کن ساخته شده مشخص گردید که توزیع پارامترهای یاد شده در محفظه خشک‏کن یکنواخت بوده است. نتایج حاصل از مقایسه داده‏های نظری (استخراج شده از CFD) و داده‏های آزمایشگاهی نشان داد که ضریب همبستگی 994/0 بین داده‏های مربوط به سرعت هوا وجود دارد. در مرحله بعد این خشک‏کن از لحاظ یکنواختی خطوط همتراز سرعت، نرخ از دست دادن رطوبت در سینی‏های خشک‏کن و مصرف انرژی با خشک‏ کن موجود مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان دادند خشک ‏کن جدید از هر سه نقطه نظر از خشک‏کن قبلی عملکرد بهتری را داشته است.

 

فهرست مطالب

 

عنوان

صفحه 

فصل اول: مقدمه

 

1- 1-  لزوم استفاده از خشک‏کن

1

1- 2-  انواع خشک‏کن ها

2

1- 3-  اهمیت محصول

5

1- 4-  نحوه برداشت و خشک‏کردن لیمو

7

1- 5-  اهمیت اندازه‏گیری خواص فیزیکی

7

1- 6-  لزوم اندازه‏گیری افت فشار در بستر لیمو

8

1- 7-  اهداف پژوهش

8

فصل دوم: پیشینه پژوهش و معادلات مورد استفاده

 

2- 1-  اندازه گیری افت فشار و مطالعات انجام شده

11

2- 1- 1-  مدل‏های متداول در تبیین رابطه سرعت هوا و افت فشار

14

2- 1- 2-  خواص فیزیکی مرتبط با افت فشار

17

2- 2-  معرفی CFD

18

2- 2- 1-  کاربرد CFD در صنایع کشاورزی

20

2- 2- 2-  مدل‏های ریاضی در CFD

25

2- 2- 2- 1-  معادلات نویراستوکس

25

2- 2- 2- 2-  معادلات تلاطم

27

2- 2- 3-  روش‏های عددی به کار رفته در نرم افزار فلوئنت

32

2- 2- 3- 1-  روش احجام محدود

32

2- 2- 3- 2-  روش حل مجزا

33

2- 2- 3- 3-  گسسته سازی

34

2- 2- 3- 4-  تعریف باقی مانده‏ها و قضاوت همگرایی

35

2- 2- 4-  تولید شبکه

36

2- 2- 4- 1-  همواری

36

2- 2- 4- 2-  مناسب بودن شکل سلول

36

2- 2- 5-  شرایط مرزی

37

2- 2- 5- 1-  سرعت ورودی

38

2- 2- 5- 2-  جریان خروجی

38

2- 2- 5- 3-  دیوار

38

2- 2- 5- 4-  محیط متخلخل

39

2- 3-  توضیح مسئله

42

فصل سوم: مواد و روش‏ها

 

3- 1-  اندازه گیری خواص فیزیکی لیمو ترش جهرم

45

3- 2-  بهینه سازی دستگاه اندازه گیری افت فشار

47

3- 2- 1-  ساخت محفظه نگهداری لیموها

48

3- 2- 2-  ساخت شاسی

50

3- 2- 3-  ابزار و روش اندازه گیری کمیت ها

51

3- 2- 3- 1-  سرعت هوا

51

3- 2- 3- 2-  دمای هوا

53

3- 2- 3- 3-  افت فشار

53

3- 2- 3- 4-  رطوبت نسبی هوای محیط

54

3- 2- 3- 5-  اندازه گیری مقداررطوبت نمونه ها

55

3- 2- 4-  روش انجام آزمایش‏های اندازه گیری افت فشار

56

3- 3-  مدل سازی خشک‏کن

58

3- 3- 1-  ایجاد شبکه

58

3- 3- 2-  استقلال حل مسئله از شبکه

58

3- 3- 3-  نحوه اجرای محاسبات

58

3- 3- 4-  روش‏های تولید شبکه

59

3- 3- 5-  مرتبه گسسته سازی

60

3- 3- 6-  تعیین رژیم جریان داخلی خشک‏کن

61

3- 3- 7-  فرضیات مدل CFD

61

3- 3- 8-  چگونگی تحلیل طرح‏های ابتدایی برای خشک‏کن با ابزار CFD

63

3- 4-  ساخت محفظه خشک‏کن

66

3- 5-  اندازه گیری دما و سرعت هوا در داخل محفظه خشک‏کن

66

3- 6-  روش مقایسه خشک‏کن ساخته شده با خشک‏کن امانلو وزمردیان

71

فصل چهارم: نتایج و بحث

 

4- 1-  خواص فیزیکی لیموترش

73

4- 2-  اندازه‏گیری افت فشار

75

4- 2- 1-  افت فشار لیمو در حالت لایه ضخیم

75

4- 2- 2-  برازش معادله‏های افت فشار به داده‏های مربوط به لایه ضخیم

78

4- 2- 3-  افت فشار لیمو در حالت لایه نازک

79

4- 2- 4-  برازش معادله‏های افت فشار به داده‏های مربوط به لایه نازک لیمو

81

4- 3-  انتخاب طرح بهینه

82

4- 4-  مقایسه نتایج بدست آمده از CFD جهت طراحی خشک‏کن

84

4- 4- 1-  بررسی یکنواختی سرعت در محفظه خشک‏کن با نرم افزار

85

4- 4- 1- 1-  اثر صفحه مشبک بر یکنواختی هوا

85

4- 4- 2-  نتایج مربوط به خطوط همتراز فشار   

87

4- 4- 2- 1-  اثر صفحه مشبک بر توزیع فشار

87

4- 4- 3-  مقایسه نتایج تجربی و نظری سرعت

88

 4- 4- 4-  مقایسه نتایج دبی جرمی از هر خروجی

91

4- 4- 5-  مقایسه خشک‏کن جدید با خشک‏کن ساخته شده توسط امانلو و زمردیان

93

4- 4- 5- 1-  روش CFD

93

4- 4- 5- 2-  روش تجربی

95

4- 4- 6-  میزان مصرف انرژی برق

96

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

 

5- 1-  نتایج

97

5- 1- 1-  خواص فیزیکی

97

5- 1- 2-  استفاده از CFD در تحلیل خشک‏کن ها

98

5- 1- 3-  تغییر در هندسه خشک‏کن‏های کابینتی

98

5- 1- 4-  مقایسه خشک‏کن ساخته شده با خشک‏کن امانلو و زمردیان

98

5- 2-  پیشنهادها

99

5- 2- 1-  ارتقاء دستگاه اندازه گیری افت فشار

99

5- 2- 2-  پیشنهاد‏های برای خشک‏کن طراحی شده و ادامه مدل CFD

99

پیوست

100

منابع

108

فهرست جداول

 

عنوان و شماره

صفحه

جدول 3-1:  نقاط سوراخ کاری شده جهت قرائت سرعت هوا

67

جدول 3-2:  نقاط مشخص شده برای اندازه‏گیری سرعت در خروجی

69

جدول 4-1: خواص فیزیکی لیمو ترش (دانه ای)

73

جدول 4-2: خواص فیزیکی لیموترش (توده ای)

74

جدول 4- 3: جدول تجزیه واریانس تیمارهای نرخ جریان هوا، عمق بستر و دما و اثر متقابل آن‏ها بر افت فشار

75

جدول 4-4: مدل ضرایب بدست آمده برای مدل شد (رابطه 2-1)

78

جدول 4-5: ضرایب بدست آمده برای مدل هوکیل و ایوز (رابطه 2-2)

78

جدول 4-6: ضرایب بدست آمده برای مدل ارگان (رابطه 2-3)

79

جدول 4-7: جدول تجزیه واریانس تیمارهای نرخ جریان هوا، رطوبت، چیدمان و عمق بستر و اثر متقابل آن‏ها بر افت فشار

79

جدول 4-8: ضرایب مدل شد

81

جدول 4-9: ضرایب مدل هوکیل و ایوز

82

جدول 4-10:    ضرایب مدل ارگان

82

جدول 4-11: نتایج حاصل از دبی هوای خروجی از قسمت های مختلف خشک کن بدون استفاده از صفحه مشبک

86

جدول 4-12:    نتایج حاصل از دبی هوای خروجی از قسمت های مختلف خشک کن هنگام استفاده از صفحه مشبک

87

جدول 4-13: نتایج مربوط به مقادیر سرعت هوای گرم عبور داده شده به صورت تئوری و آزمایشی

89

جدول 4-14:    سرعت در 18 نقطه مختلف خروجی 1

92

جدول 4-15:    سرعت در 18 نقطه مختلف خروجی 2

92

جدول 4-16:    سرعت در 18 نقطه مختلف خروجی 3

92

جدول 4-17: نتایج حاصل از روش تئوری و تجربی برای دبی خروجی ار سه خروجی خشک‏کن

92

جدول 4-18: نتایج مربوط به دبی هوای خروجی تئوری از قسمت های مختلف خشک کن امانلو و زمردیان

94

جدول 4-19: مقایسه انرژی الکتریکی مصرفی

96

فهرست شکل‏ها 

 

عنوان 

صفحه

شکل 1- 1:  نمای شماتیک از خشک‏کن کابینتی متداول همراه با جمع کننده خورشیدی

5

شکل 2- 1: دو جهت مختلف قرار گیری ریشه‏ها ی کاسنی برای بررسی افت فشار در مطالعه وربون و همکاران.

13

شکل 2- 2: تعداد مقاله‏های منتشر شده CFD در زمینه تهویه ساختمان‏های کشاورزی

20

شکل 2- 3: مقالات منتشر شده در زمینه کاربرد CFD در صنایع غذایی

21

شکل 2- 4: استفاده از CFD برای بهینه کردن ساختار گلخانه‏های تونلی

23

شکل 2- 5: تفاوت دامنه ی پیوسته و گسسته

34

شکل 2- 6: تصویر شماتیک از خشک‏کن کابینتی

42

شکل 3- 1: سه طرز قرارگیری لیموترش در اندازه‏گیری افت فشار

46

شکل 3- 2: ترموستات مورد استفاده در آزمایش

48

شکل 3- 3: موتور الکتریکی 2850 دور فن

48

شکل 3- 4: مبدل ولتاژ مورد استفاده در آزمایش‏ها    

48

شکل 3- 5: توری گالوانیزه و قاب آن جهت نگهداری توده لیمو

49

شکل 3- 6: یکنواخت کننده هوا

50

شکل 3- 7: دستگاه اندازه‏گیری افت فشار بهینه سازی شده

51

شکل 3- 8: شماتیک دستگاه اندازه‏گیری افت فشار

52

شکل 3- 9: دستگاه اندازه‏گیری سرعت هوا

53

شکل 3- 10: نقاط قرائت سرعت هوا درون لوله ورودی هوا

54

شکل 3- 11: مانومتر بکار برده شده جهت اندازه‏گیری افت فشار

54

شکل 3- 12: دستگاه Testo 625

56

شکل 3- 12: ترازوی دیجیتال مورد استفاده در آزمایش ها

56

شکل 3- 13: تصویرآون استفاده شده در آزمایش

63

شکل 3- 14: خشک‏کن مش بندی شده در نرم افزار گمبیت

65

شکل 3- 15: شماتیک خشک‏کن کابینتی جدید

68

شکل 3- 16: نقاط سوراخکاری شده

69

شکل 3- 17: مقطع یکی از خروجی های خشک‏کن و نحوه داده گیری دبی هوای خروجی

69

شکل 3- 18: سینی به کار رفته در خشک‏کن

70

شکل 3- 19: طرز داده برداری جهت توزین لیموها

71

شکل 3- 20: خشک‏کن ساخته شده

71

شکل 3-21: خشک‏کن ساخته شده و متعلقات آن

72

شکل 4- 1: اثر تغییرات عمق بستر (25، 50، 75 و 100) سانتیمتر و شار هوای عبوری بر روی افت فشار

77

شکل 4- 2: اثر افزایش عمق بستر بر روی افت فشار

80

شکل 4- 3: اثر رطوبت‏های مختلف و شار هوای عبوری بر روی افت فشار در حالت قرار گیری دو لایه لیمو در سامانه اندازه‏گیری افت فشار

81

شکل 4- 4: اثر سه چیدمان بر روی افت فشار

83

شکل 4- 5: طرح انتخاب شده جهت ساخت

83

شکل 4- 6: سه نما و اندازه‏های طرح بهینه

83

شکل 4- 7:  نمودار باقی مانده‏ها برای سرعت ورودی 1 متر بر ثانیه

84

شکل 4- 8: خطوط همتراز سرعت بدون توری

85

شکل 4- 9: خطوط همتراز سرعت هنگام استفاده از توری

85

شکل 4- 10: تاثیر استفاده نکردن از توری بر توزیع فشار

87

شکل 4- 11: تاثیر استفاده از توری بر توزیع فشار

88

شکل 4- 12: مقایسه نتایج تجربی و CFD

91

شکل 4- 13: مقطع یکی از خروجی‏های خشک‏کن

91

شکل 4- 14: توزیع خطوط همتراز سرعت در خشک‏کن امانلو و زمردیان

93

شکل 4- 15: چگونگی توزیع سرعت در سینی‏های محصول در خشک‏کن امانلو

94

شکل 4- 16: نرخ از دست دادن رطوبت نسبت به زمان در خشک‏کن جدید

95

شکل 4- 17: نرخ از دست دادن رطوبت نسبت به زمان در خشک‏کن امانلو

96

مهندسی کشاورزی