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 |