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

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

خرید فایل