توسعه خشک کن ترکیبی بستر سیال ـ مایکروویو و بهینه سازی فرایند حرارتی خشک کردن سویا
چکیده
در این تحقیق به بررسی انرژی مصرفی، راندمان حرارتی، مدل¬سازی ریاضی فرآیند و سینتیک خشک شدن و پارامتر¬های کیفی سویا (باز جذبی، درصد ترک خوردگی، چروکیدگی و تغییرات کلی رنگ) در خشک¬کن¬های بستر سیال، بستر سیال با چرخه هوای بازگشتی، مایکروویو با توان ثابت، بستر سیال ـ مایکروویو و مایکروویو با کنترل توان (بر اساس دمای محصول) پرداخته شده است. به این منظور یک خشک¬کن بستر سیال ¬ـ مایکروویو با قابلیت باز¬گردش هوای خروجی، کنترل دمای محصول و توان (بر اساس کنترل فاز) طراحی و ساخته شد. نتایج نشان داد که زمان خشک شدن سویا در خشک¬کن مایکروویو دارای کنترل توان به نسبت خشک¬کن بستر سیال 2 تا 35 برابر کمتر و نسبت به خشک¬کن مایکروویو با توان ثابت 8/6 الی 5/9 برابر بیشتر می¬باشد. به¬کارگیری انرژی مایکروویو در خشک¬کن بستر سیال سبب کاهش 27/7 تا 1/13 برابری زمان خشک شدن نسبت به حالت بستر سیال شده است. چرخه هوای بازگشتی (50- 100%) سبب افزایش زمان خشک شدن (غیر از دمای °c80) گردید (p≤0.05). انرژی مصرفی ویژه و راندمان حرارتی خشک¬کن بستر سیال به ترتیب از 45/164 تا kwh/kg water 68/649 و 27/0% تا 4/1% متغیر است. انرژی مصرفی در سرعت m/s 8/1 برای سطوح 50%، 70% و 90% هوای بازگشتی کمینه و برای100% هوای بازگشتی بیشینه می¬باشد. ترکیب روش مایکروویو (توان ثابت) و بستر سیال سبب کاهش شدید انرژی ویژه مصرفی (69 الی 473 برابر) و افزایش راندمان حرارتی (18-128 برابر) در مقایسه با خشک¬کن بستر سیال شده است. به کارگیری چرخه هوای بازگشتی در خشک¬کن بستر سیال ـ مایکروویو سبب کاهش 4/20% تا 19/50% انرژی مصرفی خشک¬کن فاقد چرخه می¬گردد. از میان استراتژی¬های مورد بررسی، خشک¬کن مایکروویو با توان ثابت دارای کمترین مقدار انرژی مصرفی و بیشترین راندمان حرارتی می¬باشد. انرژی ویژه مصرفی خشک¬کن مایکروویو با کنترل توان با افزایش دما (80- °c140) از 91/9 تا kwh/kg water 81/4 کاهش و راندمان حرارتی از 14/6% تا 56/12% افزایش یافته است. در خشک¬کن بستر سیال (فاقد چرخه هوای بازگشتی) با افزایش دما (80- °c140) و سرعت هوا (8/1- m/s 5/4)، ضریب نفوذ موثر رطوبتی افزایش و انرژی فعال¬سازی کاهش یافته است. ضریب نفوذ سویا در روش مایکروویو (توان ثابت) نسبت به خشک¬کن بستر سیال 26 الی 38 برابر و نسبت به خشک¬کن مایکروویو با کنترل توان 78/5 تا 41/14 برابر بیشتر می¬باشد. ضریب نفوذ و انرژی فعال-سازی برای سطوح مختلف هوای بازگشتی خشک¬کن بستر سیال به ترتیب از 11-10×72/5 تا m2/s 11-10×75/45 و از 34/13 تا kj/mol 01/34 متغیر می¬باشد. در خشک¬کن بستر سیال ـ مایکروویو برای تمامی سطوح توانی و سرعتی با افزایش دمای هوای ورودی، ضریب نفوذ رطوبتی افزایش یافته است. مطابق نتایج برازش مدل¬های ریاضی، مدل پیج برای خشک¬کن بستر سیال با چرخه هوای بازگشتی و فاقد چرخه هوای بازگشتی و خشک¬کن بستر سیال ـ مایکروویو، مدل میدیلی برای خشک¬کن مایکروویو با توان ثابت، مدل وانگ و سینگ برای خشک¬کن مایکروویو دارای کنترل توان دارای بهترین تطابق بر داده¬های به دست آمده از آزمایشات می¬باشند. از دیدگاه کیفی، روش مایکروویو با کنترل توان را می¬توان بهترین روش خشک کردن سویا دانست. ترک خوردگی سویا با افزایش دما و سرعت هوای ورودی به خشک¬کن بستر سیال از 80/31% تا 22/58% افزایش یافت. کمینه درصد ترک خوردگی (39/19%) در 50% هوای بازگشتی و بیشینه مقدار آن (92/61%) در 100% هوای بازگشتی اندازه¬گیری شد. روش بستر سیال ـ مایکروویو سبب کاهش 22% الی 44% ترک خوردگی دانه¬ها نسبت به بستر سیال شده است. نسبت باز جذبی نمونه¬های خشک شدن به روش بستر سیال از 583/0 تا 873/0، مایکروویو با کنترل توان از 807/0 تا 868/0 و مایکروویو توان ثابت از 618/0 تا 799/0 متغیر می¬باشد. بیشینه نسبت باز جذبی و کمینه چروکیدگی برای خشک¬کن بستر سیال با چرخه هوا بازگشتی 100% حاصل گردید. نسبت باز جذبی نمونه¬های خشک شدن در خشک¬کن بستر سیال ـ مایکروویو نسبت به مایکروویو با توان ثابت و بستر سیال بیشتر و در مقایسه با خشک¬کن مایکروویو با کنترل توان کمتر می¬باشد. چروکیدگی سویا در خشک¬کن مایکروویو با کنترل توان (852/0 تا 875/0) در مقایسه توان ثابت (867/0 تا 910/0) کمتر می باشد. کمترین تغییرات کلی رنگ نمونه های سویا برای خشک¬کن مایکروویو با کنترل توان به دست آمد. تحلیل¬های آماری نشان داد که برای خشک¬کن مایکروویو عملکرد بهینه در سطح توانی w496 و برای خشک¬کن مایکروویو با توان متغیر در دمای °c72/94 رخ خواهد داد. با این حال، خشک¬کن بستر سیال ـ مایکروویو در توان w400، دمای °c 76/119 و سرعت هوای m/s2/2 و خشک¬کن بستر سیال با 90% بازگردش هوا، °c70/82 و m/s 5/4 به عملکرد بهینه خود خواهند رسید.