مدل‌سازي رياضي و بهينه‌سازي فرآيند خشك‌كردن متناوب شلتوك با در نظر گرفتن انرژي مصرفي و مفهوم گذار شيشه‌اي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك بيوسيستم

دكتري

حين خشك‌شدن شلتوك با توجه به تغييرات دما و محتواي رطوبتي، نشاسته برنج خواص فيزيكي و حرارتي متفاوتي از خود نشان مي‌دهد و مي‌تواند از حالت لاستيكي به شيشه‌اي و برعكس تغيير يابد. اين تغييرات تأثير قابل توجهي بر ترك‌خوردگي و شكست دانه در مراحل بعدي تبديل دارد. خشك‌كردن متناوب يك روش مؤثر براي غلبه بر اين مشكل است. تعيين فراسنجه‌هاي عملياتي روش خشك‌كردن متناوب شامل تعداد مراحل خشك‌كردن و استراحت‌دهي، دما و مدت هر مرحله از انجام عمليات خشك‌كردن يا استراحت‌دهي بسيار حائز اهميت است. به علت تعدد سطوح اين فراسنجه‌ها، تعيين مقاديرشان با روش‌هاي آزمايشگاهي بسيار زمان‌بر و پر‌هزينه است. با در نظر گرفتن مفهوم گذار شيشه‌اي و رفتار لايه‌ها، مي‌توان فرآيند خشك‌كردن و استراحت‌دهي را به گونه‌اي كنترل و بهينه‌سازي كرد كه در كمترين مدت و با كمترين مصرف انرژي فرآيند خشك‌شدن انجام شده و از افت كيفي محصول و ايجاد ترك‌هاي اوليه حين خشك‌شدن جلوگيري كرد. هدف از انجام اين مطالعه تعيين مقادير بهينه فراسنجه‌هاي عملياتي روش خشك‌كردن متناوب با استفاده از رويكرد شبيه‌سازي و محاسبات عددي بود. به طوري كه بتوان ديناميك رفتار لايه‌هاي مختلف را بررسي كرد. بدين منظور، يك مدل رياضي براي شبيه‌سازي فرآيند خشك‌كردن متناوب برنج و پيش‌بيني مقادير وابسته بر پايه روش المان محدود در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics و با در نظر گرفتن مفهوم گذار شيشه‌اي توسعه داده شد. در اين مدل از هندسه سه‌بعدي واقعي دانه برنج براي شبيه‌سازي استفاده شد. به منظور تعيين ضرايب مورد نياز شبيه‌سازي و اعتبارسنجي مدل، آزمايش‌هاي خشك‌كردن پيوسته و متناوب در دماهاي 40، 50، 60 و 70 درجه سلسيوس انجام شد. بين نتايج سينتيك ميانگين محتواي رطوبتي حاصل از آزمايش‌هاي خشك‌كردن و مقادير حاصل از شبيه‌سازي، ضريب همبستگي در حدود 99 درصد مشاهده شد. با توجه به پديده گذار شيشه‌اي، يك تابع حالت كمي براي تعيين تغييرات حالت لايه‌هاي مختلف دانه برنج در هر زمان تعريف شد. همچنين توزيع مكاني و زماني دما و محتواي رطوبتي درون دانه برنج شبيه‌سازي شد. در مرحله بعدي، يك الگوريتم بهينه‌سازي با هدف خشك‌كردن برنج در ناحيه لاستيكي، جلوگيري از گسترش گراديان‌هاي محتواي رطوبتي و خشك‌كردن در كمترين مدت و با كمترين مصرف انرژي در نرم‌افزار Matlab طراحي و پياده‌سازي شد. با جفت كردن اين الگوريتم به مدل توسعه يافته، مقادير بهينه تعداد مراحل، مدت خشك‌كردن و مدت استراحت‌دهي در هر مرحله از انجام فرآيند خشك‌كردن تعيين و محاسبه شد. به علاوه، مقادير مصرف انرژي در هر شرايط خشك‌كردن، با توجه به مدت‌هاي تعيين شده مراحل خشك‌كردن تخمين زده شد. نتايج نشان داد كه با افزايش دماي خشك‌كردن، تعداد مراحل خشك‌كردن كاهش يافت. در دماهاي 40 و 50 درجه سلسيوس، خشك‌كردن در مرحله سوم باعث قرارگيري لايه‌هاي سطحي و مياني در حالت شيشه‌اي شد كه احتمال ترك‌خوردگي را افزايش مي‌دهد. در حالي كه خشك‌كردن در دماهاي 60 و 70 درجه سلسيوس به طور كامل در ناحيه لاستيكي انجام شد. حداكثر گراديان محتواي رطوبتي ايجادشده برابر با 3/11 درصد بر پايه خشك در دماي 70 درجه سلسيوس و حداقل اين مقدار برابر با 9/6 درصد بر پايه خشك در دماي 40 درجه سلسيوس مشاهده شد. همچنين درصد مساحت ناحيه لاستيكي در پايان فرآيند خشك‌كردن در دماهاي 40، 50، 60 و 70 درجه سلسيوس به ترتيب برابر با 0، 2/9، 3/66 و 85 درصد به دست آمد. در مجموع، نتايج حاصل از بهينه‌سازي نشان داد كه خشك‌كردن به روش متناوب دومرحله‌اي در دماي 60 درجه سلسيوس (مرحله اول خشك‌كردن به مدت 43 دقيقه، مرحله اول استراحت‌دهي به مدت 167 دقيقه، مرحله دوم خشك‌كردن به مدت 8 دقيقه و مرحله دوم استراحت‌دهي به مدت 129 دقيقه)، بهترين عملكرد را از نظر تغييرات حالت، گراديان‌هاي محتواي رطوبتي، مدت كل خشك‌كردن و مصرف انرژي به دنبال داشت.

225319

طراحي و ساخت

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان