تحلیل انرژی و اکسرژی در یک خشک کن خورشیدی برمبنای نتایج مدل سازی ریاضی

STUDENT

DEGREE

YEAR

In present study the performance of an indirect solar cabinet dryer has been taken into consideration from different aspects. For experimental data shows that the average error in prediction of moisture content of drying solid, outlet air temperature of drying chamber and solid temperature was 8.2%, 8.2% and 6.2%, rate applications because many food materials are sensitive to high temperature. Also, the corresponding efficiency is considered reasonable in this range. In the second part of this study, by applying the concepts of energy and exergy analysis, a microscopic energy and exergy analysis for an indirect solar cabinet dryer was carried out. To this end, appropriate energy and exergy models are developed and using the predicted values for temperature and enthalpy of gas stream and the temperature, enthalpy and moisture content of the drying solid, the energy and exergy efficiencies are estimated and the results were compared to that of the existing experimental data. The results show that in spite of high energy efficiency, the indirect solar cabinet dryer has relatively low exergy efficiency due to the entropy production from process irreversibilities. Results show that the maximum exergy losses are in midday. Also the minimums of total exergy efficiency are 32.3% and 47.2% on the first and second days, respectively. The maximum value for the outlet air temperature was 69 o C. In this temperature, the maximum outlet exergy and energy of collector are 2.5 kW and 1.12 kW, respectively. Similarly, the effects of some operating parameters, including length and surface of the collector and air flow rate were investigated on the destruction and efficiency of the exergy. In the last part of the present study, a mathematical model based on an economical objective function, named relative cost was developed to optimize the solar dryer performance. For this purpose, all of the structural parameters and operation conditions that can be affecting on the objective function were identified. Then the effects of them were verified using logical mathematical relations. Results show that the optimum ranges for initial moisture content, air mass flux, length and surface area of the solar collector are 9-10 d.b, 0.03-0.045 kg/m 2 .s, longer than 2.5 m and 2.5-3 m 2 , respectively. Key words: Solar Cabinet Dryer, Mathematical Modeling, Exergy Analysis, Energy Analysis, Opti mization.

در این تحقیق عملکرد یک خشک کن خورشیدی سینی دار تماس غیر مستقیم از جنبه های مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بدین منظور در گام نخست یک مدل ریاضی دینامیک و جدید جهت پیش بینی رفتار دو بخش گردآورنده خورشیدی و خشک کن سینی دار ارائه گردیده است. معادلات لازم با استفاده از قانون بقای جرم و حرارت و همچنین بررسی پدیده های فیزیکی موجود در یک خشک کن خورشیدی، استخراج و به صورت عددی حل شده اند. دقت پاسخ های مدل ریاضی توسعه داده شده به کمک داده های تجربی ارزشمند ارائه شده در دو تحقیق قبلی مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه پاسخ های مدل ریاضی در پیش بینی تغییرات رطوبت جسم بر روی سینی ها، دمای جریان هوای خروجی از ستون خشک کن و دمای ماده خشک شونده با داده های تجربی موجود به ترتیب خطای متوسطی معادل با 2/8%، 2/8% و 2/6% را نشان می دهد. این موضوع نشان می دهد که مدل ریاضی ارائه شده به خوبی قادر به پیش بینی عملکرد خشک کن سینی دار خورشیدی در شرایط ناپایا می باشد. همچنین اثر برخی پارامترهای عملیاتی بر روی عملکرد و بازدهی خشک کن بررسی گردید. نتایج این بررسی نشان می دهد که به منظور دستیابی به اهداف مورد نظر در خشک کردن، سرعت جریان هوا در محدوده kg/m 2 .s 0385/0-0275/0 بهترین مقدار را خواهد داشت. آزمایشگاهی موجود مقایسه گردیده اند. نتایج نشان می دهند که با وجود میزان بازدهی انرژی بالا، میزان بازدهی اکسرژی سیستم بدلیل تولید آنتروپی و بازگشت ناپذیری های موجود در فرآیند پایین است. نتایج همچنین نشان می دهند بیشترین میزان اتلاف اکسرژی در هنگام ظهر اتفاق می افتد. حداقل میزان بازدهی اکسرژی در روز اول و دوم به ترتیب 3/32% و 2/47% محاسبه گردیده است. حداکثر میزان دمای هوای خروجی از گردآورنده خورشیدی C?69 بوده است. در این دما، حداکثر میزان اکسرژی و انرژی خروجی از گردآورنده به ترتیب kW 5/2 و kW 12/1 است. همچنین اثر پارامترهای مختلف عملیاتی از قبیل طول گردآورنده، سطح آن و شدت جریان هوای ورودی بر روی اتلاف و بازدهی اکسرژی بررسی شده است. در بخش نهایی این تحقیق نیز با هدف بهینه سازی عملکرد خشک کن خورشیدی مورد نظر یک مدل ریاضی مبتنی بر تابع هدف هزینه نسبی توسعه داده شد. بدین منظور کلیه عوامل موثر فرآیندی و ساختاری بر تابع هدف یاد شده شناسایی و تاثیر آن ها به صورت روابط ریاضی منطقی در تابع هدف اعمال گردید. هدف از انجام این بخش از مطالعه، یافتن مقادیر بهینه مربوط به پارامترهای ساختاری و فرآیندی بوده است. نتایج این بخش نشان می دهد که محدوده های بهینه مربوط به پارامترهای محتوای رطوبت، شار جرمی هوا، طول و مساحت گردآورنده به ترتیب 10-9 بر مبنای خشک، kg/m 2 .s 045/0-03/0، بیش از 2متر و 3-5/2 مترمربع می باشند. کلمات کلیدی: خشک کن خورشیدی سینی دار، مدل سازی ریاضی، تحلیل اکسرژی، تحلیل انرژی، بهینه سازی.