SUPERVISOR
Nasser Hamdami,Morteza Sadeghi,Ali Esehaghbeygi
ناصر همدمی (استاد مشاور) مرتضی صادقی (استاد راهنما) علی اسحق بیگی (استاد راهنما)
STUDENT
Khaled Gomar
خالد گمار
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Study and Simulation of Heat Pump Drying of TomatoSlices
Most agricultural products are harvested at high moisture content that is not proper to storage. Therefore, to prevent deterioration, drying operation is used. Heat pump dryers have been widely considered for drying fruits, vegetables, and biological materials due to the low power consumption, high efficiency, high quality of final product, good consistency with environmental laws, ability to control the drying process, as well as being independent of the environmental conditions. The objectives of this study were investigation the drying kinetics and qualitative parameters of tomato slices during heat pump drying operation, empirical and analytical modeling of the process, as well as assessing the heat pump system performance. Fresh tomato samples (Shanoon variety) were purchased from a local greenhouse in Isfahan (central Iran). Heat pump drying and hot air drying (conventional method) were conducted at three temperatures 40, 50, and 60 °C and two air flow velocities 1 and 1.5 m s -1 with three replications. The heat pump system consisted of two condensers, a compressor, an expansion valve, and two evaporators, which were connected to each other using copper tubes. The refrigerant A404 was chosen for working fluid. The color indices (L*, a* and b*) were measured by a digital camera and Photoshop software. Volume change caused by shrinkage was determined using the displacement of toluene with density of 0.87 g cm -3 . To modeling mass transfer of tomato slices, the equation of Fick’s second law for infinite plane sheet was explicitly solved. Empirical modeling of drying data was also done by fitting 12 commonly used empirical and semi-empirical thin layer drying models. According to the drying curves, the constant rate period was not observed for all treatments and the drying kinetics of the samples occurred continuously. Drying time with heat pump was shorter than that of conventional method. The minimum and maximum values of effective moisture diffusion coefficient of dried tomato slices in the heat pump dryer were 3.04001×10 -9 m 2 s -1 at the temperature of 40 °C and air flow velocityof 1 m s -1 , and 6.18135×10 -9 m 2 s -1 at the temperature of 60 °C and air flow velocity of 1.5 m s -1 , respectively. In addition, maximum and minimum values of the effective moisture diffusion coefficient of the samples dried with hot air dryer were 2.53334×10 -9 m 2 s -1 at the temperature of 40 °C and air flow velocity of 1 m s -1 , and 5.26935×10 -9 m 2 s -1 at the temperature of 60 °C and air flow velocity of 1.5 m s -1 , respectively. The prediction of models based on the explicit solutiuon of the equation of the second Fickian law showed a good correlation with the experimental data at all drying temperatures and air flow velocity for both methods. According to the maximum coefficient of determination (R 2 ) and minimum value of root mean square of error (RMSE) between the observed and predicted moisture ratios, the diffusion approach model indicated the close prediction compared to the observed values. With decreasing moisture content, the color parameters, (L*, a* and b*) decreased and the shrinkage increased for all treatments. The coefficient of performance (COP) of the heat pump system increased with increasing air temperature and air flow velocity. The maximum and minimum values of COP were 5.77 and 2.21 at the temperature of 60 °C and air flow velocity of 1.5 m s -1 , and at the temperature of 50 °C and air flow velocity of 1 m s -1 , respectively. Keywords: Coeffecint of perfomance, Energy consumption, Heat pump, Mathematical modeling, Shrinkage
برداشت اکثر محصولات کشاورزی در رطوبتی صورت می گیرد که مناسب انبارداری نمی باشد، در نتیجه برای جلوگیری از فاسد شدن، عملیات خشک کردن بر روی آنها صورت می گیرد. خشک کن های مجهز به پمپ حرارتی به دلیل مصرف انرژی کم، بازده زیاد و کیفیت بالای محصول خشک شده، مطابقت با قوانین زیست محیطی، امکان کنترل شرایط عملیات خشک کردن و مستقل بودن از شرایط محیطی به صورت گسترده برای خشک کردن میوه ها، سبزیجات و مواد بیولوژیکی مورد توجه قرار گرفته است. هدف از انجام این تحقیق، مطالعه سینتیک خشک شدن و پارامترهای کیفی ورقه های گوجه فرنگی خشک شده در خشک کن هوای داغ مجهز به پمپ حرارتی و مدل سازی تجربی و تحلیلی فرایند خشک شدن و ارزیابی عملکرد سیستم پمپ حرارتی بود. برای انجام آزمایش ها از گوجه فرنگی واریته شنون برداشت شده در بهمن ماه 1389 از گلخانه ای در نزدیکی نجف آباد اصفهان استفاده شد. خشک کردن ورقه های گوجه فرنگی به ضخامت یک سانتی متر در سه دمای 40، 50 و 60 درجه سانتی گراد و در دو سرعت هوای 1 و 5/1 متر بر ثانیه در سه تکرار انجام شد. عملیات خشک کردن در روش هوای داغ مجهز به پمپ حرارتی کاملاً همانند روش بدون پمپ حرارتی (روش مرسوم) انجام شد. سیستم پمپ حرارتی شامل دو چگالنده، یک کمپرسور، یک شیر انبساط و دو تبخیرکننده بود که توسط لوله های مسی بهم وصل می شدند. مبرد R404A به عنوان مبرد انتخاب شد. شاخص های رنگ L * ، a * وb * ورقه های گوجه فرنگی توسط دوربین دیجیتال و به کمک نرم افزار فتوشاپ اندازه گیری شد. تغییر حجم نمونه ها در اثر چروکیدگی توسط جابه جایی تولوئن با دانسیته 87/0 گرم بر سانتی مترمکعب اندازه گیری شد. مدل سازی تحلیلی سینتیک افت رطوبت با استفاده از حل صریح معادله قانون دوم فیک برای صفحه نامتناهی (خشک کردن لایه نازک) در حالت یک بعدی انجام شد. همچنین 12 مدل تجربی و نیمه تجربی خشک کردن لایه نازک برای مدل سازی تجربی داده های سینتیک افت رطوبت استفاده شد. با توجه به منحنی های خشک شدن ورقه های گوجه فرنگی، مرحله آهنگ ثابت خشک شدن، در تمامی نمودارها مشاهده نشد و افت رطوبت از آغاز تا پایان فرآیند با آهنگ نزولی صورت گرفت. مدت زمان خشک شدن ورقه های گوجه فرنگی توسط خشک کن هوای داغ مجهز به پمپ حرارتی کمتر از خشک کن هوای داغ بود. در روش پمپ حرارتی مقدار ضریب انتشار مؤثر از 9 - 10×04001/3 مترمربع بر ثانیه برای دمای 40 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 1 متر بر ثانیه تا 9 - 10×18135/6 مترمربع بر ثانیه برای دمای 60 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 5/1 متر بر ثانیه متغیر بود. همچنین این پارامتر برای خشک کن هوای داغ معمولی از 9 - 10×53334/2 مترمربع بر ثانیه برای دمای 40 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 1 متر بر ثانیه تا 9 - 10×26935/5 مترمربع بر ثانیه برای دمای 60 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 5/1 متر بر ثانیه تغییر کرد. حل صریح معادله قانون دوم فیک همبستگی خوبی با نتایج تجربی در تمامی دماها و سرعت های هوای ورودی به محفظه در هر دو نوع خشک کن داشت. تمامی مدل های تجربی نیز همخوانی خوبی با داده های آزمایش داشتند، اما براساس بالاترین ضریب همبستگی و کمترین مقدار ریشه میانگین مربعات خطا، مدل دیفیوژن به عنوان مناسبترین مدل انتخاب شد. با کاهش محتوای رطوبتی مقادیر شاخص های رنگ نمونه ها در تمامی تیمارها کاهش و مقدار چروکیدگی نمونه افزایش یافت.ضریب عملکرد پمپ حرارتی با افزایش دما و یا افزایش سرعت جریان هوا افزایش یافت؛ به طوری که ضریب عملکرد پمپ حرارتی در دمای 60 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 5/1 متر بر ثانیه بیشترین مقدار (774/5) و در دمای 50 درجه سانتی گراد و سرعت هوای 1 متر بر ثانیه کمترین مقدار (209/2) را دارا بود. واژه های کلیدی: پمپ حرارتی، چروکیدگی، ضریب عملکرد، مدل سازی ریاضی، مصرف انرژی.