بهينه سازي مصرف انرژي در يك سامانه حرارتي هوشمند فرآوري مايعات غذايي به كمك الگوي طراحي سازه اي

Optimization of energy consumption in an intelligent heating system for the processing of food liquids based on constructal theory

تبادلات حرارتي جزء مهمترين عمليات واحد در صنايع غذايي هستند. اما اغلب بهينه نبودن تجهيزات و عدم كنترل كافي شرايط - عملياتي و درنتيجه فرآوري بيش ازحد موادغذايي، منجربه كاهش كيفيت محصول، افزايش مصرف انرژي و آلودگي محيط زيست مي شود. در اين پژوهش به منظور ارزيابي مصرف انرژي، يك سامانه حرارتي شامل چهاربخش اصلي مكانيكي، الكتريكي، ديجيتال و نرم افزاري طراحي و ساخته شد. مبدل حرارتي پوسته ولوله بر اساس تئوري نوين سازه اي بهينه سازي شد. اين مبدل تمام استيل و شامل 13 عدد لوله گرمايي در 5رديف به صورت آرايش مثلثي ميباشد. براي بررسي پيوسته روند تغييرات دمايي سيال حرارتي و مايع - غذايي، چهارعدد سنسور PT100 خطي-صنعتي در ورودي و خروجي مبدل تعبيه گرديد. سرعت الكتروپمپ هاي سانتريفوژي استيل توسط اينورترهاي برداري N700 E كنترل شد. ميزان مصرف انرژي الكتروپمپ ها و گرمكن سيال حرارتي با نصب كنتورديجيتالي رصدشد. براي مرتبط نمودن بخش هاي مختلف سامانه به يكديگر، برنامه اي به زبان basic تدوين و با استفاده از bascom compiler به يك ميكروكنترلر ATMEGA32A منتقل گرديد. ارسال فرامين و تجزيه و تحليل داده ها و نمودارهاي حاصل در رايانه، توسط برنامه Visual studio صورت گرفت. نتايج ارزيابي ها نشان داد، باكنترل دقيق دما و زمان فرآيند ازطريق نرم افزار تدوين - شده، علاوه بر دستيابي به محصولاتي با كيفيت بهتر، مصرف انرژي تا ميزان 0/3KWhL-1 كاهش مي يابد. نرخ انتقال حرارت مبدل سازه اي به ازاء دبي6Lmin-1 آب گرم 80 درجه سانتي گراد 1- 1/9kJs محاسبه شد. درحاليكه اين مقدار در آزمايشات انجام شده 1/7kJs-1. مقايسه اين دو عدد صحت محاسبات و كارايي مبدل سازه اي را تاييد ميكند. ضريب انتقال حرارت در مبدل هاي عادي حدود Wm 14002K-1 و در مبدل سازه اي 2600Wm-1K-1 ميباشد، لذا هزينه لازم براي تامين سطح تبادل حرارتي كاهش مييابد. علاوه براين هزينه هاي عملياتي ازجمله انرژي پمپاژ سيال نيز به حداقل ميرسد. بدين ترتيب با استفاده از تئوري سازه اي هزينه هاي كلي حدود 50-40 % كاهش مي يابد.

Heating processes are one of the most widely used unit operations in the food industry But in most cases the lack of efficient equipment and adequate control of operating conditions, leads to over processing and reduction of food quality, increase in energy consumption and environmental pollution. In this study, in order to evaluate the energy consumption, a heating system consisting four main parts: mechanical, electrical, digital and software were designed and built. Shell and tube heat exchanger was optimized based on a new theory. The heat exchanger equipped with 13 stainless steel tubes arranged in 5 rows of triangular pattern. PT100 inline temperature sensors were used for monitoring the heating fluid and liquid food temperature changes during the process. The operation of stainless steel centrifugal pumps was controlled by a N700E vector inverter. Energy consumption of pumps and heater was observed by installing a digital counter. To link together the various parts of the system, a program was written in basic language and then by using bascom compiler, this program was transferred to an ATMEGA32A microcontroller. Sending commands via computer and data analysis, was performed by visual studio applications. Our results showed that through accurate control of process temperature and time by the designed software, in addition to get better quality products, energy consumption was reduced to about 0.3. The heat transfer rate of 6Lmin-1 hot water in constructal heat exchanger was calculated to be about 1.9 kJs-1. While this parameter in conducted experiments was equal to 1.7 kJs-1. Comparing these two data confirms computational accuracy and efficiency of the designed heat exchanger. The heat transfer coefficient of conventional and constructal design was 1400 Wm-2K-1 and 2600Wm-2K-1, respectively. This is why the cost for providing heat transfer area was reduced in this heat exchanger. In addition, operating costs including energy of fluids pumping was minimized too. Thus, using the constructal theory, overall cost could be reduced by 50-40%