مدل سازي ترموديناميكي خشك شدن يك ماده منفرد در شرايط محيطي ثابت

Thermodynamic modeling of drying of a single body at constant environmental conditions

روش معمول در مدل سازي فرايند خشك شدن مواد، استفاده از معادلات انتقال جرم و حرارت و پيش بيني تغييرات رطوبت ماده در حين خشك شدن است. در اين مقاله فرايند خشك شدن يك ماده منفرد در هوا از منظر ترموديناميكي مورد بررسي قرار گرفته است. مدل ترموديناميكي پيشنهادي توسط داده‌هاي تجربي حاصل از خشك شدن نمونه‌هاي كوچك سيب زميني كروي و برگ سبز چاي مورد بررسي و اعتبار سنجي قرار گرفت. نمونه‌هاي كروي سيب زميني به قطر 2 سانتي متر در سه دماي 40، 50 و ?60 و همچنين برگ‌هاي سبز چاي در سه دماي 35، 45 و ?55 در داخل يك خشك كن آزمايشگاهي خشك شدند. مدل پيشنهادي با برقراري موازنه‌هاي جرم، انرژي و آنتروپي، تغييرات دما و رطوبت نمونه‌ها و همچنين مقادير آنتروپي توليدي و اكسرژي را در حين خشك شدن پيش بيني مي‌كند. نتايج نشان مي‌دهند كه تغييرات سرعت هوا تاثير كمي بر نرخ خشك شدن مواد دارد. دماي سطح نمونه‌ها در ابتدا سريعاً افزايش يافته سپس به تدريج تا انتهاي فرايند خشك شدن به دماي گاز مي‌رسد. آنتروپي توليدي نيز ابتدا به سرعت افزايش يافته و سپس با خشك شدن ماده سير نزولي پيدا مي‌كند. همچنين اكسرژي مانند انرژي در حين خشك شدن افزايش يافت. مقايسه نتايج مدل با داده‌هاي تجربي نشان دهنده اعتبار مدل پيشنهادي است. مقدار خطاي نسبي داده‌هاي پيش بيني شده نسبت به داده‌هاي تجربي (MRE ) براي رطوبت و دما به ترتيب براي برگ سبز چاي 9/3 و 1/3 درصد و براي نمونه‌هاي سيب زميني 3 و 9/3 درصد محاسبه شدند.

Modeling of drying process is usually carried out by using the heat and mass transfer equations for prediction of moisture variations of drying material during drying. In this paper, convective air drying of a single body has been modeled using a thermodynamic approach. The proposed model was validated by the experimental data obtained from drying of small spherical potatoes and green tea leaves in a pilot scale dryer. Drying samples were dried at temperatures between 35 and 60°C. The proposed model predicts the temperature and moisture variations and the entropy generation and exergy in the drying sample. The results showed that the air velocity didn’t have a pronounced effect on the drying rate. The surface temperature of the drying material increased rapidly at first, and then reached slowly to the drying air temperature. Also the entropy generation increased at the early stages of drying and then decreased at the end of the drying. Exergy and energy increased during the drying. Comparison of the predictions of the proposed model with the experimental data showed the validity of the proposed model. The average relative error between the predictions of the proposed model and the experimental data (MRE) for humidity and temperature were between, 3.9 and 3.1% for green tea and between 3 and 3.9% for potato samples, respectively.