مدل سازی دوبعدی اجزای محدود خشک‌کردن نخود فرنگی در خشک‌کن ترکیبی مادون‌قرمز-هوای گرم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 Shiraz University

2 دانشگاه شیراز - دانشکده کشاورزی - بخش مهندسی بیوسیستم

3 دانشگاه شیراز - دانشکده مهندسی - بخش مهندسی بیوسیستم

4 دانشگاه شیراز - بخش مهندسی بیوسیستم - هیأت علمی

چکیده

در این مقاله، شبیه‌سازی فرآیند خشک‌‌شدن نخودفرنگی در خشک‌کن مادون قرمز - هوای گرم با استفاده از روش اجزای محدود دو بعدی انجام شد. برای این منظور، معادله حاکم بر انتقال جرم و شرایط اولیه و مرزی آن استخراج شد. به کمک روش اجزای محدود با رویکرد گلرکین، دستگاهی از معادلات دیفرانسیل مرتبه اول بدست آمد. جهت شبیه‌سازی فرآیند خشک‌‌شدن و حل دستگاه معادلات، یک کد کامپیوتری در نرم‌افزار متلب تدوین شد. شبیه‌سازی در چهار سطح شدت تابش با مقادیر صفر، 2000، 4000 و 6000 وات بر متر مربع، سه سطح دمای 30، 40 و 50 درجه سلسیوس و سه سطح سرعت 5/0، 0/1 و 5/1 متر بر ثانیه انجام شد. در نهایت به منظور اعتبارسنجی مدل ارائه شده، نتایج این مدل‌سازی با نتایج حاصل از خشک‌کن آزمایشگاهی مادون قرمز - هوای گرم، مقایسه گردید. حداقل، حداکثر و متوسط میانگین خطای نسبی داده‌های اندازه‌گیری شده و پیش‌بینی شده با مدل‌سازی به روش اجزای محدود دوبعدی، به ترتیب %21/2، %77/3 و%50/2 می‌باشند. این روش دارای دقت مناسب و کارآیی بالا در پیش‌بینی تغییرات رطوبت محصول، طی فرآیند خشک‌کردن دانه نخودفرنگی، می‌باشد و اطلاعات بیشتری را در مورد انتقال رطوبت، بدون انجام آزمایش می‌دهد که می‌تواند جهت طراحی خشک‌کن‌ها مفید باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Two-dimensional Finite Element Modelling of Green Peas Drying in a Hot Air-Infrared Dryer

نویسندگان [English]

  • Dariush Zare 1
  • Saeed Akbarzadeh 2
  • Mohammad Loghavi 3
  • Mohammad Amin Nematollahi 4
1 Shiraz University
2 Shiraz University
3 Shiraz University
4 Shiraz University
چکیده [English]

In this paper, the simulation of green peas drying process in a hot air-Infrared dryer was carried out using two- dimensional finite element method. For this purpose, the mass transfer governing equation with initial and boundary conditions were derived. The system of first order differential equations were developed by using finite element method with Galerkin approach. To simulate drying process and solve the differential equations, a Matlab program code was developed. The drying simulation process was performed with combinations of four infrared power densities (0, 2000, 4000, and 6000 W.m-2), three levels of drying air temperatures (30, 40, and 50 ℃) and three levels of drying air flow rate (0.5, 1.0, and 1.5 m.s-1). Finally, in order to validate the developed model, the simulation results were compared with experimental data resulted by a hot air-Infrared dryer. The minimum, maximum and average relative errors between experimental and predicted data by finite element method simulation were 2.21%, 3.77%, and 2.50%, respectively. The model has reasonable accuracy and high efficiency for predicting the moisture content variation of green peas during drying process and can provide more information on the moisture transfer without running any experiments, so that it can be useful for designing dryers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Green Peas
  • Hot Air-Infrared Dryer
  • Mass transfer equation
  • finite element method
Apinyavisit, K., Nathakaranakule, A., Mittal, G. S. & Soponronnarit, S. (2018). Heat and mass transfer properties of longan shrinking from a spherical to an irregular shape during drying. Biosystems Engineering, 169, 11-21.

Barzegar, M., Zare, D. & Stroshine, R.L. (2015). An integrated energy and quality approach to optimization of green peas drying in a hot air infrared-assisted vibratory bed dryer. Journal of Food Engineering, 166: 302-315.

Beigi, M. (2017). Numerical simulation of potato slices drying using a two-dimensional finite element model. Chemical Industry & Chemical Engineering Quarterly, 23 (3), 431-440.

Brooker, D. B., Bakker-Arkema, F. W. & Hall, C. W. (1992). Drying and storage of grains and oilseeds. New York, USA: Van Nostrand Reinhold.

Crank, J. (1975). The mathematics of diffusion (6th ed.). London: Oxford.

Eckert, E. R. G. & Drake. R. M. (1987). Analysis of heat and mass transfer. New York, USA: Hemisphere Publishing Corporation.

Castroa, A. M., Mayorgab, E.Y. & Morenoc, F.L. (2019). Mathematical modelling of convective drying of feijoa (Acca sellowiana Berg) slices. Journal of Food Engineering, 252, 44-52.

Eshtiagh, A., 2013. Modeling and validation of green peas drying process in a hot-air infrared dryer, Unpublished MS Thesis, Shiraz University, Shiraz, Iran.

Eshtiagh, A. & Zare, D. (2015). Modeling of thin layer hot air-infrared drying of green peas. D. Modeling of Thin Layer Hot Air-Infrared Drying of Green Pea. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 23(4), 246-258.

Haghigh, K. & Segerlind, L. J. (1988). Modeling Simultaneous Heat and Mass Transfer in an Isotropic Sphere-A Finite Element Approach. Transactions of the ASAE, 31(2), 629-637.

Janjai, S., Lamlert, N., Intawee, P., Mahayothee, B., Haewsungcharern, M., Bala, B. K., Nagle, M., Lies, H. & Muller, J. (2008b). Finite element simulation of drying of longan fruit. Drying Technology, 26, 666–674.

Janjai, S., Lamlert, N., Intawee, P., Mahayothee, B., Haewsungcharern, M., Bala, B. K., Nagle, M., Lies, H. & Muller, J. (2008a). Finite element simulation of drying of mango. Biosystems Engineering, 99, 523-531.

Lomauro C. J., Bakshi, A. S. & Labuza, T. P. (1985). Moisture transfer properties of dry and semomoist foods. Journal of Food Science, 50, 397-400.

Nilnont W., Thepa S., Janjai S., Kasayapanand N., Thamrongmas C. & Bala, B. K., (2012). Finite element simulation for coffee (Coffea arabica) drying. Food and Bioproducts Processing, 90(2), 341-350.

Paitil, N. D. (1988). Evaluation of diffusion equation for simulating moisture movement within an individual grain kernel. Drying Technology, 6(1): 21–42.

Pala, M., Mahmutoglu, T. & Saygi, B. (1996). Effects of pretreatments on the quality of open-air and solar dried apricots. Molecular Nutrition & Food Research, 40, 137–141.

Pankaew, P., Janjai, S., Nilnont, W., Phusampao, C. & Bala, B. K. (2016). Moisture desorption isotherm, diffusivity and finite element simulation of drying of macadamia nut (Macadamia integrifolia). Food and Bioproducts Processing, 100, 16-24.

Pasban, P., Sadrnia, H., Mohebbi, M. & Shahidi, S. A. (2017). Spectral method for simulating 3D heat and mass transfer during drying of apple slices. Journal of Food Engineering, 212, 201-212.

Rafiee, S., Omid, M. & Yadollahinia, A. (2008). Finite element simulation of rough rice kernel (Oryza sativa L.) cv. Fajer drying. Chemical Product and Process Modeling, 3(1).125-134.

Rao, S. S. (2010). The finite element method in engineering. Burlington, USA: Elsevier.

Sarker, N. N., Kunze, O. R. & Strouboulis, T. (1996). Transient moisture gradient in rough rice mapped with finite element model and related to fissure after heated air drying. Transaction of the ASAE, 39, 625-631.

Sarker, N. N., Kunze, O. R. & Strouboulis, T. (1999). Finite element simulation of rough rice drying. Drying Technology, 12 (4), 761-775.

Tutuncu, A. M. & Labuza, T. P. (1996). Effect of geometry on the effective moisture transfer diffusion coefficient. Journal of Food Engineering, 30, 433-447.

Zare D., Minai S., Mohamad Zadeh M. & Khoshtaghaza M. H. (2006). Computer Simulation of Rough Rice Drying in a Batch Dryer. Energy Conversion and Management, 47, 3241-3254.

Zare D., Ranjbaran M., (2012). Simulation and validation of microwave-assisted fluidized bed drying of soybean. Drying Technology. An International Journal, 30, 236–247.