19176

2156 دكتري

دكتري

طراحي و ساخت

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1402

سيزده، 108ص.: مصور، جدول، نمودار

1402/11/04

كتابنامه

مهندسي مكانيك بيوسيستم

مهندسي كشاورزي

1402/11/04

23008149

حين خشك‌شدن شلتوك با توجه به تغييرات دما و محتواي رطوبتي، نشاسته برنج خواص فيزيكي و حرارتي متفاوتي از خود نشان مي‌دهد و مي‌تواند از حالت لاستيكي به شيشه‌اي و برعكس تغيير يابد. اين تغييرات تأثير قابل توجهي بر ترك‌خوردگي و شكست دانه در مراحل بعدي تبديل دارد. خشك‌كردن متناوب يك روش مؤثر براي غلبه بر اين مشكل است. تعيين فراسنجه‌هاي عملياتي روش خشك‌كردن متناوب شامل تعداد مراحل خشك‌كردن و استراحت‌دهي، دما و مدت هر مرحله از انجام عمليات خشك‌كردن يا استراحت‌دهي بسيار حائز اهميت است. به علت تعدد سطوح اين فراسنجه‌ها، تعيين مقاديرشان با روش‌هاي آزمايشگاهي بسيار زمان‌بر و پر‌هزينه است. با در نظر گرفتن مفهوم گذار شيشه‌اي و رفتار لايه‌ها، مي‌توان فرآيند خشك‌كردن و استراحت‌دهي را به گونه‌اي كنترل و بهينه‌سازي كرد كه در كمترين مدت و با كمترين مصرف انرژي فرآيند خشك‌شدن انجام شده و از افت كيفي محصول و ايجاد ترك‌هاي اوليه حين خشك‌شدن جلوگيري كرد. هدف از انجام اين مطالعه تعيين مقادير بهينه فراسنجه‌هاي عملياتي روش خشك‌كردن متناوب با استفاده از رويكرد شبيه‌سازي و محاسبات عددي بود. به طوري كه بتوان ديناميك رفتار لايه‌هاي مختلف را بررسي كرد. بدين منظور، يك مدل رياضي براي شبيه‌سازي فرآيند خشك‌كردن متناوب برنج و پيش‌بيني مقادير وابسته بر پايه روش المان محدود در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics و با در نظر گرفتن مفهوم گذار شيشه‌اي توسعه داده شد. در اين مدل از هندسه سه‌بعدي واقعي دانه برنج براي شبيه‌سازي استفاده شد. به منظور تعيين ضرايب مورد نياز شبيه‌سازي و اعتبارسنجي مدل، آزمايش‌هاي خشك‌كردن پيوسته و متناوب در دماهاي 40، 50، 60 و 70 درجه سلسيوس انجام شد. بين نتايج سينتيك ميانگين محتواي رطوبتي حاصل از آزمايش‌هاي خشك‌كردن و مقادير حاصل از شبيه‌سازي، ضريب همبستگي در حدود 99 درصد مشاهده شد. با توجه به پديده گذار شيشه‌اي، يك تابع حالت كمي براي تعيين تغييرات حالت لايه‌هاي مختلف دانه برنج در هر زمان تعريف شد. همچنين توزيع مكاني و زماني دما و محتواي رطوبتي درون دانه برنج شبيه‌سازي شد. در مرحله بعدي، يك الگوريتم بهينه‌سازي با هدف خشك‌كردن برنج در ناحيه لاستيكي، جلوگيري از گسترش گراديان‌هاي محتواي رطوبتي و خشك‌كردن در كمترين مدت و با كمترين مصرف انرژي در نرم‌افزار Matlab طراحي و پياده‌سازي شد. با جفت كردن اين الگوريتم به مدل توسعه يافته، مقادير بهينه تعداد مراحل، مدت خشك‌كردن و مدت استراحت‌دهي در هر مرحله از انجام فرآيند خشك‌كردن تعيين و محاسبه شد. به علاوه، مقادير مصرف انرژي در هر شرايط خشك‌كردن، با توجه به مدت‌هاي تعيين شده مراحل خشك‌كردن تخمين زده شد. نتايج نشان داد كه با افزايش دماي خشك‌كردن، تعداد مراحل خشك‌كردن كاهش يافت. در دماهاي 40 و 50 درجه سلسيوس، خشك‌كردن در مرحله سوم باعث قرارگيري لايه‌هاي سطحي و مياني در حالت شيشه‌اي شد كه احتمال ترك‌خوردگي را افزايش مي‌دهد. در حالي كه خشك‌كردن در دماهاي 60 و 70 درجه سلسيوس به طور كامل در ناحيه لاستيكي انجام شد. حداكثر گراديان محتواي رطوبتي ايجادشده برابر با 3/11 درصد بر پايه خشك در دماي 70 درجه سلسيوس و حداقل اين مقدار برابر با 9/6 درصد بر پايه خشك در دماي 40 درجه سلسيوس مشاهده شد. همچنين درصد مساحت ناحيه لاستيكي در پايان فرآيند خشك‌كردن در دماهاي 40، 50، 60 و 70 درجه سلسيوس به ترتيب برابر با 0، 2/9، 3/66 و 85 درصد به دست آمد. در مجموع، نتايج حاصل از بهينه‌سازي نشان داد كه خشك‌كردن به روش متناوب دومرحله‌اي در دماي 60 درجه سلسيوس (مرحله اول خشك‌كردن به مدت 43 دقيقه، مرحله اول استراحت‌دهي به مدت 167 دقيقه، مرحله دوم خشك‌كردن به مدت 8 دقيقه و مرحله دوم استراحت‌دهي به مدت 129 دقيقه)، بهترين عملكرد را از نظر تغييرات حالت، گراديان‌هاي محتواي رطوبتي، مدت كل خشك‌كردن و مصرف انرژي به دنبال داشت.

During the drying of paddy, according to the changes in temperature and moisture content, rice starch shows different physical and thermal properties and can change from rubbery state to glassy state and vice versa. These changes have a significant effect on cracking and breakage in the next milling stages. Intermittent drying is an approach to overcome this issue. The operating parameters of the intermittent drying method are very important. Determining these parameters by laboratory methods is very time-consuming and costly due to the many levels existed for them. Through considering the glass transition concept and the behavior of the rice layers, drying process could be controlled and optimized in such a way that the process is done at the least duration and energy consumption. This also helps to prevent from the qualitative production loss and the creation of initial cracks during drying. The purpose of this study was to determine the optimal operating parameters of the intermittent drying method using simulation and numerical modeling. So that, the dynamic behaviors of different layers could be investigated. To do this, a new mathematical model for simulating and prediction the intermittent drying process of rice was developed in COMSOL Multiphysics based on the finite element method, and taking the concept of glass transition into account. In this model, the real 3D body fitted geometry of rice grain was used for simulation. In order to determine the required coefficients in the simulation and validation of the model, continuous and intermittent drying experiments were performed at temperatures of 40, 50, 60, and 70ºC. A correlation coefficient of 99% was observed between the experimental and simulated results for the kinetics of the average moisture content. According to the glass transition concept, a quantitative function state (S function) was defined to determine the state change of different layers of rice grain at each time. In addition, the spatial and temporal temperature and moisture content distribution inside the rice kernel were simulated. In the next step, with the aim of performing the drying operation within the rubbery state, preventing the growth of thermal and moisture content gradients, and minimizing the duration and energy consumption, an optimization controller algorithm was designed and implemented in Matlab software. By coupling this algorithm to the developed model, the optimal values of the number of stages, and drying and tempering duration at each stage were determined and calculated. Furthermore, the energy consumption under each drying condition was determined according to the calculated drying durations. The results showed that with increasing drying temperature, the number of drying stages decreased. Also, with an increase in the drying temperature, the total duration of the operation decreased considerably. Under drying conditions at 40 and 50ºC, drying in the third stage caused the surface and middle layers transit into the glassy state, which could lead the possibility of cracking. However, at the temperature of 60 and 70ºC, the drying was completely done in the rubbery state. The maximum and minimum amount of moisture content gradients (MCGs) were equal to be 11.3% d.b. and 6.9% d.b. at temperatures of 70 and 40ºC, respectively. The percentage of the rubbery state area at the end of the drying process was also determined to be 0%, 9.2%, 66.3%, and 85% at temperatures of 40, 50, 60, and 70ºC, respectively. Finally, comparison of the optimization results revealed that a two-stage intermittent drying method at 60ºC including the first drying stage for 43 min, the first tempering stage for 167 min, the second drying stage for 8 min, and the second tempering stage for 129 min, will result in the best performance in terms of the state changes, total drying duration, moisture content gradient, and energy consumption.

مرتضي صادقي

احمد ميره اي , علي رئيسي

امين اله معصومي , ميلاد فتحي , بهرام حسين زاده ساماني