توصيفگر ها :
آباكوس , حلاليت , خشك كردن پاششي , روش تحليلي , روش عددي , فراصوت , هورن پلهاي
چكيده فارسي :
فناوري خشك كردن پاششي به عنوان يك روش مؤثر براي افزايش ماندگاري و حفظ ارزش تغذيهاي شير كه يك ماده غذايي پرمصرف در سطح جهاني است، همواره مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. دراين زمينه دستيابي به يكنواختي اندازه ذرات، بازده انرژي و ويژگيهاي كيفيتي پودر شير خشك از اهميت خاصي برخوردار است، كاربرد امواج فراصوت موجب بهبود يكنواختي و كارايي در فرآيند پاشش مي شود. هورن، به عنوان يك جزء كليدي در سيستم توليد امواج فراصوت، وظيفه انتقال و تقويت دامنه ارتعاشات توليد شده توسط ترانسديوسر را بر عهده دارد و طراحي بهينه آن تأثير مستقيمي بر عملكرد كلي سيستم دارد. در اين پژوهش، ابتدا به طراحي و ارزيابي عملكرد يك هورن فراصوت پلهاي با هدف دستيابي به شرايط بهينه انتقال توان ارتعاشي در فركانس و دامنه مورد نظر پرداخته شد. اين طراحي، در مقايسه با مطالعات پيشين، به عنوان يك نوآوري كاربردي در حوزه توليد شير خشك مطرح است كه ميتواند مسير بهينهتري براي فرآوريهاي آينده فراهم سازد. فرآيند طراحي با رويكرد تحليلي در نرمافزار متلب صورت پذيرفت و به منظور اعتبارسنجي و تحليل دقيقتر، با بهرهگيري از روش اجزاء محدود در نرمافزار آباكوس مورد ارزيابي عددي قرار گرفت و در نهايت هورن طراحي شده ساخته شد. سپس، عملكرد نازل فراصوت طراحي شده در دماهاي هواي ورودي 90 و 110 درجه سلسيوس با عملكرد نازل پنوماتيكي موجود در دستگاه خشككن پاششي صنعتي مدل U07 مورد مقايسه قرار گرفت. آزمايشها با استفاده از طرح فاكتوريل كاملاً تصادفي با 4 تيمار و در 2 تكرار انجام شد. به منظور ارزيابي كيفيت پودر شير توليد شده با هر دو نوع اتومايزر، پارامترهاي فيزيكوشيميايي شامل چگالي ظاهري پودر، مقدار مواد جامد محلول كل، قابليت حلاليت، درصد رطوبت نهايي و توزيع اندازه ذرات مورد سنجش و ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه نازل فراصوت با فركانس كاري 46 كيلوهرتز با جنس آلومينيوم 7075 نسبت به نازل پنوماتيكي، عملكرد بهتري در بهبود ويژگيهاي فيزيكي و كيفي پودر شير خشك دارد. در شرايط آزمون، مقدار رطوبت نهايي در نمونههاي حاصل از نازل فراصوت در دماي 90 و 110 درجه سلسيوس به ترتيب 5/6 درصد و 5 درصد ثبت شد كه در مقايسه با نازل پنوماتيكي كاهش بيشتري را نشان داد، هرچند اين اختلاف از نظر آماري معنادار نبود. در مقابل، مقدار مواد جامد محلول كل در نازل فراصوت بهطور معناداري بيشتر بود (در دماي 90 درجه سلسيوس 05/12 درصد و در دماي 110 درجه سلسيوس 15/14 درصد)كه نشاندهنده بهبود انتقال جرم و كاهش تجمع ذرات در فرآيند خشككردن است. نتايج تحليل واريانس نيز نشان داد كه اثر نوع نازل بر چگالي ظاهري پودر معنادار است، اما دما و اثر متقابل آن با نوع نازل تأثير معناداري ندارد. حلاليت و اندازه قطر ذرات نيز تحت تأثير معنادار نوع نازل و دما قرار داشتند، اما اثر متقابل آنها معنادار نبود. نازل فراصوت به دليل ايجاد اتميسازي يكنواختتر و كنترل دقيقتر قطرات، ذراتي با اندازه كوچكتر و ساختاري يكنواختتر توليد كرد. تحليل تنشهاي مكانيكي وارد بر هورن فراصوت نيز نشان داد كه بيشينه تنش در ناحيه استوانهاي با قطر بيشتر متمركز شده و در ناحيه با قطر كمتر كاهش يافته است كه اين توزيع تنش منجر به افزايش پايداري ساختاري در فرآيند اتميسازي ميشود. در مجموع، نازل فراصوت عملكرد بهتري در يكنواختي توزيع اندازه ذرات، بهبود كيفيت نهايي پودر شير و افزايش بهرهوري فرآيند خشككردن پاششي نشان داد.
چكيده انگليسي :
Spray drying technology has long attracted the attention of researchers as an effective method for increasing the shelf life and maintaining the nutritional value of milk, one of the most widely consumed food worldwide. In this context, achieving uniformity of particle size, energy efficiency, and quality characteristics of powdered milk is of particular importance. The use of ultrasound waves improves uniformity and efficiency in the spraying process. The horn, as a key component in the ultrasonic wave generation system, is responsible for transmitting and amplifying the amplitude of vibrations produced by the transducer, and its optimal design has a direct impact on the overall performance of the system. In this study, first, the design and performance evaluation of a stepped ultrasonic horn were addressed with the aim of achieving optimal conditions for transmitting vibration power at the desired frequency and amplitude. Compared to previous studies, this design is considered as an applied innovation in the field of powdered milk production that can provide a more optimal path for future processes. The design process was carried out with an analytical approach in MATLAB software and, for more accurate validation and analysis, it was numerically evaluated using the finite element method in ABAQUS software and finally the designed horn was manufactured. Then, the performance of the designed ultrasonic nozzle at inlet air temperatures of 90 and 110 degrees Celsius was compared with the performance of the pneumatic nozzle in the U07 industrial spray dryer. The experiments were conducted using a completely randomized factorial design with 4 treatments and 2 replications. In order to evaluate the quality of milk powder produced with both types of atomizers, physicochemical parameters including powder bulk density, total dissolved solids, solubility, final moisture content and particle size distribution were measured and evaluated. The results showed that the ultrasonic nozzle with an operating frequency of 46 kHz and made of 7075 aluminum had a better performance in improving the physical and qualitative properties of milk powder compared to the pneumatic nozzle. Under the test conditions, the final moisture content of the samples obtained from the ultrasonic nozzle at 90 and 110 degrees Celsius was recorded as 6.5% and 5%, respectively, which showed a greater reduction compared to the pneumatic nozzle, although this difference was not statistically significant. In contrast, the total dissolved solids content was significantly higher in the ultrasonic nozzle (12.05% at 90 degrees Celsius and 14.15% at 110 degrees Celsius), indicating improved mass transfer and reduced particle aggregation during the drying process. The results of the analysis of variance also showed that the effect of nozzle type on the bulk density of the powder was significant, but temperature and its interaction with nozzle type did not have a significant effect. The solubility and particle diameter were also significantly affected by nozzle type and temperature, but their interaction was not significant. The ultrasonic nozzle produced particles with smaller size and more uniform structure due to more uniform atomization and more precise control of droplets. Analysis of mechanical stresses applied to the ultrasonic horn also showed that the maximum stress was concentrated in the cylindrical region with a larger diameter and decreased in the region with a smaller diameter, which resulted in increased structural stability in the atomization process. Overall, the ultrasonic nozzle showed better performance in uniform particle size distribution, improved final milk powder quality, and increased spray drying process efficiency.