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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Agrartechnik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2016072750594

Title: Design and development of a diagonal-airflow batch dryer for spatial drying homogeneity
Authors: Amjad, Waseem
???metadata.dc.subject.swd???: LebensmitteltrocknungLuftstromThermoanalyse
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 27-Jul-2016
Series/Report no.: Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG)562
Abstract: Das Verfahren der Lebensmitteltrocknung wird häufig angewendet, um ein Produkt für längere Zeit haltbar zu machen. Obst und Gemüse sind aufgrund ihres hohen Wassergehalts leicht verderblich durch biochemische Vorgänge innerhalb des Produktes, nicht sachgemäße Lagerung und unzureichende Transportmöglichkeiten. Um solche Verluste zu vermeiden wird die direkte Trocknung eingesetzt, welche die älteste Methode zum langfristigen haltbarmachen ist. Diese Methode ist jedoch veraltet und kann den heutigen Herausforderungen nicht gerecht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Chargentrockner, mit diagonalem Luftstömungskanal entlang der Länge des Trocknungsraumes und ohne Leitbleche entwickelt. Neben dem unbestreitbaren Nutzen der Verwendung von Leitblechen, erhöhen diese jedoch die Konstruktionskosten und führen auch zu einer Erhöhung des Druckverlustes. Dadurch wird im Trocknungsprozess mehr Energie verbraucht. Um eine räumlich gleichmäßige Trocknung ohne Leitbleche zu erreichen, wurden die Lebensmittelbehälter diagonal entlang der Länge des Trockners platziert. Das vorrangige Ziel des diagonalen Kanals war, die einströmende, warme Luft gleichmäßig auf das gesamte Produkt auszurichten. Die Simulation des Luftstroms wurde mit ANSYS-Fluent in der ANSYS Workbench Plattform durchgeführt. Zwei verschiedene Geometrien der Trocknungskammer, diagonal und nicht diagonal, wurden modelliert und die Ergebnisse für eine gleichmäßige Luftverteilung aus dem diagonalen Luftströmungsdesign erhalten. Es wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um das Design zu bewerten. Kartoffelscheiben dienten als Trocknungsgut. Die statistischen Ergebnisse zeigen einen guten Korrelationskoeffizienten für die Luftstromverteilung (87,09%) zwischen dem durchschnittlich vorhergesagten und der durchschnittlichen gemessenen Strömungsgeschwindigkeit. Um den Effekt der gleichmäßigen Luftverteilung auf die Veränderung der Qualität zu bewerten, wurde die Farbe des Produktes, entlang der gesamten Länge der Trocknungskammer kontaktfrei im on-line-Verfahren bestimmt. Zu diesem Zweck wurde eine Imaging-Box, bestehend aus Kamera und Beleuchtung entwickelt. Räumliche Unterschiede dieses Qualitätsparameters wurden als Kriterium gewählt, um die gleichmäßige Trocknungsqualität in der Trocknungskammer zu bewerten. Entscheidend beim Lebensmittel-Chargentrockner ist sein Energieverbrauch. Dafür wurden thermodynamische Analysen des Trockners durchgeführt. Die Energieeffizienz des Systems wurde unter den gewählten Trocknungsbedingungen mit 50,16% kalkuliert. Die durchschnittlich genutzten Energie in Form von Elektrizität zur Herstellung von 1kg getrockneter Kartoffeln wurde mit weniger als 16,24 MJ/kg und weniger als 4,78 MJ/kg Wasser zum verdampfen bei einer sehr hohen Temperatur von jeweils 65°C und Scheibendicken von 5mm kalkuliert. Die Energie- und Exergieanalysen für diagonale Chargentrockner wurden zudem mit denen anderer Chargentrockner verglichen. Die Auswahl von Trocknungstemperatur, Massenflussrate der Trocknungsluft, Trocknerkapazität und Heiztyp sind die wichtigen Parameter zur Bewertung der genutzten Energie von Chargentrocknern. Die Entwicklung des diagonalen Chargentrockners ist eine nützliche und effektive Möglichkeit um dei Trocknungshomogenität zu erhöhen. Das Design erlaubt es, das gesamte Produkt in der Trocknungskammer gleichmäßigen Luftverhältnissen auszusetzen, statt die Luft von einer Horde zur nächsten zu leiten.The process of food drying is widely applied to make the product more stable especially for fruits and vegetables which are highly perishable. In order to meet the quality standard lot of developments were made in food drying sector and most of them are indirect type. Batch type convective dryers are common and easy to use due to simple design configuration. But problem of uneven air distribution encounter in most batch type drying systems. Non-uniform air distribution causes non-uniformity in air velocity and drying temperature which translates into drying heterogeneity in the dryer. In this study a new batch type dryer named “diagonal-batch dryer” has been developed with diagonal airflow channel without baffle plates. Apart of the benefits to use air guiders, they cause not only increase in dryer construction cost but also results in velocity pressure drop. So, more energy is consumed in the drying process. In order to get spatial uniform drying without air guiders, the food buckets were arranged diagonally along with the length of dryer. The main purpose of diagonal channel was to expose the entire product uniformly to the incoming hot air. The airflow simulation was carried out using ANSYS-Fluent. Potato slices were used as drying material to conduct drying experiments. The measured span of moisture content among the food buckets was found low at a given drying time showing the occurrence of spatial drying homogeneity. The statistical analysis showed good correlation coefficient (correlation coefficient of 87.09%) for airflow distribution between the average predicted and the average experimental measured velocity. The colour of the product was measured non-destructively to develop relationship between drying quality and drying homogeneity. An imaging box was developed for this purpose comprising a camera and lights. Spatial variations of this quality parameter were selected as criteria to assess the uniform quality drying throughout the dryer’s chamber. The change in values of total colour difference of potato slices at all sections of the drying chamber were found similar which ascertain the fact of uniform temperature availability throughout the drying chamber. Thermodynamic analysis of the dryer was performed. The energy efficiency of the system was calculated 50.16% within the applied drying conditions and the average amount of energy used in the form of electricity to produce one kilogram of dried potato samples (SPE) and to evaporate one kilogram of water (SEE) were calculated to be lower 16.24MJ/kg and 4.78MJ/kg respectively at high temperature of 65oC and sample thickness of 5mm. The main component for improving the system efficiency was found to be the fan-heater combination based on exergy analysis, possessing low exergy efficiency of 46.43-52.11%, high improvement potential rate (IP) of 2.53-2.55 and high exergetic factor (f) of values 54.26-54.40% under the used drying conditions. The energy and exerggy analyses for diagonal batch dryer were also compared with other reported batch tray dryers. The comparison revealed that the diagonal batch dryer gave good results of energy and exergy analyses. It was because of drying uniformity obtained with uniform airflow distribution. Mathematical drying model was developed to describe the drying kinetics of the product and the dynamics of the dryer. The development of diagonal-batch dryer provides a useful and an effective way to get possibility for spatial drying homogeneity. This design is able to expose the entire product to air uniformly in the drying chamber rather to pass the air from one food tray to the next.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2016072750594
ISSN: 0931-6264
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