Ανάπτυξη και ενεργειακή βελτιστοποίηση αυτόνομου ξηραντηρίου γεωργικών προϊόντων με χρήση ηλιακής ενέργειας

Abstract

The present PhD thesis belongs to the scientific field of the Solar-Assisted Mechanical Drying and focuses on Convective Drying processes. The interest was on the theoretical and experimental study of an agricultural product-dryer which is partly driven by Solar Energy. In the frame of the present investigation emphasis was given on the physical phenomena developing in the drying chamber while the energy source (solar collector) was considered as given. The main scope of the theoretical study was the numerical simulation of the flow and heat/mass transfer during drying in order to investigate the mechanisms by which the flow phenomena affect the drying process. A Luikov-type diffusion model was developed for the solid product combined with a flow solver for the air flow based on the finite volumemethod. The model allowed the choice of solving either within the solid only or within both solid and fluid. In the latter case the solution is Conjugate and is particularly suited for time-dependent flows and for natural convection (passive) dryers. Initially for the numerical simulation a configuration based on the actual experimental setup was formed. The air flow around a drying body (rectangular cylinder) placed at the center of the chamber and the manner in which flow phenomena such as separation zones blockage etc. influence the transport coefficients was studied. It was also investigated whether the suppression ofseparation zones by adding a flow divider upstream of the body influences these phenomena in favor of the drying rate or not. Subsequently and due to the fact that in real-scale industrial dryers more than one trays with the product are stacked inside the investigation was extended by considering the interaction between two bodies (blunt plates) placed at alternative relative positions in the chamber. The configurations were compared in terms of flow and heat/mass transfer phenomena. In addition measurements were taken in an experimental solar dryer (driven by an air collector with evacuated tubes) for drying of several agricultural products whereby quantities such as diffusion coefficients drying rates pick-up efficiency were determined composing thus a complete picture of the drying processes. The analysis and results of the present thesis may become valuable in the design optimization of a drying chamber e.g. by ensuring favorable aerodynamic conditions during the dryer operation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο επιστημονικό πεδίο των τεχνολογιών της Ηλιακά Υποβοηθούμενης Μηχανικής Ξήρανσης και επικεντρώνεται ειδικότερα σε διεργασίες Ξήρανσης με Συναγωγή. Το ενδιαφέρον εστιάστηκε στη θεωρητική και πειραματική διερεύνηση ενός ξηραντηρίου γεωργικών προϊόντων το οποίο λειτουργεί με χρήση της Ηλιακής Ενέργειας. Στα πλαίσια της παρούσας διερεύνησης, έμφαση δόθηκε στα φυσικά φαινόμενα που αναπτύσσονται στον θάλαμο ξήρανσης ενώ η πηγή ενέργειας (ηλιακός συλλέκτης) θεωρήθηκε δεδομένη. Κύριο αντικείμενο της θεωρητικής μελέτης ήταν η αριθμητική προσομοίωση της ροής και της μεταφοράς θερμότητας/μάζας κατά την ξήρανση με στόχο να διερευνηθεί το πως τα ροϊκά φαινόμενα επιδρούν σε αυτή. Αναπτύχθηκε ένα συνδυασμένο μοντέλο διάχυσης τύπου Luikov για το προς ξήρανση στέρεο προϊόν με επιλυτή ροής για τον αέρα με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Στο μοντέλο υπάρχει επιλογή επίλυσης μονό στο στέρεο η σε στέρεο και ρευστό. Στη 2η περίπτωση η επίλυση είναι Συζευγμένη προσέγγιση που ενδείκνυται ιδιαίτερα για χρονικά μεταβαλλόμενες ροές και για ηλιακά ξηραντήρια φυσικής συναγωγής. Για την υπολογιστική διερεύνηση αρχικά διαμορφώθηκε μια διάταξη βασισμένη στην πειραματική εγκατάσταση. Μελετήθηκε η περίπτωση ροής αέρα γύρω από ένα προς ξήρανση σώμα (ορθογωνική πλάκα) στο κέντρο του θαλάμου και το πως ροϊκά φαινόμενα όπως ζώνες αποκόλλησης παρεμπόδιση της ροής επηρεάζουν τους συντελεστές μεταφοράς. Διερευνήθηκε επίσης κατά ποσό ο περιορισμός των ζωνών αποκόλλησης με προσθήκη διαχωριστή ροής στην είσοδο του θαλάμου επηρεάζει αυτά τα ροϊκά φαινόμενα προς όφελος ή όχι της ξήρανσης. Στη συνέχεια καθώς σε πραγματικής κλίμακας ξηραντήρια τοποθετούνται περισσότερα του ενός ράφια με το προϊόν η διερεύνηση επεκτάθηκε θεωρώντας δύο σώματα (πλάκες) μέσα στον θάλαμο και έγινε διερεύνηση της αλληλεπίδρασής τους σε εναλλακτικές σχετικές θέσεις ως προς τα ροϊκά φαινόμενα και τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας/μάζας κατά την ξήρανση. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε πειραματικό ηλιακό ξηραντήριο (πηγή ενέργειας συλλέκτης αέρα με σωλήνες κενού) κατά την ξήρανση γεωργικών προϊόντων και προσδιορίστηκαν μεγέθη όπως συντελεστές διάχυσης ρυθμός ξήρανσης συντελεστές απόδοσης συνθέτοντας μια συνολικήεικόνα της διεργασίας της ξήρανσης. Τα ευρήματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συμβάλουν στη διαδικασία βελτιστοποίησης του σχεδιασμού ενός θαλάμου ξήρανσης π.χ. μέσω διασφάλισης ευνοϊκών αεροδυναμικών συνθηκών κατά τη λειτουργία του ξηραντηρίου.