بررسی مصرف انرژی در فرایند خشک کردن به‌لیمو با استفاده از یک خشک‌کن جریان پیوسته مجهز به سامانه پیش گرمایش خورشیدی

یلدا آرائی، دانشجوی ارتباطات دانشگاه تهران، با این منتخب بیست و نهمین جشنواره پژوهش و فناوری دانشگاه تهران، در خصوص اهمیت و چیستی پایان‌نامه ایشان به گفت‌وگو نشسته است.
 

• مساله یا سوال اصلی رساله شما چیست و چه شد که این موضوع را انتخاب کردید؟

خشک کردن یکی از قدیمی‌ترین و گسترده‌ترین روش‌های شناخته شده جهت نگهداری غذا و گیاهان دارویی و از مهمترین فرآیندها برای حفظ کیفیت آن می‌باشد. خشک کردن یک راه عالی برای حفظ مواد غذایی و خشک‌کن‌های خورشیدی یک تکنولوژی مناسب، جهت نگهداری مواد غذایی برای یک جهان پایدار هستند. خشک کردن گیاهان دارویی در هوای آزاد در مقیاس بزرگ، دارای محدودیت‌هایی غیرقابل انکار هستند. از جمله این محدودیت‌ها می‌توان به هزینه کارگری، نیاز به مساحت زیاد، امکانپذیر نبودن کنترل فرآیند، امکان کاهش کیفیت در اثر فعل و انفعالات زیست شیمیایی و میکرو ارگانیسم‌ها، حمله حشرات و… اشاره کرد. در سال‌های اخیر، جهت استفاده از منبع رایگان و تجدید پذیر (خورشید) اقدام به ارائه راهکارهایی به منظور توسعه همه جانبه خشک‌کن‌های خورشیدی برای نگهداری محصولات کشاورزی و گیاهان دارویی شده است. به لیمو از جمله گیاهان دارویی دارای اسانس بوده که نگهداری و حفظ کیفیت آن اهمیت زیادی دارد. خشک کردن گیاهان دارویی از جمله فرآیندهایی می‌باشد که منجر به صرف هزینه‌های بالایی از انرژی و سوخت می‌شود. همچنین اگر این فرآیند به خوبی و در دما و شرایط مناسب انجام نشود، موجب افت کیفیت محصول شده و باعث کاهش خواص آن می‌شود. بنابراین خشک کردن باید به عنوان یک فرآیند مهم مورد بررسی قرار گیرد و در زمینه مصرف انرژی روش‌های نوین و بهینه‌ای به کار رود.
هدف از انجام پژوهش حاضر، به‌کارگیری روشی جدید به منظور افزایش یکنواختی و کیفیت محصول در فرآیند خشک کردن گیاه دارویی به‌لیمو است. هدف دیگر، استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر به منظور کاهش وابستگی به مصرف انرژی فسیلی در فرآیند خشک کردن گیاهان دارویی است و تعیین شرایط بهینه خشک شدن محصول در سامانه خشک کن پیشنهادی با توجه به دو پارامتر مهم در ارزیابی عملکرد سامانه‌های خشک کن یعنی میزان مصرف انرژی و مدت زمان خشک کردن است. در اکثر پژوهش‌های گذشته از گرم‌کن‌های خورشیدی و پنل‌های فوتوولتائیک به عنوان سامانه‌های پیش گرمایش برای خشک کردن محصولات مختلف کشاورزی استفاده شده است، اما در این پژوهش، با بکارگیری آبگرمکن خورشیدی در قالب یک سیکل بسته برای تأمین بخش پیش گرمایش، امکان نگهداری انرژی حرارتی درون سامانه برای مدت طولانی میسر می‌شود.
 

• مهم‌ترین نتایج حاصل از تحقیق شما چه بوده است؟

با توجه به محدودیت منابع سوخت فسیلی و نیز مشکلات متعددی که با استفاده از روش‌های معمول در فرآیند خشک شدن گیاهان دارویی مانند خشک شدن غیر یکنواخت محصول در خشک‌کن‌های ثابت و کابینتی وجود دارد، در این پژوهش یک خشک‌کن جریان پیوسته مجهز به سامانه پیش گرمایش خورشیدی برای خشک کردن به‌لیمو استفاده شد. در این نوع خشک‌کن‌، دو منبع انرژی خورشیدی و گاز طبیعی برای تهیه حرارت برای خشک کردن برگ‌ها استفاده شد. بنابراین هدف از این مطالعه ارزیابی مصرف انرژی در یک خشک‌کن جریان پیوسته مجهز به سامانه پیش گرمایش خورشیدی و بررسی رفتار خشک شدن برگ‌های به‌لیمو است. در نهایت، با توجه به مقدار مصرف انرژی، زمان خشک شدن و محتوای اسانس محصول، شرایط بهینه برای این سامانه خشک‌کن انتخاب می‌شود.
روش کار دستگاه نیز به این شکل است: در سامانه خشک‌کن مورد استفاده پژوهش حاضر، گرمای مورد نیاز برای جریان هوایی که به منظور خشک کردن محصول استفاده می‌شود، در فاز "پیش گرمایش" توسط آب گرم موجود در یک آبگرمکن خورشیدی ترموسیفونی با ظرفیت ۱۵۰ لیتر تأمین می‌شود. در فاز پیش گرمایش آبگرمکن گازی خاموش بوده و تأمین انرژی حرارتی مورد نیاز تنها توسط آبگرمکن خورشیدی انجام می‌شود. پس از آنکه دمای آب موجود در آبگرمکن خورشیدی به سطح مطلوب برای خشک کردن رسید، جریان آب گرم توسط یک پمپ از مخزن آبگرمکن خورشیدی به درون کویل گرمایشی منتقل می‌شود تا موجب گرمایش جریان هوای در حال ورود به خشک‌کن شود. در مواقعی که دمای هوای مورد نیاز برای خشک کردن محصول در فاز پیش گرمایش کمتر از سطح مورد نظر باشد، با به‌کارگیری حسگر دما در مسیر هوای ورودی به خشک‌کن محصول، این کاهش دما تشخیص داده می‌شود. در این شرایط پمپ آب مجدداً به کار می‌افتد و با به گردش در آوردن آب در سامانه موجب می‌شود تا آبِ گرم موجود در مخزن آبگرمکن خورشیدی جایگزین آبِ سرد موجود در مبدل حرارتی شود. در شرایطی که دمای کل آب موجود در مخزن آبگرمکن خورشیدی به سطحی برسد که قادر به تأمین گرمای مورد نیاز جهت انجام فرایند خشک کردن نباشد، آبگرمکن گازی وارد مدار گرمایش شده و انرژی گرمایی مورد نیاز را تا پایان فرایند خشک کردن فراهم خواهد نمود. هوای گرم شده از طریق یک دریچه ارتباطی واقع در زیر خشک کن جریان پیوسته از نوع تسمه‌ای، به درون محفظه خشک کردن محصول راه می‌یابد. در خشک‌کن‌های جریان پیوسته محصول پس از ورود از مخزن بالای خشک‌کن‌، بدون توقف و به طور مداوم تا رسیدن به قسمت پایین محفظه جریان می‌یابد، محصول به‌طور یکنواخت خشک شده و سپس از مخزن جمع آوری تخلیه می-گردد. سامانه خشک‌کن جریان پیوسته به گونه‌ای است که کمترین هزینه عملیاتی را در مقایسه با خشک‌کن ناپیوسته ارائه می‌دهد. علاوه بر این ظرفیت خشک‌کن‌های پیوسته در شرایط یکسان نسبت به خشک‌کن‌های ناپیوسته بسیار بیشتر است. برای تغییر دبی هوای ورودی به خشک کن از یک مبدل (اینورتر) فرکانسی دیجیتال به منظور تغییر سرعت دورانی فن سانتریفیوژ سامانه خشک‌کن استفاده خواهد شد. سپس با استفاده از یک دبی سنج دیجیتال، سرعت هوای فن سانتریفیوژ به منظور دستیابی به سطوح دبی مورد نظر تنظیم خواهد شد. همچنین به منظور دستیابی به سطوح دمایی مورد نظر، از یک حسگر دمای دیجیتال در ورودی خشک‌کن استفاده خواهد شد. بدین ترتیب که به محض رسیدن دمای هوای ورودی به سطح مورد نظر، منبع گرمایشی (آبگرمکن گازی یا آبگرمکن خورشیدی) از مدار گرمایشی حذف خواهند شد و در این حالت تنها فن سانتریفیوژ جریان هوای مورد نیاز را تأمین خواهد نمود. در صورت کاهش دما به پایین‌تر از سطوح مورد نظر، مجدداً منابع گرمایشی در مدار قرار خواهند گرفت.
 

• مهم‌ترین دستاوردهای تحقیق شما چیست و در کدام قسمت صنعت و یا حتی جامعه کاربرد دارد؟

به طور کلی، از مزایای به‌کارگیری سامانه پیشنهادی می‌توان به رایگان بودن بخشی از منابع انرژی مورد استفاده، قرار گرفتن آب گرم در سیکل بسته و قابلیت تأمین حرارت مورد نیاز سامانه به مدت طولانی، سازگاری سامانه پیش گرمایش خورشیدی با اهداف زیست محیطی، قابلیت حفظ حرارت در مخزن آبگرمکن خورشیدی، فراهم بودن شدت تابش مناسب در زمان کارکرد سامانه خشک‌کن‌، صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه‌های انرژی مصرفی، یکنواختی خشک شدن محصول به دلیل استفاده از سامانه خشک‌کن جریان پیوسته و مداوم اشاره نمود. یکی دیگر از مزایای استفاده از این سامانه، یکنواختی خشک کردن محصول به دلیل استفاده از یک سیستم خشک کردن جریان مداوم و تسمه نقاله‌ای است. محصول مورد نظر به منظور خشک کردن بر روی تسمه نقاله قرار می‌گیرد و به آرامی حرکت می‌کند و به طور یکنواخت توسط هوای گرم ورودی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. همچنین این نوع خشک‌کن موجب صرفه‌جویی در فضای محل خشک کردن محصولات می‌شود. ظرفیت خشک‌کن‌های پیوسته بسیار بیشتر از خشک‌کن‌های جدا کننده در شرایط مشابه است و معمولاً در فرایند خشک کردن کشاورزی استفاده می‌شود.
در این پژوهش یک خشک‌کن جریان پیوسته مجهز به سامانه پیش گرمایش خورشیدی برای خشک کردن برگ‌های به‌لیمو به کار گرفته شد. بکارگیری یک آبگرمکن خورشیدی به عنوان پیش گرمایش خورشیدی در یک سیکل بسته، باعث حفظ انرژی گرمایی در کل سامانه برای مدت طولانی گردید. همچنین این سامانه توانایی فراهم کردن انرژی حرارتی لازم برای خشک کردن برگ‌های به‌لیمو را داشت که سرانجام باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی گردید. علاوه بر این استفاده از انرژی خورشیدی پاک برای خشک کردن محصول در این سامانه می‌تواند مصرف سوخت‌های فسیلی و آلودگی‌های بسیار ناشی از مصرف این سوخت‌ها را کاهش و قابلیت اطمینان و امنیت سامانه‌های انرژی را بهبود دهد. با توجه به نتایج، در حالت استفاده ترکیبی از آبگرمکن خورشیدی و گاز طبیعی در خشک‌کن‌، مصرف انرژی در دمای ۳۰ و ۴۰ درجه سانتیگراد و تمام سطوح سرعت هوا صفر بود و مصرف انرژی به طور قابل توجهی در حالت ترکیبی انرژی خورشیدی و گاز کاهش یافته است. همچنین، به منظور ارزیابی کیفیت محصول خشک شده، محتوای اسانس برگ به‌لیمو پس از خشک شدن به دست آمد. بالاترین مقدار اسانس در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد و سرعت هوای ۲ متر بر ثانیه با مقدار ۶۰/‏۰ درصد بدست آمد.
 

• آیا برای تداوم و پیگیری دستاورد پژوهش شما در آینده، به سرمایه‌گذار و حمایت سازمانی احتیاج است؟

هر طرح یا پروژه‌ای قطعاً برای عملی شدن به حمایت یک سرمایه‌گذار احتیاج دارد. چرا که هزینه‌ی تحقیقات بسیار بالا است و باید شخصاً پرداخت شود. البته بسیار مهم است که این حمایت به موقع و در وقت درست صورت بگیرد.
حمایت مالی دانشگاه‌ها و سازمان‌های مرتبط به منظور بررسی موارد دیگر در این خشک کن‌ها نیز بسیار مؤثر است. مثل تحلیل اکسرژی، در نظر گرفتن دماها و سرعت‌های هوای جدید برای خشک کردن در سامانه خشک‌کن جریان پیوسته، فرآیند خشک کردن در این سامانه با گیاه دارویی دیگری و اندازه‌گیری شاخص‌های کیفی محصول بعد از خشک شدن در دماها و سرعت‌های مختلف خشک‌کن توسط روش پردازش تصویر می‌باشد، که همه این کارها نیازمند حمایت بیشتر برای خرید دستگاه‌های لازم مثل سنسورها و … و محصول موردنیاز برای خشک کردن و بسیاری از موارد دیگر می‌باشد که به دلیل کمبود بودجه دانشگاه امکان اجرایی شدن این طرح وجود نداشت.