Tünel tipi kurutucuda kurutma performansını iyileştirmeye yönelik deneysel sayısal ve kontrol yöntemlerinin uygulanması
Application of experimental numerical and control methods to improve drying performance in tunnel type dryer
Yazar: MURAT ÇATALKAYA
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN ERDAL AKAY
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada tünel tipi gıda kurutucunun, kurutma performansını arttırmak, enerji tüketimini azaltmak için bazı tasarımsal değişiklikler ve bir kontrol strateji uygulanmıştır. Kurutma materyali olarak Kahramanmaraş yöresine özgü baharatlık yeşilbiberler kullanılmıştır. Kurutucunun hava akış kesiti için, dik ve trapez formda hava bariyerleri tasarlanmış ve kurutma performansına etkilerini incelemek için sayısal yöntemler uygulanmıştır. Hava bariyerlerinin, ürün yüzey sıcaklığına ve hava hızı değişimlerine etkileri HAD ile incelenmiş ve en etkili hava bariyerinin trapez tip olduğu belirlenmiştir. Her iki hava bariyerinin imalatı yapılarak, deneysel performansları incelenmiştir. Deneysel çalışmalar 50-60°C kurutma havası sıcaklığı ve 1-1,5 m/s hava hızı şartlarında gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar ile HAD analizi sonuçları arasında %8'den az sapma gerçekleşmiştir. Bariyersiz yapılan deneylerin kurutma süresine göre, trapez bariyerde 45%, dik bariyerde ile 20% azalma saptanmıştır. Enerji tüketimlerinde ise, trapez bariyerde 53,9%, dik bariyerde 37,4% düşüş sağlanmıştır. Deneylerde, nem içeriği (MC), nem oranı (MR), kurutma verimi (ɳd) ve konvektif ısı transfer katsayısı (hc) parametreleri, teorik hesaplamalar olarak, incelenmiştir. Çalışmanın kontrol uygulamalarında, sistem tanımlama yöntemleri kullanılarak, kurutma prosesinin matematiksel modeli elde edilmiştir. Modelleri oluşturmak ve doğruluğunu test etmek için sabit 50°C sıcaklıkta, 1,2-1,8 m/s hava hızı aralığında deneyler yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda elde edilen veriler yardımıyla sistemin transfer fonksiyonu, sistem tanımlama modelleri olan, ARX, ARMAX, BJ ve OE kullanılarak oluşturulmuştur. Modellerin doğruluğu, FİT, MSE, FPE, MAPE ve korelasyon doğrulama kriterleri kullanılarak belirlenmiştir. En yüksek FIT değerlerine sahip ARMAX %98,38 ve BJ %98,15 olarak bulunmuştur. Ayrıca BJ, ARX ve ARMAX modellerinin MAPE doğrulama değerleri ortalamaları sırasıyla %2,91, %8,08 ve %7,53 olarak belirlenmiştir. Doğrulama testleri sonucunda; BJ modeli, sistem dinamiği temsil eden en uygun model olarak seçilmiştir. Matlab programı ortamında, sistem kontrolü için ağırlık geri beslemeli, fan hızı kontrollü PID (oransal-integral-türevsel) kontrolör, blok diyagramı tasarlanmıştır. BJ transfer fonksiyonu bu blok diyagramına uygulanarak PID kontrol katsayıları bulunmuştur. Son adımda kontrolsüz deneyler, PID kontrol kullanılarak tekrar edilmiştir. Sistem PID kontrolu altında, 1,2 m/s, 1,4 m/s, 1,6 m/s ve 1,8 m/s sabit hava hızlarına göre, sırasıyla, 38,84%, 25,52%, 11,79% ve 2,1% oranlarında daha az enerji tüketmiştir.

Abstract:
In this study, some design changes and a control strategy were applied to increase the drying performance and reduce the energy consumption of the tunnel-type food dryer. Spicy green peppers specific to the Kahramanmaraş region were used as drying material. Vertical and trapezoidal air barriers were designed for the airflow cross-section of the dryer, and numerical methods were applied to examine their effects on drying performance. The effects of air barriers on product surface temperature and air velocity changes were examined with CFD, and it was determined that the most effective air barrier was the trapezoidal type. Both air barriers were manufactured, and their experimental performances were examined. Experimental studies were conducted under 50-60°C drying air temperature and 1-1.5 m/s air velocity conditions. There was less than a 8% deviation between the experimental and CFD analysis results. According to the drying time of the experiments conducted without a barrier, a 45% decrease was determined with the trapezoidal barrier and a 20% decrease with the vertical barrier. In terms of energy consumption, a decrease of 53,9% was achieved in the trapezoidal barrier and 37,4% in the vertical barrier. In the experiments, moisture content (MC), humidity ratio (MR), drying efficiency (ɳd), and convective heat transfer coefficient (hc) parameters were examined as theoretical calculations. In the control applications of the study, a mathematical model of the drying process was obtained using system identification methods. In order to create the models and test their accuracy, experiments were carried out at a constant temperature of 50°C and an air velocity range of 1,2-1,8 m/s. With the help of the data obtained from these experiments, the system's transfer function was created using the system identification models ARX, ARMAX, BJ, and OE. The accuracy of the models was determined using FIT, MSE, FPE, MAPE, and correlation validation criteria. ARMAX and BJ were found to have the highest FIT values of 98,38% and 98,15%. In addition, the average MAPE verification values of the BJ, ARX, and ARMAX models were determined as 2,91%, 8,08%, and 7,53%, respectively. As a result of the validation tests, the BJ model was selected as the most appropriate model representing the system dynamics. In the MATLAB program environment, a block diagram of a PID (proportional-integral-derivative) controller with weight feedback and fan speed control was designed for system control. PID control coefficients were found by applying the BJ transfer function to this block diagram. In the last step, uncontrolled experiments were repeated using PID control. Under system PID control, according to constant air velocities of 1,2 m/s, 1,4 m/s, 1,6 m/s, and 1,8 m/s, respectively, 38,84%, 25,52%, It consumed 11,79% and 2,1% less energy.