Sebze yüklü soğutulan bir hacim içerisinde doğal taşınım ile ısı-kütle transferinin ilgili gıda kalite parametreleri ile birlikte incelenmesi
Investigation of natural convection parameters regarding heat and mass transfer in a refrigerated space with food load, and association with the food quality
Yazar: IŞIL USLU
Danışman: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Tez çalışması kapsamında, farklı sebze grupları için saklama koşullarına ilişkin fiziksel parametrelerin doğal taşınım ile ısı-kütle transferine etkisi irdelenmiş ve fiziksel parametreler ile gıda kalite parametreleri ilişkilendirilmiştir.
Sebzelik fiziksel modeli göz önünde bulundurulduğunda, sebzelikteki saklama koşullarını tayin eden, sebzelik tasarımına ilişkin başlıca fiziksel parametreler; saklama sıcaklığı, yüzeyler arası sıcaklık farkı, giriş hava hızı, gıda miktarı ve/veya konumu olarak belirlenmiştir. Sebzelik fiziksel modeli göz önünde bulundurularak belirlenen sebzelik tasarımına ilişkin fiziksel parametrelerin bağımsız değişkenler olarak kontrol edilebileceği bir parametrik deney düzeneği kurulmuştur. Deneysel çalışmaların gerçekleştirildiği gıdalar; neme duyarlı sebzeler, düşük sıcaklıkta saklanması gereken sebzeler ve soğuk zararlanmasına duyarlı sebzeler olmak üzere üç ayrı grup altında incelenmiştir. Neme duyarlı sebzeler grubunu temsilen marul ile, düşük sıcaklıkta saklanması gereken sebzeler grubunu temsilen brokoli ile, soğuk zararlanmasına duyarlı sebzeler grubunu temsilen salatalık ile deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Tez kapsamında kurulan deney düzeneğinde, sıcaklık ve bağıl nem değerleri deneysel olarak ölçülmekte, deneysel verilerden yola çıkılarak, özgül nem, derişiklik değerleri ile ısı transferi ve kütle transferi Ra sayıları, ısı transfer katsayısı ve kütle transfer katsayısı, doğal taşınım korelasyonları kullanılarak hesaplanmaktadır. Fiziksel parametrelerin etkisi ile oluşan deneysel koşulların, hesaplanan büyüklüklere etkisi ve bu büyüklüklerin değişimleri verilmiştir. Sözkonusu fiziksel parametrelerin hesaplanan büyüklüklere etkisinin yanısıra gıda kalitesine etkisi de irdelenmiştir. Bu kapsamda, deneysel koşullar altında saklanan gıdalar ile gıda analizleri gerçekleştirilmiş ve fiziksel parametreler ile gıda kalite parametreleri ilişkilendirilmiştir.
Tez çalışmasının birinci bölümünde, soğukta saklanan gıdalardan soluma kaynaklı ısı transferi ile terleme kaynaklı kütle transferine ilişkin literatür incelemesine, doğal taşınım denklemleri, kapalı kavitede doğal taşınım ile ilgili gerçekleştirilen çalışmalara, problem geometrileri ve elde edilen korelasyonlara yer verilmiştir. Bununla birlikte, hesaplamalarda kullanılacak olan psikrometrik tanımlar ve bağıntılar da bulunmaktadır. Bu bölümde ayrıca, gıda kalite değerlendirmeleri kapsamında gerçekleştirilen çalışmalara da yer verilmiştir.
İkinci bölümde, deneysel çalışmalarda irdelenen fiziksel parametrelerin tanıtımı, deney düzeneği tasarımı, ölçüm ve veri toplama sistemi ile ölçüm elemanlarının kalibrasyon eğrileri ve belirsizlik hesaplaması yer almaktadır. 
Üçüncü ve son bölümde, deney sonuçları değerlendirme yöntemi matematiksel modeli, terleme katsayısı tespiti ile gıda yüklü deneysel çalışmaların sonuçları ve deneysel çalışma sonuçları kullanılarak hesaplanan büyüklükler, gıda cinsine göre gruplandırılarak verilmiştir. Deney sonuçları değerlendirilirken, deneysel olarak ölçülen büyüklüklerden yola çıkılarak hesaplamalar yapılmıştır. Nihai çıktılardan biri olan toplam kütle transfer katsayısının hesaplanmasında kullanılan gıda yüzey kütle geçiş katsayısı yardımcı deneysel çalışmalar kapsamında tespit edilmiştir. Gıda yüklü deneysel çalışmalar, gıda cinsine göre sırasıyla, salatalık, brokoli ve marul için gerçekleştirilmiştir. Her bir sebze grubu için, yüzeyler arası sıcaklık farkı ve giriş hava hızının etkisi ve marul için ayrıca yerleşim ve miktarın etkisi ısı-kütle transferi açısından irdelenmiştir. Son olarak, fiziksel parametreler sebze grupları özelinde gıda kalite parametleri ile birlikte incelenmiştir.

Abstract:
In this thesis, effects of physical parameters which are related with storage conditions for different vegetable groups to the heat and mass transfer with natural convection is examined and physical parameters and food quality parameters are associated.
The basic physical parameters related with crisper design which specifies the storage conditions in crisper is stroage temperature, temperature difference between the surfaces, air velocity at the inlet cross section, food-load occupancy rate. Physical parameters have been determined by taking into consideration crisper physical model. An experimental set up has been set to control physical parameters as independent variables. 
For experimental studies vegetables are classed on three main group which are moisture sensitive vegetables, vegetables which should be storage in low temperature and chilling injury sensetive vegetables. Experimental studies has been performed with lettuce, broccoli, cucumber respectively.
Temperature and relative humidity values has been measured experimentally with experimental set-up, based on these measurements, relative humidity, concentration, heat transfer and mass transfer Ra numbers, heat transfer coefficient and mass transfer coefficient have been calculated within usage of natural convection correlations. Effect of considered physical parameters to the calculated paramaters and food quality has been examined. Within this scope,  food analysis completed with representetive vegetables which has been stroage under experimental conditions.
First section is entrance of thesis and second section of thesis includes literature research for heat transfer caused by the respiration of the vegetables stroaged under cooling conditions and mass transfer caused by transpiration, natural convection equations, studies has been realized related with natural convection, problem geometries and the correlations. Within these, psychrometry definitions and equations also covered.In this section, also food quality assessments have been researched.
In the third section, physical parameters are examined for experimental studies and experimental set-up is explained. System for measuring and data storing, calibration curves of the measurement equipments and uncertainty analysis about experimental set-up are presented.
In the fourth section, experimental study results and mathematical model for analysing this results are presented and experimental studies realized according to vegetable groups. Determination of surface mass transfer coeffiecient which has been used on calculation of total mass transfer coefficient is realized with independent experimantal study. Food loaded experimental studies have been performed for type of vegetable in order of cucumber, broccoli and lettuce experiments. For each vegetable type effects of temperature difference, air inlet at the cross section and  additionaly for lettuce food load occupancy rate have been investigated. Physical parameters of vegetable stroage on refrigerated space have been associated to food quality parametres for each vegetable groups.
In the final section, summary of results and suggestions are obtained. It is necessary that results sum up;
	In constant top surface temperature and changing of other surface temperatures case, temperature difference between food surface and top surface of cavity change in line with heat convection coefficient and heat transfer Ra number.

	In mass tranfer assessments, decreasing of temperature difference effects concentration difference of surfaces correspondingly mass transfer Ra number, total mass transfer coefficient and %weight loss from vegetable decrease.

	Effects of temperature difference of surfaces on condensation is also evaluated in experimental studies. Amount of condensation is evaluated with concentration difference of top surface on saturation conditions and air film between food load and top surface. Increasing of temperature difference of surfaces cause increasing of condensation amount on top surface.

	Experimental studies about effect of temperature difference between surfaces in this thesis is in line with literature. Additionally, food quality assessments support the results of experitmental studies about temperature difference between surfaces.

	Effect of air velocity on inlet of cavity is studied on constant temperature conditions. Heat transfer Ra number and heat convection coefficient values are same between different conditions due to constant temperature conditions.

	In mass transfer assessments, for broccoli and cucumber weight loss is much due to high air velocity values that cause high concentration difference between surfaces. 

	In experimental studies with lettuce, high air velocity values cause lower concentration difference between surfaces. Therefore, lettuce weight loss is lower high air velocity values. This result subject for air velocities lower than 0,1 m/s.
	Location and amount effect on heat and mass tranfer is tested with lettuce. Horizontal settlement cause less weight loss than vertical settlement of lettuce. Additionally, for same characteristic lenght, less amount cause more weight loss of lettuce.

	Physical parameters related with crisper design which specifies the storage conditions in crisper is stroage temperature, temperature difference between the surfaces, air velocity at the inlet cross section, food-load occupancy rate and food quality parameters are associated.

	In food quality assessments; chilling injury, clorophyl, weight loss are obtained as indicative tests for cucumber, broccoli, lettuce respectively.
 
For future studies, some suggestions are given below:
	Temperature and relative humidity measuring locations and data storing should be improved, in this way heat and mass transfer correlations will be determined.
	In respiration rate measuring method of vegetables, sample is taken from storage conditions and placed in a closed cavity for measuring in this study. Respiration rate measuring should be done from storage condition and place of sample without taking from there so measuring system will be studied.
	For the purpose of present of transpiration mechanism of refrigerated vegetables, transpiration flux should be evaluated instead of cumulative transpiration amount. Therefore transpiration flux measuring system and test conditionsfrom refrigerated vegetables will be studied.
	In addition to temperature and relative humidity measuring in experimental studies, gas compositions related with food respiration should be measured and changing rate of gas compositons will be used for food quality assessments.