Nem kontrollü mısır kurutma sisteminin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical analysis of moisture controlled corn drying system
Yazar: EMEL ÇELİK
Danışman: PROF. DR. YUSUF ÇAY ; DOÇ. DR. NEZAKET PARLAK
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Kule tipi tahıl kurutucular, mısır kurutma işleminde yaygın olarak kullanılmaktadır ve yaklaşık 30m yüksekliğinde silindirik yapılar olarak üretilmektedir. Delikli duvarlar arasındaki dairesel şekildeki bölüme tahıl doldurulur ve yanma odasından gelen sıcak gazlar ile kurutma işlemi gerçekleştirilir. Bu çalışmada, kontrol sistemi kullanılarak en uygun modeli belirlemek için endüstriyel tahıl kurutucunun laboratuvar ölçekli bir test prototipi kurulmuştur. Endüstriyel kule kurutucularda olduğu gibi sıcak hava gazlarının kurutma odasına yatay olarak girmesine izin veren sabit yatak tasarımı yapılmıştır. Mısır kurutma deneyleri, mısırın kurutma davranışını ortaya çıkarmak ve modellemek, kurutma hava hızının basınç düşüşü ve kurutma üzerindeki etkisini incelemek, literatürde yaygın olarak kullanılan denklemlerin kullanılabilirliğini göstermek için deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Model, kurutma testlerinin sonuçlarıyla karşılaştırılarak önerilen modelin doğruluğu test edilmiştir. Kurutucu havası sıcaklığı 103°C'de sabit tutularak ve basınç düşüşü ile kurutma davranışı üzerindeki kurutma havasının hız etkilerini bulmak için giriş kurutma havası hız değerleri değiştirilmiştir. Deneysel veriler, MATLAB yazılımı kullanılarak bir eğri uydurma yöntemi ile modellenmiştir. Literatürde ince tabaka modelleri olarak bilinen Lewis, Page, Henderson ve Pabis, Logaritmik, Midilli ve Wang ile Singh modelleri kullanılmıştır. Kurutma hava hızının en iyi ince tabaka kurutma modelinin katsayıları üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Yürütülen bu çalışma 3 ana başlıkta oluşmaktadır. Çalışmanın ilk bölümünde elde edilen sonuçlar literatürdeki sonuçlarla karşılaştırmalı şekilde verilmiş ve endüstriyel kurutucuların kontrolünde kullanılmak üzere bir model önerilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, en uygun modelin Midilli modeli olduğu görülmüştür. İkinci bölümünde, mısır kurutucusunun kurutma işleminin enerji ve ekserji analizleri ele alınmıştır. Deneyler, 2,8 m/s ve 3,5 m/s olmak üzere iki farklı kurutma hava hızında, 103 ˚C sıcaklığında online bir tahıl nemölçer ile kontrol edilen laboratuvar ölçekli bir kurutucuda gerçekleştirilmiştir. Enerji kullanımı (EK), enerji kullanım oranı (EKO), özgül enerji tüketimi (SEC), ekserji verimlilik değerleri hesaplanmıştır ve mevcut sonuçlarla karşılaştırılarak sunulmuştur. Sonuçlar, enerji kullanım oranlarının kurutma hava hızıyla arttığını ve maksimum ekserji verimliliğinin yüksek kurutma hava hızında gözlendiğini göstermektedir. Üçüncü bölümde, tane mısır için kapasitif sensörlü entegre bir laboratuvar ölçekli kurutucu geliştirilmiş ve modellenmiştir. Farklı nem içeriğine sahip tane mısırın dielektrik özellikleri, optimum çalışma frekansını bulmak için ölçülmüştür. Mısırın nem içeriği ile elektriksel özellikleri arasındaki ilişkiye dayalı modelleme yapılmıştır. Nem içeriğindeki değişiklikler, tahılın dielektrik sabitini etkiler ve bu da kapasitansta değişikliklere neden olur. Mısırın dielektrik özellikleri farklı frekans değerlerinde ölçülmüştür. Mısırın dielektrik özellikleri eğri uydurma tekniği kullanılarak karakterize edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Kurutma, Modelleme, Enerji ve Ekserji Analizi, Kapasitans

Abstract:
Tower type grain dryers are widely used in corn drying process and are manufactured as cylindrical structures with a height of about 30 m. The grain is filled into the circular shaped section between the perforated walls and dried with the gases coming out of the combustion chamber. In the current study, a laboratory scale test prototype of this type of industrial grain dryer is installed to determine the most suitable model to be used in the control system. A fixed bed design has been made that allows hot air gases to enter the drying chamber horizontally, as in industrial tower dryers. Corn drying experiments has been carried out experimentally to reveal and model the drying behavior of corn, to examine the effect of drying air velocity on pressure drop and drying, to show the usability of equations commonly used in the literature. Model accuracy has been verified by comparison with the results of the drying tests. Drying air temperature is kept constant at 103 °C and inlet drying air velocity values are changed to find out velocity effects on pressure drop and drying behavior. Experimental data are modeled with a curve fitting method using MATLAB software. Lewis, Page, Henderson and Pabis, Logarithmic, Midilli and Wang and Singh models, which are known as thin-layer models in the literature are used. The effect of drying air velocity on the coefficients of the best thin layer drying model is determined. This study consists of 3 main titles. In the first part of the study, the obtained results are given in comparison with the results in the literature and a model is proposed to be used in the control of industrial dryers. When the results are examined, it shows that the most suitable model is the Midilli model. In the second part, the study deals with the energy and exergy analyses of the drying process of corn dryer. Experiments are conducted in a laboratory-scale dryer controlled by a real-time grain moisture meter at a air temperature of 103°C, at two different drying air velocities 2,8 m/s and 3,5 m/s. The energy utilization (EK), energy utilization ratio (EKO), specific energy consumption (SEC), exergy efficiency values are calculated and presented in comparison with the available results. The results show that energy utilization ratios increase with drying air velocity and the maximum exergy efficiency is observed at high drying air velocity. In the third chapter, an integrated laboratory-scale dryer with capacitive sensor for grain corn is developed and modeled. The dielectric properties of grain corn with different moisture content has been measured to find the optimum operating frequency. Modeling was made based on the relationship between moisture content and electrical properties of corn. Changes in moisture content affect the dielectric constant of the grain, resulting in changes in capacitance. The dielectric properties of corn have been measured at different frequency values. The dielectric properties of corn have been characterized using the curve fitting technique.

Keywords: Drying, Modeling, Energy and Exergy Analysis, Capacitance