Güneş enerjisi destekli enerji depolama sistemli kurutma sisteminde elma kurutulmasının incelenmesi
Investigation of the drying process of apples by using solar energy and thermal energy storage system
Yazar: HALİL ATALAY
Danışman: PROF. DR. OLCAY KINCAY ; YRD. DOÇ. DR. M.TURHAN ÇOBAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Zirai ürünlerin hijyenik şartlarda kurutulması çok büyük  bir öneme sahiptir. Tarımsal ürünler ülkemizde genellikle yere serilerek kurutulmaktadır. Bu durumda aflatoksin gibi zararlı etkilerin ürün kalitesini etkilemesi söz konusu olmaktadır. Ürün kurutucuları ise ürünün daha sağlıklı şartlar altında  kurutulmasını sağlarlar. Bu çalışma kapsamında güneş enerjisi destekli enerji depolama sistemli kurutma sistemi geliştirilerek, güneş enerjili kurutucuda performansa etki eden faktörler deneysel olarak belirlenmiştir. Isıl enerji depolama sistemi olarak izolasyonlu çakıl taşı yatağı sistemi tasarlanarak imalatı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, geliştirilen bu sisteme entegre edilen reküperatör(çapraz akışlı ısı değiştirici) ünitesi ile elde edilen olan atık ısının yaklaşık %50-60 oranında geri kazanılması söz konusu olmuştur.
Geliştirilen bu sistemde zirai ürün olarak elma kurutulmuştur.  Çalışmada sarı ve yeşil renkli golden elma tercih edilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde 5-10 mm arasında değişen kalınlıklarda elma dilimlerinin kuruma davranışları incelenmiştir. Deney süresince sistemin özellikle giriş ve çıkış noktalarına yerleştirilen sensörler ile sistem içerisindeki sıcaklık, bağıl nem, basınç ve hava hızı değerleri ölçülerek elde edilen veriler datalogger ile veritabanına aktarılmıştır. Bununla birlikte 0,01 gr. hassasiyete sahip terazi ile de kurutulan ürünlerden alınan numunelerin ağırlık değişimleri 30 dakika ara ile ölçülmüştür. Deneysel çalışmalar süresince kabin içerisindeki kuruma süreleri 550C- 630C arasında değişen sıcaklıklarda genellikle 6 saat olarak belirlenmiştir. Sistemin tam kapasite çalıştırılması durumunda kabin giriş ve çıkışı arasındaki bağıl nem farkı en yüksek %16, hava hızı farkı 1.05 m/s,  özgül nem çekme hızı (SMER) 2.502 kgH2O/kWh ve nem alma verimi(MER) 4.14 kgH2O/h olarak bulunmuştur. 
Deney numunelerinin bazıları Ege Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümü'ne iletilerek burada renk, doku, tat, nem tayini ve su aktivitesi açısından teste tabi tutulmuş olup bu çalışmalar sonucunda kurutulan elma dilimlerinin özelikle nem tayinlerinin %10'nun ve su aktivitesi değerlerinin de 0.7'nin altında çıkmasından dolayı kuru madde olarak kabul edilebileceği ve uzun süre bozulmadan kalabileceği ortaya çıkmıştır.  Yapılan bu deneysel çalışmalar sonucunda güneş enerjisi destekli ve enerji depolama sistemli kurutma sisteminin düşük nem ve sıcaklık değerleri arasında çalışmasından dolayı kurutulan ürünün kalitesinde de olumlu etkisinin bulunduğu gözlemlenmiştir. 
Bu çalışma kapsamında geliştirilen güneş enerjisi destekli kurutma sistemi ile benzer kapasiteye sahip elektrikli kurutma sistemlerinin enerji tüketimi ile ilk yatırım ve işletme maliyetleri açısından karşılaştırılması yapılmıştır. Elektrikli kurutma sistemi günde ortalama 35KWh enerji tüketirken güneş enerjisi destekli enerji depolama sistemli kurutma sistemi ise fanlar ve reküperatör ünitesinden dolayı günde ortalama 8.12KWh enerji tüketmektedir. Dolayısıyla, geliştirilen bu sistem sayesinde kurutma işleminde elektrik enerjisinden yaklaşık %76.8 oranında tasarruf sağlanmıştır. Ayrıca her iki sistem de benzer kapasitede çalıştırıldığında bu çalışma kapsamında geliştirilen güneş enerjisi destekli enerji depolama sistemli kurutma sisteminin kendisini 6 ay içinde , benzer kapasiteye sahip elektrikli kurutma sisteminin ise kendisini 12 ay içinde amorti edebildiği sonucu ortaya çıkmaktadır.

Abstract:
Drying of agricultural products under hygienic conditions has a great significance. In our country, these products are generally dried by laying on the ground, but products dried by this method are prone to harmful affects like aflatoxin which degrades the quality of the products. Driers which are used for this purpose, maintain drying to take place under healthy conditions.  In this work, drying system was improved by using solar air heater and thermal energy storage system. An insulated packed bed (flint stone bed) was used as the heat storage medium. So, the parameters affecting the performance of solar drier and packed bed thermal energy storage system were obtained experimentally. Furthermore 50 to 60% of the waste energy was recovered by using a recuperative system. 
Apple(golden delicious) was dried in this study. Drying behaviour was investigated for six different apple slices(between 5-10mm sliced rings) Measurements of temperature, relative humidity, air speed and pressure into system were recorded with datalogger. The values of the mass of the apple slices were measured every 30 minutes during experiments. During experimental studies, drying times were determined for between 550C- 630C temperature values as a 6 hours. When operating at full capacity of the system, maximum relative humidity difference was found %16, maximum air speed difference was found  1,05 m/s between  entry and exit of drying cabin . However, the value of the SMER(Specific Moisture Extraction Rate) was determined 2.502 kgH2O/kWh and the value of the MER(Moisture Extraction Rate) was determined 4.14 kgH2O/h. 
Some of the test specimens was transmitted Ege University Food Engineering Department for testing of apple slices in color, fiber, taste, determination of moisture and water activity. 
In the result of the tests, dried apple slices, especially due to determination of moisture values below %10 and water activity values below 0.7, can be accepted dry matter and can be resisted deterioration for a long time. Also, it is observed that the drying is affected positively the quality of the product because the agricultural product dryer is worked between low moisture and temperature values.  
In this work, the solar energy assisted drying system was compared with electrical drying system which has a similar capacity in energy consumption and initial investment and operation costs. Electrical drying system consumes 35 kWh of energy  per day.  The agricultural product drying system, due to fans and recuperative unit only, consumes 8.12kWh of energy per day. So, because of developing this system, by 76.8% from the electrical energy was saved up in drying process. In addition, when both the two systems are also operated at similar capacity, the agricultural product drying system can be amortized within 6 months but electrical drying system can be amortized within 12 months.