Püskürtmeli kurutmada sürekli faz ve damlacıkta ısı-kütle ve momentum transferinin eş zamanlı olarak modellenmesi
Modelling of simultaneous heat-mass and momentum transfer of continuous phase and droplet in the spray dryer
Yazar: BANU KOÇ
Danışman: PROF. DR. FİGEN ERTEKİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Isı transferi =  ; Kütle transferi =  ; Modelleme = Modelling

Özet:
Bu çalışmada, püskürtmeli kurutucuda sıcak hava akışı, partikül hareketleri ve partikülün kuruma karakteristiklerinin, partikülün kurutucu içinde yörüngelerinin, kurutucu içerisindeki sıcaklık ve nem dağılım profillerinin belirlenmesi için sürekli faz ve damlacıkta ısı-kütle-momentum transferlerinin eş zamanlı olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yaklaşımı ile modellenmesi amaçlanmıştır. Model gıda olarak maltodekstrin seçilmiştir. Maltodekstrin gıda endüstrisinde özellikle püskürtmeli kurutma işleminde kaplama materyali, kurutma ajanı, aroma taşıyıcı ve hacim arttırıcı ajan olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. 
Kurutma işlemi Buchi B-290 (Labortechnik AG) modeli laboratuvar tipi püskürtmeli kurutucuda gerçekleştirilmiştir. Püskürtmeli kurutma işlem koşullarından hava giriş sıcaklığı (140 ve 200°C), besleme sıcaklığı (10 ve 50°C), besleme debisi (2.1x10-4 ve 9.6x10-5kg/s) ve hava akış hızı (0.473 and 0.670 m3/h)  etkisi incelenecek pararametreler olarak seçilmiştir. Her parametre için belirtilen 2 farklı değer kullanılırken diğer parametreler sabit tutulmuştur. Bu değişkenlerin maltodekstrinin yığın (yığın ve sıkıştırılmış yoğunluk, porozite ve akabilirlik) ve partikül (partikül çapı, partikül boyut dağılımı, açıklık ve tekdüzelik ve partikül yoğunluğu) özellikleri, camsı geçiş sıcaklığı, sorpsiyon özellikleri ve işlem verimi üzerine etkisi de incelenmiştir. Elde edilen toz ürünün adsorpsiyon ve desorpsiyon özellikleri 25°C'ta, çeşitli doygun tuz çözeltileri kullanılarak statik-gravimetrik yöntemle belirlenmiştir. 
Yapılan varyans analizi ile kurutulmuş maltodekstrinin nem içeriği, su aktivitesi, serbest yığın yoğunluğu ve sıkıştırılmış yığın yoğunluğu değerlerinin hava giriş sıcaklığı ve besleme hızından etkilendiği, partikül çapı değerlerinin ise sadece hava akış hızından etkilendiği belirlenmiştir. 
Sürekli faz ve damlacıkta ısı-kütle-momentum transferlerinin eş zamanlı olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yaklaşımı ile modellenmesi ve simülasyonu Fluent 6,1 paket programı ile sonlu hacimler yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Realizable k-ε, RNG-k-ε ve Reynolds Gerilme Modeli (RGM) türbülans modelleri kullanılarak kurutucu hazne içerisinde hız, sıcaklık ve nem profilleri tahminlenmiştir. Farklı türbülans modellerinden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Realizable k-ε türbülans modeli kullanılarak yapılan modelleme çalışmasından elde edilen sonuçların, deneysel verilerle uyumlu olduğu belirlenmiştir. Simülasyon sonuçları püskürtmeli kurutucu dinamiğinin daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır.

Abstract:
In this study, simultaneous modelling of heat, mass and momentum transfer of droplet and continuous phase were aimed by using computational fluid dynamics (CFD) for the determination of hot air flow rate, particle motion and particle drying characteristics, trajectories of particles, temperature and moisture distribution profiles in the spray dryer. Maltodextrin was chosen as a model food. Maltodextrins have wide applications particularly in the food industry especially during spray drying. They have many functionalities including to be used as wall material, flavor carrier and bulking agent.
Experiments were conducted in a lab scale spray dryer (Büchi Labortechnik AG, Flawil, Switzerland). The inlet air temperature (140 and 200°C) and feed temperature (10 and 50°C), feed flow rate (2.1x10-4 and 9.6x10-5 kg/s) and atomizing air flow rate (0.473 and 0.670 m3/h) were selected as spray drying process variables. Experiments were carried out according to 24 factorial design, known as classical optimization procedure. The effects of these variables on bulk (bulk and tapped density, porosity and flowability) and particle (particle diameter, particle size distribution, span, uniformity and particle density) properties, glass transition temperature, sorption properties of maltodextrin and process yield were examined. The adsorption and desorption properties of the obtained powder product were determined by using various saturated salt solutions at 25°C with static-gravimetric method.  
ANOVA analysis showed that inlet air temperature and feed flow rate affected the moisture content, water activity, free bulk density and tapped density values of dried maltodextrin whereas particle diameter was only affected by the atomizing air flow rate.
The simultaneous modelling of heat-mass-momentum transfer of droplet and continuous phase were solved by using finite volume method with Fluent 6.1 program. The Realizable k-ε, RNG-k-ε and Reynolds Stress Model turbulent models were used to predict velocity, temperature and moisture profiles of particles in the spray drying chamber. The results obtained from different turbulence models were compared with the experimental results.  The Realizable k-ε model was found to have good agreement with the experimental data. The simulation results show a better understanding of the dynamics of the spray drying technique.