Sürekli indüksiyon ısıtma sisteminin kurulumu ve vişne suyunun ısıtılmasında uygulanabilirliğinin deneysel ve kuramsal olarak incelenmesi
Setting up continuous induction heating system, and investigation of its applicability for heating of cherry juice experimentally and mathematically
Yazar: ORHAN KAYA
Danışman: PROF. DR. FİLİZ İÇİER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
İndüksiyon ısıtma, ferromanyetik özellik gösteren malzemelerde manyetik alan altında ısı jenerasyonu oluşturularak, ısıtma gerçekleştirme yöntemidir. Bu tez çalışmasında, ferromanyetik özellik taşıyan boru tipi sürekli indüksiyon ısıtma sistemi kurulumu gerçekleştirilerek, bu sistemin vişne suyunun ısıtılmasında uygulanabilirliği deneysel ve kuramsal olarak incelenmiştir.
Vişne suyu örneklerinin 27±2°C'den 75°C hedef sıcaklığa ısıtılması amaçlanmıştır. Farklı akış debileri (200-250-300 ml/dk) ve farklı sabit boru duvar sıcaklıklarının (80-90-100°C) vişne suyunun ısınma karakteristikleri bazı kalite özellikleri (Toplam monomerik antosiyanin, askorbik asit,  toplam fenolik madde, renk, pH ve titrasyon asitliği, bulanıklılık) ve indüksiyon ısıtma işleminin performans değerleri (enerji ve ekserji verimlilikleri, geliştirme potansiyeli) üzerine etkileri incelenmiştir. Vişne suyunun kalite özelliklerindeki değişim ve indüksiyon ısıtma işleminin ekserji verimliliği ölçüt alınarak en uygun işlem koşul belirlenmiştir. Kontrol ısıtma yöntemi olarak, çift borulu ısı değiştiricide en uygun indüksiyon ısıtma koşulu olarak belirlenen debi ve duvar sıcaklığı ile aynı işlem koşulunda, ısıtma ortamı olarak sıcak su kullanarak işlem gerçekleştirilmiştir. Isıtma yöntemlerinin vişne suyunun kalite özellikleri ve ısıtma işleminin ekserji verimliliği üzerine etkileri karşılaştırılmıştır. Ayrıca sürekli indüksiyon ısıtma sisteminin kuramsal incelemesi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Debinin azalması ve sabit boru duvar sıcaklığının artmasının hedef sıcaklığa ulaşma süresini kısalttığı belirlenmiştir. Vişne suyunun askorbik asit ve toplam fenolik madde içeriğinin, akış debisinin artmasına bağlı olarak sırasıyla %.15.3-28.2 aralığında ve % 5.27-10.7 aralığında azaldığı belirlenmiştir. Farklı indüksiyon işlem koşullarının toplam monomerik antosiyanin, renk, bulanıklılık, pH ve titrasyon asitliği değerleri üzerine benzer etkiler gösterdiği belirlenmiştir. İndüksiyon ısıtma işleminin enerji ve ekserji verimliliğinin sırasıyla %44.45-81.27 ve % 38.82-74.76 aralığında olduğu belirlenmiştir. Verimlilik değerlerinin akış debisinin artması ve sabit boru duvar sıcaklığının azalmasıyla birlikte arttığı tespit edilmiştir. Uygulanan optimizasyon prosedürüne göre, en iyi indüksiyon işlem koşulu 209 ml/dk akış debisi ve 86°C sabit boru duvar sıcaklığı olarak tahminlenmiştir (istenilirlik 0.90). Doğrulama analizlerinde, cevaplar için tahminlenen ve deneysel değerler arasındaki farklar %5'in altında tespit edilmiştir. En uygun koşuldaki indüksiyon ısıtma işleminde ürün kalitesinin ve ekserji verimliliğin geleneksel ısıtmaya göre istatistiksel olarak (p<0.05) daha yüksek olduğu belirlenmiştir.
İndüksiyon ısıtma işlemi sonlu elemanlar yöntemiyle nümerik olarak da incelenmiştir. Deneysel çalışmada uygulanan işlem koşulları için, vişne suyu çıkış sıcaklığının, boru içindeki sıcaklık dağılımı ve akış profilinin zamana bağlı değişimleri öngörülebilmiştir. Nümerik model öngörüleri ile deneysel veriler arasındaki istatistiksel hataların düşük olduğu, uyumun iyi düzeyde olduğu belirlenmiştir.
İndüksiyon ısıtma işleminin vişne suyu ısıtılması amacıyla kullanılması ile ilgili detaylı verilerin elde edildiği bu tez çalışmasının literatüre önemli bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Meyve suyu, Isı değiştirici, Elektriksel, Kalite, Enerji, Modelleme

Abstract:
Induction heating is a heating method applied by generating heat under magnetic field in materials having ferromagnetic properties. In this thesis, a ferromagnetic tubular continuous induction heating system was set up, and the applicability of this system in heating of sour cherry juice was investigated by experimentally and mathematically.
It was aimed to heat the sour cherry juice from 27±2°C to the target temperature of 75°C. The effects of the different flow rates (200-250-300 ml/min) and different pipe wall temperatures (80-90-100 °C) on heating characteristics, some quality attributes (Total monomeric anthocyanin, ascorbic acid, total phenolic content, color, pH and titratable acidity, turbidity) of sour cherry juice and performance characteristics (energy and exergy efficiencies, improvement potential) of the process was investigated. The optimum condition for induction heating process was determined by considering changes in quality attributes exergy efficiency. As a conventional heating method, the process was applied in a double pipe heat exchanger for the process condition similar to the optimum induction heating condition, by using hot water as a heating medium. The effects of heating methods on some quality attributes of sour cherry juice and exergy efficiency of heating process were compared. Additionally, theoretical investigation of continuous induction heating process was performed by using finite element method.
The process time to reach target temperature decreased as the flow rate decreased and set pipe wall temperature increased. It was found that ascorbic acid content and phenolic compound content decreased by %15.3-28.2 and %5.27-10.7, respectively, as the flow rate increased. It was found that the effects of different induction heating conditions on total monomeric anthocyanin, color, turbidity, pH and titratable acidity values were similar. Energy and exergy efficiencies of induction heating process was in the range of % 44.45-81.27 and 38.82-74.76, respectively. The efficiency values increased as the flow rate increased and set pipe wall temperature decreased. The optimum condition of induction heating process was predicted (desirability 0.90) as the flow rate of 209 ml/min and set pipe wall temperature of 86°C. In validation tests, the differences between experimental and predicted values for responses were lower than 5%. The quality properties and exergy efficiency for optimum induction heating process were higher than those of conventional heating process, statistically (p<0.05).
Induction heating process was also investigated by finite element method numerically. For the experimental process conditions applied, the changes of exit temperature of sour cherry juice, temperature distribution and velocity profile inside the pipe depending on time were predicted. It was determined that the statistical errors between numeric model predictions and experimental values were low enough, hence the compatibility of the model was good.
It is expected that the present thesis having the detailed data on the utilization of induction heating for heating of fruit juice will provide valuable information to literature.

Keywords: Fruit juice, heat exchanger, electrical, quality, energy, modelling