Gıda kurutma sistemlerinin ekserji analizi
Exergy analyses of food drying systems
Yazar: NESLİHAN ÇOLAK GÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI ; PROF. DR. GÜNNUR KOÇAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Belirsizlik analizleri = Uncertainty analysis ; Ekserji = Exergy ; Ekserji analizi = Exergy analysis ; Isı pompası = Heat pump ; Kurutma = Drying ; Kurutma sistemleri = Drying systems ; Kurutulmuş gıdalar = Dried foods ; Makarna = Macaroni ; Makarna endüstrisi = Macaroni industry ; Zeytin = Olive

Özet:
Kurutma endüstrisinde amaç, istenilen özelliklere sahip kuru ürün elde etmek için maksimum düzeydeki suyu minimum enerji kullanımı ile uzaklaştırmaktır. Kurutma, gelişmiş ülkelerde ulusal enerjinin % 9 ile %25'inin tüketildiği, enerji yoğun bir işlemdir. Kurutma işleminin gerektiği üretim sektöründe kurutma maliyeti toplam maliyetin % 60 ile % 70'ini oluşturmaktadır. Bu nedenle, enerji tasarrufu dünya ekonomisi için önemli bir hedeftir ve öyle olmaya devam edecektir. Daha az enerji kullanmanın en etkin yolu ise, enerjiyi daha faydalı kullanmaktır.Bu nedenle, termodinamiğin ikinci yasasına dayanan ekserji analizi, enerji kayıplarının büyüklüğünün ve yerinin, doğal kaynakların verimsiz kullanılmasının ve atık enerji ile çevrenin kirletilmesinin başarılı bir şekilde tespit edilmesini sağlamaktadır.Son yıllarda, meyve, sebze ve biyolojik materyallerin kurutulması için ısı pompalı kurutucuların kullanımına büyük bir ilgi vardır. Isı pompaları düşük kalitedeki ısı enerjisini nispeten küçük miktarda yüksek kaliteli enerji kullanarak daha faydalı düzeye çıkaran ekipmanlardır. Isı pompalarının konvektif sıcak havalı kurutucularda kullanılması ısı pompası uygulamaları için ideal bir alandır.Bu tezin amacı, toprak kaynaklı ısı pompalı bir kurutma (TKIPK) sisteminin çeşitli gıdaların kurutulması için uygun olup olmadığının belirlenmesi ve TKIPK sisteminin geleneksel kurutuculara alternatif olarak kullanılabilirliğinin tartışılmasıdır. Bu bağlamda, beş farklı ürün (makarna, zeytin, elma, havuç ve nane) TKIPK sisteminde kurutulmuş, her bir ürünün kurutulması için ekserji analizi yapılmıştır.Makarnanın İzmir'de bulunan Pastavilla Makarna Fabrikasındaki döner tambur kurutucularda ve Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsünde kurulu bulunan toprak kaynaklı ısı pompalı tepsili kurutucuda kurutulması için ekserji verimlilikleri belirlenmiş ve iki sistem birbiriyle karşılaştırılmıştır. Tez kapsamında ayrıca her iki sistemde kurutulmuş olan makarna örneklerinin kalite açısından kıyaslaması da yapılmıştır. Fabrikadan iki çeşit makarna örneği alınmıştır. Makarnanın başlangıç nem içeriği % 28.64 ve ön kurutma bölümünden çıkıştaki nem içeriği % 22.9'dur. Bu şekil verilmiş ve ön kurutma yapılmış makarna örneklerinin son nem içeriği % 11.48'dir. Ekstrüder çıkışından ve ön kurutucu çıkışından alınan makarna örneklerinin TKIPK sisteminde kurutulması için ekserji verimliliği değerleri sırasıyla, % 39.21 ve % 21.70 olarak bulunurken, fabrikadaki kurutma sisteminin ekserji verimliliği % 2.80 olarak bulunmuştur. Buradan, TKIPK sisteminin fabrikadaki kurutma sistemine gore daha verimli olduğu sonucu çıkarılabilir.Zeytin örnekleri, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesinde bulunan geleneksel bir kurutucuda ve TKIPK sisteminde kurutulmuştur. Her iki kurutma sisteminin ekserji verimliliklerinin karşılaştırılması ürünün kalite özellikleri de dikkate alınarak yapılmıştır. Geleneksel sistemde yeşil zeytin kurutulmasının ekserji verimliliği değerleri dört farklı hava sıcaklığı (40 oC, 50 oC, 60 oC ve 70 oC) için belirlenmiştir. Bu kurutma havası sıcaklıkları için sistemin ekserji verimliliği değerleri hesaplanmış ve 40 oC hava sıcaklığında en yüksek verimlilik değeri bulunmuştur.Yeşil zeytinin geleneksel kurutucuda ve TKIPK'da kurutulması için, elde edilen kuruma eğrileri, ekserji analizi sonuçları ve kalite değerlendirmesi birlikte yorumlandığında, yeni bir ürün olan kurutulmuş yeşil zeytin için TKIPK sisteminin önerilebilir olduğu belirlenmiştir.Elma dilimleri, TKIP kurutucuda 45 oC, 50 oC ve 55 oC sıcaklık, %20 nispi nem ve 1 m/s hıza sahip kurutma havası ile kurutulmuştur. Bu üç farklı sıcaklık için, ekserji verimliliği değerleri belirlenmiş ve en yüksek verimlilik değeri 55 oC hava sıcaklığında % 15.38 olarak elde edilmiştir.Isı pompalı tepsili kurutucuda havuç kurutma deneyleri iki farklı sıcaklık (40 oC ve 45 oC), % 17 nispi nem ve 1 m/s hızdaki hava kullanılarak yapılmıştır. Hava sıcaklığının 40 oC'den 45 oC'ye çıkması ile ekserji verimliliği % 7.39 artmıştır.TKIP tepsili kurutucuda %16 nispi nem ve 3 farklı hava sıcaklığında (40 oC, 45 oC ve 50 oC) nane kurutma için deneysel veriler elde edilmiş, ekserji analizi sonucunda, ekserji verimliliğinin hava sıcaklığı arttıkça arttığı belirlenmiştir.

Abstract:
In the drying industry, the goal is to use a minimum amount of energy for maximum moisture removal for the desired final conditions of the product. Drying is an energy intensive operation consuming 9-25% of national energy in the developed countries. In manufacturing processes where drying is required, the drying cost can approach to 60-70% of the total cost. For this reason, energy conservation is a key goal of the world economy and will continue to be one in the future. The most effective way to reduce energy demand is to use energy more efficiently.In this regards, exergy analysis, based on the second law of thermodynamics, successfully identifies the magnitudes and locations of energy degradations, inefficient uses of natural resources and the pollution of the environment by means of waste energy.Recently, there has been a great interest in utilizing heat pump dryers (HPDs) for drying fruits, vegetables and biological materials. Heat pumps (HPs) are devices for raising the temperature of low grade heat energy to a more useful level using a relatively small amount of high grade energy. Using HPs in convective hot air dryers has been recognized as an ideal area for HP applications.The main objective of this thesis is to asses the performance of a ground-source heat pump drying (GSHPD) system for drying of various foods and to discuss possibility of using this GSHPD as an alternative to traditional dryers. In this context, five different food samples (pasta, olive, apple, carrot and mint) were dried in the GSHPD, while drying of each sample was evaluated using exergy analyses method.Exergy efficiencies of pasta drying in the rotary dryers in the Pastavilla Pasta Plant in Izmir and a GSHPD system constructed in Solar Energy Institute, Ege University, Izmir were compared with each other. This thesis also included a comparison of quality of pasta samples dried in the two various systems. Two different pasta samples were taken from a factory, located in Izmir. Moistures at the inlet to the pasta and at the outlet from the pre-drying section in the plant were 28.64% and 22.9%, respectively. These extruded and pre-dried pasta dough samples were dried to a final moisture content of 11.48%. Exergy efficiency for the whole drying system in the plant was found to be 2.80%, while that for the GSHP drying system utilizing the extruded and pre-dried pasta samples was calculated to be 39.21% and 21.70%, respectively. It may be concluded that the pasta drying in the GSHP dryer was more efficient compared to that in the rotary dryers in the plant.Olive samples were also dried in a traditional dryer constructed in the Agricultural Faculty, Ege University and GSHP dryer. Exergy efficiencies of the two drying systems were compared in terms of quality properties. Exergy efficiency values for drying of green olive samples in the traditional dryer were determined for four different drying air temperatures (40 oC, 50 oC, 60 oC and 70 oC). Exergy efficiency values of the system for these drying air temperatures were calculated and the highest efficiency value was found at 40 oC drying air temperature.When drying curves, results of the exergy analyses and evaluation of the quality values for drying of green olives in the traditional dryer and GSHPD explain together, GSHPD can be proposed for dried green olive, that is a new product.The apple slices were dried in the GSHPD at temperatures of 45 oC, 50 oC and 55 oC, a relative humidity of 20% and an air flow velocity of 1 m/s. Exergy efficiency values of the system for these three drying air temperatures were determined, while the highest exergy efficiency value was calculated as % 15.38 at drying air temperature of 55 oCThe experimental data for the drying of carrots in a HP tray dryer were obtained at two different temperatures (40 oC and 45 oC), 17% relative humidity and air flow velocity of 1 m/s. Exergy efficiency of the drying chamber increased about 7.39 % as the temperature of drying air increased from 40 oC to 45 oC.The experimental data for the drying of the mint leaves in the GSHP tray dryer were obtained at three different drying air temperatures (40 oC, 45 oC and 50 oC) and a relative humidity of 16 %. It was determined that exergy efficiency values increased with increasing the drying air temperatures.