شبیه‌سازی اثر پارامترهای عملکردی شیر تزریق‌شده بر شاخص‌های فیزیکی محفظه خشک‌کن پاششی به‌روش CFD

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی بیوسیستم، واحد اصفهان، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شهر مجلسی، اصفهان، ایران.

چکیده

یکی از انواع فرآیندهای خشک‌کردن، خشک‌کردن پاششی است، که برای خشک‌کردن محلول‌ها استفاده می‌شود. در این روش، کیفیت و خواص مورد انتظار پودر خشک‌شده به پارامترهای طراحی، پارامترهای عملکردی و خواص محلول بستگی دارد. لذا هدف از این تحقیق بررسی اثر پارامترهای عملکردی محلول تزریق‌شده بر شاخص‌های فیزیکی محفظه خشک‌کن برای خشک‌کردن شیر است. به همین منظور اثر اندازه‌ ذرات پاشش‌شده در سه سطح 50،100 و 150 میکرومتر و دبی محلول ورودی به خشک‌کن در شش سطح 3-10×10، 3-10×15، 3-10×20، 3-10×25، 3-10×30 و 3-10×35 کیلوگرم بر ثانیه روی توزیع فشار، سرعت، دما و رطوبت ذرات داخل محفظه‌ خشک‌کن به‌روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیه‌سازی گردید. این شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار ANSYS fluent 18 به‌صورت دو فازی و به‌روش اویلر-اویلر انجام شد. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که افزایش دبی جرمی شیر و افزایش قطر ذرات منجر به افزایش سرعت، کاهش دمای داخل محفظه و کاهش دمای ذرات خروجی شده است. بیشترین میزان افزایش سرعت و بیشترین میزان کاهش دمای ذرات به ترتیب 66 درصد و 5 درصد بوده است. این در حالی است که با افزایش قطر ذرات شیر، فشار داخل محفظه کاهش و با افزایش دبی جرمی شیر، فشار داخل محفظه افزایش یافته است که بیشترین میزان افزایش فشار 65 درصد بوده است. همچنین نتایج نشان داد که حدود 50 درصد از رطوبت محلول در قسمت استوانه‌ای محفظه خشک‌کن از ذرات خارج شده است.

چکیده تصویری

شبیه‌سازی اثر پارامترهای عملکردی شیر تزریق‌شده بر شاخص‌های فیزیکی محفظه خشک‌کن پاششی به‌روش CFD

تازه های تحقیق

  • خشک ­کن پاششی شیر­ خشک به روش دوفازی و با رویکرد اویلر- اویلر توسط نرم­افزاذ فلوئنت شبیه­سازی شد.
  • اثر اندازه‌ی ذرات پاشش‌شده و دبی محلول ورودی روی توزیع فشار، سرعت، دما و رطوبت ذرات داخل محفظه‌ی خشک‌کن شبیه‌سازی گردید.
  • اعتبارسنجی نتایج نشان دادکه نتایج شبیه‌سازی با نتایج تجربی همبستگی خوبی دارند.
  • برای حفظ کیفیت خشک‌شدن، تاجایی که کارکرد خشک‌کن تحت تاثیر قرار نگیرد، می‌توان دبی ورودی محلول و اندازه‌ی ذرات را کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

CFD Simulation of milk performance parameters effect on the physical indices of spray dryer

نویسندگان [English]

  • Hasan Ghafori 1
  • Hamid Karimiyan 2
1 Department of Biosystems Engineering, Isf.C., Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Shahr Majlesi branch, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

One type of drying process is spray drying, which is used to dry solutions. In this method, the quality and expected properties of the dried powder depend on the design parameters, performance parameters, and solution properties. Therefore, the aim of this research is to investigate the effect of the performance parameters of the injected solution on the physical indicators of the drying chamber for drying milk. For this purpose, the effect of the size of the sprayed particles at three levels of 50, 100, and 150 μm and the flow rate of the solution entering the dryer at six levels of 10×10-3, 15×10-3, 20×10-3, 25×10-3, 30×10-3, and 35×10-3 kg/s on the distribution of pressure, velocity, temperature, and moisture of the particles inside the dryer chamber was simulated using computational fluid dynamics. This simulation was performed using ANSYS fluent 18 software in a two-phase manner using the Euler-Euler method. The simulation results showed that increasing the milk mass flow rate and increasing the particle diameter led to an increase in velocity, a decrease in the temperature inside the chamber, and a decrease in the temperature of the outlet particles. The highest increase in velocity and the highest decrease in temperature of particles were 66% and 5%, respectively. While the pressure inside the chamber decreased with increasing milk particle diameter and the pressure inside the chamber increased with increasing milk mass flow rate, with the highest increase in pressure being 65%. The results also showed that about 50% of the moisture of solution in the cylindrical part of the drying chamber was removed from the particles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Milk
  • Moisture
  • Spray Dryer
  • CFD

مراجع

[1] Bhattacharjee, S., Mohanty, P., Sahu, J.K., & Sahu, J.N. (2024). A critical review on drying of food materials: Recent progress and key challenges. International Communications in Heat and Mass Transfer, 158, 107863. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107863.
[2] Wang, J.F., Brown, C., & Cleland, D.J. (2018). Heat pump heat recovery options for food industry dryers. International Journal of Refrigeration, 86, 48–55. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.11.028.
[3]  Abedi, E. & Ghafori, H. (2024). Simulation of fluidized bed dryer using Computational Fluid Dynamics (CFD). Journal of Research in Mechanics of Agricultural Machinery, 13(4), 13-22. doi: 10.22034/jrmam.2024.14697.696. [In persian]
[4] Benavides, A, Cubillos, A., & Gómez, A. (2021). Spray drying experiments and CFD simulation of guava juice formulation. Drying Technology, 39, 450–465. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1708382.
[5] Paes, T., Maria, C., Franco, L., & Leonel, M. (2019). Gelatinized sweet potato starches obtained at different preheating temperatures in a spray dryer. International Journal of Biological Macromolecules, 149, 1339-1346. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.11.105.
[6] Patel, R.P., Patel, M.P., & Suthar, A.M. ( 2009). Spray drying technology: An overview. Indian Journal of Science and Technology, 2(10), 44-47. https://dx.doi.org/10.17485/ijst/2009/v2i10.3.
[7] Nandiyanto, A.B.D, & Okuyama, K. (2011). Progress in developing spray-drying methods for the production of controlled morphology particles: From the nanometer to sub micrometer size ranges. Advanced Powder Technology; 22(1), 1-19. https://doi.org/10.1016/j.apt.2010.09.011
[8] Cal, K., & Sollohub, K. (2010). Spray drying technique. I: Hardware and process parameters. Journal of Pharmaceutical Sciences, 99(2), 575-586. https://doi.org/10.1002/jps.21886
[9] Barbosa-Cánovas G. V., Ortega-Rivas, E., Juliano, P., & Yan, H. (2006). Food Powders: Physical Properties, Processing, and Functionality. Springer Science & Business Media.
[10] Anandharamakrishnan, C., & Ishwarya, S. P. (2015). Spray Drying Techniques for Food Ingredient Encapsulation. John Wiley & Sons, Ltd.
[11] Gutierrez Suarez, J.A., Galeano Uruena, C.H., & Gomez Mejia, A. (2025). Parametric CFD Study of Spray Drying Chamber Geometry: Part I—Effects on Airflow Dynamics. Chem. Engineering, 9(5), 1-26. https://doi.org/10.3390/chemengineering9010005.
[12] Demissie P., Hayelom, M., Kassaye A., Hailesilassie A., Gebrehiwot M., & Vanierschot, M.  (2019). Design , development and CFD modeling of indirect solar food dryer. Energy Procedia, 158, 1128–1134. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.278.[13] Islam, M., Islam, I., Tusar, M., & Hamza, A.N. (2019). Effect of cover design on moisture removal rate of a cabinet type Effect of cover design on moisture removal rate of cabinet type solar food drying application. Energy Procedia. 160, 769–776. http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.181.
[14] Filková, I., Huang, L.X., & Mujumdar, A.S. (2015). Industrial spray drying systems, in: Mujumdar, A.S. (Ed.). Handbook of industrial drying, (pp. 191-226). CRC Press, Boca Raton.
[15] Xiao, J., Yang, S., George, O.A., Putranto, A., Wu, W.D., & Chen, X.D. (2019). Numerical Simulation of Mono-Disperse Droplet Spray Dryer: Coupling Distinctively Different Sized Chambers. Chemical Engineering Science., 200, 12-26. http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2019.01.030.
[16] Buchholz, M., Haus, J., Pietsch-Braune, S., Kleine J¨ager, F., Heinrich, S. (2022). CFD-aided population balance modeling of a spray drying process. Adv. Powder Technol. 33. https://doi.org/10.1016/j.apt.2022.103636.
[17] Hernandez, B., Martín, M., Gupta, P. (2021). Numerical study of airflow regimes and instabilities produced by the swirl generation chamber in counter-current spray dryers. Chem. Eng. Res. Des. 176, 89–101. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.09.024.
[18] Moradi Maryamnegari, S., Ashrafizadeh, A., Baake, E., Guglielmi, M. (2022). Effects of thermal boundary conditions on the performance of spray dryers. J. Food Eng. 338. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111250.
[19] Hernandez, B., Pinto, M.A., Martín, M. (2022). Generation of a surrogate compartment model for counter-current spray dryer. Fluxes and momentum modeling. Comput. Chem. Eng. 159. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2022.107664.
[20] Kuriakose, R, & Anandharamakrishnan, C. (2010). Computational fluid dynamics (CFD) applications in spray drying of food products. Trends Food Sci Technol., 21, 383–398. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2010.04.009.
[21] Lo, S. (2005). Application of Computational Fluid Dynamics to Spray Drying,. Dairy Science and Technology, 85, 353-359. https://doi.org/10.1051/lait:2005024.
[22] Jamaleddine T.J., & Ray M.B. (2010). Application of computational fluid dynamics for simulation of drying processes: a review. Dry Technology, 28, 120–154. http://dx.doi.org/10.1080/07373930903517458.
[23] Anandharamakrishnan, C. (2007). Computational fluid dynamics in food processing, 1st edn. Springer, London.
[24] Roustapour, O.R., Hosseinalipour, M., Gazor, H.R., Salehi. A. (2024). Computational fluid dynamics simulation of air flow in a spray dryer containing wall air pressure nozzle. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 26(3), 134-147.
[25] Sefidan, l.M., Sellier, M., Hewett, J.N., Abdollahi, A., Willmott, G.R., Becker. S.M. (2022). Numerical model to study the statistics of whole milk spray drying. Powder Technology, 411(1-2), 117923. http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117923.
[26] Coimbra, J.C., Lopes, L.C., Cotrim, W.S., Prata. D.M. (2024). CFD modeling of spray drying of fresh whey: Influence of inlet air temperature on drying, fluid dynamics, and performance indicators. Digital Chemical Engineering, 12, 100178. http://dx.doi.org/10.1016/j.dche.2024.100178.
[27] Keogh, K., Murray, C., Kelly, J., & O’Kennedy, B. (2004). Effect of the particle size of spray-dried milk powder on some properties of chocolate. Dairy Science & Technology, 84(4), 375-384. http://dx.doi.org/10.1051/lait:2004013.
[28] Coimbra, J.C., Martins, M.A., Oliveira, P.S., Minim, L.A. (2021). The potential use of a gyroid structure to represent monolithic matrices for bioseparation purposes : fluid dynamics and mass transfer analysis via CFD. Sep. Purif. Technol. 254, 117594. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117594.
[29] Luo, J., Chen, L., Min, T., Shan, F., Kang, Q., Tao, W. (2020). Macroscopic transport properties of Gyroid structures based on pore-scale studies : permeability, diffusivity and thermal conductivity. Int. J. Heat. Mass Transf. 146, 118837. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118837.
[30] Rogers, S. (2011). Developing and utilizing a mini food powder producion facility to produce industrially relevant particles for functionality testing. Ph.D thesis, Monash University, Australia.
[31] George, O.A., Chen, X.D., Xiao, J., Woo, M., & Che, L. (2015). An effective rate approach to modeling single-stage spray drying. AIChE J., 61, 4140–4151. http://dx.doi.org/10.1002/aic.14940.
فناوری‌های جدید در صنعت غذا
دوره 12، شماره 2
بهمن 1403
صفحه 163-181

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 20 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری: 28 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1404

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار