Experimental investigation and computational fluid dynamics (CFD) analysis of geothermal sourced hot air drying

Abstract

Drying is one of the oldest methods used to increase the product's shelf life and reduce transportation costs, consisting of heat and mass transfer between the product and the surrounding environment. One of the most common drying methods is hot air drying. The most critical parameters in hot air drying processes are drying air temperature, air velocity and relative humidity. Renewable energy resources can be used as heat/electricity in drying processes. Geothermal energy resources are highly suitable for hot air drying with their temperature compatibility and reliability. The geothermal resources in Turkey have a high potential for hot air drying. This Thesis examines tomato slices' quality parameters at different drying air temperatures and velocities. A cabinet-type geothermal sourced hot air dryer is installed in the Yenikale Heat Center of the Balcova-Narlidere Geothermal District Heating System in Izmir-Turkiye. Drying experiments are carried out at 40-60-80°C air temperatures and 0.5-1.5 m/s air velocities to examine their effects on drying kinetics and quality of dried tomatoes, such as pH, color, and moisture. With the help of the data obtained, drying time, drying rate, moisture rate, and effective diffusion coefficients are determined, and dimensionless moisture rate is modeled using thin layer models. Also, energy and exergy analyses are made for each experiment. Finally, experimental and simulation results are compared by using CFD to perform experimental design. The simulations created by using CFD are obtained in a much shorter time and more accurately since all materials used for the experiment are idealized.

Kurutma, meyve ve sebzelerin depolanmasında kullanılan en eski yöntemlerden biridir ve ürün ile çevre arasındaki ısı ve kütle transferinden oluşan ürünün raf ömrünü artırmak ve nakliye maliyetini düşürmek için kullanılan bir yöntemdir. Aslında bir meyve olan domates hem kuru hem de taze olarak tüketilmekte ve birçok gıda ürününde hammadde olarak kullanılmaktadır. Kurutma havası sıcaklığı, hava hızı ve bağıl Nem Oranı, konvansiyonel sıcak hava kurutma proseslerinde en önemli parametreler arasındadır. Yenilenebilir enerji kaynakları kurutma işleminde ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Bu kaynakların en önemlisi jeotermal enerjidir ve Türkiye'de mevcut jeotermal kaynaklar kurutma işleminde kullanılmaya uygun bir potansiyele sahiptir. Bu tezin amacı, farklı kurutma sıcaklık ve hızlarında kurutulan domates dilimlerinin kalite parametrelerini incelemek ve domatesin kurutulmasında hangi sıcaklık ve hızın daha iyi sonuç verdiğini bulmaktır. Ayrıca kurutma deneylerinin HAD analizleri yapılmış ve deney ile teori arasındaki uyumluluk incelenmiştir. Bu tezde; Yenikale Isı Merkezi'ne daha önce kullanılmış olan dolap tipi jeotermal kurutucu kurulmuştur. Sıcaklık ve hava hızı gibi etkin kurutma parametrelerinin domateslerin kurutma kinetiği üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla 40-60-80 °C hava sıcaklıklarında ve 0,5, 1,5 m/s hava hızlarında deneyler yapılmıştır. Kurutulmuş domateslerin kalitesini belirlemek için pH, renk ve nem parametreleri belirlenmiştir. Elde edilen veriler yardımıyla kuruma süresi, kuruma hızı, nem oranı, etkin difüzyon katsayıları belirlenmiş ve ince tabaka modelleri kullanılarak boyutsuz nem oranı modellenmiştir.