Προτυποποίηση και υπολογιστική προσομοίωση των φαινομένων διάχυσης στη ξήρανση φρούτων

Abstract

Η ξήρανση τροφίμων είναι μια διεργασία απομάκρυνσης της περιεχόμενης υγρασίας που χρησιμοποιείται ως μέθοδος αποθήκευσης των τροφίμων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προτυποποίησης και της υπολογιστικής προσομοίωσης των φαινομένων διάχυσης κατά τη ξήρανση φρούτων. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε πειραματικά η ξήρανση βερίκοκων στις θερμοκρασίες των 45, 55 και 65οC και προσδιορίστηκε ο φαινόμενος συντελεστής διάχυσης του νερού ως 16.85 - 17.01×10-11, 28.8 – 29.5×10-11 και 45 – 90×10-11 m2/s αντίστοιχα. Μετά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Comsol Multiphysics 4.3b για τη μοντελοποίηση του προβλήματος. Μελετήθηκε επίσης η συρρίκνωση του φρούτου ως αποτέλεσμα της αφυδάτωσης λόγω ξήρανσης καθώς και η μεταβολή της περιεχόμενης υγρασίας του δείγματος με την πάροδο του χρόνου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο συντελεστής διάχυσης του νερού στο δείγμα, ο συντελεστής μεταφοράς μάζας στη διεπιφάνεια φρούτου και ρεύματος αέρα ξήρανσης και η ενέργεια ενεργοποίησης της διεργασίας της ξήρανσης αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, ο συντελεστής μεταφοράς μάζας, km, προσδιορίστηκε ως 10-5 , 9.98×10-5 και 0.85×10-2 m/s για τις θερμοκρασίες των 45, 55 και 65οC αντίστοιχα. Η ενέργεια ενεργοποίησης υπολογίστηκε ίση με 59.6, 60.0 και 60.8 kJ/mol για τις θερμοκρασίες των 45, 55 και 65οC αντίστοιχα. Το μέσο σχετικό σφάλμα ανάμεσα στις πειραματικές και υπολογιστικές τιμές βρέθηκε να είναι 0.47, 0.88 και 1.32% για τις θερμοκρασίες των 45, 55 και 65οC αντίστοιχα. Ως μέθοδος βελτιστοποίησης χρησιμοποιήθηκε τόσο η μέθοδος Levenberg-Marquardt όσο και η μέθοδος Sparse Non-Linear Optimizer (SNOPT).

Drying is a process during which the moisture content of foods is removed. It is used as a method for optimal food storage. This thesis presents the results of modeling and computational simulation of diffusion phenomena during drying of fruits. Specifically, the experiment was conducted at drying temperatures of 45, 55 and 65oC and the apparent diffusion coefficient of water was determined as 16.85 - 17.01 × 10-11, 28.8 - 29.5 × 10-11 and 45 - 90 × 10-11 m2/s respectively. After the experiment took place, the program Comsol Multiphysics 4.3b was used in order to simulate the process and model the problem. Moreover, the shrinkage of the fruit was examined as a result of dehydration due to the change in the moisture content of the sample over time. The results showed that the diffusion coefficient of water in the sample, the mass transfer coefficient between the surface of the fruit and the air of drying and the activation energy for the process of drying increase when temperature rises. Specifically, the mass transfer coefficient, km, was determined equal to 10-5, 9.98 × 10-5 and 0.85 × 10-2 m/s at the temperature of 45, 55 and 65oC, respectively. The calculated activation energy was equal to 59.6, 59.9 and 60.8 kJ/mol at the temperatures of 45, 55 and 65oC, respectively. The average relative error between experimental measurements and computational predictions was found to be 0.47, 0.88 and 1.32% for temperatures of 45, 55 and 65oC, respectively. The methods Levenberg-Marquardt and Sparse Non-Linear Optimizer (SNOPT) were used as optimization methods.