ضریب نفوذ رطوبت مواد – روشهای ارزیابی✅ – هیمورا

انواع روش های شیب در ضریب نفوذ رطوبت

در موارد عمومی منحنی های خشک کردن غیر خطی، روش شیب ها می تواند برای تخمین نفوذ مؤثر در مقادیر مختلف رطوبت به کار رود. منحنی خشک کردن تجربی برحسب t با منحنی نفوذ نظری برای ماده ای با شکل هندسی معین، مقایسه می شود. شیب منحنی تجربی و منحنی نظری در یک نسبت رطوبت معين تخمین زده می شود. ضریب نفوذ رطوبت مؤثر در یک نسبت رطوبت مشخص از معادله زیر برآورد می شود.

روش فوق تغییر حجم در طول خشک کردن (انقباض) را در نظر نمی گیرد. روش رژیم که توسط شوبر (۱۹۷۶) توسعه یافت، میتواند وابستگی سطح رویه با مقدار ضریب نفوذ رطوبت که ناشی از انقباض است را نیز در نظر بگیرد. در این روش، پارامتر شار بدون بعد (Jp) از آزمایش و ضخامت نمونه محاسبه می شود. سپس منحنی (Jp) ln برحسب (*X) ln رسم شده و شیب خط بیان شده در پایین بدست می آید و با استفاده از نمودارهایی که توسط شوبر ارائه گردیده است، این ضریب نفوذ رطوبت موثر براورد می شود.

روش عددی ارزیابی ضریب نفوذ رطوبت موثر

اگرچه استفاده از روش های تحلیلی آسان است، ولی آنها به اشکال هندسی و شرایط مرزی خاص محدود میشوند و نمیتوانند همیشه در وضعیت های واقعی به کار روند. ارزیابی ضریب نفوذ رطوبت موثر با استفاده از تکنیک های عددی به ویژه در مورد اشکال هندسی سه بعدی، در نظر داشتن انقباض در طول فرایند خشک کردن جذاب است. روش های عددی ابزاری نیرومند برای حل موضوعات در شرایط مرزی و اشکال هندسی پیچیده است. از روش های مختلف عددی نظیر تفاضل محدود، المان محدود و حجم کنترل برای معین کردن ضریب مذکور استفاده می شود.

خلاصه ای از مدل های ریاضی که فرایند انتقال رطوبت در مواد غذایی را با وضعیت اولیه و مرزی مناسب توصیف میکند توسط زوگزاس و مارولین (۱۹۹۶) و زوگزاس و همکاران (۱۹۹۴) ارائه شده است.

👇 برای خرید تجهیزات حرارتی، برودتی، لبنیاتی و صنعتی با گروه هیمورا تماس بگیرید. 👇

نگاه دقیق تر به تکنیک ها و معادلات عددی

در رهیافت عددی، مجموعه ای از معادله های دیفرانسیل با مشتق های جزئی حاکم و وضعیت اولیه و مرزی که در شرایط تجربی ایستادگی می کنند، به دست می آید. شکل هندسی و امکان تغییر در ابعاد نمونه، باید همراه با شرایط مرزی ویژه در نظر گرفته می شود. تغییر در شکل هندسی (یا داده های انقباض) در طول آزمایش به دست می آید. ضریب نفوذ رطوبت توسط معادله نفوذ به صورت یک مدل پارامتری از مقدار رطوبت موضعی، دما و یا هر خاصیت مطلوب دیگر مثل (تخلخل ) حاصل میشود. در این مرحله روش عددی مناسب شناسایی شده و معادلات حاکم با وضعیت اولیه و مرزی مناسب حل می گردد. ضریب نفوذ رطوبت توسط روند تکراری و با استفاده از مقدار رطوبت متوسط که در حین آزمایشات اندازه گیری شده است، تخمین زده می شود.

در این روش ابتدا مقداری برای Deff فرض میشود و سپس به طور پیاپی Deff تغییر می کند تا هنگامی که تفاوت میان مقادیر محاسبه شده و اندازه گیری شده مقدار رطوبت حداقل شود.

اثر درجه حرارت، مقدار رطوبت و تخلخل

قابلیت انتشار رطوبت اکثر مواد غذایی با افزایش دمای خشک کردن، تشدید می یابد. اثر دما توسط رابطه مشهور آرنیوس بیان می شود:

انرژی فعال سازی میتواند با ترسیم (Deff) ln تعیین شود. به طور کلی ضریب نفوذ رطوبت با افزایش میزان تری تشدید می یابد. البته برای برخی مواد مثل هویج (کمپانی و همکاران ،۱۹۹۳) و ذرت (اکلو و اکان، ۱۹۸۶) کاهش این ضریب با افزایش مقدار تری گزارش شده است؛ در حالی که برای سیب و سیب زمینی (ساراواکوس، ۱۹۶۷)، گندم (مان و وودز، ۱۹۹۴؛ بکر و سالانز ،۱۹۹۵) و برنج (یاماگوچی، ۱۹۹۲) ضریب نفوذ رطوبت تحت تأثیر مقدار رطوبت قرار نگرفته است.

اندازه روزنه، ساختار و توزیع آن در مواد غذایی نیز بر روی ضریب نفوذ رطوبت تأثیر می گذارد و با افزایش تخلخل، ضریب نفوذ تری افزایش می یابد (توئی، ۱۹۸۳؛ و اگناس و کارتانوس، ۱۹۹۳؛ گین کوپلیس، ۱۹۷۸، وان باركل و هيرتس، ۱۹۷۴). یک روش معمول برای بیان این ضریب بر حسب متغیرها استفاده از تحلیل رگرسیون داده های تجربی توسط یک مدل ساختاری مناسب است.

خلاصه

ضریب نفوذ رطوبت در یک نوع ماده غذایی به دلیل تغییرات ناشی از ترکیب، ساختار و روش های تجربی اختلاف قابل توجهی دارد. چندین روش برای ارزیابی این  ضریب ارائه شده است. البته، به نظر میرسد روش های خشک کردن محبوب تر بوده و نتایج دقیق تری می دهند. چون در این روش شکل گیری لایه مرزی در حداقل نگهداشته می شود و بنابراین مقاومت به انتقال جرم در سطح مشترک به طور قابل توجهی کاهش می یابد. روش تحلیلی میتواند برای محاسبات روزمره مهندسی استفاده شود و ضریب نفوذ به صورت یک مقدار میانگین ثابت گزارش می شود.

در مواردی که این ضریب قویاً تابعی از مقدار تری است، روش عددی نتایج دقیقتری می دهد. اخیراً فنون تجربی توسعه یافته مانند روش رزنانس مغناطیسی هسته ای (NMR) ممکن است برای درک بهتر سازوکارهای انتقال رطوبت استفاده گردیده و منتهی به اندازه گیری های دقیق تر ضریب بیان شده شوند.

ضریب نفوذ مؤثر تابعی از رطوبت، دمای خشک کردن و ساختار روزنه و توزیع آن است. معادله آرنیوس برای توصیف تابعیت دمایی ضریب نفوذ رطوبت استفاده می شود. چندین مدل پارامتری متأثر از رابطه آرنیوس برای بیان تأثیر تری، دما و تخلخل بر روی ضریب گفته شده ارائه شده اند. در مورد اثر تخلخل بر روی ضریب نفوذ رطویت گزارش های کمتری در دست است.