ISI POMPALI İNFRARED KURUTUCUDA DİLİMLENMİŞ LİMONUN KURUTULMASININ PERFORMANS ANALİZİ
Simge Pelin ALKAÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
HAZİRAN 2019
Simge Pelin ALKAÇ tarafından hazırlanan “ISI POMPALI İNFRARED KURUTUCUDA DİLİMLENMİŞ LİMONUN KURUTULMASININ PERFORMANS ANALİZİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Prof. Dr. Kurtuluş BORAN Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………
Başkan: Doç. Dr. İhsan TOKTAŞ
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...
Üye: Dr. Öğr. Üyesi Musa Galip ÖZKAYA
Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...
Tez Savunma Tarihi: 15/06/2019
Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.
……….…….
Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,
Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,
bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
Simge Pelin ALKAÇ 15/06/2019
ISI POMPALI İNFRARED KURUTUCUDA DİLİMLENMİŞ LİMONUN KURUTULMASININ PERFORMANS ANALİZİ
(Yüksek Lisans Tezi) Simge Pelin ALKAÇ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Mayıs 2019 ÖZET
Bu çalışmada ısı pompalı infrared bir kurutucuda dilimlenmiş limonun kurutulması deneysel olarak analiz edilmiştir. Deney düzeneği kapalı çevrim ve taze hava girişli olarak iki ayrı şekilde tasarlanmış ve aynı değerlerde deneyler yapılarak taze hava girişi olan ve olmayan sistemin kuruma kinetiğine etkileri karşılaştırılmıştır. 5 mm kalınlığında dilimlenmiş limonlar 6,6804 g su/g kuru madde başlangıç nem miktarından 60 °C sabit sıcaklıkta ve 595 m³/h giriş hava debisi şartlarında 0,045 g su/g kuru madde miktarına kadar kurutulmuştur.
Kurutma işlemi kapalı çevrim sistemde 5 saat, taze hava girişli sistemde 6 saat sürmüştür.
Literatürdeki çalışmalarda limon dilimlerinin infrared kurutucuda kurutulması incelenmiş ve kurutma işlemi 8 saat sürmüştür. Yapılan deney sonrasında ortalama COPws değeri taze hava girişli sistem için 2.67, kapalı çevrim sistem için 2.74 olarak bulunmuştur. Yapılan çalışma sonucunda kapalı çevrim sistemin kurutma süresini, taze hava girişli sisteme göre
%16.67 azalttığı tespit edilmiştir. Kurutulan limonların gözle analizi yapıldığında ürün kalitesi açısından iki sistem arasında fark olmadığı görülmüştür. Yurtiçi ve yurtdışı pazarda önemli yeri olan limon meyvesinin kurutularak değerlendirilmesinin ülke ekonomisine büyük katkı sağlayacağı düşünülmektedir.
Bilim Kodu : 92808
Anahtar Kelimeler : Kurutma, Limon, Bağıl Nem Kontrolü, Isı Pompası, Kızılötesi.
Sayfa Adedi : 75
Danışman : Prof. Dr. Kurtuluş BORAN
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF SLICED LEMON DRYING IN INFRARED DRYER WHICH IS SUPPORTED WITH HEAT PUMP
(M. Sc. Thesis) Simge Pelin ALKAÇ GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES May 2019
ABSTRACT
In this study, drying sliced lemons with an infrared-heat pump dryer is analyzed. The testing apparatus is designed for two different systems: closed air loop and fresh air inlet.
Experiments are competed with same values for both systems and the effects of these systems on drying kinetics are compared. 5mm thick sliced lemons are dried from 6,6804 g water/ g dry matter moisture content to 0,045 g water/ g dry matter moisture content at 60
°C constant temperature and 595 m³/h inlet air flow. The drying process completed in 5 hours with closed air loop system and in 6 hours with fresh air inlet system. In the literature studies, drying of the lemon slices in the infrared dryer was examined and drying process completed at 8 hours. The average COPws value calculated as 2.67 for fresh air inlet system and 2.74 for closed air loop system. According to experiments, drying time decreased 16.67% on closed loop system as against fresh air inlet system. Visual analysis of dried lemons showed no difference between the two systems in terms of product quality. It is considered that evaluating of lemon by drying process which has an important place in the domestic and international markets, will contribute greatly to the economy of the country.
Science Code : 92808
Key Words : Drying, Lemon, Relative Humidity Control, Heat Pump, Infrared.
Page Number : 75
Supervisor : Prof. Dr. Kurtuluş BORAN
TEŞEKKÜR
Bu tez çalışmasının her aşamasında engin bilgileri ve değerli tecrübeleri ile bana yol gösteren, yardımcı olan ve beni destekleyen saygıdeğer hocam ve tez danışmanım Prof. Dr.
Kurtuluş BORAN’a, çalışmamın deneysel aşamaları ve kurutma analizleri konusunda gerekli koşulları sağlayan ve değerli bilgileri ile beni yönlendiren sayın hocam Prof. Dr.
Mustafa AKTAŞ’a, çalışmam boyunca yardımlarını esirgemeyen sevgili arkadaşım Meltem TOKDEMİR’e, öğrenim hayatımın başından itibaren olduğu gibi tez çalışmam sırasında da maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen sevgili annem Gülsün ALKAÇ’a ve sevgili babam Çetin ALKAÇ’a sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... iv
ABSTRACT ... v
TEŞEKKÜR ... vi
İÇİNDEKİLER ... vii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi
RESİMLERİN LİSTESİ... xiii
1. GİRİŞ
... 12. LİTERATÜR TARAMASI
... 53. KURUTMA
... 113.1. Kurutma İşleminin Amaçları ... 11
3.2. Kurutmanın Mekanizması ... 12
3.2.1. Kütle transferi ... 12
3.2.2. İletimle ısı transferi ... 13
3.2.3. Taşınım ile ısı transferi ... 14
3.2.4. Işınım ile ısı transferi ... 15
3.3. Kurutmanın Aşamaları ... 16
3.4. Kurutma Hızı ... 18
3.5. Kurutma Çeşitleri ... 19
3.5.1. Doğal kurutma ... 19
3.5.2. Teknik kurutma ... 19
3.6. Kurutma Yöntemi Seçimi... 20
3.7. Kurutucu Çeşitleri ... 20
3.7.1. Konveksiyon kurutma ... 21
3.7.2. Kondüksiyon tipi kurutucular ... 22
Sayfa
3.8. Kurutucu Seçimi ... 23
3.9. Gıdaların Kurutulması ... 24
3.9.1. Sebzelerin kurutulması ... 25
3.9.2. Meyvelerin Kurutulması ... 25
4. LİMON
... 274.1. Limon Meyvesinin Yapısı ... 27
4.2. Limon Çeşitleri ... 29
4.2.1. Lamas ... 29
4.2.2. İtalyan Memeli - Kara Limon ... 30
4.2.3. Enterdonat ... 30
4.2.4. Kütdiken ... 31
4.2.5. Kıbrıs Limonu ... 32
4.2.6. Lizbon ... 32
4.2.7. Mayer ... 33
4.2.8. Misket ... 34
4.2.9. Molla Mehmet ... 35
4.3. Limonun Besin Değerleri ve İnsan Sağlığı Üzerindeki Etkileri ... 36
4.4. Limonun Pazarlanması ... 37
5. ISI POMPASI
... 395.1. Isı Pompasının Tarihçesi ... 39
5.2. Isı Pompasının Çalışma Prensibi ... 40
5.3. Isı Pompası Tipleri ve Kaynakları ... 45
5.4. Isı Pompasının Avantajları ve Dezavantajları ... 47
5.5. Isı Pompası Destekli Kurutucu ... 48
5.6. Gelişmiş Isı Pompalı Kurutucular ... 51
5.6.1. İnfrared ısı pompalı kurutucular ... 52
Sayfa
6. MATERYAL VE METOT
... 556.1. Metot ... 55
6.1.1. Nem içeriği ... 55
6.1.2. Nem oranı ... 55
6.1.3. Kuruma hızı ... 56
6.1.4. Isı pompalı kurutucu ... 56
6.1.5. Belirsizlik analizi ... 57
6.2. Materyal ... 57
7. DENEY VE ANALİZ SONUÇLARI
... 638. SONUÇ VE ÖNERİLER
... 698.1. Sonuç ... 69
8.2. Öneriler... 69
KAYNAKLAR ... 71
ÖZGEÇMİŞ ... 75
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 1.1. Türkiye'deki yıllık limon üretimi ... 2
Çizelge 1.2. Limon ihracatı yapılan ilk 5 ülke ... 3
Çizelge 1.3. Türkiye geneli yaş meyve ve sebzede ihracat yapılan ilk 20 madde ... 3
Çizelge 4.1. Limon meyvesinin bileşimi ... 27
Çizelge 4.2. Limon çeşitlerinin üretime göre dağılımı (%) ... 35
Çizelge 4.3. İllere göre limon türlerinin üretiminin dağılımı (%)... 36
Çizelge 4.4. Limon meyvesinin besin değerleri... 36
Çizelge 6.1. Ölçüm cihazının teknik özellikleri... 62
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 1.1. Limon meyvesinin yıllara göre üretim grafiği ... 2
Şekil 3.1. Kurutucu seçim kriterleri ... 24
Şekil 4.1. Askorbik asitin kimyasal yapısı ... 28
Şekil 4.2. Limon pazarının yapısı ... 37
Şekil 5.1. Yıllara göre ısı pompası kurulum değişimi ... 40
Şekil 5.2. Bir ısı makinesinin şematik gösterimi ... 41
Şekil 5.3. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ... 42
Şekil 5.4. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin T-s grafiği ... 42
Şekil 5.5. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin P-h diyagramı... 43
Şekil 5.6. Dönüştürme vanalı ısı pompası, soğutma düzeni ... 44
Şekil 5.7. Dönüştürme vanalı ısı pompası, ısıtma düzeni ... 45
Şekil 5.8. Havadan - havaya bir ısı pompası sistemi ... 46
Şekil 5.9. Isı pompalı kurutucuların sınıflandırma şeması ... 48
Şekil 5.10. Isı pompalı kurutucu prensip şeması ve psikometrik diyagramda gösterimi 49
Şekil 5.11. Basit nem alıcı ısı pompalı kurutucu ... 50
Şekil 5.12. Isı geri kazanımlı ısı pompalı açık hava çevrimli sistem ... 50
Şekil 5.13. Isı pompası ile bir atmosferik kaynaktan ısı çekimi ... 51
Şekil 5.14. İnfrared destekli ısı pompalı kurutucunun şematik diyagramı ... 52
Şekil 5.15. Elektromanyetik dalga spektrumu ... 53
Şekil 6.1. Kapalı devre kurutma sistemi ... 61
Şekil 6.2. Taze hava girişli kurutma sistemi ... 61
Şekil 7.1. Zamana göre nem içeriğinin değişimi ... 64
Şekil 7.2. Zamana göre nem oranının değişimi ... 64
Şekil 7.3. Zamana göre kurutma hızının değişimi ... 65
Şekil 7.4. Enerji tüketimi ... 65
Şekil Sayfa
Şekil 7.5. Kurutma süresi ... 66
Şekil 7.6. Zamana göre harcanan enerji değişimi ... 66
Şekil 7.7. Toplam enerji tüketiminin dağılımı ... 67
Şekil 7.8. Zamana göre COPws’nin değişimi ... 68
Şekil 7.9. Kurutma verimi ... 68
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 4.1. Lamas limonu ... 29
Resim 4.2. İtalyan memeli-kara limon ... 30
Resim 4.3. Enterdonat limon ... 31
Resim 4.4. Kütdiken limonu ... 31
Resim 4.5. Kıbrıs limonu ... 32
Resim 4.6. Lizbon limonu ... 33
Resim 4.7. Mayer limonu... 34
Resim 4.8. Misket limonu ... 34
Resim 4.9. Molla Mehmet limonu ... 35
Resim 6.1. Nem miktar tayini öncesi limonun görünümü ... 58
Resim 6.2. Nem miktar tayini sonrası limonun görünümü ... 59
Resim 6.3. Deney düzeneğinin görünümü ... 60
Resim 7.1. Deney öncesi dilimlenmiş limonların görünümü ... 63
Resim 7.2. Deney sonrası kurutulmuş limonların görünümü ... 63
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklamalar
𝒄 Havanın özgül ısısı, kJ/kg°C
𝑪𝑶𝑷𝒉𝒑 Isı pompasının performans katsayısı
𝑪𝑶𝑷𝒘𝒔 Bütün sistemin performans katsayısı
𝑴𝑪𝒅𝒃 Nem içeriği, g su/ g kuru madde
𝑴𝒊 Başlangıçtaki yaş ağırlık, g
𝒎̇𝒅 Buharlaştırılan su miktarı, kg/h
𝑴𝒅 Kuru ağırlık, g
𝑴𝑪𝒕 t anına göre nem içeriği, g su/g kuru madde
𝑴𝑪𝒕+𝒅𝒕 t+dt anına göre nem içeriği, g su/g kuru madde
𝑴 Ürünün nem içeriği, g su/ g kuru madde
𝑴𝒆 Denge nem içeriği, g su/ g kuru madde
𝑴𝒐 Başlangıçtaki nem içeriği, g su/ g kuru madde
𝒎̇𝒊𝒂 Havanın kütlesel debisi, kg/s
𝝆 Havanın yoğunluğu, kg/m³
𝑺𝑴𝑬𝑹𝒉𝒑 Isı pompasının özgül nem çekme oranı, kg/kWh
𝑺𝑴𝑬𝑹𝒘𝒔 Tüm sistemin özgül nem çekme oranı, kg/kWh
𝑻𝒊𝒂 Giriş havası sıcaklığı, °C
𝑻𝒐𝒂 Çıkış havası sıcaklığı, °C
𝑽̇ Hava debisi, m³/h
𝑸̇𝑲 Kurutma havasına verilen ısı gücü, kW
𝑾̇𝒄 Kompresör gücü, kW
𝑾̇𝒇 Fan gücü, kW
Kısaltmalar Açıklamalar
ÇBN Çevre havası bağıl nemi
DR Kurutma hızı, g su/ g kuru madde dakika
Kısaltmalar Açıklamalar
MR Nem oranı
TÜİK Türkiye İstatistik Kurumu
1. GİRİŞ
Kurutma; maddenin ihtiva ettiği nemin, kurutulacak maddeden uzaklaştırılması olarak tanımlanabilir. Gıda, kâğıt, kereste, çimento, kimya gibi birçok sanayi alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Gıda kurutma, ilk çağlardan günümüze, meyve ve sebzelerin muhafazası için kullanılan en eski metotlardan biri olup, eski çağlarda kurutma yöntemi olarak daha çok güneşte kurutma tercih edilmiştir. Gıda maddelerinin kurutulmalarındaki, yani içerisindeki nemi uzaklaştırmadaki amaç, gıda maddesinin içerdiği nem oranını mikroorganizma gelişimini önleyecek düzeye indirmektir. Bu nedenle kurutma, birçok meyve ve sebze için en sağlıklı, pratik ve genel gıda muhafaza yöntemidir.
Kurutma, herhangi bir kimyasal koruyucu madde eklemeden ürün raf ömrünü iyileştirir ve hem paket boyutunu hem de nakliye maliyetini azaltır. Kurutma ayrıca, özellikle %70 mertebelerine kadar görülebilen, meyve ve sebzelerin hasat sonrası kayıplarını azaltmada da yardımcı olur.
Kurutma, geniş uygulama alanı, sürekli gelişen ve iyileştirmeye açık yapısıyla birçok bilim insanının yıllardır ilgisini çekmiş ve çekmeye devam etmektedir. Kurutma işleminde yıllardır yapılan çalışmalarda temel araştırma alanları; kurutucu tipleri, kurutma havası koşulları, gıda kalitesini etkileyen parametrelerin belirlenmesi, enerji verimliliği ve enerji maliyeti olmuştur.
Limon meyvelerinin taze ağırlığı, yüksek oranda (yaklaşık %87) su içermektedir. Bu yüzden, tohumlar gibi diğer bitki türevi gıdalara kıyasla nispeten yüksek metabolik aktivite sergilerler. Bu metabolik aktivite hasattan sonra da devam ettiği için limon meyvesi çabuk bozulan bir yapı sergiler [1].
Kurutma işlemi yapılırken kurutulan ürünün besin değerlerinin ve aromatik özelliklerinin de korunması gerekmektedir. Limon içeriğinde yüksek C vitamini ve antioksidan barındırmaktadır ancak yüksek su ve nemden dolayı uzun süre muhafaza edilememektedir.
Aynı zamanda tüm meyve ve sebzelerde olduğu gibi, kurutulmuş limonun da besin/kalori değerleri, aynı miktarda yenilen yaş limonun besin/kalori değerinden daha yüksektir.
Limonun kurutularak saklanması, daha uzun süre muhafaza edilmesinde, taşınmasında ve depolanmasında oldukça kolaylık sağlayacak ve bu avantajlar limon ihracatının gelişmesinde olumlu etki yaratacaktır.
International Trade Center verilerine göre Türkiye turunçgil ihracatında ilk 5’te yer almaktadır. Limon meyvesi de Türkiye ekonomisinde oldukça önemli bir yer tutmaktadır.
TÜİK verilerine göre 2010-2016 yılları arasında Türkiye’deki limon üretim miktarları (ton/yıl) aşağıdaki çizelgede verilmiştir [2]:
Çizelge 1.1. Türkiye'deki yıllık limon üretimi
Yıllara Göre Limon Üretimi (ton/yıl)
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Limon 787 063 790 211 710 211 726 283 725 230 750 550 850 600 1 007 133 1 100 000
Bu verilere göre oluşturulan Türkiye’deki Limon meyvesinin yıllara göre üretim grafiği aşağıda verilmiştir.
Şekil 1.1. Limon meyvesinin yıllara göre üretim grafiği
Akdeniz İhracatçı Birlikleri Genel Sekreterliği’nin yayınladığı 2017/2018 Ocak-Aralık Dönemi “Yaş Meyve ve Sebze Sektörü Türkiye Geneli Değerlendirme Raporu”na göre limon meyvesinin ihracat verileri aşağıda verilmiştir [3].
0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
ton/yıl
Limon meyvesinin yıllara göre üretimi
Çizelge 1.2. Limon ihracatı yapılan ilk 5 ülke
Ülkeler
Ocak-Aralık 2017 Ocak-Aralık 2018 Değişim Oranı (%) 2018 Payı (%) Miktar
(bin ton)
Değer (M$)
Miktar (bin ton)
Değer
(M$) Miktar Değer Miktar Değer Rusya
Federasyonu 119,5 85,75 131,4 78,13 10 -6 21 23
Irak 84,6 33,07 134,1 40,35 59 22 21 12
Romanya 27,8 22,94 38,3 27,87 38 21 6 8
Suudi
Arabistan 63,1 32,60 57,6 26,65 -9 -18 9 8
Ukrayna 30,4 14,90 38,3 18,22 26 22 6 5
Toplam Limon 475,1 294,67 634,8 332,84 34 13 100 100
Yine aynı rapora göre, Türkiye geneli yaş meyve ve sebzede ihracat yapılan ilk 20 madde aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Bu çizelgeden de anlaşılacağı üzere limon meyvesi Türkiye ekonomisi için oldukça önemlidir
Çizelge 1.3. Türkiye geneli yaş meyve ve sebzede ihracat yapılan ilk 20 madde
ÜRÜNLER
OCAK-ARALIK 2017 OCAK-ARALIK 2018 DEĞİŞİM
ORANI (%)
2018 PAYI (%)
MİKTAR (KG) DEĞER (DOLAR) MİKTAR (KG) DEĞER (DOLAR) MİKTAR DEĞER MİKTAR DEĞER
1 Limon 475 115 823 294 675 441 634 897 986 332 840 267 34 13 14 14 2 Mandarin 697 093 892 335 075 883 744 418 790 311 921 846 7 -7 16 13 3 Domates 525 884 950 288 735 753 538 585 972 291 903 059 2 1 12 13 4 Kiraz. Vişne 59 871 066 159 022 829 76 138 270 161 686 260 27 2 2 7 5 Portakal 368 692 647 151 038 288 448 059 479 160 613 612 22 6 10 7 6 Üzüm 279 724 270 196 874 941 182 163 177 121 856 678 -
35 -38 4 5
7 Biber 95 863 012 96 937 046 128 753 389 118 662 315 34 22 3 5
8 Nar 163 772 962 96 715 346 207 622 755 114 752 607 27 19 5 5
9 Elma 181 722 035 52 971 908 245 306 630 95 475 499 35 80 5 4 10 Greyfurt 131 507 310 68 555 893 194 660 747 88 163 161 48 29 4 4 11 Şeftali 89 502 623 70 317 291 128 587 524 87 537 639 44 24 3 4 12 Kestane 9 883 503 37 033 431 12 963 625 43 247 430 31 17 0 2 13 Salatalık.
Kornişon 49 946 868 34 095 775 66 922 818 41 348 797 34 21 1 2 14 Kayısı 63 517 811 44 527 359 71 406 911 41 120 641 12 -8 2 2 15 Kabak 49 103 963 31 410 936 67 714 499 40 418 846 38 29 2 2 16 İncir 16 131 376 46 245 192 17 032 431 38 896 600 6 -16 0 2 17 Patates 191 517 039 25 754 958 258 169 993 26 387 573 35 2 6 1 18 Çilek 13 678 128 12 283 311 20 112 839 23 973 257 47 95 0 1
19 Erik 44 119 656 23 078 869 69 810 482 22 326 765 58 -3 2 1
20 Armut 36 231 305 20 338 458 48 448 100 22 023 099 34 8 1 1
Toplam 3 960 390 809 2 230 597 557 4 512 125 794 2 325 745 328 14 4 100 100 NOT: Ürünler, 2018 yılı FOB ($) değerlerine göre sıralanmıştır.
Bu bilgiler göstermektedir ki, limon meyvesi Türkiye ekonomisinde oldukça önemli bir yer tutmakta ve ciddi bir pazar oluşturmaktadır. Yüksek su ihtivası sebebiyle çabuk bozulmaya meyilli olan limon meyvesinin daha uzun süre saklanması, bu muhafaza esnasında da içerdiği yüksek besin değerlerini kaybetmemesi açısından limonun kurutulması tercih edilebilir bir yöntemdir. Kurutma işleminin sonucunda depolama, nakliye ve kullanım süresinin uzaması gibi avantajlar elde edilebileceği ve bu metodun ülke ekonomisine kayda değer bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir.
Endüstriyel kurutma işlemleri yüksek enerji tüketimi gerektiren süreçleri içerdiğinden, kurutma süresinin kısaltılmasına yönelik yapılan çalışmalar enerji tasarrufu sağlanması açısından oldukça önemlidir. Yapılan bu deney çalışmasında limon meyvesi taze hava girişli ve kapalı çevrim kurutma sistemlerinde aynı şartlarda kurutulmuş ve iki sistemin kurutma süresi üzerindeki belirgin etkilerini ortaya konmuştur.
Bu çalışmada deney düzeneği olarak iki ayrı ısı pompalı infrared bir kurutucu tasarlanarak dilimlenmiş limon meyvesinin kurutulması analiz edilmiş ve taze hava girişinin kuruma kinetiği üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmıştır.
2. LİTERATÜR TARAMASI
Literatürde kurutma, ısı pompası destekli kurutucular, infrared kurutucular, gıdaların kurutulması ve limonun kurutulması ile ilgili birçok kaynak mevcuttur. Bu tez çalışması için kapsamlı bir literatür taraması yapılmış ve aşağıda sunulmuştur.
Aktaş ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada kızılötesi ışınımlı bir kurutucuda ayva dilimleri 3,89g su/ g kuru madde miktarından 0.16 g su / g kuru madde miktarına kadar kurutulmuştur. Aktaş bu çalışmasında farklı hız ve sıcaklıklarda deneyler yaparak dilimlenmiş ayvanın kuruma kinetiğini hesaplamıştır. Ayrıca Aktaş çalışmasında her bir deney için kızılötesi ışınımlı kurutucunun da analizini yapmıştır [4].
Meltem Onin çeşitli meyve ve sebzelerin kızılötesi ışınımlı kurutucuda kurutulmasının deneysel ve teorik incelemesini yaptığı çalışmasında infrared ısıtma gücünün ve ön işlemlerin kuruma karakteristikleri ve kuru ürünlerin kalite parametreleri üzerindeki etkilerini incelemiştir. Onin deneyleri 300, 400 ve 500 W infrared kurutma güçlerinde yapmış ve kuruma hızı ve etkin difüzivetinin infrared gücünün artması ile arttığını tespit etmiştir [5].
Nurel Arslan konveksiyonel yöntemle kurutulan mantının infrared kurutma yöntemiyle piyasada kurutulabilirliğinin incelenmesi amacıyla farklı infrared güçlerinde deneyler yapmış ve sonuçları geleneksel fırında kurutma yöntemi ile karşılaştırmıştır. Deneyler sonucunda en kısa kurutma süresi 1000W infrared gücü ile yapılan deneyde gerçekleşirken en fazla enerji tüketimi 500 W gücünde, en düşük enerji tüketimi 400 W gücünde gerçekleşmiştir [6].
Darvishi, Khoshtaghaza ve Minaei mikrodalga-konvektif ısıtmanın limon dilimlerinin kurutma karakteristiklerine ve kuruma sonrası renk değişimlerine etkisini incelemişlerdir.
180, 360, 540 ve 720 W ve 22°C’de, 1 m/s hava hızında deneyler yapan ekip etkin nem yayılım katsayısını 1,87.10ˉ8 m²/s ve 3,95. 10ˉ8 m²/s arasında, aktivasyon enerjisini ise 10,91 W/s olarak bulmuştur. Deneylerin sonucunda elde edilen kurutma verilerini literatürdeki mevcut matematiksel metotlarla çözümlemişler ve kurutma karakteristikleri ve renk değişimi bakımından en uygun yolu belirlemişlerdir [7].
Chen, Hernandez ve Huang kapalı çevrim güneş enerjili kurutucuda limon dilimlerinin kurutulmasını analiz etmişler ve deneyleri için yüksek geçirgen camdan kabineti olan bir fotovoltaik sistem geliştirmişlerdir. 60 °C sıcak hava ile limon dilimlerini kurutmuşlardır.
Deney sonuçları kapalı çevrim sistemde kurutmanın kurutma parametreleri açısından daha verimli olduğunu göstermiştir [8].
Kesbi, Sadeghi ve Mireii (2013) tarafından yapılan çalışmada limon dilimlerinin mikrodalga-konvektif kurutucuda kurutulmasının modellemesi ve kalite değerlendirmesi yapılmıştır. Limon dilimlerinin konvektif kurutucuda (50, 55 ve 60°C giriş hava sıcaklıklarında), mikrodalga fırında (0.97 W g-1 spesifik güç) ve kombine mikrodalga- konvektif kurutucuda (0.97 W g-1 ve 2.04 W g-1 spesifik güç ve 50, 55 ve 60°C giriş hava sıcaklıklarıyla desteklenmiş) kuruma davranışları incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda mikrodalga-konvektif kurutucuda kurutulan limonların yüksek kuruma hızına ek olarak ürünün kalite parametreleri de diğer kurutma metodlarına göre yüksek bulunmuştur [9].
Aktaş ve Kara (2013) tarafından yapılan çalışmada Güneş Enerjisi ve Isı Pompalı Kurutucuda Dilimlenmiş Kivi kurutulmuştur. Çalışmada kurutucu tasarlanmış, imal edilmiş ve kivi meyvesi kurutularak deneysel olarak incelenmiştir. 5 mm kalınlığında dilimlenen kiviler 6 g/su kuru madde başlangıç nem miktarından 35 °C sıcaklıkta 0,53 g su/g kuru madde, 40 °C sıcaklıkta 0,25 g su/g kuru madde, 45 oC sıcaklıkta 0,14 g su/g kuru madde ve 50 oC sıcaklıkta 0,15 g su/g kuru madde nem miktarına kadar kurutulmuştur. Kiviler, 35
°C, 40 °C, 45 °C ve 50 °C kurutma havası sıcaklığında ve değişken hava hızlarında (0,1-1,0 m/s) ve sırasıyla 8,5 saat, 7,5 saat, 7,5 saat ve 6,5 saatte kurutulmuştur. Isı pompası performans katsayısı (COPhp,h) ve tüm sistemin ısı pompası performans katsayısı (COPts) bütün deneyler için ortalama olarak sırasıyla 2,90 ve 2,27 olarak hesaplanmıştır. Bununla beraber yapılan tüm deneyler için ortalama dalgalı kanatçıklı havalı güneş kolektörünün verimi % 56,7 olarak hesaplanmıştır. Bu deneysel çalışma ile, kivi kurutulması için uygun kurutma havası sıcaklık değeri 50 °C olarak belirlenmiştir [10].
Gürel tarafından yapılan çalışmada nem kontrollü, güneş enerjili ve ısı borulu bir kurutucunun tasarlanmış ve bu kurutucunun imalatı yapılmıştır. İmal edilen bu kurutucuda aromatik bitkiler sınıfında olan maydanoz, nane ve biberiye kurutulmuştur. Isı borularında çalışma sıvısı olarak etanol tercih edilmiştir. 8 saat süren deney sonucunda yapılan
değerlendirmede nem kontrollü ve ağırlık ölçümlü kurutmanın kurutulan ürünlerin kalitesini arttırdığı tespit edilmiştir [11].
Demir çalışmasında defneyapraklarını güneş enerjisi ile desteklenen ısı borulu bir kurutucuda kurutmuş ve kurutma parametrelerini değerlendirmiştir. Güneş enerjisi destekli ısı borulu kurutucuda kurutma havası hızı değeri olarak 0,6 m/s seçilen ve 28°C - 50°C sıcaklık aralığında yapılan deney 3 gün sürmüş, yapılan kurutma işlemi sonucu defneyapraklarının 1,02 g su / g kuru madde olan başlangıç nem miktarı sırayla 0,279 g su / g kuru madde -0,285 g su / g kuru madde - 0,268 g su / g kuru madde değerlerine kadar düşürmüştür. Aynı özelliklerdeki defneyaprakları güneş enerjisi destekli sera tipi kurutucuda ortalama 0,3 m/s hava hızı ile 36°C – 52°C sıcaklık aralığında kurutulduğunda nem miktarları 0,063 g su / g kuru madde - 0,055 g su / g kuru madde - 0,051 g su / g kuru madde olmuştur. Yazar çalışmasının sonucunda; güneş enerjisi destekli sera tipi kurutucunun, güneş enerjisi destekli ısı borulu kurutucuyla kıyaslandığında daha kısa sürede kurutma işlemini tamamladığını tespit etmiştir. Görsel analiz yapıldığında ise güneş enerjisi destekli ısı borulu kurutucunun ürün kalitesi bakımından daha iyi sonuç verdiği belirtilmiştir [12].
Doğan kurutmada kullanılan dört farklı tipte hava ısıtma kolektörü tasarlamış ve imal etmiştir. Üç adet düz kolektör (doğal dolaşımlı, kapalı sistem ısı borulu ve hava ön kurutmalı cebri sistem) ve bir oval kolektörden (cebri sistem, hava ön kurutmalı) oluşan sistemler eş koşullarda deneye tabi tutularak kurumaya etkileri ve verimleri karşılaştırılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda havanın en çabuk ısındığı kolektör ön kurutmalı kolektör olmuştur [13].
Wannapakhe ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada kapalı döngü salınımı yapan ısı borulu sıcak havalı kurutucunun (CLOHP/CV) enerji tasarrufu incelenmiştir. CLOHP/CV 2 mm iç çapa sahip bakır borudan imal edilmiştir. Evaporatör ve kondenser uzunluğunun 18 cm, adyabatik uzunluğun 20 cm olduğu belirtilmiştir. Borunun toplam hacminin %50’si damıtılmış su ile doldurulmuştur. Deney çalışması 50°C, 60°C, 70°C, 80°C ve 90°C sıcaklıkları için yapılmıştır. Sıcak hava akış hızları; 0.5 m/sn, 1.0 m/sn ve 1.5 m/sn’dir.
Normal sıcak havalı kurutucu ile kapalı çevrim salınımı yapan ısı borulu sıcak havalı kurutucunun sonuçları incelendiğinde, ısı borulu kurutucunun normal kurutucuya göre çok daha fazla termal enerji tasarrufu yaptığı görülmüştür. Ayrıca iki sistem arasındaki elektrik enerjisi tasarrufu hesaplandığında, ısı borulu sistemde normal sisteme göre ortalama %28.13 tasarruf sağlanabildiği görülmüştür [14].
Meena ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada kurutma çevriminden gelen atık ısıyı geri kazanmak için kurutma sistemindeki bağıl nemi azaltacak kapalı çevrim ısı borulu hava ön ısıtıcısının tasarım, yapımı ve test edilmesi amaçlanmıştır. CLOHP/CV ısı-değiştirici 0.002 m iç çapa sahip 3.58 m uzunluğundaki bakır borulardan oluşmaktadır. Evaporatör ve kondenser bölümleri 0.19 m, adyabatik kısım 0.08 m uzunluklarında, sıcak hava hızları 0.5 m/s, 0.75 m/s ve 1 m/s, sıcak hava sıcaklıkları 50°C, 60°C ve 70°C, ve bağıl nem %100’dür.
Çalışma sıvısı R134 olup dolum oranı %50’dir. Hava sıcaklığı 50°C’den 70°C’ye çıktığında, ısı transfer hızının ve etkinliğinin biraz arttığı söylenebilir. Hız 0,5 m/s ve 0.75 m/s’den 1 m/s’ye çıktığında ise ısı transfer hızı ve etkinlik biraz düşer. Bağıl nem ise %89-%100 oranından %54-%72 oranına indirgenmiştir. Sonuç olarak CLOHP/CV hava ön ısıtıcılı sistemler bağıl nemi azaltmada ve enerji tasarrufu sağlamada kullanılabilir [15].
Coşkun çalışmasında ısı pompası ile sürekli kurutucu ünitesi olmak üzere iki bölümde incelediği çapraz akımlı sürekli kurutma sisteminin simülasyonunu gerçekleştirmiştir. Bu benzetimi gerçekleştirirken sürekli kurutucu ünitesinin çıkış değerlerini ısı pompası ünitesinin giriş değerleri olduğu kabulünde bulunmuştur. Çalışma neticesinde debi, nem değeri, sıcaklık gibi sistemin her bir noktasındaki değişkenler ile bunlara bağlı olarak sistem performansı analiz edilmiştir [16].
Erbay ve Küçüköner gerçekleştirdikleri çalışmada gıda sanayisinde yararlanılan kurutma sistemlerini incelemişlerdir. Çalışmalarının neticesinde doğru metodun seçilmesi için kurutulacak ürünün kimyasal ve fiziksel yapısının, su verme yeteneğinin ve son nem içeriği değerlerinin iyi bir şekilde bilinmesi gerektiğini belirtmişlerdir [17].
Aktaş ve diğerleri tarafından gerçekleştirilen çalışmada düşük sıcaklıkta yapılan kurutma uygulamaları için yoğuşma tipi ısı pompası sistemini test edilmiştir. Test edilen kurutucunun teknik özellikleri göz önünde bulundurularak bir kurutma algoritması geliştirilmiş ve kurutma havası sıcaklığı, akış hızı, bağıl nem değerleri PLC ekranından girilmiştir.
Kurutulacak madde olarak nane yaprağı seçilmiştir. Nane yaprakları, üç farklı sıcaklıkta (35°C, 40°C ve 45 °C) kurutulmuştur. Deney neticesinde elde edilen performans katsayısı (COPhp) değerleri 3.81 ile 2.29 arasında çıkmıştır [18].
Gürlek ve diğerleri ısı pompalı kurutucuda elma meyvesinin kurutulmasını analiz etmişlerdir. Çalışmalarında ısı pompası destekli kurutucuların çalışma prensiplerinden ve bu
kurutucuların performans kıstaslarından bahsederken, 50º’de kuruttukları elma dilimlerini incelemişlerdir. Çalışma neticesinde tercih ettikleri sistemin enerji tüketiminin diğer kurutma sistemlerine göre daha düşük olduğunu buna karşın elde edilen kurutulmuş elmaların diğer sistemlerde kurutulan elmalara göre daha kalitesiz olduğunu belirtmişlerdir [19].
Kılıç tarafından yapılan çalışmada Türkiye’de yetiştirilen bazı sebze ve meyveler (elma, patlıcan, armut, kabak, havuç) farklı sıcaklıklarda kurutulmuş ve kuruma karakteristikleri incelenmiştir. Deney sıcaklıkları olarak 60°C, 70°C, 80°C seçilmiştir. Yapılan deneysel çalışmaların neticesinde kurutma hava sıcaklığı arttıkça kuruma hızının da yükseldiği ve buna bağlı olarak kuruma süresinin azaldığı gözlemlenmiştir [20].
Mustafa Aktaş ve Emrah gönen tarafından yapılan çalışmada defneyaprağı kapalı devre ısı pompalı bir kurutucuda kurutulmuş ve sistemin analizi yapılmıştır. 40 ºC, 45 ºC, 50 ºC sıcaklıklarında 6 deney gerçekleştirilmiş ve bu deneylerde kurutma havası hızları 1 m/s ve 1,5 m/s olarak belirlenmiştir. Yapılan deneyler neticesinde COPts değeri 45ºC ve 1,5 m/s için 3,02 hesaplanmıştır. Kurutulmuş defne yaprakları için su aktivitesi değerleri ise 0,49- 0,55 aralığında olduğu tespit edilmiştir [21].
Chapchaimoh ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada zencefil ısı pompalı bir kurutucuda kurutulmuş ve bu kurutma sisteminin termal özellikleri incelenmiştir. Zencefil, ısı pompası destekli kapalı devre kurutucuda, kurutma vasıtası olarak 50ºC sıcaklıkta hava ve nitrojen kullanılmıştır. 200 dakika boyunca sürdürülen deneyde kurutma performansı ve enerji tüketimi incelenmiştir. Taze zencefil %89 oranında kurutularak 777 olan nem içeriği 132’ye kadar düşürülmüştür. İç kondenserde kazanılan ısı 15.4 ve 20.5 MJ olurken, evaporatörden atılan ısı 18.6 ve 22ç9 MJ olmuştur. Kurutma sırasında hava ile kurutma toplam 11.6 MJ enerji girişi gerektirirken nitrojen ile kurutmada 12.5 MJ enerji girdisine ihtiyaç duyulmuştur. Hava ile zencefil kurutmanın özgül nem alma oranı 0.06 iken azot ile kurutmada 0.07 kg su /MJ olmuştur. Havayla kurutmada özgül kurutma enerjisi tüketimi 16.67 iken, azot ile kurutmada 14.29 MJ / kg su olduğu görülmüştür [22].
Daghigh ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada güneş enerjisi destekli ısı pompalı kurutma sistemlerinin avantajları incelenmiştir. Yapılan gözlemler sonucunda bu sistemlerin
gelişmiş kalite kontrol, düşük enerji tüketimi, yüksek performans katsayısı ve kurutucunun yüksek ısıl verimi sağladığı tespit edilmiştir [23].
Aktaş ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, portakal kabuğunun ısı pompalı bir kurutucuda kurutulması incelenmiştir. Programlanabilir Lojik Kontrolör (PLC) ekranından kurutma havası için tercih edilen sıcaklık, bağıl nem ve hız değerleri girilmiş ve kontrol edilmiştir. Yapılan çalışmada nem alma sistemi kullanılarak kurutma havasının bağıl neminin %7 ile %14 aralığında kalması sağlanmıştır. Deney için belirlenen kurutma havası sıcaklığı 45ºC olurken, kurutma havası hızı 1m/s’dir. Deneysel çalışma neticesinde bütün sistemin performans katsayısı değeri (COPws) ortalama 3.83 olarak bulunmuştur. Portakal kabuklarının kuruma süresi 8 saat 45 dakika olmuştur. Bu kurutma işlemi neticesinde 3 gsu/gkuru madde olan nem miktarı 0.09 gsu/gkuru madde nem miktarına düşmüştür [24].
Hüseyin Günerhan yazdığı makalede endüstriyel kurutma sistemleri hakkında kurutma mekanizması, nem ölçümü, kurutma zamanının bulunması, ısıl denge gibi kurutma ile ilgili temel konular hakkında bilgiler vermiş ve kurutma sistem tiplerini tanımlamıştır [25].
Aktaş ve diğerleri güneş enerjisi destekli hava kolektörlü fırında elma meyvesinin kurutulmasını deneysel olarak incelemişlerdir. Yaptıkları deneysel çalışma neticesinde güneş enerjisi destekli hava kolektörlü kurutma fırınında gerçekleştirilen kurutma işleminin doğal kurutma işlemine göre hem kuruma süresinin daha kısa olması hem de elde edilen ürünün kalitesinin daha yüksek olması sebebiyle tercih edilebilir olduğu sonucuna varmışlardır [26].
Aktaş ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada ısı pompası destekli bir endüstriyel fındık kurutma fırını modellenmiştir. Tasarladıkları fırının enerji analizini de yapan yazarlar, sisteme güneş enerjisi desteği sağlanarak enerji tasarrufu sağlanabileceği sonucuna varmışlardır [27].
Bu tez çalışması için yapılan literatür taramasında kurutma süreçleri, ısı pompası destekli ve infrared destekli kurutucular ile yapılan çalışmalar, limon ve benzer özellikler gösteren meyvelerin kurutulması hakkındaki çalışmalar incelenmiştir. Yapılan bu literatür çalışması neticesinde ısı pompalı infrared kurutucuda dilimlenmiş limonun kurutulması planlanmıştır.
3. KURUTMA
Kurutma, genel olarak bir maddenin ihtiva ettiği suyun maddeden uzaklaştırılması olarak tanımlanır. Meyve ve sebzelerde ise kurutma; üründe %80 ile %95 aralığında olan nem miktarının yaklaşık %10-20 oranına düşürülmesi ve bu sayede meyve ve sebzelerde mikroorganizmaların gelişmesinin önüne geçilerek uzun süre muhafaza edilmesi işlemi olarak tanımlanabilir.
Kurutma sistemi; belirli bir süreçte kurutulmak istenen ürünün ihtiva ettiği nemin istenen kuruma değerine indirilmesini sağlayan ve nem verme, ısıtma, nem alma gibi farklı bölümleri içeren ünitelerin bütünü olarak tanımlanmaktadır [27].
Kurutma sistemleri gıda, boya, kereste, çimento, ilaç ve kâğıt sanayisi gibi birçok endüstriyel alanda üretim süreçlerinde uygulanmaktadır. Kurutma işlemine tabi tutulan ürün nem içeriği düşürüldüğü için hacim olarak küçülür ve kuru madde oranı artar. Böylece paketlenmesi, depolanması ve nakliyesi için gereken maliyetler azalır.
3.1. Kurutma İşleminin Amaçları
Endüstriyel bir süreç olan kurutma işlemi birçok farklı sanayi alanında yaygın olarak tercih edilmektedir. Bilhassa sebze ve meyve ürünlerinde tercih edilen kurutma işlemi ile enerji kullanımı azalmakta, düşen kütle sayesinde nakliyesi kolaylaşmakta, raf ömrü daha uzun ve daha yüksek besin değerine sahip ürünler elde edilmektedir. Bu faydaların yanı sıra kurutma işlemi ile mikroorganizma oluşumunun minimuma düşürülmesi ve dört mevsim tüketilebilen gıdalar sayesinde kâr payının arttırılması amaçlanmaktadır.
Havanın nem içermesi sebebiyle kurutulan maddeler depolanması esnasında tekrar nem alma riski ile karşı karşıya kalmaktadırlar. Bunun önlenmesi için kurutulan ürünler depolanmadan önce nem geçişini önleyen veya minimuma indiren özel malzemelerle paketlenmesi yapılmaktadır. Bu sayede son tüketiciye ulaşacak veya başka bir prosese kuru olarak girmesi gereken ürünün kuru kalması sağlanmaktadır.
Endüstrimizin birçok alanında uygulanan kurutma işlemi yüzdesel olarak enerji tüketiminin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Kâğıt, tarım ve gıda, kereste ve mobilya ve tekstil
sanayisinde bu yüzdeler sırasıyla %33, %12, %11, %5 civarındadır [28]. Kurutma işlemlerinin endüstrideki payı sebebiyle günümüzde kurutma işlemleri ile ilgili geliştirme çalışmaları hız kazanmıştır.
3.2. Kurutmanın Mekanizması
Kurutma işlemi gerçekleştirilirken eş zamanlı olarak iki işlem birden meydana gelir. Bunlar maddenin ihtiva ettiği nemin maddeden uzaklaştırılması maksadıyla kurutulacak maddeye ısının transfer edilmesi ve buhar geçişi ve iç sıvı olarak meydana gelen kütle transferi işlemidir. Isı geçişi neticesinde buharlaşan nem, kurutulacak maddenin yüzeyine kurutucu hava ile difüzyon aracılığı ile uzaklaşır. Bu sayede ısı geçişi ve kütle geçişi ile madde kurutulmuş olur.
Endüstriyel kurutucular tasarlanırken ilk amaç, kurutucuda ihtiyaç duyulan ısının mümkün olan en verimli şekilde kullanılmasını sağlamaktır. Kurutucularda meydana gelen ısı aktarımları kullanılan kurutucunun tipine göre değişiklik gösterirken, iletim, taşınım ışınım ya da bunların birleşimleri şeklinde olabilir. Yaygın olarak ısı geçişi maddenin dış yüzeyinden iç yüzeyine doğru gerçekleşir. Sadece yüksek frekanslı ve elektrikli kurutma tipinde yüksek sıcaklık kurutulacak maddenin iç yüzeyinde oluşturulur ve ısı aktarımı dış yüzeye doğru gerçekleşir. Bu ısı aktarımı sırasında gerçekleşen kütle aktarımı ile de kurutma işlemi meydana gelir.
3.2.1. Kütle transferi
Kimya mühendisliği başta olmak üzere gıda mühendisliği, çevre mühendisliği, enerji mühendisliği, makine mühendisliği ve biyomühendislik gibi alanlarda kütle transferi kavramı oldukça önem arz etmektedir. Kimya Terimleri Sözlüğünde kütle transferi,
“kimyasal hücrelerde, türlerin difüzyonla; konveksiyon ve elektrostatik kuvvetlerle hareketidir” şeklinde tanımlamaktadır [29]. Kütle transferi, birbiriyle temas halinde olan iki madde veya iki bileşeni olan sistemde madde dağılımının eşit olmadığı koşullarda madde dağılımının fazla olduğu kısımdan madde dağılımının daha az olan kısma doğru moleküllerin aktarılması olayıdır [28]. Kütle transferi, sadece kütle aktarım işlemlerini anlamak için değil, katıların kurutulması, katalitik gaz fazı reaksiyonları, mayalanma (fermantasyon) gibi işlemlerinin tanımlanması ve uygulanması konusunda da oldukça
önemli rol oynamaktadır [30].
Molekülsel yayınma ile gerçekleşen kütle aktarımı durgun ya da laminer rejimdeki akışkanlarda gerçekleşmektedir. Kütle transferi konusunda çok önemli bir nokta olan aktarım miktarının belirlenmesi için mevcut derişim farkı dikkate alınır. Maddelerin derişim miktarlarını tanımlamak için molar veya kütle derişimler kullanılabilir.
Kütle transferinde için maddenin difüzyon ile gerçekleşen transfer akısı o maddenin yoğunlaşma eğimi ile orantılıdır. Bu orantı faktörünü difüzyon katsayısı olarak ifade edilir.
Bu durum Fick’in 1. Difüzyon Yasası ile izah edilir. İki bileşenli sistemler düşünüldüğünde DAB A maddesinin B maddesi içindeki difüzyon katsayısını gösterir. A bileşeni için ifade edildiğinde Fick’in 1. Yasası aşağıdaki gibi ifade edilir:
𝐽𝐴= −𝑐𝐷𝐴𝐵𝑑𝑥𝑑𝑦𝐴 (3.1)
Verilen bu eşitlikte JA A’nın y yönünde sahip olduğu difüzyon akısını, c sembolü konsantrasyonu ve dxA/dy şeklindeki gösterim ise y yönündeki mol kesri gradyanını tanımlamaktadır. Verilen eşitlikteki negatiflik belirten “-“ sembolü kütle aktarım yönünün azalan konsatrasyon olduğunu ifade eder.
3.2.2. İletimle ısı transferi
Isı enerjinin bir türüdür. İki sistem arasındaki sıcaklık farkı sebebiyle gerçekleşen enerji aktarımı ısı transferi olarak tanımlanır. Bir katı maddede veya durgun akışkanda belirli noktalarda sıcaklık farkı bulunması durumunda ısı transferi gerçekleşir. Maddenin içerisindeki yüksek enerji düzeyindeki moleküllerinden temas halinde oldukları daha düşük enerji düzeyindeki moleküllere doğru olan ısı aktarımı iletim ile ısı transferidir. İletim ile ısı transferi sadece katılarda değil sıvılarda ve gazlarda da gerçekleşebilir. Moleküller arası gerçekleşen bu aktarım katı maddelerde titreşim biçiminde, sıvı ve gazlarda ise moleküllerinin rastgele hareket ederek çarpışmaları biçiminde gerçekleşir. İletim ile ısı transferi gerçekleşirken aktarılan ısı miktarı Fourier Denklemi ile hesaplanır [31].
Fourier ısı iletim denklemi:
𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚 = −𝑘𝐴𝑑𝑇𝑑𝑥 (3.2)
Bu eşitlikte A, ısı geçişine dik olan yüzey alanını, k ısı iletim katsayısını, dT/dx ise sıcaklık gradyanını göstermektedir. Negatiflik işareti (-) ısı transferinin azalan sıcaklık yönünde olacağını belirtmektedir.
Zamana bağlı olarak değişmeyen sıcaklık dağılımının lineer olduğu durumlarda sıcaklık gradyeni:
𝑑𝑇
𝑑𝑥= 𝑇2−𝑇𝐿 1 (3.3)
Isı transfer miktarı:
𝑄̇𝑖𝑙𝑒𝑡𝑖𝑚 = −𝑘𝐴𝑇2−𝑇𝐿 1 (3.4)
şeklinde ifade edilir.
3.2.3. Taşınım ile ısı transferi
Taşınım ile ısı transferi katı yüzey ile bu katı yüzeye bitişil olan ve hareket halindeki akışkan arasında gerçekleşen ısı aktarımıdır. Söz konusu akışkan gaz veya sıvı olabilir ve bu akışkanın hareket hızı ne kadar yüksek olursa taşınım ile ısı transferi o kadar fazla olur.
Taşınım ile ısı transferi ifade edilirken “Newton Soğuma Kanunu” kullanılır.
𝑄̇𝑡𝑎ş𝚤𝑛𝚤𝑚= ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑠− 𝑇∞) (3.5)
Burada h ile ifade edilen değer ısı transfer katsayı, 𝐴𝑠 konveksiyon ısı transferinin gerçekleştiği yüzey alanı, 𝑇∞ akışkanın yüzeyden yeterli uzaklıktaki sıcaklığını, 𝑇𝑠 ise yüzey sıcaklığını ifade etmektedir [31].
Taşınım ile ısı transferi iki şekilde oluşur. Bunlar; zorlanmış taşınım (cebri konveksiyon) ve doğal taşınımdır (serbest konveksiyon). Taşınım ile ısı transferi türünü belirleyen akışın tipidir.
Zorlanmış (Cebri) taşınım, akışkanın pompa, fan veya rüzgâr aracılığıyla akışa zorlanması ile gerçekleşen taşınım ile ısı transferi biçimine verilen isimdir. Akışkan hareketinin akışkan içindeki sıcaklık değişiminden kaynaklanan yoğunluk farkları sebebiyle gerçekleştiği yani akışkanın hareketini etkileyen herhangi bir dış etkenin olmadığı taşınım biçimine ise doğal (serbest) taşınım ismi verilir.
3.2.4. Işınım ile ısı transferi
Sonlu sıcaklığa sahip cisimlerin elektromanyetik dalgalar biçiminde yaydıkları enerji ışınım olarak adlandırılır. Mutlak sıfırın üzerindeki tüm maddeler ısıyayarlar [31]. Işınımla ısı transferinin gerçekleşmesi için daha önce bahsedilen iletim ile ısı transferi ve taşınım ile ısı transferinde olduğu gibi bir ortam ihtiyacı bulunmamaktadır. Bütün maddeler, farklı seviyelerde, ışınımı yayar, emer veya geçirirler. Işınım ile ısı transferi “Stefan-Boltzmann Kanunu” ile belirlenir:
𝑄̇𝑦𝑎𝑦𝚤𝑛𝚤𝑚 = 𝜎𝐴𝑠𝑇𝑠4 (3.6)
Buradaki 𝜎, Stefan-Boltzman sabitidir ve değeri 5,67x10−8W/𝑚2·𝐾4’dir. 𝐴𝑠 yüzey alanını, 𝑇𝑠yüzeyin mutlak sıcaklığını ifade etmektedir [31].
3.5’te verilen eşitlik kara cisim denilen maksimum hız ile ışınım yapan ideal cisimler için tanımlanmıştır. Gerçek cisimlerden gerçekleşen ışınım, aynı sıcaklıkta bulunan siyah cisimden gerçekleşen ışınımdan daha azdır. Gerçek cisimler için ışınım ile ısı transferinin ifadesi:
𝑄̇𝑦𝑎𝑦𝚤𝑛𝚤𝑚 = 𝜀𝜎𝐴𝑠𝑇𝑠4 (3.7)
şeklindedir.
Buradaki 𝜀 Yüzeyin yayma katsayısıdır ve 0 ile 1 değerleri arasındadır. 𝜀 = 1 olması söz konusu cismin kara cisim olduğunu belirtir.
3.3. Kurutmanın Aşamaları
Kurutma işlemi başlıca dört aşamadan oluşmaktadır. Bunlar ayarlanma süreci, sabit hız süreci, kuruma hızının ilk düşüş süreci ve kuruma hızının ikinci düşüş sürecidir [32].
Şekil 3.2. Kurumanın aşamaları, kuruma hızı-zaman grafiği [32].
Şekil 3.3. Kuruma aşamaları, nem içeriği-zaman grafiği [32].
Ayarlanma süreci: Şekildeki gösterimiyle A noktasından başlayıp B noktasına kadar süreçtir. Kurutulması amaçlanan maddenin üstünden sıcaklığı ve nem içeriği belirlenmiş olan kurutma havasının geçirilmesiyle hava kurutulacak maddeye ısı enerjisi verir. Verilen bu ısı enerjisinin bir kısmı maddenin yüzey sıcaklığını arttırırken, bir kısmı da gizli buharlaşma ısısı olur. B noktasında sonlanan bu süreçte kuruma hızı düşüktür.
Sabit hız süreci: B noktasından başlayıp C noktasına kadar devam eden süreçtir. Sabit hız sürecinde buharlaşma hızı ile kurutucu havadan maddeye ısı aktarım hızı eşittir. Kuruma hızını belirleyen faktör kurutucu havanın nem içeriği ile maddenin yüzeyindeki nem içeriğidir.
𝑑𝑊
𝑑𝑡 =𝑞𝜆= 𝑘𝐴(𝐻𝑚− 𝐻ℎ) (3.8)
Bu eşitlikte 𝐻𝑚 maddenin yüzeyindeki su içeriğini, 𝐻ℎ ise kurutucu havanım nem içeriğini ifade etmektedir.
Madde yüzeyindeki nemin buharlaşması sırasında harcanan gizli buharlaşma ısısı sebebiyle, maddenin yüzeyindeki sıcaklık kurutma havasının sıcaklığından daha düşük olur. Kurutucu hava sıcaklığı ile madde yüzeyinin sıcaklığı arasında fark meydana gelince, kurutma havasından kurutulacak maddeye enerji akışı gerçekleşir. Meydana gelen bu enerji transferi madde yüzeyinde oluşan buharlaşmayı artırır. Kurutma havasından transfer edilen bu ısı enerjisinin tamamı buharlaşma enerjisi olarak kullanılınca maddenin kuruma yüzeyindeki buhar basıncı ve yüzey sıcaklığı stabil hal alır. Bunun sonucunda buharlaşma hızı, buharlaşma içi kullanılan ısı enerjisinin transfer hızına eşit olur. Kuruma süreci, sabit yüzey sıcaklığındaki maddenin su içeriği ile kurutucu havanın su içeriği arasındaki farkın (𝐻𝑚− 𝐻ℎ) belirlediği sabit hızla devam eder. Bu aşama kuruma hızının tüm aşamalar içinde en yüksek olduğu aşamadır.
Kuruma hızının ilk düşüş süreci: C noktası ile D noktası arasında gerçekleşen süreçtir.
Kuruma BC sürecinde sabit hızda sürerken maddenin nem içeriği azaldığında maddenin iç kısmındaki nem difüzlenerek dış yüzeye geçer. Bu esnada kuruma sebebiyle maddenin sahip olduğu nem miktarı azalmıştır ve madde devamlı bir sıvı filmi oluşturamaz. Maddenin dış yüzeyinde oluşan kuru noktalar düzensiz bir dağılım gösterir. Bunun sonucu olarak kritik nem içeriği olarak ifade edilen C noktasından itibaren maddenin yüzey sıcaklığı artmaya ve kuruma hızı düşmeye başlar. CD süreci boyunca devamlı olarak kuruma hızı azalır.
Kuruma hızının ikinci düşüş süreci: D noktasından sonra oluşan süreçtir. Bu noktadan itibaren kuru noktalar çoğalma ve genişleme eğilimi gösterirler. Böylece en dışta kuru bir katman meydana gelir. Bu kuru katmanın ısı geçirgenliği düşüktür. Aynı zamanda bu süreçte yüzeye transfer edilen sıvının difüzyon hızı düşer. Bunların sonucu olarak D noktasından itibaren kuruma hızı devamlı bir düşüş grafiği izler [32].
3.4. Kurutma Hızı
Birim alandan birim zamanda buharlaşan nem miktarı kurutma hızını belirler [33]. Kurutma işlemi yapılırken en uygun kurutma hızını sağlamak için, bazı örnek kurutma deneyleri yapılarak kuruma grafikleri çıkarılır.
Kurutma eğrileri üzerinde etkili olan faktörler kurutulacak maddenin büyüklüğü, fiziksel özellikleri ve yapısı gibi maddenin yapısal durumu ile kurutma havasının içerdiği nem miktarı ve sıcaklığı gibi kurutucunun özellikleri olarak sıralanabilir. Aynı zamanda atmosferik basınç ve sıcaklık da kurutma hızını etkileyen etmenlerdir [29].
Kurutulacak maddenin kimyasal yapısı kurutma hızı üzerinde etkilidir. Suyun buhar basıncını düşürerek buharlaşmayı zorlaştıran şeker, tuz gibi moleküller içeren maddeler bu yapıdaki molekülleri içermeyen maddelere göre daha yavaş kurumaktadır.
Maddenin içerisindeki nemin uzaklaştırılmasını güçleştiren nişasta ve pektini gibi maddeler içeren maddelerin kurutulması oldukça zordur [34].
Kurutulacak maddenin ebatları da kuruma hızını etkileyen önemli bir faktördür. Kurutulacak maddenin yüzey alanı arttıkça kuruma hızı da artmaktadır.
Hem kurutma işleminin gerçekleştiği ortamın sıcaklığı hem de kurutulacak maddenin sıcaklığı kuruma hızını etkilemektedir. Hava sıcaklığı ne kadar yüksekse havanın su buharı tutma yeteneği de o kadar yüksektir. Aynı zamanda kurutma havası ile kurutulacak madde arasındaki sıcaklık farkı ısı transfer hızını artırmaktadır. Fakat kurutma sıcaklığının kurutulacak maddenin sıcaklık dayanımı dikkate alınarak belirlenmesi ve maddenin kalitesini bozmayacak değer aralıklarında olmasına dikkat edilmesi gerekmektedir.
Kurutma işleminde kurutulacak madde kadar kurutma ortamı da önemlidir. Kurutmanın gerçekleşeceği ortamdaki çevre havasının sahip olduğu basınç düştükçe kurutma havası artacaktır [29].
Yüksek kurutma hızının elde edilmesi kurutma havasının ihtiva ettiği nem miktarının minimum olmasıyla doğrudan bağlantılıdır. Kurutma havası ne kadar az nem içerirse su tutma kapasitesi o kadar yüksek olacaktır.
Yüksek akış hızındaki kurutma havası kurutulacak maddenin yüzeyinden geçerken yüzey üzerinden gerçekleşen ısı aktarımını ve buna bağlı olarak buharlaşma hızını arttıracaktır.
3.5. Kurutma Çeşitleri
Kurutma yöntemleri genel olarak iki ana başlık altında sınıflandırılabilir [6]. Bunlardan birincisi doğal kurutma yöntemleri, ikincisi ise teknik kurutma yöntemleridir. Bu ana başlıklar kendi içlerinde farklı sınıflara ayrılmaktadır.
3.5.1. Doğal kurutma
Kurutma işlemi sırasında kurutma sıcaklığının, bağıl nemin ve hava hareketinin kontrol altında olmayan kurutma biçimlerine doğal kurutma denir. Sıcaklık artışı doğrudan ya da dolaylı yoldan gelen güneş ışınları ile gerçekleşmekte, havanın ve sıcaklığın değişimine bağlı olarak nem alma miktarları değişkenlik göstermektedir.
Hava şartlarının değişken ve kontrolsüz olması sebebiyle kurutma işlemi düzensizdir ve kurutma sonucunda birtakım kusurların ortaya çıkma riski bulunmaktadır.
Aynı zamanda doğal kurutma hava sıcaklığı, havanın bağıl nemi, rüzgâr hızına ve mevsimsel şartlara bağlı olması gibi dezavantajlara sahiptir.
3.5.2. Teknik kurutma
Kurutulacak maddenin içerdiği nemin kuruma değerlerine belirli bir süreçte ve kontrollü olarak indirgenmesine teknik kurutma denir. Teknik kurutma farklı şekillerde yapılır.
Bunlar;
Vakumlu kurutma
Kimyasal kurutma
Dondurarak kurutma
Nem yoğuşturmalı kurutma
Yüksek sıcaklıkta kurutma
Düşük sıcaklıkta kurutmadır.
3.6. Kurutma Yöntemi Seçimi
Kurutma yöntemi seçimi yapılırken maddenin kuruma özellikleri, elde edilecek kuru ürünün özellikleri, kurutma işlemi ile ilgili özellikler ve kurutma aletinin çalışma koşulları göz önünde bulundurulmalıdır.
Maddenin kuruma özellikleri olarak ifade edilen ölçüt kurutulacak ürünün işlem görmeden önceki nem içeriği, bu nemin bağlı su, bağlı olmayan su veya her ikisi biçiminde olması, kurutma işleminden sonraki nem içeriği, kurutma süresi ve kurutma sıcaklığı gibi özellikleri tanımlamaktadır.
Elde edilecek kuru ürünün özellikleri bakımından ürün incelendiğinde, ürünün partikül boyutu, akıcılığı, içerdiği nem miktarı ve bu nemin tekdüzeliği, korozif özelliği, parlama özelliği, kırılganlık özelliği ve toksisitesi gibi özellikleri önem göstermektedir.
Kısımlar halinde veya sürekli kurutma, kurutulacak ürünün kurutma sürecine girmeden önce ya da sonra herhangi bir işleme girip girmeyeceği, ürünün kurutma cihazına giriş biçimi, kurutulmuş olan ürünün dışarı çıkarılma biçimi, kurutma cihazının kapasitesi ve bir saatte elde edilecek kuru madde miktarı gibi durumlar kurutma işlemi ile ilgili özelliklerdir.
Kurutma yönteminin belirlenmesindeki son önemli nokta kurutma cihazının çalışma koşullarıdır. Cihazın bulunduğu yer, burada kaplayacağı alan, kurutucu havanın sıcaklığı, temizliği ve nemi, ısıtma amacıyla kullanılacak enerji kaynağı, kurutulacak ürünün kaynağı ve giriş noktası, cihazın gürültü titreşim düzeyi ve kurutma havasının toz içeriği cihazla ilgili göz önünde bulundurulması gereken önemli konulardır.
3.7. Kurutucu Çeşitleri
Farklı ürünlerin kurutulmasında farklı ihtiyaçların bulunması sebebiyle uzun yıllardır kurutucular üzerinde deneysel çalışmalar yapılmış ve gelişen teknolojinin de katkısıyla birçok kurutucu çeşidi meydana gelmiştir.
Kurutma endüstrisinde 200’e yakın kurutucu tipi bulunmasına rağmen, bu kurutucu tiplerinden sadece 20 kadarı gıda kurutma işlemleri için uygundur [35]. Kurutucuların
sınıflandırılması çok fazla alt başlıkta yapılmaktadır. Ancak başlıca kurutma metotları şu biçimde sınıflandırılabilir;
3.7.1. Konveksiyon kurutma
Kurutma için gereken ısı enerjisinin taşınım vasıtası ile kurutulacak ürüne aktarılması prensibine dayanır. Isı enerjisini taşıyacak akışkan olarak hava veya başka bir gaz kullanılabilir [33]. Konveksiyonla kurutma yapan kurutuculara örnek olarak tünel kurutucular, kabinli ve bölmeli kurutucular, döner kurutucular olarak gösterilebilir.
Kabinli ve bölmeli kurutucular: Kabin kurutucuların çok fazla çeşidi olmasıyla birlikte hepsinin çalışma prensibi aynıdır. Kurutulacak madde alt kısmı ızgara biçimindeki bir çeşit tepsiye yerleştirilir. Bu tepsiler üst üste yerleştirilerek kurutma kabinin içerisine yerleştirilir.
Kurutma işlemi boyunca tepsiler sabittir. Sıcak kurutma havası kabinin yan duvarlarındaki panjurlardan kabin içerisine girerek tepsilerin arasızdan geçer. Kurutma işlemi neticesinde nemlenen hava aynı biçimde dışarı atılır ve ısıtıcıya ulaşır. Kabinli kurutucuların en büyük dezavantajı tepsiler üzerinde aynı kurutma hızının sağlanamamasıdır. Bu sorunun ortadan kaldırılması için hava dolaşım fanının belirli zaman aralıklarıyla pozisyonu değiştirilir ya da bu etkiyi yaratmak için uygun pozisyona yerleştirilmiş sabit çift fan kullanılır. Bu tip kurutucular genellikle az miktardaki ürünlerin kurutulması için tercih edilir [36].
Tünel kurutucular: Tünel kurutucular, kabin kurutuculara göre daha gelişmiş kurutuculardır.
Tünel kurutucuları kabin kurutuculardan ayıran en önemli faktör tepsilerin ray üzerinde tünel boyunca hareket etmeleridir. Bu sayede kurutulacak ürünleri taşıyan bir araba tünele girerken, kurutucunun diğer tarafından kurutulan ürünleri taşıyan bir araba dışarı çıkar.
Meyve ve sebzelerin kurutulması için yaygın olarak paralel ve zıt akış tünelleri kullanılır.
Bu iki tünel tipi kurutma karakteristikleri bakımından birbirinden farklıdır. Paralel akış tünellerinde kurutulacak ürünleri taşıyan arabalar sıcak hava ile aynı yönde hareket eder.
Paralel akış tünellerinde kurutma işleminin başında kuruma hızı oldukça yüksektir. Ürün yüzeyi çok hızlı kuruduğundan dolayı buruşma çok az olmaktadır. Tünel sonunda kurutma havası başlangıca göre düşük sıcaklıkta olduğu ve yüksek miktarda nem içerdiği için sürecin son aşaması oldukça yavaş gerçekleşir. Zıt akış tünellerinde ise sıcak hava ile kurutulacak ürünü taşıyan arabalar zıt yönde hareket eder. Zıt akış tünellerinde kurutma havası önce en
