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Authors
Abstract(s)
This study presents a computational model of natural convection in a solar food dehydrator, particularly acorns, by leveraging solar energy. Solar drying offers a sustainable, low-cost alternative to conventional drying methods, which rely on high-energy inputs. By simulating the dehydrator’s performance, this research aims to minimize experimental testing needs, which are constrained by seasonal and budgetary limitations. Using a three-part model (collector, chamber, and chimney), the dehydrator operates through a thermal siphon mechanism where air, heated by solar energy, flows naturally to remove moisture from the food.
The model employs Computational Fluid Dynamics (CFD) using ANSYS Fluent to simulate temperature, velocity, and flow rate conditions, validated against experimental data from tests conducted in Carrascal, Portugal. Findings show that the natural convection mechanism alone generates limited internal air movement, insufficient for consistent drying across seasons. Thus, forced ventilation was introduced, resulting in significant performance improvements with up to 3.8 times increased air outflow in autumn and 2.4 times in summer. Simulation data, processed with MATLAB and cross-referenced with experimental measurements, underscore the need for forced ventilation in solar dryers to enhance air circulation and drying rates, especially under variable solar radiation conditions. The model offers insights for optimizing solar dryer design, potentially expanding their application in energy-limited, rural environments. Future work will explore enhanced data integration and alternative solar radiation databases to improve the predictive accuracy of the model.
Este estudo apresenta um modelo computacional de convecção natural num desidratador solar de alimentos, principalmente bolotas, aproveitando a energia solar. A secagem solar oferece uma alternativa sustentável e de baixo custo aos métodos de secagem convencionais, que dependem de inputs de alta energia. Ao simular o desempenho do desidratador, esta investigação visa minimizar as necessidades de testes experimentais, que são limitadas por limitações sazonais e orçamentais. Utilizando um modelo de três partes (coletor, câmara e chaminé), o desidratador funciona através de um mecanismo de sifão térmico onde o ar, aquecido pela energia solar, flui naturalmente para retirar a humidade dos alimentos. O modelo emprega a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando o ANSYS Fluent para simular as condições de temperatura, velocidade e caudal, validado contra dados experimentais de ensaios realizados em Carrascal, Portugal. Os resultados mostram que o mecanismo de convecção natural por si só gera um movimento interno limitado do ar, insuficiente para uma secagem consistente ao longo das estações. Assim, foi introduzida a ventilação forçada, resultando em melhorias significativas de desempenho com um aumento de até 3,8 vezes na saída de ar no outono e 2,4 vezes no verão. Os dados de simulação, processados com o MATLAB e cruzados com medições experimentais, realçam a necessidade de ventilação forçada em secadores solares para melhorar a circulação do ar e as taxas de secagem, especialmente sob condições de radiação solar variável. O modelo oferece informações para otimizar o design do secador solar, expandindo potencialmente a sua aplicação em ambientes rurais com energia limitada. O trabalho futuro irá explorar a integração melhorada de dados e bases de dados alternativas de radiação solar para melhorar a precisão preditiva do modelo.
Este estudo apresenta um modelo computacional de convecção natural num desidratador solar de alimentos, principalmente bolotas, aproveitando a energia solar. A secagem solar oferece uma alternativa sustentável e de baixo custo aos métodos de secagem convencionais, que dependem de inputs de alta energia. Ao simular o desempenho do desidratador, esta investigação visa minimizar as necessidades de testes experimentais, que são limitadas por limitações sazonais e orçamentais. Utilizando um modelo de três partes (coletor, câmara e chaminé), o desidratador funciona através de um mecanismo de sifão térmico onde o ar, aquecido pela energia solar, flui naturalmente para retirar a humidade dos alimentos. O modelo emprega a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando o ANSYS Fluent para simular as condições de temperatura, velocidade e caudal, validado contra dados experimentais de ensaios realizados em Carrascal, Portugal. Os resultados mostram que o mecanismo de convecção natural por si só gera um movimento interno limitado do ar, insuficiente para uma secagem consistente ao longo das estações. Assim, foi introduzida a ventilação forçada, resultando em melhorias significativas de desempenho com um aumento de até 3,8 vezes na saída de ar no outono e 2,4 vezes no verão. Os dados de simulação, processados com o MATLAB e cruzados com medições experimentais, realçam a necessidade de ventilação forçada em secadores solares para melhorar a circulação do ar e as taxas de secagem, especialmente sob condições de radiação solar variável. O modelo oferece informações para otimizar o design do secador solar, expandindo potencialmente a sua aplicação em ambientes rurais com energia limitada. O trabalho futuro irá explorar a integração melhorada de dados e bases de dados alternativas de radiação solar para melhorar a precisão preditiva do modelo.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Solar drying Ansys Natural convection