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Numerical Modeling and Characterization of Drying Process of Agricultural Products

  • The main goal of this work was to experimentally characterize the hot air-drying process of agricultural products (Potato, Carrot, Tomato) and verify it with numerical solutions at single layer and industrial scale dryer using Comsol Multiphysics® 5.3. Input parameters at single layer dryer effects on quality attributes were examined. Two strategies of drying were applied on batch dryer to examine the input effects on quality attributes. Constant input parameters strategy was designed by using central composite design formulation and optimized by Response Surface Methodology (RSM). The second strategy was applied for further optimization of the selected region by using square wave profile of the air temperature and relative humidity. Similarly, numerical method for single layer dryer, unsteady-state partial differential equations have been solved by means of the Finite Elements Method coupled to the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE). Also, for batch dryer, the mechanistic mathematical models of coupled heat and mass transfer were developed and solved as solid porous moist material. With this work, the process of convective drying of agricultural products could be optimized. Furthermore, important knowledge about the basic mechanisms of the drying process was found and implemented in the numerical models.
  • Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Konvektionstrocknung von landwirtschaftlichen Produkten (Kartoffel, Möhre, Tomate) experimentell zu untersuchen und die Ergebnisse mit numerischen Lösungen zu vergleichen, die unter Verwendung von Comsol Multiphysics® 5.3 erzeugt wurden. Dabei sollte sowohl der Trocknungsprozess in dünnen Schichten als auch der in einem Trockner in industriellem Maßstab berücksichtigt werden. Beim Einzelschichttrockner wurde der Einfluss der Trocknungsbedingungen, also der Eingangspara¬meter des Trocknungsprozesses, auf die Qualitätsmerkmale ‚Farbe‘ und ‚Schrumpfung‘ sowie ‚Gehalt an Vitamin C‘ bestimmt. Beim Trockner im industriellen Maßstab wurden die Veränderung der Qualitätsmerkmale bei zwei unterschiedlichen Trocknungsstrategien untersucht: Zum einen kam ein Trocknungsprozess mit konstanten Eingangsgrößen zur Anwendung. Ziel war hier eine Optimierung dieser Werte hinsichtlich der Veränderung der Qualitätsmerkmale mit Hilfe der „Response Surface Technology” (RSM). Zum anderen wurde der zeitliche Verlauf der Trocknungsparameter ‚Temperatur‘ und ‚Feuchte‘ abschnittsweise so verändert, dass sich Profile in Form eines Rechteckes ergaben. Mit dieser Arbeit konnte der Prozess der konvektiven Trocknung von landwirtschaftlichen Produkten optimiert werden. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Mechanismen des Trocknungsprozesses gefunden und in den numerischen Modellen umgesetzt.

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Metadaten
Author:Kuma Gowwomsa Erko
DOI:https://doi.org/10.17170/kobra-202112245348
Referee:Oliver Hensel, Werner Hofacker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Publication:2021
Granting Institution:Universität Kassel
Date of final exam:2021/10/14
Release Date:2022/01/13
Tag:Konvektionstrocknung; Agrarprodukt; Lebensmittelqualität; Trocknung; Dünne Schicht; Vitamin C; Prozessoptimierung
COMSOL Multiphysics
Page Number:XVI, 168 Seiten
DDC functional group:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 630 Landwirtschaft, Veterinärmedizin / 630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
Open Access?:Ja
Bonusrelevanz:Abgeschlossene Dissertation
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International