بررسی عوامل مؤثر بر ضریب نفوذ رطوبت در خشک شدن سرامیک رسی و تبیین مدل تحلیلی فرآیند

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 9، دوره 27، شماره 1 - شماره پیاپی 13، اسفند 1394، صفحه 87-102   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/fum-mech.v27i1.39755

نویسندگان

محسن باقریان^{* 1}؛ خلیل خلیلی²؛ سید یوسف احمدی بروغنی²

¹بیرجند

²دانشگاه بیرجند

چکیده

در این مقاله ضریب نفوذ رطوبت به‌عنوان یک پارامتر مؤثر در توصیف خشک شدن سرامیک رسی مورد مطالعه قرار گرفته است. متغیرهای تأثیرگذار بر ضریب نفوذ مؤثر، درجۀ حرارت (C °40-60-80)، رطوبت نسبی (%30-50-70) و سرعت جریان هوا
(ms-1 1-2-3) در نظر گرفته شده و اثرات آنها بر رفتار خشک شدن سرامیک بررسی گردیده است. در این تحقیق، آزمایش‌ها به‌صورت فاکتوریل کامل طراحی شده است و طی هر آزمایش، کاهش جرم و کاهش حجم نمونه به‌ترتیب توسط ترازو و دوربین های متصل به کامپیوتر، ثبت می شود. ضریب نفوذ مؤثر از مقایسۀ مقدار تحلیلی معادلۀ فیک و مقادیر تجربی و استفاده از الگوریتم تازه گسترش‌یافتۀ کرم شب‌تاب محاسبه شد که در این الگوریتم تابع هدف، کاهش مقدار خطا بین مقادیر تحلیلی و مقادیر تجربی است. بررسی‌های آماری و آنالیز واریانس ضریب نفوذ مؤثر نشان داد که پارامترهای سرعت، دما و رطوبت محیط خشک کن به‌صورت مستقل از یکدیگر بر فرآیند خشک-شدن تأثیر دارند و هم‌چنین بیشترین تأثیر بر روی ضریب نفوذ مؤثر به‌ترتیب مربوط به درجۀ حرارت، سرعت وزش و رطوبت محیط است. مقایسۀ نتایج این تحقیق و مطالعات سایر محققان، حاکی از 97% تطابق و کاربردی بودن این روش در محاسبۀ ضریب نفوذ مؤثر در فرآیندهای خشک شدن سرامیک است.

کلیدواژه‌ها

خشک شدن سرامیک؛ قانون فیک؛ ضریب نفوذ مؤثر؛ ترموگرافی سطح؛ بهینه‌سازی

مراجع

1. Kowalski, S.J., "Thermomechanics of drying processes", Vol. 8, Springer Science & Business, (2012).

2. Crank, J., "The Mathematics of Diffusion", ed: Oxford, UK, pp. 296-340, (1975).

3. Efremov, G.I., "Drying kinetics derived from diffusion equation with flux-type boundary conditions", Drying Technology, Vol. 20, pp. 66-55, (2002).

4. Vasic, Z.M., Radojevic,R.M., Arsenovic M.V. and Grbavcic, Z.B., "Determination of the effective diffusion coefficient", Revista Romana de Material, Vol. 41, pp.175-169, (2011).

5. Vasić, M., Grbavčić, Ž. and Radojević , Z., "Methods of determination for effective diffusion coefficient during convective drying of clay products", pp. 295-309, (2012).

6. Vasić, M. Grbavčić, Ž. and Radojević, Z., "Analysis of Moisture Transfer During the Drying of Clay Tiles with Particular Reference to an Estimation of the Time-Dependent Effective Diffusivity", Drying Technology, Vol. 32, pp. 829-840, (2014).

7. Vasić, M. Grbavčić, Ž. and Radojević, Z., "Determination of the moisture diffusivity coefficient and mathematical modeling of drying", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 76, pp. 33-44, (2014).

8. Zagrouba, F., Mihoubi, D. and Bellagi,A., "Drying of clay. II Rheological modelisation and simulation of physical phenomena," Drying technology, Vol. 20, pp. 1895-1917, (2002).

9. Chemkhi, S. and Zagrouba, F., "Water diffusion coefficient in clay material from drying data", Desalination, Vol. 185, pp. 491-498, (2005).

10. Sander, A. Skansi, D. and Bolf, N., "Heat and mass transfer models in convection drying of clay slabs," Ceramics international, Vol. 29, pp. 641-653, (2003).

11. Boulaoued, I. and Mhimid, A., "Determination of the diffusion coefficient of new insulators composed of vegetable fibers," Thermal Science, Vol. 16, pp. 987-995, (2012).

12. Bakhshi, M. Mobasher, B. and Soranakom, C., "Moisture loss characteristics of cement-based materials under early-age drying and shrinkage conditions," Construction and Building Materials, Vol. 30, pp. 413-425, (2012).

13. خلیلی، خلیل، باقریان، محسن، احمدی بروغنی، سید یوسف، "شبیه سازی خشک شدن سرامیک ها به کمک اجزاء محدود و مقایسه با آزمایشات تجربی"، فصلنامه سرامیک ایران، 39-53، (1393).

14. خلیلی، خلیل، احمدی بروغنی، سید یوسف، باقریان، محسن، "مدل سازی فرآیند خشک شدن مخلوط اشباع خاک رس و انقباض قطعه در طی فرآیند"، علم و مهندسی سرامیک، جلد 3، شماره 1، 65-80، (1393).

15. خلیلی، خلیل، حیدری، " محسن، مدلسازی عددی انقباض یک قطعه سرامیکی در فرآیند خشک شدن"، مهندسی مکانیک مدرس, دوره 12، شماره 3، 58-71، (1391).

16. خلیلی, خلیل، حیدری، محسن، "بررسی تاثیر ضخامت جسم بر امکان وقوع ترک در فرآیند خشک شدن"، مهندسی مکانیک مدرس، دوره 12، شماره 3، 103-116، (1391).

17. خلیلی، خلیل، احمدی بروغنی، سید یوسف، باقریان، محسن، "مطالعه آزمایشگاهی و عددی فرایند خشک شدن سرامیک ها و ایجاد ترک در آنها"، مکانیک سازه ها و شاره ها، دوره 4، 119- 129، (1393).

18. Khalili, K. , Bagherian, M. and Khisheh, S., "Numerical Simulation of Drying Ceramic Using Finite Element and Machine Vision," Procedia Technology, Vol. 12, pp. 388-393, (2014).

19. Batista, L. M. da Rosa, C. A., Pinto,L. A., "Diffusive model with variable effective diffusivity considering shrinkage in thin layer drying of chitosan," Journal of Food Engineering, Vol. 81, pp. 127-132, (2007).

20. Hamdami, N., Monteau, J.-Y., Le Bail, A., "Transport properties of a high porosity model food at above and sub-freezing temperatures. Part 2: Evaluation of the effective moisture diffusivity from drying data," Journal of food engineering, Vol. 62, pp. 385-392, (2004).

21. Pinto, L., Tobinaga, S., "Diffusive model with shrinkage in the thin-layer drying of fish muscles," Drying Technology, Vol. 24, pp. 509-516, (2006).

22. Dissa, A., Desmorieux H., Bathiebo J., Koulidiati J., "Convective drying characteristics of Amelie mango with correction for shrinkage," Journal of food Engineering, Vol. 88, pp. 429-437, (2008).

23. Efremov, G., Kudra, T., "Calculation of the effective diffusion coefficients by applying a quasi-stationary equation for drying kinetics," Drying technology, Vol. 22, pp. 2273-2279, (2004).

24. Ruiz-Lopez, I., Garcia-Alvarado, M., "Analytical solution for food-drying kinetics considering shrinkage and variable diffusivity," Journal of food engineering, Vol. 79, pp. 208-216, (2007).

25. Vasić, M., Radojević, Z., Grbavčić, Ž., "Calculation of the effective diffusion coefficient during the drying of clay samples," Journal of the Serbian Chemical Society, Vol. 77, pp. 523-533, (2012).

26. Kimpton, D., Wall F., "Determination of diffusion coefficients from rates of evaporation," The Journal of Physical Chemistry, Vol. 56, pp. 715-717, (1952).

27. Yang, X.-S., "Nature-inspired metaheuristic algorithms", Luniver press, pp. 72-98, (2010).

28. Yang, X.-S., "Firefly algorithm, stochastic test functions and design optimisation," International Journal of Bio-Inspired Computation, Vol. 2, pp. 78-84, (2010).

29. Mandal, D., Pal S. K., Saha P., "Modeling of electrical discharge machining process using back propagation neural network and multi-objective optimization using non-dominating sorting genetic algorithm-II," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 186, pp. 154-162, (2007).

30. Kowalski, S. J., "Thermomechanical approach to shrinking and cracking phenomena in drying," Drying technology, Vol. 19, pp. 731-765, (2001).

31. Somiya, S., "Handbook of Advanced Ceramics: Materials, Applications, Processing, and Properties", Academic Press, pp. 723-1210, (2013).