Development of solar dryer combined with infrared radiation for Zingiber montanum (Koenig) Link ex A. Dietr. drying

Abstract

The objectives of this research were to the development of a solar dryer combined with infrared radiation for Phlai drying. The dryer efficiency, drying kinetics, economic analysis, and quality of dried Phlai were studied. This dryer consists of a solar collector, a shell and tube latent heat storage system by paraffin wax used as heat storage material, a drying chamber, an infrared radiation source, a temperature-controlled system (inside Phlai slices), and the waste heat recovery system (fraction 70%). Inside the solar collector, the fins were fixed at an inclination angle of 30° to the direction of the drying airflow. The initial moisture content of the Phlai was approximately 395% (d.b). The sample was used for 100 g in each drying condition and infrared power (IP) of 500, 1000, and 1,500 W. The operation of the infrared source was controlled by using the internal temperature of Phlai slices (ITP) at 50, 60, and 70 °C, and 0.05 m/s drying air velocity. The Phlai was dried until the final moisture content was approximately 13% (d.b).

In the study on the efficiency of the dryer, it was found that the drying rate (DR) was between 0.0047-0.0123 kgwater /h, which direct variation versus IP and ITP. The specific electrical energy consumption (SEEC) was between 1.58-14.15 kW-h/kgwater, which was direct variation versus ITP and inverse variation versus IP. The solar collector efficiency (ηcoll) was between 53.36-83.69%, which depends on the drying conditions and environment. In the study of drying kinetics, it was found that the Verma et. al. equation was the best-predicted equation, which gave the highest coefficient of determination (R2) and the lowest chi-squared (χ2). The development of the drying equation found that the developed equation could better predict the drying time compared with Verma et. al. equation. For the study of colour quality, it was found that the colour values were significantly different according to drying conditions (p≥0.05). The colour parameter L* (lightness), a* (redness), and b* (yellowness) values of dried Phlai decreased compared with the colour of fresh Phlai. The economic analysis found that the payback period was between 3.12-6.90 years, and the tendency was shorter with increases in both ITP and IP.

The consideration of the optimal drying conditions found that the IP of 1500 W was optimal because it had the highest DR value, lowest SEEC value, and lowest payback period. The consideration of the optimal ITP were divided into 2 cases: 1) In terms of electricity consumption, a drying temperature of 50 °C was optimal due to the lowest SEEC value. 2) In terms of drying time and payback period, the drying temperature of 70 °C was optimal because it had the highest DR value and a short payback period.

วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้เพื่อพัฒนาเครื่องอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับรังสีอินฟราเรดสำหรับอบแห้งไพล ศึกษาประสิทธิภาพเครื่องอบแห้ง จลนพลศาสตร์การอบแห้ง วิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ และคุณภาพของไพลหลังการอบแห้ง เครื่องอบแห้งประกอบด้วย ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ ระบบกักเก็บความร้อนแฝงแบบเปลือกและท่อโดยใช้พาราฟินเป็นวัสดุกักเก็บความร้อน ห้องอบแห้ง แหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรด ระบบควบคุมอุณหภูมิภายในชิ้นไพล และระบบนำความร้อนทิ้งกลับคืนมาใช้ใหม่ (สัดส่วนร้อยละ 70) ภายในตัวเก็บรังสีอาทิตย์มีการติดตั้งครีบระบายความร้อนเอียงทำมุม 30 องศากับทิศทางการไหลของอากาศอบแห้ง ความชื้นเริ่มต้นของไพลประมาณร้อยละ 395 (d.b) อบแห้งครั้งละ 100 กรัมในแต่ละสภาวะการอบแห้ง และใช้กำลังอินฟราเรด (IP) ขนาด 500 1,000 1,500 W ซึ่งการทำงานของอินฟราเรดถูกควบคุมโดยใช้อุณหภูมิภายในชิ้นไพล (ITP) ที่ 50 60 70 °C ความเร็วของอากาศอบแห้ง 0.05 m/s อบแห้งจนไพลมีความชื้นสุดท้ายประมาณร้อยละ 13 (d.b)

การศึกษาประสิทธิภาพของเครื่องอบแห้ง พบว่า อัตราการอบแห้ง (DR) มีค่าอยู่ระหว่าง 0.0047-0.0123 kgwater /h ซึ่งแปรผันตรงกับอุณหภูมิอบแห้งและกำลังอินฟราเรด ค่าความสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าจำเพาะ (SEEC) มีค่าอยู่ระหว่าง 1.58-14.15 kW-h/kgwater ซึ่งมีค่าแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิอบแห้งและแปรผกผันกับกำลังอินฟราเรด ประสิทธิภาพตัวเก็บรังสีอาทิตย์ (ηcoll) จะมีค่าอยู่ระหว่าง 53.36-83.69 % ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาวะการอบแห้งและสภาพแวดล้อม สำหรับการศึกษาจลนพลศาสตร์การอบแห้ง พบว่า สมการ Verma et. al. เป็นแบบจำลองที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์ตัวกำหนด (R2) สูงที่สุดและค่าไควสแควร์ (χ2) ต่ำที่สุด จากการพัฒนาสมการอบแห้ง พบว่า สมการที่พัฒนาสามารถทำนายระยะเวลาในการอบแห้งได้ดียิ่งขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับสมการ Verma et. al. ในการศึกษาคุณภาพด้านสีของไพลอบแห้ง พบว่า การอบแห้งที่สภาวะแตกต่างกัน มีผลทำให้ค่าสีของไพลแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (p≥0.05) โดยค่าความสว่าง (L*) ค่าความเป็นสีแดง (a*) ค่าความเป็นสีเหลีอง (b*) มีค่าลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับค่าสีของไพลสด ในการวิเคราะห์ระยะเวลาคืนทุน พบว่า อยู่ในช่วง 3.12-6.90 ปี และแนวโน้มของระยะเวลาคืนทุนสั้นลงเมื่ออุณหภูมิและกำลังอินฟราเรดสูงขึ้น

การพิจารณาสภาวะการอบแห้งที่เหมาะสมที่สุด พบว่า กำลังอินฟราเรด 1,500 W มีความเหมาะสมที่สุด เนื่องจากมีค่า DR สูงที่สุด ค่า SEEC ต่ำที่สุด และระยะเวลาคืนทุนน้อยที่สุด สำหรับอุณหภูมิภายในชื้นไพลที่เหมาะสมที่สุดสามารถพิจารณาเป็น 2 กรณี คือ ถ้าพิจารณาการใช้พลังงานไฟฟ้า การอบแห้งที่อุณหภูมิภายในชื้นไพล 50 °C จะมีความเหมาะสมที่สุดเนื่องจากให้ค่า SEEC ต่ำที่สุด เมื่อพิจารณาระยะเวลาการอบแห้งและระยะเวลาคืนทุน การอบแห้งที่อุณหภูมิภายในชื้นไพล 70 °C จะมีความเหมาะสมที่สุดเนื่องจากมีค่า DR สูงที่สุด และมีระยะเวลาคืนทุนสั้นที่สุด