View
8
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
MERSİN ÜNİVERSİTESİ
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY FÖYÜ
Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ
Prof. Dr. Mahir TURHAN
Prof. Dr. T. Koray PALAZOĞLU
Prof. Dr. Nüzhet TÜRKER
Doç. Dr. Sedat SAYAR
Doç. Dr. Aylin ALTAN METE
Yrd. Doç. Dr. Salih AKSAY
Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA
Arş. Gör. Sema AYDIN
Arş. Gör. Esma ESER
Arş. Gör. Habip TOKBAŞ
Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN
Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR
Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ
Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN
Arş. Gör. Fırat ÇINAR
Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK
2016-2017
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI 2016-2017 GÜZ DÖNEMİ
Dersin Sorumlu Öğretim Üyesi: Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ
Deneyin Adı Deneyden Sorumlu Arş. Gör. Deneyden Sorumlu Öğr. Üyesi
1. Ezme (Palper) Verimi ve Pastörizasyon Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK selen.c@hotmail.com
Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ
2. Gıdalarda Isıl Yayınım Katsayısı, Isı Kapasitesi ve Yoğunluk Değerlerinin Belirlenmesi
Arş. Gör. Habip TOKBAŞ habiptokbas@gmail.com
Yrd. Doç. Dr. Aylin ALTAN METE
3. Konservelerde Sterilizasyon Değerinin (Fo) Hesaplanması Arş. Gör. Esma ESER esmaeser@mersin.edu.tr
Doç. Dr. Sedat SAYAR
4. Sürtünme Kayıpları Hesaplamaları Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN seherserinnn@hotmail.com
Prof. Dr. Nüzhet TÜRKER
5. Çift Borulu Isı Değiştiricide Toplam Isı Transfer Katsayısının Belirlenmesi
Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA gnselibobus13@yahoo.com
Prof. Dr. T. Koray PALAZOĞLU
6. Yalancı Kararlı Hal Sıvı Akışı Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ betulbay@mersin.edu.tr
Prof. Dr. T. Koray PALAZOĞLU
7. Gıdaların Dondurulması Arş. Gör. Sema AYDIN sema_aydin95@hotmail.com
Yrd. Doç. Dr. Salih AKSAY
8. Gaz ve Sıvı Difüzyonu Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN gulgok33@yahoo.com
Prof. Dr. Nüzhet TÜRKER
9. Tarımsal Taneli Gıdaların Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi ve Elek Analizi
Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR ozgekurt86@yahoo.com
Prof. Dr. Mahir TURHAN
10. Kurutma Arş. Gör. Fırat ÇINAR frt-cnr@outlook.com
Prof. Dr. Mahir TURHAN
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI 2016-2017 GÜZ DÖNEMİ
DENEYİN ADI ve DENEYDEN SORUMLU ARŞ. GÖR. DENEY İÇİN GEREKLİ MALZEME
1. Ezme (Palper) Verimi ve Pastörizasyon (Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK)
5 kg portakal, 5 kg domates
2. Gıdalarda Isıl Yayınım Katsayısı, Isı Kapasitesi ve Yoğunluk Değerlerinin Belirlenmesi (Arş. Gör. Habip TOKBAŞ)
4 adet büyük boy patates
3. Konservelerde Sterilizasyon Değerinin (Fo) Hesaplanması (Arş. Gör. Esma ESER)
Küçük boy konserve salça
4. Sürtünme Kayıpları Hesaplamaları (Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN) ------------
5. Çift Borulu Isı Değiştiricide Toplam Isı Transfer Katsayısının Belirlenmesi (Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA) --------------
6. Yalancı Kararlı Hal Sıvı Akışı (Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ) --------------
7. Gıdaların Dondurulması (Arş. Gör. Sema AYDIN) 2 adet büyük boy patates
8. Gaz ve Sıvı Difüzyonu (Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN) Kara havuç, küre naftalin, zımpara
9. Tarımsal Taneli Gıdaların Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi ve Elek Analizi (Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR)
Yarım kg buğday ve yarım kg karışık pilavlık ve köftelik bulgur
10. Kurutma (Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK) 2 adet orta boy patates
Not: Her deneyden önce en geç çarşamba günü ilgili asistanla görüşülmelidir.
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI 2016-2017 GÜZ DÖNEMİ
A B C D E Dilara AKBAŞ Yeliz GENÇ
Gökçen DÖŞYILMAZ Züleyha SEZGİN Ömer Faruk ER
Özgür Mert AKÇAM
Melis TUĞAL Mehmet İRVAN
Azize Selime ARIK Özlem ALTUNKANAT
Sedanur GÜL Tuğba Nur DUMAN
Mehmet ERSÖZ Ecem ÇOLAKÇA
Sema DENİZ Mahmut Yunus BEKTAŞ
İlknur ÖZIŞIK Fatma Ceyda ÖZTÜRK
Selvican PEZİK Halise AVCİL Didar GÜVEN
Aygün CENGİZ Münire BOZHASAN
Ozan ALDIĞ
Deniz YETKİN Züleyha GÜL
Elife Nur KURŞUN Ercan GÜNER Deniz CANLI
Esmanur UÇAL
F G H I İ
Nuray KESKİN Merve TEKİN Rabiye ÇAKIR Anıl OLĞUN
Onur MİL Tuba DÜDÜK
Çağla BAKAÇHAN
Bihter İŞYARAN Memduh ÇAPARKAYA
Burcu CİCO Emrah SÖZLÜ Kubilay KURT
Simay TAŞKIN
Meltem KESKİN Gizem SIRIM Büşra TAĞAR
Gülter KIRMIZIDAĞ
İbrahim YILMAZ
Cem İMRE Hatice ÇELEBİ Mehmet ŞAH
Hatice SARMAZ
Deniz KURAN
Damla AKÇAKOCA Gülşilan ŞIK
Meltem BİNİCİ Deniz ERMEYDAN
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI 2016-2017 GÜZ DÖNEMİ
Tarih A B C D E F G H I İ 23.09.2016 GENEL BİLGİ 30.09.2016 LABORATUVAR GÜVENLİĞİ BİLGİLENDİRME 07.10.2016 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14.10.2016 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 21.10.2016 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 28.10.2016 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 04.11.2016 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 11.11.2016 ARA SINAV 18.11.2016 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 25.11.2016 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 02.12.2016 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 09.12.2016 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 16.12.2016 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 23.12.2016 TELAFİ HAFTASI
6
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DERSİ İÇİN UYGULANACAK ÖZEL
KURALLAR
Öğrencilerin Mersin Üniversitesi Eğitim-Öğretim Yönetmeliği Madde 24’e göre %70
devam zorunluluğu vardır. Devamsızlık için geçerli mazereti olanlar bölüme dilekçe ile
başvurdukları ve istekleri kabul edildiği takdirde telafi deneyi yapılacaktır.
Deney öncesi yapılan sınavdan 50 ve üzeri alanlar sınavda başarılı sayılacaktır.
Deney öncesi yapılan sınavdan geçemeyenler isterlerse deneye katılabileceklerdir ancak
rapor notları değerlendirme sırasında sıfır olarak kabul edilecektir (Sınava girip geçemeyen
öğrenciler o ders için devamlı sayılacaktır). Geçme notunun hesaplanmasında ise aşağıdaki
ölçütler izlenecektir:
Dönem içi notu: %60
Final notu: %40
(Dönem içi notu hesaplanmasında deney raporları %60, vize notu %20, deney öncesi
sınavı %10, kanaat (öğrencinin deneye olan ilgisi) %10 etkili olacaktır.)
Raporların ilk sayfasına “Gıda Mühendisliği Laboratuvarı Değerlendirme Formu”
eklenecektir.
Birbirleriyle aynı olan ya da büyük ölçüde benzeyen raporlar sıfır olarak kabul edilecektir.
Deney defteri olmayan, defter kullanmayan ya da farklı defterlerle deneye giren öğrenciler
deneye giremeyecekler ve o deneye ait raporları sıfır olarak değerlendirilecektir. Deney
defterleri deney sonunda incelenip imzalanacaktır.
Raporlar en geç 7 gün içerisinde (en geç bir sonraki deneye başlamadan önce) sorumlu
araştırma görevlisine teslim edilmeli ve listede yazılı olan mail adreslerine gönderilmelidir.
Zamanında gelmeyen raporların notu sıfır olarak değerlendirilecektir.
Raporlar bir hafta içerisinde sorumlu araştırma görevlisi tarafından okunacaktır.
Dersi alan herkes (kaçıncı kez aldığına bakılmaksızın) laboratuvara devam etmek
zorundadır.
7
Bölümümüzün Laboratuvar Çalışma Düzeni Kılavuzu gereğince öğrencilerin genel
laboratuvar kuralları ile deneylerin doğası gereği karşılaşılabilecekleri fiziksel, kimyasal ve
biyolojik tehlikeleri bilerek sorumluluk kuralları çerçevesinde hareket etmesi
beklenmektedir. Bu konuda dönem başında bir toplantı yapılacak ve öğrenciler tehlikeler ve
sorumluluklar konusunda bilgilendirilecektir. Hemen ardından verilecek formlar öğrenciler
tarafından bu farkındalıkla doldurulacak ve onaylanacaktır. Koşulları kabul etmeyen ya da
laboratuvarların işlenişi sırasında sorumlulukları yerine getirmeyen öğrenciler derslere giriş
ve devam iznine sahip olamayacaklardır.
Bu kurallardan öne çıkanlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
o Laboratuvarlarda yiyecek ve içecek tüketilmesi kesinlikle yasaktır.
o Laboratuvara ve/veya deneylere onaylanmamış giriş yasaktır.
o Laboratuvar alanına giriş dekanlık binasının ön kısmında bulunan öğrenci
girişinden yapılacaktır.
o Laboratuvarda çalışma ortamlarında kullanılacak koruyucu giysiler ile ilgili
sınırlamalara uyulması zorunludur.
o Görevliler ve öğrenciler laboratuvarları normal saatler dışında kullanmak
istiyorsa laboratuvar sorumluları veya danışmanlarından izin almaları
gerekmektedir.
o Tüm öğrencilerden kullandıkları alet, ekipman ve kimyasalların güvenli olarak
kullanımı ve taşınması ile ilgili bilgi almış olmaları ve bu kuralları pratikte
uygulamaları beklenmektedir.
o Acil müdahale ve güvenlik ekipmanlarının (göz yıkama, duş, yangın söndürme
aletleri, acil çıkışlar) tanınmış olması ve laboratuvardaki konumları ile ilgili
bilgi edinilmesi güvenliğiniz için zorunludur.
o Çalışma ortamları temiz tutulmalıdır. Kırılmış camlar, kesici malzemeler ve
laboratuvar atıkları bunlar için işaretlenmiş özel çöp kutularına atılmalıdır.
o Bunzen alevinden yanma sesi geldiğinden ve yanmanın henüz yanmamış
gazdan çıkan mavi alev ile olduğundan emin olunmalıdır.
o Sorumlunun izni olmadan hiçbir örnek laboratuvara getirilemez ya da
laboratuvardan dışarı çıkarılamaz.
o Pipetin ağızla çekilmesi kesinlikle yasaktır.
8
o Zarar verecek aletler ve kırılmış cam malzeme laboratuvar sorumlusuna
bildirilmelidir.
o Laboratuvar çalışma tezgahlarında oturmak, koridorlarda koşmak yasaktır.
o Laboratuvar pencere ve kapılarını açarken ya da kapatırken dikkatli
olunmalıdır.
o Açık yara ya da deri hastalığının olması durumunda üzeri kapatılarak
laboratuvara girilmelidir.
o Laboratuvardan ayrılmadan önce mutlaka eller yıkanmalıdır.
KİŞİSEL KORUYUCU GİYSİLER
Kişisel koruyucu ekipmanlar ve giysiler karşılaşacağınız tehlikelerde zarar görme riskinizi
azaltmakla birlikte her zaman zarar görme ihtimaliniz bulunmaktadır. Bu ekipmanlar
tehlike teşkil eden malzemeler ve düzeneklerle aranızda bir bariyer olarak görev
yapmaktadır. Laboratuvarlarda kullanmanız gereken en basit koruyucu giysiler ve bununla
ilgili kurallar:
o Kapalı ayakkabılar ( topuk, parmak veya ayağı açıkta bırakan ayakkabılar,
sandaletler yasaktır).
o Laboratuvarda saçlarınızı toplayınız. Bu önlem sizi olası bir yanma
tehlikesinden koruyacaktır.
o Laboratuvar önlüğü uzun kollu, dizlere kadar uzanan, beyaz ve düğmeli
olmalıdır. Önlüğün altına giydiğiniz kıyafetin sentetik kumaştan yapılmamış
olmasına dikkat ediniz. Herhangi bir yangın durumunda daha ciddi hasarlara
neden olabilir.
o Laboratuvarda aksesuar takılması yasaktır. Eğer kullanırsanız alet ve cihazlara
takılabilir, kimyasallarla etkileşime girebilir ve kimyasalların cildinizi
etkilemesine neden olabilir.
9
GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI RAPOR DEĞERLENDİRME FORMU
ÖĞRENCİ BİLGİLERİ AD-SOYAD: ÖĞRENCİ NO - GRUP NO:
RAPOR BAŞLIĞI RAPOR NOTU: RAPOR BAŞLIKLARI VE İÇERİKLERİ
BÖLÜM 100 ÜZERİNDEN PUANLAMA
ÖĞRENCİNİN ALDIĞI PUAN DEĞERLENDİRME*
ÖZ 5 Deneyin amacı ve önemi, özet olarak, kişisel yorum eklenmeden verilmiştir 1 Deneyde elde edilen sonuçlar verilmiştir. 2
İÇİNDEKİLER 1 Tüm rapor bölümleri yer aldığı sayfalara göre verilmiştir.
SİMGELER 1 Eşitlik, grafik ve anlatımlarda kullanılan simgeler açıklamaları ve birimleri ile birlikte verilmiştir.
1. GİRİŞ 10 Deneyin tanımı açık olarak yazılmıştır ve konuya ilişkin temel kavramlar açıklanmıştır.
1
Dayanak kavramı ve deney ile ilişkisi verilmiştir. 2 Matematiksel denklemler dayanak kavramı ile ilişkilendirilerek verilmiştir. 3 Bilimsel çalışm ve/veya standartlara atıfta bulunulmuştur. 4
2. MATERYAL ve YÖNTEM 10 DENEY DÜZENEĞİ: Kullanılan materyal, kimyasal ve malzemelerin markası ve alınma şekli verilmiştir. 1 Deney düzeneği şema halinde çizilmiştir. 1 Kullanılan cihazların çalışma prensipleri verilmiştir. 1 Deney koşulları doğru ve anlaşılır bir şekilde ifade edilmiştir. 2 DENEYSEL YÖNTEM: Modelde hesaplanacak nicelikler belirtilmiştir. 1 Hangi verilerin ölçüleceği / kaydedileceği verilmiştir. 1 Kullanılan yöntemin hangi standart yönteme dayandığı belirtilmiş, yeni bir yöntem izlendiği takdirde yöntem açıklanmıştır.
2
Kaydedilen verilerin ölçüm hataları / veri tekrarlanabilirliği hesaplama yöntemleri belirtilmiştir.
1
3. MATEMATİKSEL BULGULAR VE HESAPLAMALAR 15 Dayanak teorisinin matematiksel ifadesi verilmiştir ;sınır koşulları, dönüşümler, kabuller vb. ile.
5
Hesaplama sonuçları verilmiştir. 5 Hesaplamalar için gerekli olan grafikler, tablolar ve şekiller verilmiştir. 5
4. TARTIŞMALAR 25
Hesaplama sonuçlarının deney açısından önemi yorumlanarak verilmiştir. 5 Sonuçlar güvenilir bir referans ile karşılaştırılmıştır; makale, standart, kitap, bilimsel veya resmi web sayfaları
5
Sonuçların beklenen değerlere uyumluluğu verilmiş, beklenmedik sonuçların kaynağı ve bu sonuçların çözümü belirtilmiştir.
5
Sonuçların karşılaştırılması amacıyla grafik veya tablolar belirli bir düzene göre verilmiştir.
5
10*DEĞERLENDİRME kısmını deneyden sorumlu öğretim elemanı dolduracaktır.
Tüm grafik ve tablolar deney sonuçlarını yansıtacak şekilde yorumlanmıştır. 3 Deney föylerinin son kısımlarında bulunan tartışma soruları doğru olarak cevaplanmıştır.
2
5. ÖNERİLER VE ELEŞTİRİLER 5 Veri kesinliğini / tekrarlanabilirliğini / hatalarını etkileyen durumlar yorumlanmıştır.
3
Deney sürecinin iyileştirilmesi için yapılması gereken değişiklikler ve eklemeler belirtilmiştir.
2
6. KAYNAKLAR 5 Giriş ve hesaplama karşılaştırmaları bölümünde yararlanılan kaynaklar açık bir şekilde verilmiştir.
3
Güvenilir kaynaklar kullanmaya dikkat edilmiştir. 2 7. EKLER 5
Hesaplama işlem basamakları verilmiştir. 3 Matematiksel denklemin çıkarımı verilmiştir. 2
RAPORUN YAZIM KURALLARI AÇISINDAN DEĞERLENDİRİLMESİ 8. RAPOR YAZIM DÜZENİ 10
Rapor 12 punto büyüklüğünde, Times New Roman yazı tipinde, 1.5 satır aralığı düzeninde ve iki yana yaslı biçimde yazılmıştır.
0.5
Kapak hazırlanmıştır. 0.25 İmza sayfası hazırlanmıştır. 0.25 İçindekiler dizini hazırlanmıştır. 0.25 Öz ve anahtar kelimeler hazırlanmıştır. 0.25 Çizelgeler dizini hazırlanmıştır. 0.25 Şekiller dizini hazırlanmıştır. 0.25 Giriş bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Kaynak araştırması bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Materyal ve metot bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Bulgular ve tartışma bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Sonuçlar ve öneriler bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Kaynaklar bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Çizelge başlıkları ilgili bölüm ve sıra numarasıyla beraber çizelgenin üstünde verilmiştir.
1
Şekil ve fotoğrafların başlıkları ilgili bölüm ve sıra numarasıyla beraber şekil ve fotoğrafın altında verilmiştir.
1
Çizelge, şekil fotoğraf vb. metin içinde atıf yapılmıştır. 1 Kaynaklar kaynak yazım kurallarına göre verilmiştir. 1 Kaynak olarak yabancı dilde kaynaklardan da yararlanılmıştır. 1 Kaynaklar yeterlidir. 1
9. DİLBİLGİSİ KULLANIMI 10 Yazım yanlışı yapılmamıştır. 2 Cümle kurulumu Türkçe dilbilgisi yapısına uygundur. 2 Rapor yazımında edilgen cümle yapısı kullanılmıştır. 2 Rapor yazımında bilimsel bir dil kullanılmıştır. 2 Rapor yazımında teknik terimler doğru ve yerinde kullanılmıştır. 2
11
KURUTMA
1. GİRİŞ
1.1.KURUTMA İŞLEMİ
Kurutma; ham, yarı işlenmiş ya da işlenmiş katı, sıvı ve yarı sıvı gıdaların yapılarındaki su
oranının azaltılması işlemini tanımlamakta kullanılır. Başlangıç su miktarı üründen ürüne
farklı olduğu gibi kurutulan üründe kalan su miktarı da ürüne göre farklılık gösterir.
Gıdaların korunmasında en eski yöntemlerden biri olan kurutma ile gıdalar bozulmadan çok
uzun süre saklanabilmektedir. Bu yöntemle korumanın; nedeni su etkinliğinin (aktivitesinin)
düşürülerek mikroorganizmanın bozulmaya neden olabilmesi için ihtiyaç duyduğu serbest
suyun bulunmaması ve istenmeyen çeşitli kimyasal değişimlere neden olan enzimlerin susuz
ortamda aktivite gösterememesidir (Saldamlı ve Saldamlı, 1990).Kurutma genel olarak doğal
ve yapay kurutma olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
1.1.1.Doğal Kurutma: Bu yöntemde, güneş ısısından yararlanılır ve kuruma işlemi kendi
kendine gerçekleşir. Ancak kurutma işleminin çok yavaş gerçekleşmesi, gıdadaki su oranının
%15 in altına düşürülememesi, kurutmanın açıkta gerçekleştirilmesi ve geniş alanlara ihtiyaç
duyulması doğal kurutma yönteminin uygulanabilirliğini sınırlar.
1.1.2.Yapay Kurutma: Bu yöntemde kurutma işlemi, kapalı alanlarda ve kontrol altında
yapılmaktadır.
Kurutma, buharlaşma gizli ısısının verilerek gıdadaki suyun uzaklaştırılması ile
gerçekleşir. Bu nedenle kurutma işlemini kontrol eden iki mekanizma vardır:
a) Gerekli buharlaşma gizli ısısının sağlanması amacıyla gıdaya ısı transferi
b) Su veya su buharının gıdada ve daha sonra gıda dışına taşınımı yani kütle transferi
Kurutma sırasında ısı transferi, kondüksiyon (iletim), konveksiyon (taşınım) veya
radyasyon (ışınım) ile olabilmektedir. Konveksiyonla kurutmada suyun buharlaşması için
gerekli ısı, hava gibi bir gaz tarafından taşınır. Sıcak hava kurutulacak maddenin içinden,
üzerinden geçirilir. Tünel, akışkan yatak ve püskürtmeli kurutucular bu yöntemin değişik
uygulamalarıdır. Kondüksiyonla kurutma yönteminde ısı, kurutulacak maddeye temas ettiği
sıcak yüzeyden taşınır. Valsli kurutucular bu yöntemin en yaygın uygulamalarıdır.
Radyasyonla kurutmada ısı bir radyasyon alanından ulaştırılır. Gıdaların kurutulmasında
yaygın bir yöntem değildir. Bu üç yönteme ek olarak kurutulacak maddenin basıncı gittikçe
12
düşen bir hücrede tutularak ısıtmaya gerek kalmaksızın suyun buharlaşmasının sağlandığı
vakum kurutma da kullanılabilmektedir (Cemeroğlu ve Acar, 1986).
Kurutulacak gıdanın hangi formda olduğuna veya yüksek ısının gıdalarda neden
olacağı değişimlere göre kurutma yöntemi belirlenir (Saldamlı ve Saldamlı, 1990). Kurutma
sırasında meydana gelen değişiklikler ise aşağıdaki başlıklar altında sıralanabilir (Cemeroğlu
ve Acar, 1986).
a) Kuru madde birikimi: Suyun katı içerisindeki hareketi sıvı hareketi şeklinde ise kuruma
sırasında yüzeye sıvı ile beraber kuru madde de taşınır. Yüzeyde toplanan kuru madde iç
derişim farkından dolayı yüzeye taşınmaktadır. Bu şekilde kuruma sırasında ürünün iç
kısmında veya yüzeyinde kuru madde toplanabilmektedir.
b) Kabuk bağlama: Kurumanın ilk aşamalarında yüksek sıcaklık uygulanırsa ürün yüzeyi
hızla kurur. İç kısımlar hala ıslak olduğundan kuru üst yüzeyin yaptığı basınca direnç
gösterir. Kuruyan üst yüzey büzüşmez ve ürün yüzeyinde sert bir kabuk oluşturur. Kuruma
hızı birdenbire düşer, iç kısımlarda da tam kuruma sağlanamaz.
c) Kitle yoğunluğunda değişmeler: Ilımlı kurutma koşullarında kurutulan nemli gıdada tüm
kitle beraberce kurur ve tüm üründe düzgün bir buruşma meydana gelerek kitle yoğunluğu
(materyalin birim hacminin ağırlığı) yükselir. Ürün hacmi düşük, depolama kararlılığı
yüksek, taşıma ve depolama giderleri düşüktür. Hammadde olarak kullanıma daha uygundur.
Yüzeyde aşırı bir kuruma olacak şekilde hızlı bir kurutmada önce yüzey sonra iç kısımlar
kurur. Kurumuş dış yüzey büzüşmez, bu nedenle ürün içerisinde boşluklar olur. Bunlar su
alma yeteneği yüksek, tüketici tarafından tercih edilen ama depolama ve taşıma maliyeti
yüksek ürünlerdir.
d) Kurutulmuş ürünün su alma yeteneği: Rehidrasyon, kurutulmuş ürünün neminin geri
kazandırılması olayıdır. Kurutma esnasında materyalde meydana gelen değişmeler ve
rehidrasyon koşulları işlemi etkilediğinden göz önünde bulundurulmalıdır.
e) Esmerleşme: Maillard reaksiyonları olarak bilinen enzimatik olmayan esmerleşme
reaksiyonları % 2 nemin altında gerçekleşmezken, % 15-20 nem oranında en üst düzeyde
gerçekleşir.
f) Besin değerinde azalma: Suda eriyen bazı vitamin ve uçucu öğelerde azalma meydana
gelir.
13
2. KURUTMA OLAYININ FİZİKSEL TANIMI
Su gıdalarda serbest su, bağlı su ve tutuklu su olarak bulunur. Kurutma işleminde gıdadan
uzaklaştırılan serbest sudur. Kurutma olayı, katı materyalden taşıyıcı ortama (genellikle sıcak
hava) kütle transferi şeklinde meydana gelir. Bu kütle transferi için itici güç, katının toplam
nem içeriğiyle denge nemi arasındaki farktır. Sıcak hava materyalden uzaklaştırılacak suya
gerekli buharlaşma gizli ısısını sağlar ve aynı zamanda buharlaşma yüzeyi yakınlarında oluşan
su buharına taşıyıcılık yaparak nemi uzaklaştırır. Islak katının kuruma davranışı, kuruma
olayının başlangıcından itibaren zamana karşı materyalin ortalama nem içeriğinin grafiğe
geçirilmesi ile tanımlanır (Geankoplis, 1993). Şekil 1 de ıslak bir katı için tipik kuruma eğrisi
görülmektedir.
Şekil 1. Tipik kuruma eğrisi
Kuruma sırasında görülen evreler üç kısımda incelenir;
I) Geçiş Bölgesi: Bu evre, katının yüzey koşullarının kurutucu havayla dengeye geldiği
geçiş süresini temsil eder. A noktasında başlangıçtaki serbest nem değeri gözlenir.
Başlangıçta ortamdan daha soğuk olan ıslak katı ısındıkça buharlaşma hızı artar. Katı,
ortamdan daha sıcak ise hız eğrisi A´ noktasından başlar.
II) Sabit Hız Bölgesi: Bu evre boyunca, katı içindeki suyun yüzeye hareket hızı, yüzeyden
suyun buharlaşma hızına eşit olduğundan katının yüzeyi suya doygun halde kalır. Materyalin
yüzeyi başlangıçta ince bir su tabakasıyla kaplı gibidir. Önce bu tabaka buharlaşmaya başlar.
Serbest nem içeriği, kg su/kg kuru madde
Kur
uma
hızı
, kg
su/h
m2
A
A´BC
D
E
Xc
Sabit hızAzalan hız
R,K
urum
a H
ızı (
kg su
/m2 sa
)
X, Serbest Nem İçeriği ( kg su/kg km)
Sabit Hız Bölgesi Azalan Hız Bölgesi
14
Başlangıçta çok hızlı bir buharlaşma olur, ancak daha sonra yüzeyde oluşan buhar nedeniyle
yavaşlar. Verilen hava şartları altında kuruma hızı ürünün fiziksel özelliklerinden bağımsız,
fakat başlangıç nemi ve çevre koşullarına bağlı olarak değişir. Şekil 1 de görüldüğü gibi B
noktasında yüzey sıcaklığı denge değerine ulaşır. BC noktaları arasında kuruma hızı sabittir
ve sabit kuruma hızı bölgesi olarak adlandırılır. Islak katı gözenekli bir yapıya sahipse
yüzeye su taşınımı daha kolay olduğundan kurumanın büyük bir kısmı bu aşamada
gerçekleşir. Gıdanın yüzeyinde buharlaşan nem bittiğinde sabit hız evresi sona erer ve bu
noktadaki nem içeriği ''kritik nem içeriği'' olarak tanımlanır.
III) Azalan Hız Bölgesi: Sabit hız bölgesinden sonra buharlaşma, maddenin içinde oluşmaya
başlar. Yüzeye yakın bölümler iç kısımlara göre daha fazla su kaybettiklerinden kuruyan
maddenin dış yüzeyinde kabuk bağlama, buruşma, çatlama ve kurumalar meydana gelir. Bu
dönemde buharlaşan nem miktarı azalır. Yüzeyin kurumasını da içeren bu ikinci bölgeye
(CD-DE) azalan hız bölgesi denilmektedir. Yüzeyin tamamen kuruduğu D noktasına kadar
birinci azalan hız bölgesi devam etmektedir. D noktasından itibaren ikinci azalan hız bölgesi
başlar. Buharlaşma için ısı katı boyunca buharlaşma bölgesine aktarılır. Buharlaşan su katı
boyunca hava akımına doğru hareket eder. Bu durum denge nem değerine ulaşılana kadar
devam eder (Geankoplis, 1993).
Nemin katının yüzeyine taşınma yolları sabit ve azalan kuruma bölgelerinde
değişmektedir. Bu konuda çeşitli kuramlar bulunmaktadır. Bunlar;
A) Sıvı difüzyon teorisi: Bu teoride katının derinlikleri ile yüzeyi arasında
derişim farkı olduğunda sıvı difüzyonu meydana gelir. Bu durum, su ile tek fazlı
solüsyon oluşturan hamur, sabun, jelatin, tutkal gibi gözeneksiz yapıdaki katılarda
görülür.
B) Gözenekli katılarda kılcal hareket: Çamur, kum, toprak, boya pigmentleri
ve mineraller gibi gözenekli katılarda görülür. Gözenekli katı çeşitli gözenek
büyüklüklerinde kanallar ve birbiriyle ilişkili gözenekleri içerir. Su buharlaşırken
katının derinliklerinde her bir gözenek içinde sıvı suyun bir menisküsü oluşur. Bu
durum katı ve su arasındaki ara yüzey gerilimi tarafından kılcal kuvvetleri oluşturur.
Bu kuvvetler yüzeye gözenekler boyunca suyun hareketi için sürücü güç sağlar.
Küçük gözenekler, büyük gözeneklerin oluşturduğundan daha büyük kuvvetler
oluşturur (Geankoplis, 1993).
15
1.2.1. Sabit kuruma hızını etkileyen faktörler:
a) Havanın hızı: Kondüksiyon ve radyasyon ile olan ısı transferinin ihmal edildiği durumda
kuruma hızı ısı transfer katsayısı ve dolayısıyla havanın akış hızından etkilenmektedir.
Radyasyon ve kondüksiyon olduğu durumda havanın etkisi daha azdır.
b) Havanın nemi: Havanın nemi azalırsa ıslak termometre sıcaklığı düşer ve sabit kuruma hızı
artar.
c) Havanın sıcaklığı: Havanın sıcaklığı artırılırsa ıslak termometre sıcaklığı ve sabit kuruma
hızı artar.
d) Kurutulan katının kalınlığı: Katının kalınlığı arttıkça su difüzyonu zorlaşacağından kuruma
hızı yavaşlamaktadır.
3. MATEMATİKSEL MODELLEME
kg sukg km
st
s
W LXL
(1)
Xt: Herhangi bir andaki nem içeriği
W: Nemli katı ağırlığı
Ls: Kuru madde ağırlığı
t eX X X (1)
X: Serbest nem miktarı
Xe: Denge nem miktarı
1.3.1. Sabit Hız Bölgesi için Kuramsal Kuruma Süresinin Hesaplanması:
1 2( )( )
sc
c a s
d X Xth T T
(3)
elde edilir. Eşitlikte verilen simgeler;
16
tc: Sabit hız kuruma süresi
ρs: Kuru madde yoğunluğu
: Buharlaşma gizli ısısı
hc: Isı transfer katsayısı
d: Kalınlık
Ta: Havanın kuru termometre sıcaklığı
Ts: Kuruma yüzeyinin sıcaklığı
1.3.2. Deneysel Kuruma Eğrisini Kullanarak Sabit Hız Bölgesi için Kuruma
Süresinin Hesaplanması:
Deneysel olarak elde edilmiş serbest nem-zaman grafiği kullanılarak kuruma süresi kolaylıkla
belirlenebileceği gibi kuruma hızı-zaman grafiğinden de bulunabilir. Bu amaçla;
sL dXRA dt
(4)
R: Kuruma hızı
A: Kuruma yüzey alanı
t1 =0 → X=X1
t2= t → X=X2
Eşitlik (4) yukarıdaki sınır koşulları için integre edilirse;
2 2
1 10
t t Xs
t X
L dXt dtA R
(5)
Eğer X1 ve X2, kritik nem (Xc) içeriğinden büyükse, R=Rc=Sabit olur. Sabit hız bölgesi için
kuruma süresi;
2 1s
cc
Lt X XA R
olarak hesaplanır. (6)
Rc: Sabit kuruma hızı
17
1.3.3. Deneysel Kuruma Eğrisini Kullanarak Azalan Hız Bölgesi için Kuruma
Süresinin Hesaplanması:
2
1
Xs
X
L dXtA R
(7)
Azalan hız bölgesinde kuruma hızı sabit olmamasından dolayı Eşitlik (7) den yola çıkılarak
1 -X R
grafiğindeki eğrinin altında kalan alan hesaplanır ve deneysel kuruma süresi bulunur.
tf : Azalan hız bölgesi için kuruma süresi
Xc: Kritik nem miktarı
Xe: Denge nem miktarı
Ancak bazı özel durumlarda izlenmesi gereken yol aşağıdaki gibidir:
A) Eğer hız X in doğrusal bir fonksiyonu ise:
R= aX+b
2
1
Rs s 1
2R
L L RdRt lna A R a A R
(8)
R1= aX1+b ve R2= aX2+b
1 2
1 2
R RaX X
1 2 1
1 2 2
lns X XL RtA R R R
(9)
18
B) Hız başlangıç noktasından geçen doğrusal bir fonksiyon ise:
R=aX, dX=dR/a
R1 =Rc→X1 =Xc için; a=Rc /Xc ise,
(10)
elde edilir.Eğimler eşit olduğu için;
a= Rc /Xc =R2 /X2 = Rc /R2=Xc/X2
(11)
(12)
Difüzyon katının derinlikleri ile yüzeyi arasında derişim farkı olduğunda gerçekleşir.
Genellikle gözeneksiz katılarda görülür. Azalan hız bölgesinde de nemin taşınımı difüzyonla
olur. Sadece tek yüzeyden kuruyan, nemin iç hareketini sıvı difüzyonunun kontrol ettiği dilim
şeklinde bir katı için;
2 22
8 1exp / 2 exp 9 ( / 2 ) ...9
e
c e
X X Dt d Dt dX X
(13)
t nin büyük değerleri için;
2
2
8 exp / 2e
c e
X X Dt dX X
veya (14)
22ln ln 8 / / 2e
c e
X X Dt dX X
(15)
D: Difüzyon katsayısı
d: Toplam kalınlık (eğer kuruma sadece yüzeyden ise)
d=1/2 Toplam kalınlık (eğer her iki yüzeyden kuruma gerçekleşiyorsa)
2
lns c c
c
L X RtA R R
2
lns c c
c
L X XtA R X
cc
XR RX
19
2. MATERYAL ve YÖNTEM
2.1. MATERYAL
Etüv, terazi, termometre, kronometre, pamuk, bıçak, iplik, tel, mezür (10 ml), küçük petri
kutusu, gıda materyali (patates)
2.2. YÖNTEM
Kurutma proseslerinde en önemli basamak kuruma süresinin hesaplanmasıdır. Bu amaçla
prosesin çeşitli parametreleri belirlenmelidir. Bu deney bir gıdanın laboratuvar ölçekli olarak
etüvde kurutulması sırasında kuruma hızını, kuruma zamanını ve kurumayı etkileyen
faktörleri belirlemek ve karakteristik kuruma eğrilerini çizmek amacıyla yapılacaktır.
Deneyde bir gıda örneğinin kuruma davranışı incelenecektir. Fiziksel boyutun
etkisinin incelenmesi için de aynı gıdanın, farklı iki fiziksel boyuttaki (dilimlenmiş ve
rendelenmiş) örnekleri kullanılacaktır.
2.2.1. Ön hazırlık
Dilim halinde hazırlanan patates ve rendelenmiş patates ilk ağırlıları alındıktan sonra 105 oC
etüvde sabit tartıma gelene kadar bekletilir. Gerekli hesaplamalar yapılarak örneklerin kuru
madde miktarları hesaplanır.
(Sorumlu grubun deneyden bir gün önce, örnekleri ile birlikte gelmeleri gerekmektedir.)
2.2.2. Deneyin yapılışı
Etüv sıcaklığı 60C ye ayarlanır.
Belirli kalınlık ve çapta kesilen nemli ağırlığı ölçülen gıda örneği bir telin ucuna asılarak
etüvün ortasındaki düzeneğe yerleştirilir.
Ayrıca petri kabına, rendelenmiş ve kabın yüzeyine iyice yayılmış örneğin ağırlığı ölçülür
ve örnek etüve yerleştirilir.
Dilim ve rendelenmiş örnekler için 10 dak aralıklarla ağırlık ölçümü yapılır.
Mezüre belirli hacimde saf su konulur. Sıcaklığı 60C olan etüve yerleştirilir ve 10 dak
aralıklarla hacimdeki değişim gözlenir.
20
3. RAPORDA İSTENENLER:
Tablo-1’in oluşturulması,
Tablo-2’nin oluşturulması,
Zamana karşı ölçülen nemli ağırlık (W) değerlerinin grafiği,
Zamana karşı serbest nem(X) miktarı grafiği,
Kuruma hızı (R) ve serbest nem miktarı (X) grafiği; (Bu grafikten kritik nem içeriği (Xc)
belirlenecektir.)
Zamana karşı kuruma hızı (R) grafiği; (Bu grafikten sabit hız bölgesi, azalan hız bölgesi
için deneysel kuruma süreleri belirlenecektir.)
Su için R-t grafiği çizilecek. (Sabit hız bölgesinin net olarak görülmesi için)
Sabit hız bölgesi için kuramsal kuruma süresinin hesaplanması,
Hesaplanan kuramsal sabit hız bölgesi için kuruma süresinin grafikten okunarak,
belirlenen deneysel kuruma süresiyle karşılaştırması ve farklılığın nedenlerinin
tartışılması,
Materyalin özelliklerinin kuruma koşulları üzerine etkilerinin tartışılması,
R-X ve 1/R-X grafiklerinin çizilmesi,
Uygun grafikler çizilerek difüzyon katsayısının (D) belirlenmesi.
Tablo 1: Kurutulan gıdanın zamanla ölçülen ve hesaplanan değerleri
Zaman, t Nemli
ağırlık, W
t anındaki nem
miktarı, Xt
t anındaki serbest
nem miktarı, X
Kuruma hızı, R
21
Tablo 2 : Su için zamanla ölçülen ve hesaplanan değerler
Zaman, t Hacim, V Kütle, W Kuruma hızı, R
4. Simgeler
Xt: Herhangi bir andaki nem içeriği (kg su/kg km) Xc: Sabit hız bölgesinin sonundaki kritik nem miktarı (kg su/kg km) Xe: Denge nem miktarı (kg su/kg km) X: Serbest nem miktarı (kg su/kg km) W: Nemli katı ağırlığı (kg) Ls: Kuru madde ağırlığı (kg km) tc: Sabit kuruma süresi (sa) tf : Azalan hız bölgesi için kuruma süresi (sa) Ta: Havanın kuru termometre sıcaklığı (C) Ts: Kuruma yüzeyinin sıcaklığı (C) ρs: Kuru madde yoğunluğu (kg km/m3) : Buharlaşma gizli ısısı (kJ/kg) hc: Isı transfer katsayısı (W/m2.K) D: Difüzyon katsayısı (m2/sa) d: Kalınlık (m) A: Kuruma yüzey alanı (m2) R : Kuruma hızı (kg su/sa.m2) Rc:Kritik kuruma hızı (kg su / sa.m2)
5. KAYNAKLAR
Geankoplis, C., J. (1983). Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed. Prentice
Hall International Editions, MA, USA.
Cemeroğlu, B., Acar, J. (2003), Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi. Gıda Teknolojisi
Derneği, Yayınları No:28, Ankara.
Saldamlı, İ., Saldamlı, E. (1990), Gıda Endüstrisi Makinaları, 1. Baskı, Hacettepe
Üni., Ankara.
22
YALANCI KARARLI HAL SIVI AKIŞI
1. GİRİŞ
Gıda işleme fabrikalarında sıvı ürünlerin bir yerden başka bir yere taşınmasını sağlayan
akışkan taşınım sistemleri yaygın olarak bulunmaktadır. Bu taşınım sistemleri, Şekil 1’de
görüldüğü gibi akışkanın aktığı borular ve yerçekimi kuvvetine karşı farklı yüksekliğe
taşınımını sağlayan pompalardan oluşabilmektedir.
Şekil 1. Akışkan Taşınım Sistemi (Gökmen, 2003)
Taşınım sistemlerinde akışkanların boru içerisinde akışı sırasında oluşan hız profilinin
bilinmesi, birim uzunlukta meydana gelen basınç düşmesi ve hacimsel akış hızı gibi proses ve
ekipman tasarımında gerekli bilgilerin hesaplamasını sağlar.
Bir akışkan sabit bir yüzey üzerinden akarken (boru duvarı, nehir yatağı vb.), yüzey ile
temas eden akışkanın hızı duvardaki kayma kuvveti (o) etkisiyle sabit kalır. Akışkan hızı
duvardan uzaklaştıkça dereceli olarak artar ve ana akım içerisinde maksimum değere ulaşır.
Pompa
Wp
2 1
Z1 Z2
2’
1’
Z1’
Z2’
23
Bu hız profili akışın başladığı noktada oluşur ve duvar boyunca belli bir noktaya kadar gelişir.
Bu süreç “tam gelişmiş akış” (fully developed flow) olarak adlandırılır.
Şekil 2. Boru İçerisindeki Akışkanın Hız Profili (Gökmen, 2003)
Akışkan, boru içerisindeki her noktada farklı hız profiline sahiptir. Şekil 2’de verilen
uo, boru duvarına yakın noktalardaki ve umax ise boru merkez noktasındaki yığın akış hızını
ifade etmektedir. Boru içerisinde akan akışkanın bir katı sınır varlığı nedeniyle hareketinin
etkilendiği kısmı, sınır katmanı, olarak tanımlanır. Sınır katmanı kalınlığı ise, akışkan hızının
boru merkez noktasındaki değerinin (umax) % 99’una eriştiği nokta ile duvar arasındaki mesafe
olarak tanımlanmaktadır (Gökmen, 2003). Şekil 3 ve 4’ de plaka yüzeyinde akmakta olan
akışkanın sınır katmanı sınırı verilmiştir.
Şekil 3. Boru İçerisindeki Akışkanın Hız Profili (Gökmen, 2003)
u 0
u m a x
24
Şekil 4. Düz Boruda Sınır Katmanı (Gökmen, 2003)
Akışkan bir boru içerisinde veya yüzey üzerinde akarken, akış görüntüsü; akışkanın
hızına, fiziksel özelliklerine ve yüzeyin geometrisine bağlı olarak değişir. Bu konu ilk kez
Reynolds tarafından Şekil 5’de verilen düzenek kullanılarak incelenmiştir. Bunun için, geniş
ağızlı bir cam tüp, suyla beslenen ve camdan yapılmış bir tank içine batırılıp büyük tanktan
cam tüpe olan akışın hızı, bir vana ile denetlenmiş ve küçük bir hazneden cam tüpün ağzının
merkezine renkli bir sıvı iplikçiği gönderilerek akış izlenmiştir. Buna göre, düşük hızlardaki
akışta renkli sıvı iplikçiğin doğrusallığını koruduğu ve tüpteki akışın girişim yapmayan
paralel akımlar oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu tip akış katmanlı akış olarak adlandırılmıştır.
Eşitlik 1’ de verilen ve akışkan yoğunluğunun, viskozitesinin, yığın akış hızının ve boru
çapının bir fonksiyonu olan Reynolds Sayısına göre akış rejimleri belirlenmiştir. Akış
rejimleri, Reynolds sayısı 2100’den düşük olduğu durumlarda akış “katmanlı akış”, 2100 ile
4000 arasında iken “geçiş bölgesi akışı” ve 4000’den yüksek olduğu durumlarda ise akış
“kargaşalı akış” olarak tanımlanmıştır. Yapılan deneylerde, akış hızı arttırıldığında ise önce
renkli iplikçiğin renkli salınımlar yaptığı daha sonra salınımların iplikçiğin kopmasına neden
olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca kargaşalı akış olarak tanımlanan yüksek hızlarda akışkanın
tüp içinde gelişigüzel doğrultularda burgaçlar oluşturarak hızlı aktığı da gözlenmiştir.
25
Şekil 5. Boru İçerisindeki Akış Çeşitlerini Gösteren Deney Düzeneği (Gökmen, 2003
26
Akış rejimini belirleyen Reynolds sayısı, akış sırasındaki iç kuvvetlerin akışkandaki vizkoz
kuvvetlere oranını ifade eder.
2
Re Re 2ort ort
ort
V D V Diç kuvvetlerN Nvizkoz kuvvetler V D
(1)
Eşitlik 1’e göre, enerji dağılımındaki vizkoz kuvvetlerin etkisi fazla ise katmanlı akışın
gözlendiği düşük Reynolds sayısı değerleri oluşur. Enerji dağılımındaki iç kuvvetlerin etkisi
fazla ise kargaşalı akışın gözlendiği yüksek Reynolds sayısı değerleri oluşur. Şekil 6’da
katmanlı ve kargaşalı akış rejimlerindeki sınır katmanları ve hız profilleri verilmiştir.
Şekil 6. Katmanlı (Laminar) ve Kargaşalı (Türbülant) Akış Rejimlerinde Sınır Katmanı
Tam gelişmiş akış bölgesinde hız, yalnız boru çapına bağlı olarak değişirken akışkanın aldığı
yola bağlı değildir. Ancak bu durum boru çapının değişmesi ya da akışkanın valf, dirsek gibi
engellerle karşılaşması halinde değişir. Tam gelişmiş akış kavramı katmanlı akış için de
kargaşalı akış için de söz konusu olmakla birlikte, bu iki akış rejimi için oluşan hız profilleri
oldukça farklıdır.
27
Bir borudaki akışkanın hız profilinin şekli akışın giriş bölgesi uzunluğuna bağlıdır.
Giriş bölgesi, akışkanın bir boruya giriş yaptığı bölgeye denir. Bu bölge parabolik akış
profilinin oluşması için gerekli uzunluktur. Birimsiz giriş uzunluğu (Le/D) ile akış rejimini
belirleyen Reynolds sayısı arasında (katmanlı akış için, Le/D = 0,06 Re; kargaşalı akış için,
Le/D = 4,4 (Re)1/6) bir ilişki vardır (Munson ve ark., 1990). Ayrıca geçiş bölgesi
(2100<NRe<4000) uygulamalarında da giriş uzunluğu korelasyonu kullanılmaktadır. Giriş
bölgesinde hız profili ve basınç dağılımı hesapları oldukça karmaşık olduğundan katmanlı
akış durumunda kullanılan Hagen-Poiseuille eşitliği ile bu etki ihmal edilir. Aksi durumda
basınç (ΔP) ve hacimsel akış (Q) hesaplamalarında bir düzeltme faktörünün kullanılması
gerekmektedir (Bird ve ark., 1960).
Akışkan gıdaların sürekli sistemlerde akışı hem katmanlı (puding, çorba) hem de kargaşalı
(süt, meyve suyu) rejimde gerçekleşebilmektedir. Gıda endüstrisinde önemli bir yer tuttuğu ve
teorik analizi kargaşalı akışa göre daha kolay olduğu için bu uygulamada katmanlı akış hız
profili belirlenecektir. Tam gelişmiş katmanlı akış için belirlenen hız profili daha sonra
hacimsel akış hızının teorik olarak hesaplanmasında kullanılacaktır.
2. MATERYAL ve METOT
2.1. Materyal
Deney düzeneği silindirik bir tank, ölçü silindiri ve bağlantı borusundan oluşmaktadır.
2.2. Metot
2.2.1. Deneysel Metot
Deneyin prensibi başlangıçta su ile dolu olan büyük tank içerisindeki suyun ince bir boru ile
bağlantılı olduğu boş ölçü silindirine akışının sağlanması ve işlem sonunda iki tank arasındaki
su seviyesi farkı kullanılarak bu akışın hacimsel akış hızının belirlenmesi esasına
dayanmaktadır. Bu amaçla, deneyin başlangıcında büyük tank su ile doldurulur ve su seviyesi
ölçülür. Kullanılacak ince borunun iç çapı (Db), uzunluğu (L) ve silindirin çapı (Ds) ölçülüp
kaydedilir. Bu ölçümler yapıldıktan sonra, aynı seviyede bulunan büyük tank ile ölçü
silindirine boru ile bağlantı sağlanarak her iki tarafa ait vanalar açılır ve su ile dolu olan büyük
tanktan boş olan ölçü silindirine doğru suyun akışı sağlanır. Hacimsel akış hızını
28
belirleyebilmek için ölçü silindirindeki su seviyesi ölçü skalasının başlangıcına (0 noktasına)
geldiği anda ölçüm süresi başlatılır. Bu süreden sonra geçen her dakika için ölçü silindirindeki
su seviyesi belirlenerek kaydedilir. Bu işlem tanktaki su seviyesi eşitleninceye kadar devam
eder.
Aynı işlem tanklar arasında yükseklik farkı yaratılarak tekrar edilir.
2.2.2. Matematiksel Metot
Yatışkın durumda yatay düz bir boru içinde akan akışkan için hacimsel akış hızının
matematiksel metotlarla belirlenmesinde bazı varsayımlar yapılmaktadır. Bunlar, akış türünün
katmanlı akış olduğu, akışkanın akış boyunca tüm fiziksel özelliklerinin sabit olduğu,
sıkıştırılamayan akışkan olduğu ( sabit) ve katı-akışkan ara yüzeyinde kaymaz sınır koşulu
olduğu yaklaşımlarıdır.
Silindirik sistemlerde hız akış yönlerinin ve zamanın fonksiyonudur
( ).
Hagen Poiseuille Eşitliği
Yatışkın koşullarda düz bir boru içerisinde akan akışkanın hacimsel akış hızı Hagen
Poiseuille eşitliği kullanılarak hesaplanmaktadır. Bu eşitlik; yukarıda bahsedilen kabullerin
olduğu durumlarda geçerlidir.
Düz boru içerisinde katmanlı akış için kuvvet denkliği;
12P r - 2
1P P r = 2 rl
12P r - 1
2P r + 2P r = 2 rl
2P r = 2 rl
P r
2 l
(1)
, , ,Hız f r z rd t
29
Tam gelişmiş katmanlı akış için kuvvet;
γ → γ= dudy
= dudr
dudr
(2)
Eşitlik (1), Eşitlik (2)’de yerine yazılırsa;
dudr =
Pr
2l
du =
2Pl
rdr u=2P
2 2r c
l
SK 1 r=R ; u=0
0=2
Pl
2
2R +c c=
2
4P R
l
u= 2 2Pr Pr
4 4l l
Düz boruda tam gelişmiş katmanlı akış için hız profili;
2 2P ( )4
u R rl
elde edilir.
r=0’da hız maksimum olacağından, maksimum hız maksu ;
2P4m a k s
Rul
elde edilir. (3)
uA d udA
2 2
0 0
2 24
R R Pu rdr R r rdrl
2 2 42 3
0 0
( )2 2 2 4
RR P P R r rR r r drl l
r=R
r=0
30
4
8P R
l
(Hagen-Poiseuille Eşitliği) (4)
Ortalama hız ile maksimum hız arasındaki ilişkiyi veren denklik (Eşitlik 3 ile);
uA
4
2
8P R u R
l
→
2
8P Ru
l
→
2m a ksu u olmaktadır.
Akışkanın hacimsel akış hızı ise, akışkanın çizgisel ortalama akış hızı ile boru kesit alanı
çarpımına 2,z z ortQ R V eşittir. Çizgisel ortalama hız ise çizgisel hızın toplam hacimde
integre edilmesiyle Eşitlik 5’de verildiği şekilde belirlenir.
2
20 0, ,2
0 0
8
R
zo L
z ort z ort bR
V rdr dP P
V V RL
rdr d
(5)
Eşitlik 5 kullanılarak belirlenen hacimsel akış hızı Eşitlik 6’de verilmiştir.
42 2
8 128o L o L b
z b b
P P P P DQ R R
L L
(6)
Bu şekilde düz bir boru içerisinde akan katmanlı akış türüne sahip akışkanın hacimsel akış
hızı Eşitlik 6’de verilen Hagen-Poiseuille eşitliği kullanılarak belirlenmektedir. Ancak bu
denkliğin kullanılabilmesi için Po ve PL değerlerinin Eşitlik 7’da verildiği şekilde
tanımlanması gerekmektedir.
31
0
0
T atm
L T s
hL s atm
P g h PP P g h h
P g h P
(7)
Bu sistemde tank, ölçü silindiri ve boruda akan akışkanın hacimsel akış hızları, eşit
olacağından tan k boru silindirQ Q Q hacimsel akış hızı çizgisel hız ve zamana bağlı olarak
yazılabilir. Bu durumda kullanılan tank alanı ölçü silindiri alanından çok büyük olduğundan
tan k silindirA A tanktaki su seviyesi azalması ölçü silindirindeki artışın yanında ihmal
edilebilir yani tanktaki su seviyesinin değişmediği varsayılabilir. Bu durumda tank ve ölçü
silindiri arasındaki su seviyesi değişimi ölçü silindirindeki değişime eşit olur
sd h d h .
, s ss
z s s s z
ss s
d A hdVQ V A h Qdt dt
d hdhA Adt dt
(8)
Hacimsel akış hızı yerine Eşitlik 6’dan elde edilen değer, belirtilen sınır koşullarında
yazılar teorik yükseklik farkını veren Eşitlik 9 elde edilir:
4
4
4
0
4
128
128
128
exp128
T s
T
o L bz s
bo L s
h h h t tb
sh h t
bT
s
P P D d hQ A
L dt
d hg h DP P g h AL dt
d h g D dth L A
g Dh h tL A
(9)
32
Eşitlik 9’ad belirlenen yükseklik farkı Eşitlik 8’de yerine yazıldığında, akışkanın hacimsel
akış hızı değeri Eşitlik 10’da verildiği şekilde elde edilir.
4 4
4
. exp128 128
. .128
z s
b bT
s
bz
d hQ A
dtg D g Dh t
L L A
g DQ hL
(10)
3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA
3.1. Deneysel Sonuçlar
Deneyler sırasında elde edilen veriler Çizelge 1’deki uygun yerlere yerleştirilecektir.
Çizelge 1. Zamana Göre Değişen Ölçü Silindiri Yükseklik Değişimleri
t (dk)
Deney I
(Seviye Farkı Olmadığı Durumda)
Deney II
(Seviye Farkı Olduğunda)
(hdeneysel) (hdeneysel)
33
3.2. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar
1- Deneyler sırasında zamana karşı elde edilen yükseklik farkı değerleri (hdeneysel)
kullanılarak, deneysel hacimsel akış hızları (Qz,deneysel) ve çizgisel akış hızı (Vzort,deneysel)
değerleri belirlenecektir.
2- Eşitlik 11 kullanılarak zamana karşı teorik yükseklik farkı değerleri (hteorik)
hesaplanacak,
3- Eşitlik 12 kullanılarak zamana karşı teorik hacimsel akış hızı değerleri (Qz, teorik)
hesaplanacak, Qz, teorik değerleri kullanılarak da zamana karşı teorik ortalama çizgisel akış hızı
(Vzort,teorik) değerleri hesaplanacaktır. , /z ort z boruV Q A
4- Elde edilen bu değerlerin (hdeneysel, hteorik, Qz,deneysel, Qz,teorik, Vzort,teorik, Vzort,deneysel)
zamana göre değişimleri grafik olarak gösterilecektir.
5- Belirlenen ortalama çizgisel akış hızlarına göre Reynolds(Re) sayıları hesaplanarak
akış rejimi kontrol edilecektir.
6- Tüm hesaplamalar seviye farkı olduğu ve olmadığı durumlar için ayrı ayrı yapılacak
ve elde edilen sonuçlar Çizelge 2’de belirtilen şekilde verilecektir.
7- Ayrıca başlangıç anı için (t=0) Re sayısını hesaplayarak tam gelişmiş akış için
kullanılan boru uzunluğunun yeterli olup olmadığını belirtiniz.
34
Çizelge 2. Zamana Göre Yükseklik Farkları, Hacimsel ve Ortalama Çizgisel Akış Hızları
t (dk)
Deney I (Seviye Farkı Olmadığında)
hdeneysel Qz,deneysel Vzort,deneysel hteorik Qteorik Vzort,teorik
t (dk)
Deney II (Seviye Farkı Olduğunda)
hdeneysel Qz,deneysel Vzort,deneysel hteorik Qteorik Vzort,teorik
Tartışma
Yapılan bu çalışmada düz bir boru içerisinde katmanlı akış rejiminde akan akışkanın hacimsel
akış hızının belirlenmesinde kullanılan Hagen-Poiseuille denkleminin oluşturulması için
yapılan yaklaşımlar açıklanmıştır. Ayrıca bu denklem kullanılarak borudaki akışkanın
hacimsel akış hızının belirlenebilmesi için borudaki hacimsel akış hızı ile ölçü silindirindeki
yükseklik değişimi arasında bir bağıntı kurulmuştur.
Simgeler ve Kısaltmalar
sA : Ölçü silindirinin alt yüzey alanı (m²)
bD : Boru iç çapı (m)
sD : Ölçü silindirinin iç çapı (m)
g : Yerçekimi ivmesi (9,8 m/s²)
sh : Ölçü silindirinin su seviyesi (m)
Th : Tankın su seviyesi (m)
35
L : Boru uzunluğu (m)
NRe : Reynolds Sayısı
P : Basınç (Pa)
LP : Ölçü silindirinin alt yüzeyine etki eden basınç (Pa)
oP : Tankın alt yüzeyine etki eden basınç (Pa)
bR : Borunun iç yarıçapı (m)
zQ : Hacimsel akış hızı
u : Boru içerisindeki akışkanın yığın akış hızı (m/s)
zV : Borudaki akışkanın z yönündeki çizgisel akış hızı (m/s)
,z ortV : Borudaki akışkanın z yönündeki ortalama çizgisel akış hızı (m/s)
Vs : Ölçü silindirinin hacmi (mL)
VT : Tankın hacmi (mL)
: Yoğunluk (kg/m³)
: Vizkozite (kg/m.s)
4. KAYNAKLAR
Bird, R.B., Stewart, W.E. & Lightfoot, E.N., 1960. Transport Phenomena, John Wiley
& Sons, Inc., New York.
Evranduz, Ö. & Çataltaş, İ., 1989. Gıda İşleme Mühendisliği. İnkılap Yayınevi,
İstanbul.
Munson, B.R., Young, D.F. & Okiishi, T.H., 1990. Fundamentals of Fluid Mechanics.
John Wiley & Sons, Inc., Canada.
Sing, R.P. & Heldman, D.R., 1993. Introduction to Food Engineering. 2nd ed.,
Academic Press, Inc., California.
Gökmen, V. (28 Ocak 2005). Akışkanlar Mekaniği Ders Notları, Erişim: http://www.yunus.hacettepe.edu.tr/~gökmen
36
GIDALARDA ISIL YAYINIM KATSAYISI, ISI KAPASİTESİ ve YOĞUNLUK
DEĞERLERİNİN BELİRLENMESİ
1. GİRİŞ
Gıdaların fiziksel ve ısıl özelliklerinin bilinmesi, gıda işlemlerinin dizaynında ve tasarımında
özellikle de proses etkinliğinin ve ürün kalitesinin arttırılması için gereklidir. Örneğin
pastörizasyon işleminin yapıldığı bir plakalı ısı değiştiricisinde gerekli plaka sayısı, çift borulu
ısı değiştiricide gerekli boru uzunluğu veya konsantre ürün eldesinde kullanılacak evaporatör
için gerekli boyutlar, ürüne işlenecek ham maddenin özelliklerinin bilinmesi ile
hesaplanabilmektedir.
Gıda ürünleri işleme ve depolama sürecinde; soğutma, ısıtma, pişirme, dondurma,
pastörizasyon, sterilizasyon, kurutma, evaporasyon gibi pek çok işlemden geçmektedir.
Tahıllar, hububat ürünleri ve tohumlar paketleme ve depolama öncesinde kurutulmakta,.
birçok meyve ve sebze depolanmadan önce hızla 0-10 °C arasına soğutulmakta veya
dondurulmakta. Meyve ve sebzeler konserveye işlenmeleri sırasında sterilize edilmekte, süt
ve süt ürünleri, mikroorganizma faaliyetlerinin durdurulması ve raf ömrünün arttırılması için
pastörizasyon ve sterilizasyon işlemlerine tabii tutulmaktadırlar. Konsantre meyve suyu
eldesinde meyve sularına evaporasyon işlemi uygulanmasıyla suyun uzaklaştırılması
sağlanmakadır. Tüm bu işlemlerde sistemde ısı ve/veya kütle transferi gerçekleşmekte ve bu
proseslerin tasarımında maddelerin yoğunluk, yüzey alanı, hacim, ısı kapasitesi, entalpi, ısıl
yayınım katsayısı, ısı iletim katsayısı gibi özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu deneyin
amacı gıdaların fiziksel özelliklerinden yoğunluk ve termofiziksel özelliklerinden ısı
kapasitesi ve ısıl yayınım katsayısı değerlerinin belirlenmesidir.
1.1.Yoğunluk
Yoğunluk, prosesle ilgili hesaplamalarda yaygın bir şekilde kullanılan bir fiziksel özelliktir.
Biyolojik materyallerin yoğunluğu materyalin çeşit ve kompozisyonuna bağlı olmakla birlikte
ortam sıcaklığına göre de değişim göstermektedir. Yoğunluk genel olarak, materyallerin
kütlesinin hacmine oranı şeklinde hesaplanmaktadır (Denklik 1).
37
mv
(1)
Bunun yanı sıra yoğunluk; görünür yoğunluk, partikül ve yığın yoğunluğu gibi çeşitli
şekillerde de tanımlanmakta ve hesaplanmaktadır. Yığın yoğunluğu ( B ); materyalin yığın
halinde paketlendiği veya istiflendiği durumdaki yoğunluğudur ve materyal ağırlığının yığın
hacmine oranı ile belirlenmektedir. Partikül yoğunluğu ( p ); materyal içerisindeki
boşlukların göz ardı edilmesi ile, görünür yoğunluk ( ap ) ise boşlukların göz ardı edilmemesi
durumunda hesaplanan yoğunluk değeridir.
Gıda maddelerinin yoğunluklarının belirlenmesinde en kolay uygulanan yöntem Arşimet
prensibine dayanan yöntemdir. Buna göre su içerisine atılan bir cismin hacmi taşırdığı suyun
hacmine eşittir (Çengel, Y.1998).
1.2.Isıl Yayınım Katsayısı
Isıl yayınım katsayısı genel olarak ilgilenilen ortamda ısı transferi şekillenirken ortam
içerisinde iletilen ısının depolanan ısıya oranı olarak tanımlanabilmektedir ve materyalin ısıyı
iletme ve depolama kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Bunun yanında ısıl yayınım katsayısı, ortam
içerisinde ısının ne kadar hızlı yayıldığının da bir göstergesidir. Isıl yayınım katsayısı,
maddenin ısı iletim katsayısının ısı kapasitesi ve yoğunluğuna oranı olup aşağıdaki şekilde
tanımlanmaktadır (Denklik 2).
p
kc
(2)
Isıl yayınım katsayısının hesaplanmasında kullanılan yöntemler genel olarak doğrudan ya da
dolaylı olmak üzere ikiye ayrılır. Dolaylı hesaplamada (2) nolu denklik kullanılmaktadır. Bu
denkliğin kullanılabilmesi için ısı iletim katsayısı, ısı kapasitesi ve yoğunluk değerlerinin
bilinmesi gerekmektedir.
Doğrudan ölçümlerde genel olarak sıcaklık-zaman verileri kullanılarak materyallerin ısıl
yayınım katsayısı değerleri hesaplanmaktadır. Burada yatışkın olmayan ısı transferi
denklemlerinin, sonlu ve sonsuz sistemler için uygun sınır koşullarında kullanımı ile elde
edilen çözümlerinden yararlanılır. Literatürde analitik çözümlerin kullanıldığı; Dickerson,
38
Hayakawa, Gordon ve Thorne, Bhowmik ve Hayakawa, Olivares, Guzman ve Solar, Eğim
Metodu gibi çeşitli doğrudan ölçüm yöntemleri bulunmaktadır (Rahman, S., 1995).
1.3.Isı Kapasitesi
Isı kapasitesi, birim kütledeki materyalin sıcaklığını birim derece arttırmak için gereken ısı
(joule, Btu, calori) miktarıdır. Gıdaların ısı kapasitelerini hesaplamak için çeşitli denklikler
geliştirilmiştir. Bunlardan en önemli olanı Siebel tarafından geliştirilen, maddelerin nem
içeriğine bağlı, donma noktasının altında ve üzerinde ısı kapasitesi değerinin ayrı ayrı
hesaplanabildiği eşitliktir (Denklik 3,4).
Donma noktasının üzerinde, C = 0,837 + 3,348W (3) Donma noktasının altında, C = 0,837 + 1,256W (4) (5) numaralı denklikte ise ısı kapasitesi değeri, gıda ürünlerinin protein, su, yağ, karbonhidrat
ve kül içerikleri göz önüne alınarak hesaplanabilmektedir.
퐶 = 4,180푊 + 1,711푊 + 1,928푊 + 1,547푊 + 0,908푊 (5)
(Alt indisler; w : Su, p : Protein, f : Yağ, c : Karbonhidrat, a : Kül) Bunların yanı sıra gıdaların ısı kapasitesi değerleri ürünün sıcaklığına göre de
hesaplanabilmektedir. Denklik (6)’ da, Riedel tarafından geliştirilen eşitlik görülmektedir.
Buna göre ısı kapasitesi değeri ürünün sıcaklık ve nem içeriğine bağlı olarak
hesaplanabilmektedir.
퐶 = 4,187 푊 + (훼 + 0,001 푇)(1 − 푊 ) − 훽 exp (−43푊 , ) (6)
(α ve β katsayıları gıdalara göre değişim göstermektedir. Örneğin et için bu katsayılar
sırasıyla 0,385 ve 0,08’ dir. )
Deneysel verilerle elde edilen denkliklerin kullanımlarının yanında materyallerin ısı kapasitesi
değerleri çeşitli yöntemlerle hesaplanabilmektedir. Karışım ve karşılaştırma yöntemleri,
adyabatik yöntem ve mikro kalorimetre (Differential Scanning Calorimeter) ile ölçüm
bunlardan bir kaçıdır.
39
Karışım yöntemi ısı kapasitesi ölçüm yöntemleri içerisinde en yaygın olarak kullanılan
yöntemdir. Burada bilinen kütle ve sıcaklıktaki örnek, içerisinde ısı kapasitesi, sıcaklığı ve
miktarı bilinen sıvı bulunan kalorimetre içerisine konulur. Örneğin ısı kapasitesi değeri,
kalorimetre içerisindeki karışıma uygulanan, dengedeki ısı denkliği ile hesaplanır. Isı
kapasitesi bilinmeyen örnek, sistem içerisinde ısı kazanacak veya kaybedecektir, yine aynı
durum kalorimetre sıvısı için de geçerlidir. Kalorimetre içerisinde alınan ısı verilen ısıya eşit
olacaktır. Sistemde kurulan ısı enerjisi denge denkliği ile ısı kapasitesi değeri
hesaplanmaktadır.
Karışım metodu en genel ısı kapasitesi ölçüm yöntemi olsa da, işlem sırasında, termal sızıntı,
ısı oluşumu, karışım sırasında oluşan problemler gibi bir takım hatalar oluşabilmektedir.
Termal sızıntı: Karışım yönteminin ana hata kaynağı kalorimetrede gerçekleşen ısı kaybıdır.
Bu sorun özellikle birim hacim başına çok düşük ısı kapasitesine sahip materyallerin ısı
kapasitelerinin ölçülmesi sırasında ve bazen de kalorimetre sıvısının ısı kapasitesi değerinin
örneğinkinden çok fazla olması durumunda önem kazanır.
Isı oluşumu: Bu yöntemde gıda materyali ile ısı transferinin olduğu ortam doğrudan olarak
etkileşim halindedir. Bu durum, hidroskopik gıda materyallerinin ısı kapasitelerinin
saptanmasını zorlaştırmaktadır. Çünkü hidroskopik olan gıdalar kalorimetre sıvısında
çözünecek ve çözünme ısısı ortaya çıkacaktır. Modifiye edilmiş karışım metodunda örnek
bakır kapsüller içerisine konulur ve bu kapsül kalorimetre sıvısı içerisine yerleştirilir. Bu
durumda çözünme ısısının belirlenmesine gerek kalmayacaktır fakat örneğin kapsül içerisine
yerleştirilmesi de çok kolay olmamaktadır.
Karışımdan doğan problemler: Sistem içerisinde örneğin kalorimetre sıvısı içerisine batması
gerekmektedir. Bunun için ısı transfer ortamının yoğunluğunun, gıda örneğinin
yoğunluğundan daha düşük olması gerekmektedir. Kalorimetre sıvısı olarak kullanılan toluen
(860 kg/m3), su ve n-hekzanın (515 kg/m3) yoğunlukları, gıda materyallerinin
yoğunluklarından düşüktür ve bunlar en yaygın olarak kullanılan kalorimetre sıvılarıdır.
Bunu yanı sıra bazı gıda örneklerinde dondurma ve çözündürme işlemleri sırasında gıdaların
lifli materyallerinin sıvı kısımlarından ayrılması söz konusudur. Bu gıdalar, kalorimetre
içerisinde kalorimetre sıvısının alt kısmında posalı (lifli) kısım, üst kısmında sıvı kısım
toplanacak şekilde iki faza ayrılırlar.
40
Sonuç olarak yapılacak olan deneyin amacı; gıda örneklerine ait fiziksel ve ısıl özellikler olan
yoğunluk, ısı kapasitesi ve ısıl yayınım katsayısı değerlerinin hesaplanmasıdır.
2. MATERYAL ve METOT
2.1. Materyal
-Deney numunesi olarak patates kullanılacaktır.
-Yoğunluk hesaplamada; terazi, beher ve destile su kullanılacaktır.
-Isıl yayınım katsayısı hesaplamada; T tipi ısıl çift, sıcaklık veri kaydedici sistemi, su
banyosu, örneğe silindirik şekil veren kesici alet gibi araçlar kullanılacaktır. -Isı kapasitesi hesaplamada; kalorimetre, etüv, iğne uçlu termometre ve destile su
kullanılacaktır.
2.2. Metot
2.2.1. Yoğunluk
Yoğunluk değerinin belirlenmesinde Arşimet prensibine dayanan yöntem kullanılacaktır.
Arşimet prensibine göre su içersine atılan bir cismin hacmi taşırdığı suyun hacmine eşittir.
Ayrıca su içerisine atılan bir cismin ağırlığında suyun kaldırma kuvvetine bağlı olarak suyun
ağırlında bir kayıp olur. Bu kayıp bize örneğin hacmini bulunmasını sağlayacaktır.
örnek suörnek örnek
örnek su
m mVV
(7)
Örneğin yoğunluk değerinin belirlenmesi;
1.Patetesin ağırlığı kaydedilir.
2.500 mL’lik beher içerisine destile su konulur.
3.İçerisinde su bulunan beher terazi üzerine konulur.
4.Ağırlığı kaydedilen patates su içinde askıda kalacak şekilde sabitlenir.
5.Suyun ağırlığındaki artış kaydedilir.
41
2.2.2 Isıl yayınım katsayısı
Deneyde doğrudan hesaplama yöntemlerinden Dickerson ve Eğim Yöntemi ile gıda örneğinin
ısıl yayım katsayısı değeri iki farklı şekilde hesaplanacaktır.
Dickerson Yöntemi:
Dickerson yöntemi sonsuz silindir şekilli geometriler için uyarlanan bir yöntemdir (L>8R,
L: silindirin uzunluğu, R: silindirin yarıçapı). Bu yöntem başlangıçtaki geçiş aşamasından
sonra örnek merkez (To) ve yüzey sıcaklığı (Ts) arasındaki sıcaklık farkının belli bir süre
sabit kalması ilkesine dayanmaktadır (Şekil 1).
Şekil 1.
Dolayısıyla sıcaklık farkının sabit olduğu bu bölgede yatışkın olmayan ısı transferi
denkleminde (8) verilen tT terimi sabit olarak kabul edilebilir.
2
2
1T T Tt r r r
(8)
0
10
2030
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500
Zaman (sn)
T (°
C)
ToTsTs-To
42
2
2
1 .T T TAt r r r
(9)
Bu durumda (9) numaralı denklik aşağıdaki şekilde yazılabilir:
= + (10)
Denklem (10)’ten anlaşılacağı gibi deneysel olarak belirlenen bu bölgede sıcaklığın sadece
yarıçapa bağlı olarak değiştiği kabul edilmektedir. Bu durumda (10) numaralı denklemin
çözümü (11) numaralı denklikte verildiği şekilde belirlenebilir:
푇(푟) = + 퐶 ln(푟) + 퐶 (11)
(11) numaralı denkliğin aşağıda verilen sınır koşullarındaki çözümü ile (14) numaralı denklik
elde edilir.
Sınır koşulları:
T=Ts t>0, r=R (12)
0Tr
t>0, r=0 (13)
2 2
4sAT T r R r
(14)
(14) nolu denklikten silindirin merkezindeki (r=0) sıcaklık için 0T r T (15) nolu denklik
yazılabilir:
2
0 4sA RT T
(15)
43
Bu durumda (16) nolu denklik elde edilir;
2
04 s
A RT T
(16)
Eğim Yöntemi:
Bu yöntemde düzgün geometrik cisimlerde (plaka, silindir, küre) analitik denkliklerin çözümü
ile ısıl yayınım katsayısı kolaylıkla hesaplanabilmektedir.
Sonsuz silindirde (L>8R) sıcaklık dağılımı:
2102 2 2
1 0 1
, ( )2 exp( ) ( )
nn n
ni n n n
T r t T J r tJT T J J R R
(17)
Buradaki değeri aşağıdaki Biot (Bi) sayısı denkliği (18) kullanılarak hesaplanabilir:
1( )( )o
h R JBik J
(18)
Denklem (17), (8) numaralı denklemin aşağıdaki sınır ve başlangıç koşulları kullanılarak
çözülmesiyle elde edilmiştir.
T(r,0)=Ti (19)
,,
r Rr R
T r tk h T r t T
r
(20)
0
,0
r
T r tr
(21)
Fourier sayısının 0.2’ den büyük olduğu durumda (17) numaralı denklikte sadece birinci terim
kullanılabilir. Denkliğin birinci terimi kullanılarak her iki tarafının ln’i alındığında:
44
1 1 20 1 12 2 2
1 0 1 1 1
, 2ln ln( )i
T r t T J r tJT T J J R R
(22)
ya da;
21 1 2
,ln
i
T r t T tAT T R
(23)
şeklinde yazılabilir. Burada;
Eğim yöntemi ile ısıl yayınım katsayısın hesaplanması için farklı zamanlarda (t) örneğin
herhangi bir noktasında ölçülen sıcaklık değerleri (T(r,t)) (23) numaralı denkleme konulup,
zamana karşı ,
lni
T r t TT T
grafiği çizilir:
Şekil 2
Bu grafiğin Fo>0.2 olduğu durumdaki (zamana karşı çizilen ,
lni
T r t TT T
eğrisinin
doğrusal bölümü) eğimi; 21 2m
R
’dir.
-1,6-1,4-1,2
-1-0,8-0,6-0,4-0,2
00 500 1000 1500
Zaman (sn)
ln [(
T(r
,t)-T
∞)/
(T1-
T∞)]
Fo>0,2
45
Grafiğin eğimi hesaplandığında 1 değerinin de bilinmesi durumda α kolaylıkla
hesaplanabilecektir.
Örneğin ısıl yayınım katsayısı değerinin belirlenmesi;
(Dickerson Yöntemi):
1. Patates sonsuz silindir olacak şekilde kesilir.
2. Örneğin boyutları ölçülür.
3. Örneğin merkezine ve yüzeyine T tipi termokapıllar yerleştirilir.
4. Su banyosu 75°C’ ye ayarlanır ve karıştırıcısı çalıştırılır (su banyosunun başlangıç
sıcaklığı 30°C olmalı).
5. Her 30 saniyede bir, örneğin merkezi ve su banyosunun sıcaklık verileri (örneğin merkez
sıcaklığı, su banyosu sıcaklığına yaklaşanana kadar) kaydedilir.
(Eğim Yöntemi):
1. Mümkün olduğunca düz silindire benzeyen muz tüm olarak kullanılacaktır.
2. Örneğin boyutları ölçülür.
3. Örnek içerisine ve ortama termokapıllar yerleştirilir.
4. Her 10 saniyede bir, örneğin ve ortamın sıcaklık verileri (örneğin sıcaklığı, ortam
sıcaklığına yaklaşanana kadar) kaydedilir.
2.2.3 Isı kapasitesi
Isı kapasitesi değeri belirlemede karışım yöntemi kullanılacaktır. Bu yöntem öncelikle
kalorimetrede dış ortama ısı kaybı olup olmadığı belirlenir. Bu amaçla kalorimetre içerisine
kalorimetre sıvısı konulur ve bir saat sonunda sıvının sıcaklığı kaydedilir. Kalorimetre
içerisinde konulan sıvının ağırlığı ve başlangıç sıcaklığı da göz önüne alınarak bir saat
süresince olan ısı kaybı hesaplanır. Bu değer kalorimetrede dış ortama olan ısı kaybı değeridir.
kayıp w wQ w c T (24)
46
Daha sonra ağırlığı ve başlangıç sıcaklığı bilinen ve ısı kapasitesi değeri hesaplanmak istenen
örnek, içerisinde su kapasitesi, sıcaklığı ve miktarı bilinen sıvı kalorimetre içerisine konulur.
Örneğin ısı kapasitesi değeri, bir saat sonrasında kalorimetre içerisindeki karışıma uygulanan,
dengedeki ısı denkliği ile hesaplanır. Isı kapasitesi belirlenecek olan örnek, sistem içerisinde
ısı kazanacak veya kaybedecektir, yine aynı durum kalorimetre sıvısı için de geçerli olacaktır.
Sonuç olarak sistemde ısı enerjisi denge denkliği ile örneğin ısı kapasitesi değeri denklik
(26)’de verildiği gibi hesaplanacaktır.
1 2 3 4
alınan kayıp verilen
sa sa kayıp w w
Q Q Q
w c T T Q w c T T
(25)
Örneğin ısı kapasitesi değerinin belirlenmesi:
1. Etüv sıcaklık dalgalanmalarının engellenmesi amacıyla 30°C sıcaklığa ayarlanır.
2. Kalorimetre içerisine yaklaşık 300 ml, 70°C’ de distile su koyulur.
3. Kalorimetreyi etüve yerleştirilir.
4. Bir saat sonunda kalorimetre içerisindeki suyun sıcaklığını ölçülür ve kaydedilir.
5. Kalorimetre içerisine tekrar 300 ml, 70°C’ de distile su koyulur.
6. Isı kapasitesi değeri hesaplanacak olan örneğin başlangıç sıcaklığı ve ağırlığı
kaydedilerek kalorimetre içerisine koyulur.
7. Kalorimetre etüve yerleştirilir.
8. Bir saat sonunda örneğin ve kalorimetre sıvısının (su) sıcaklıkları ölçerek kaydedilir.
3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA
3.1. Deneysel Veriler
Yoğunluk
Örnek ağırlığı (g)
Sudaki ağırlık artışı (g)
47
Isı kapasitesi:
ww
saw
wc
1T
2T
3T
4T T
Isıl yayınım katsayısı
Örnek boyutları (Dickerson Yöntemi) Örnek boyutları (Eğim Yöntemi) Zamana karşı sıcaklık verileri:
3.2. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar ve Tartışma
Yoğunluk
1. Örneğin hacmini ve yoğunluğunu hesaplayınız. Bulduğunuz sonucu literatür ile
karşılaştırınız.
2. Gıdaların yoğunluğuna etki eden faktörleri araştırınız.
Isı kapasitesi
1. Bulduğunuz sonucu literatür ile karşılaştırınız.
2. Gıdaların su içeriğinin ısı kapasitesi değerleri üzerine etkisi var mıdır tartışınız.
3. Bulduğunuz ısı kapasitesi değerini diğer denkliklerle hesapladığınız ısı kapasitesi
değerleri ile ve karşılaştırınız.
4. Gıdaların diğer termal özellikleri nelerdir?
Isıl yayınım katsayısı
1. Dickerson yöntemi ile yapılan ısıl yayınım katsayısı deneyinde elde ettiğiniz Ts, To, ve Ts-
To değerlerinin zamana karşı değişimini tek bir grafik üzerinde gösteriniz ve çizdiğiniz
grafiği ve denklem (10)’u kullanarak ısıl yayınım katsayısı değerini bulunuz.
48
2. Eğim yöntemi ile yapılan ısıl yayınım katsayısı deneyi sırasında kaydettiğiniz verileri
kullanarak ln(T(r,t)-T∞)/(Ti-T∞) değerlerini hesaplayıp, bu değerleri zamana karşı grafiğe
geçiriniz ve analitik yöntemi kullanarak ısıl yayınım katsayısı değerini bulunuz.
3. Her iki yöntemle hesapladığınız α değerlerini birbirleriyle ve literatürle karşılaştırınız.
4. İğne uçlu termometrenin örneğin tam merkezine değil de herhangi bir noktaya batırılması
durumunu tartışınız, böyle bir durumda Dickerson yöntemi veya analitik yöntem
uygulanabilir miydi?
Simgeler ve kısaltmalar
Yoğunluk (kg/m³) m Kütle (kg) v Hacim (m3) k Isıl iletim katsayısı (W/m-K)
pc Isı kapasitesi (J/kg-K) Isıl yayınım katsayısı (m²/s) Q Isı enerjisi (J)
T Sıcaklık farkı (K) M Ondalık temelde nem içeriği X Her bir bileşenin kütle veya ağırlık kesri
ww Kalorimetre sıvısının kütlesi (kg)
saw Örneğin kütlesi (kg)
ocT Kalorimetre sıvısının başlangıç sıcaklığı (°C )
emT Karışımın denge sıcaklığı (°C )
osT Örneğin başlangıç sıcaklığı (°C )
sac Örneğin osT ve emT sıcaklık aralığındaki ısı kapasitesi değeri (kJ/kgK)
wc Suyun ocT ve emT sıcaklık aralığındaki ortalama ısı kapasitesi değeri (kJ/kgK)
1T Kalorimetre içerisine konulan örneğin başlangıç sıcaklığı (°C)
2T Kalorimetre içerisine konulan örneğin son sıcaklığı (°C)
3T Kalorimetre sıvısının başlangıç sıcaklığı (°C )
4T Kalorimetre sıvısının son sıcaklığı (°C ) T Belirlenen süre içerisindeki kalorimetre sıvısına ait sıcaklık farkı (°C )
0T Örneğin herhangi bir t anındaki merkez sıcaklığı (°C)
sT Örneğin herhangi bir t anındaki yüzey sıcaklığı (°C ) A Isınma eğrisinin eğimi (°C/s) R Silindirin yarıçapı (cm) ,T r t Örneğin zamanla değişen sıcaklığı (°C)
T Ortam sıcaklığı (°C)
iT Örneğin başlangıç sıcaklığı (°C)
49
5. KAYNAKLAR
1. Rahman, S. Food Properties Handbook, 339-390, CRC press, 1995
2. Rizvi, S.S. H., Mittal, G. S., Experimental Methods in Food Engineering, Van Nosrnd
Reinhold, 1992
3. Çengel, Y., Heat Transfer, 25-26, McGraw-Hill
4. Erdoğdu, F. Isı Transferi Dersi Ders Notları, 2002, Mersin Universitesi, Gıda Müh Böl.
5. Mohsenin., N. N. Thermal Prooperties of Foods and Agricultural Materials, 1980., Gordon
and Breach Science Publishers.
6. R. Stroshine., D. Haman., Physical Properties of Agricultural Materials and Food
Products, 1994.
50
ÇİFT BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİDE TOPLAM ISI TRANSFER
KATSAYISININ BELİRLENMESİ
1. GİRİŞ
Gıda endüstrisinde uygulanan temel işlemler arasında yaygın olanları ısıl işlemler,
buharlaştırma, kurutma ve dondurmadır. Bu işlemler ürün ile ısıtma ve/veya soğutma
ortamları arasında ısı transferini gerektirir. Gıdaların ısıtılma ve soğutulma prosesleri
özellikle gıdaların mikrobiyal ve enzimatik bozulmalarının gerçekleştiği proseslerde önem
taşır. Endüstriyel ölçekli birçok ısıtma ve soğutma işleminde akışkan yapıdaki gıdalar için
yaygın olarak ısı değiştiriciler kullanılmaktadır (Singh ve Heldman, 2003).
Isı değiştiriciler, farklı sıcaklıklarda ve birbirine temas etmeyen iki akışkan arasındaki
ısı transferini sağlayan ekipmanlardır. Genel olarak doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı ısı
değiştiriciler olarak iki gruba ayrılırlar. Dolaylı temaslı ısı değiştiriciler plakalı, borulu,
sıyırıcı yüzeyli ve kabuk ve tüp geçişli (Şekil 1) olarak gruplandırılır. Bu tip ısı
değiştiricilerde ürün ile ısıtma veya soğutma ortamı genellikle ince bir metal duvar ile fiziksel
olarak ayrılmıştır. Doğrudan temaslı ısı değiştiriciler buhar enjeksiyonlu ve buhar enfüzyonlu
olarak gruplandırılır. Bu tiplerde ise ürün ile ısıtma ortamı arasında fiziksel bir temas söz
konusudur. Örneğin, buhar enjeksiyonlu sistemlerde ısıtılmak istenen ürünün bulunduğu
ortama buhar enjeksiyonu yapılır (Çengel, 1998).
Şekil 1. Gövde borulu ısı değiştiricisi
İçiçe iki borudan oluşan çift borulu ısı değiştiricilerde içteki boruda bir akışkan
akarken diğer akışkan ise gövdede (iki boru arasındaki boşluk) akmaktadır. Akışkanlar aynı
Boru
Akışkanı
Boru
Akışkanı
Gövde Akışkanı
Girişi
Gövde
Akışkanı
Şaşırtma Levhası
51
Thg
Thç
Tcç
Tcg
∆T1 ∆T2
Thg
Thç
Tcç
Tcg
Thg
Thç
Tcç
Tcg
∆T1 ∆T2
Thg
ThçTcç
Tcg
∆T1
∆T2
Thg
ThçTcç
Tcg
∆T1
∆T2
yönde (paralel akış, Şekil 2) ya da birbirlerine ters yönde (zıt akış, Şekil 3) akabilirler (Singh
ve Erdoğdu, 2004). Isı, akışkanlarla boru yüzeyi arasında konveksiyonla, boru duvar kalınlığı
boyunca kondüksiyonla transfer olmaktadır. Isı değiştiricilerde birden fazla akışkan olduğu
ve konveksiyonel ve kondüksiyonel ısı transferi bir arada gerçekleştiği için bütün ısı transferi
etkilerini içeren toplam ısı transfer katsayısı (U) kullanılmaktadır (Çengel, 1998).
Şekil 2. Çift borulu ısı değiştiricilerde paralel akış
Şekil 3. Çift borulu ısı değiştiricilerde zıt akış.
İki akışkanın metal bir duvar ile ayrıldığı çift borulu bir ısı değiştiricide, dıştaki
akışkandan duvara konveksiyon ile, boru boyunca kondüksiyon ile ve boru yüzeyinden içteki
akışkana yine konveksiyon ile ısı transferi gerçekleşmektedir. Bu ısı transferi işleminde iki
konveksiyonel ve bir kondüksiyonel ısıl direnç oluşmaktadır.
Kondüksiyonla (iletimle) ısı transferi, Eşitlik 1. de verilen “Fourier yasası” ile
tanımlanır.
1 2( )xdT kAq kA T Tdx
(1)
Thg
Thç
Tcg Tcç
Thg
Thç
Tcg Tcç
52
Burada k: ısı iletim katsayısı (W/m.K), A: ısı transfer yönüne dik duvar alanı (m2), : kalınlık
(m), T1 ve T2: sıcaklık (K) dır. Isı iletim direnci (Riletim) Eşitlik 2 deki gibi tanımlanır.
1 2iletim
x
T TRq kA
(2)
Konveksiyonla (taşınımla) ısı transferi, Eşitlik 3. de verilen “Newton’un soğuma
yasası” ile ifade edilir.
( )sq hA T T (3)
Burada h: ısı taşınım katsayısı (W/m2.K), A: ısı transfer yönüne dik duvar alanı (m2), Ts ve
T: sıcaklık (K) dır. Isı taşınım direnci (Rtaşınım) aşağıdaki gibidir.
1staşınım
T TRq hA
(4)
Karma sistemlerde Newton’un soğuma yasasına benzer bir biçimde tanımlanan
toplam ısı transfer katsayısı, U (W/m².K) ile çalışmak çoğu kez daha kolaydır. Bu
yaklaşımla,
xq UA T (5)
olup, T toplam sıcaklık farkıdır. Eşitlik 2 ve Eşitlik 4 de sırasıyla kondüksiyon ve
konveksiyonla gerçekleşen ısı transferi için yapılan direnç tanımlaması karma sistemler içinde
yapılacak olursa:
1toplam
x
TRq UA
(6)
olur. Yani toplam ısı transfer katsayısı Eşitlik 7. deki gibi olur.
53
1
toplam
UR A
(7)
Şekil 2. ve Şekil 3. deki gibi paralel ve zıt akışlı çift borulu ısı değiştiriciler için enerji
denkliği Eşitlik 8. deki gibi yazılabilir.
chp c p cg cçh hg hçQ m c T T m c T T (8)
Burada alt indisler “h” ve “c” sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanları, cp ısı kapasitesini
(kJ/kg.K), m kütlesel akış hızını (kg/s) ifade etmektedir.
Aynı zamanda toplam ısı transfer katsayısına bağlı olarak aktarılan ısı Eşitlik 9. daki
gibi de tanımlanabilir.
LMLM LM i i d d
TQ U A T U A T U A T
R
(9)
Burada “i” alt indisi boru içini, “d” ise boru dışını belirtmektedir. Akışkanlar
arasındaki sıcaklık farkı ısı değiştirici boyunca değiştiği için sıcaklık farkı, ortalama
logaritmik sıcaklık farkı (LMTD, ∆TLM) ile ifade edilir (Eşitlik 10).
1 2
1
2
lnLM
T TTTT
(10)
Bu eşitlikte ∆T1 ve ∆T2 sırasıyla ısı değiştiricinin giriş ve çıkışında, iki akışkan
arasındaki sıcaklık farkını ifade eder (Şekil 2. ve Şekil 3.). Isı değiştiricilerde kondüksiyonla
ısı transferine dik olan boru kesit alanı yarıçap yönünde değişim gösterdiğinden silindirik
sistemlerde yapılan hesaplamalarda Eşitlik 11. de verilen logaritmik ortalama alan (ALM)
değeri kullanılır.
54
ln
d iLM
d
i
A AAAA
(11)
Bu eşitlikte Ai ve Ad (m2) sırasıyla içteki borunun iç yüzey alanı ve içteki borunun dış
yüzey alanıdır. ∆T1, ∆T2 ve ALM değerleri bilindiğinde ya da Eşitlik 8 ve Eşitlik 9 ile verilen
enerji denkliği ile belirlendiğinde LMTD metodunun kullanımı oldukça kolaydır.
İçteki borunun iç yüzey alanı Ai i iA D L ve dış yüzey alanı Ad d dA D L
olduğunda boru duvarındaki ısıl direnç (Rduvar) Eşitlik 12. de gösterildiği gibidir. Dd ve Di
sırasıyla içteki borunun dış ve iç çaplarıdır.
var
ln
2id
du
D DR k L
(12)
L ise borunun uzunluğudur. Isı değiştiricideki toplam ısıl direnç (Rtoplam) Eşitlik 13.
deki eşitlik ile hesaplanır.
varln1 12
iditoplam du d
i i d d
D DR R R R R
h A k L h A
(13)
Isı değiştirici analizlerinde üç ısıl direncin kombinasyonu olan tek bir direnç
kullanılarak ısı transfer hızı Eşitlik 9. da verildiği şekilde tanımlanır.
Eşitlik 9’daki T değerleri sadeleştirilerek düzenlendiğinde Eşitlik 14. elde edilir.
var1 1 1 1 1
LMdu
i i i id d d dR R
U A U A U A h A h A
(14)
Çift borulu bir ısı değiştirici tasarımı yapılırken, ürün ve ısıtma ve/veya soğutma
ortamları için ayrı ayrı konveksiyonla ısı transfer katsayılarının belirlenmesi gerekmektedir.
Bu katsayıların belirlenmesi için ısı transfer katsayısının boyutsuz biçimi olan Nusselt (Nu)
55
sayısı korelasyonlarından yararlanılır. Uygun Nu sayısı korelasyonuna akışkan özelliklerine
ve akış türüne göre karar verilir (Bkz. Bölüm 2.2.2. Matematiksel Metot).
3. MATERYAL ve METOT
3.1.Materyal
Yapılan çalışmada Armfield marka çift borulu ısı değiştirici deney düzeneğiyle
çalışılacaktır. Sıcak ve soğuk akışkanlar olarak ise su kullanılacaktır.
3.2.Metot
3.2.1. Deneysel Metot
Deneyler paralel ve zıt akış konumlarında yapılacaktır. İlk olarak ısı değiştirici,
üzerinde bulunan vanalar ile paralel akış konumuna getirilir. Sıcak suyun sıcaklığı 60°C ye
ayarlanır. Soğuk su musluğu açılarak soğuk suyun ısı değiştiricide akışı başlatılır. Sıcak
suyun sıcaklığı ayarlanan değere ulaştığında sıcak su bulunduğu hazneden ısı değiştiriciye
pompalanır. Sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiricide akarken hacimsel akış hızları Çizelge
1. de belirtildiği gibi ayarlanır. Sıcak ve soğuk akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları dengeye
geldiğinde sıcaklık değerleri kaydedilir ve Ek-1 de verilen Çizelge 2. ve Çizelge 3. de
belirtilen yerlere yazılır.
Çizelge 1. Sıcak akışkanın hacimsel akış hızı (qh, l/dk) ve soğuk akışkanın hacimsel akış hızı (Qc, L/dk)
Deney No Qh , (L/dk) Qc , (L/dk)
1 1,5 1
2 1,5 2
3 3 1
4 3 2
56
3.2.2. Matematiksel Metot
3.2.2.1. Akış türünün belirlenmesi
Isı transfer katsayısının belirlenmesi için öncelikle akış türü belirlenir. Bu amaçla
önce kullanılan akışkanın ortalama bir sıcaklıktaki termofiziksel özellikleri hesaplanır.
Ortalama sıcaklık, sıcak akışkan için , 2hg hç
h ort
T TT
ve soğuk akışkan için , 2
cg cçc ort
T TT
dir. Bu değerler iki akışkanın da ısı değiştiriciye giriş ve ısı değiştiriciden çıkış sıcaklık
değerlerinin ortalaması alınarak belirlenmiştir.
Akış türü, içteki boruda akan akışkan için Eşitlik 15. de verilen Reynolds sayısı
hesaplanarak belirlenir.
ReD uN
(15)
Bu eşitlikte, D boru çapı (m), u akışkanın ortalama çizgisel hızı (m/s), akışkanın
yoğunluğu (kg/m3) ve ise akışkanın dinamik vizkozitesi (kg/m.s) dir. Gövdede akan
akışkan için Reynols sayısı belirlenirken Eşitlik 15. de verilen boru çapı olarak hidrolik çap
kullanılır (Eşitlik 16).
04
H iIslatılan AlanD D D
Islatılan Çevre
(16)
Belirlenen Reynolds sayısına göre akış türü; NRe < 2100 ise katmanlı (tabakalı) akış, 2100
≤ NRe ≤ 4000 ise geçiş bölgesinde akış, NRe > 4000 ise kargaşalı akışdır.
Katmanlı akış için ısı transfer katsayısının belirlenmesi: Bu amaçla Eşitlik 17. kullanılır.
0,141 3
Re Pr1,86 bNu
d
h D DN N Nk L
(17)
57
Eşitlik 17. de b akışkanın yığın akış sırasındaki vizkozitesi (kg/m.s) ve d değeri de
akışkanın boruya temas ettiği nokta sıcaklığındaki vizkozite değeridir, dolayısıyla borunun
yüzey sıcaklığının belirlenmesi gerekmektedir. Ancak deney düzeneği kapalı ve sürekli bir
sistem olduğu için ve sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıkları arasında bir denge kurulana kadar
yüzey sıcaklığı değişeceği için duvar sıcaklığının belirlenmesi oldukça zordur. Bu sebeple b
ve d değerlerinin birbirine eşit olduğu yaklaşımı yapılarak ısı transfer katsayısı değerleri
belirlenebilir.
Kargaşalı akış için ısı transfer katsayısının belirlenmesi: Bu amaçla Eşitlik 18.
kullanılır.
Pr
0,8Re0,023
nNu
h DN N Nk
(18)
Akışkan soğutuluyorsa; n = 0,3, akışkan ısıtılıyorsa; n = 0,4 olarak alınır.
Geçiş bölgesinde ise, L/D değerleri NRe sayısına bağlı olarak hazırlanmış grafik (Ek-
2.) kullanılarak ısı transfer katsayısı belirlenir.
Bu grafikteki JH 0,142 3
p dH
p b
cJ
kh
c
ısı transferinde kullanılan JH
(Colburn J faktörü) boyutsuz ısı geçiş katsayısıdır.
Şekil 4. Geçiş bölgesi için ısı transfer parametreleri korelasyonu
58
Bu şekilde sıcak ve soğuk akışkanlar için ısı transfer katsayıları belirlendikten sonra
Eşitlik 14. kullanılarak toplam ısı transfer katsayısı hesaplanır.
4. SONUÇLAR ve TARTIŞMA
Yapılan çalışmada çift borulu ısı değiştiricide paralel ve zıt akış konumlarında, değişik
hacimsel akış hızlarında sıcak ve soğuk akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları belirlenir. Bu
sıcaklık değerleri kullanılarak sıcak ve soğuk akışkanlar için ısı transfer katsayıları bulunur.
Ayrıca ısı değişticideki toplam ısı transfer katsayısı belirlenir ve elde edilen değerler Ek-1.
verilen Çizelge 4. ve 5. de ilgili yerlere yazılır. Farklı hacimsel akış hızları için elde edilen
farklı sıcaklık değerlerinin değişimi, paralel ve zıt akış için incelenerek hangi akış türünün
daha verimli olduğu belirlenir.
Simgeler ve Kısaltmalar
A : İçteki borunun toplam yüzey alanı, m2 Ai : İçteki borunun iç yüzey alanı, m2
Ad : İçteki borunun dış yüzey alanı, m2
cp : Isı kapasitesi, kJ/kg.K Di : İçteki borunun iç çapı, m Dd : İçteki borunun dış çapı, m DH : Hidrolik çap, m hi : İç boruda akan akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m2.K hd : Dış boruda akan akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m2.K K : Boru materyalinin ısı iletim katsayısı, W/m.K L : Boru uzunluğu, m m : Kütlesel akış hızı, kg/s
NRe : Reynolds Sayısı, ReD uN
NPr : Prandtl Sayısı, Pr
pcN
k
Nst Q
: Stanton Sayısı, N st =
: Hacimsel ortalama akış hızı, L/dk Qc : Soğuk akışkanın hacimsel akış hızı, L/dk Qh : Sıcak akışkanın hacimsel akış hızı, L/dk Rduvar : Boru duvarındaki ısıl direnç Ri : İçteki boruda akan akışkanın taşınım direnci, K/W Rd : Dıştaki boruda akan akışkanın taşınım direnci, K/W u : Akışkanın ortalama çizgisel hızı, m/s
59
U : Toplam ısı transfer katsayısı, W/m².K Ui : İç boruda akan akışkanın toplam ısı transfer katsayısı, W/m2.K Ud : Dış boruda akan akışkanın toplam ısı transfer katsayısı, W/m2.K ∆T1 : Isı değiştirici girişindeki sıcaklık farkı (°C) ∆T2 : Isı değiştirici çıkışındaki sıcaklık farkı (°C) ∆TLM : Logaritmik ortalama sıcaklık farkı (°C) : Akışkanın yoğunluğu, kg/m3 : Akışkanın dinamik vizkozitesi, kg/m.s : Akışkanın kinematik vizkozitesi, m2/s
5. KAYNAKLAR
Çengel, Y.A. “Heat Transfer: A Practical Approach”, McGraw-Hill Inc. Hightstown, NJ., (1998). Singh, P.R. ve Erdoğdu, F. “Virtual Experiments in Food Processing”, Rar Press, Davis, California, 25-29s., (2004). Singh, P.R. ve Heldman, D.R., “Introduction to Food Engineering” Academic Press, 3. baskı, California, 656s., (2003).
EKLER
Ek-1. Veri Kayıt Tabloları
Çizelge 2. Paralel akış konumunda okunan sıcaklık değerleri
Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) Th,g (°C) Th,ç (°C) Tc,g (°C) Tc,ç (°C)
1,5 1
1,5 2
3 1
3 2
Çizelge 3. Zıt akış konumunda okunan sıcaklık değerleri
Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) Th,g (°C) Th,ç (°C) Tc,g (°C) Tc,ç (°C)
1,5 1
1,5 2
3 1
3 2
60
Çizelge 4. Paralel akış konumunda sıcak ve soğuk akışkanların ısı transfer katsayıları ve ısı değişticideki toplam ısı transfer katsayısı
Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) hi , (W/m2.K) hd , (W/m2.K) U , (W/m2.K)
1,5 1
1,5 2
3 1
3 2
Çizelge 5. Zıt akış konumunda sıcak ve soğuk akışkanların ısı transfer katsayıları ve ısı
değişticideki toplam ısı transfer katsayısı
Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) hi , (W/m2.K) hd , (W/m2.K) U , (W/m2.K)
1,5 1
1,5 2
3 1
3 2
61
SU ISITICI TANK
POMPA
BY PASS
AKIŞ ÖLÇER
TERMOMETRE
SOĞUK SU ÇIKIŞI
SOĞUK SU GİRİŞİ
AKIŞ ÖLÇER
1
2 3
4
VANALAR
1 2 3 4
AKIŞ
ŞE
KLİ
PARALEL AÇIK KAPALI AÇIK KAPALI
ZIT KAPALI AÇIK KAPALI AÇIK
Tüp dış çapı 15 0,7 mm duvar
Gövde dış çapı 22 0,9 mm duvar
Yalıtım kalınlığı 20 mm duvar
Isının iletildiği uzunluk 1,5 m
Isının iletildiği alan 20,067 m
62
SÜRTÜNME KAYIPLARI HESAPLAMALARI
1. GİRİŞ
Sıvı gıdaların, gıda endüstrisi uygulamalarında bir noktadan diğer bir noktaya taşınması genel
ve gerekli bir işlemdir. Bu işlemlere, sütün bekletme tankından pastörizasyon için ısı
değiştiriciye pompalanmasını, domates salçasının konsantre edilmek amacıyla bekletme
tankından evaporatöre pompalanmasını örnek olarak verebiliriz. Sistemin enerji verimi,
iletilecek ortamın akış karakteristiklerine ve sistem bileşenlerinin karakteristiklerine bağlıdır.
Daha büyük verimlilik, sıvı gıdaların taşınması sırasında sürtünme kayıplarının en aza
indirilmesi ile başarılabilir [1].
Sıvı gıdanın bir noktadan diğer bir noktaya pompalanmasında, enerji dengesi Bernoulli eşitliği
ile hesaplanır [2].
Şekil 1: Yükseklik ve alan farkı olan iki nokta arasında akış
Şekil 1’deki sistem için mekanik enerji denkliği:
2 21 1 2 2
1 21 2
2 2 2 22 1 2 1 2 1
1
2 2
1 0 / /2
L
L
V P V Pz W z h mg g g g
V V P P g z z h W m s J kg
(1)
63
Hız çoğu kez bir bölgeye giren veya bölgeden çıkan akış için Şekil 2 deki gibi kesit alanı
boyunca değişebilir. Bu durumda verilen bir giriş için Eşitlik 1 deki kinetik enerji terimi
boyutsuz bir düzeltme katsayısı ile çarpılır. Tabakalı akış için α; 2 iken kargaşalı akış için 1
olarak alınır [3].
Şekil 2. Dairesel bir boruda hız dağılımı.
Akışkan tarafından yapılan işin, ısı transferinin ve akışkanın iç enerjisinde değişimin
olmadığı yatışkın koşullarda Eşitlik 1, Bernoulli eşitliğine (Eşitlik 2) dönüşür. 2 2
2 21 1 2 21 2
1 2
/ /2 2
V P V Pz g z g m s J kg
(2)
Sürtünme Kaybı:
Şekil 3. Sürtünmeden kaynaklı yükseklik kaybı
Şekil 3 de sürtünmeden kaynaklı yükseklik kaybı görülmektedir. Gerçek akış sistemlerinde,
akışkan ile akış yüzeyi arasındaki sürtünme, akışkan molekülleri arasındaki sürtünme ve
türbülansa sebep olan; sistem giriş-çıkışları, pompa, vana, akış azaltıcılar ve bağlantı
ekipmanları gibi sistem bileşenleri yükseklikteki bu azalmanın sebebidir [4, 5].
1. Düz borudaki sürtünme kaybı:
Uzun silindirik ve düz bir boruda sürtünme kaybının belirlenmesi için yapılan deneylerde
sürtünme kaybının; kinetik enerji ve boru uzunluğu ile doğru orantılı, boru çapı ile ters
64
orantılı olarak değiştiği görülmüştür. Sürtünme faktörü olarak isimlendirilen bir orantı
katsayısı (f) kullanılarak sürtünme kaybı için [6]:
2
22 2
2
/ /2
L
L
L Vh f mD gL Vh f m s J kgD
(3)
bağıntısı önerilmiştir.
Yapılan gözlemler; f’ nin boru pürüzlülüğü, hız, boru çapı ve akışkanın viskozitesine
bağlı olduğunu göstermiştir [6].
Lewis F. Moody, ticari borular için Re sayısına karşı f değerlerini grafiğe geçirerek Şekil 4 de
görülen ve Moody Diyagramı olarak adlandırılan diyagramı elde etmiştir. Şekilde gösterilen
tüm Re aralıklarındaki tasarım problemleri için ± %15 hata ile f değerleri bu diyagramdan
bulunabilir [3, 7].
Şekil 4. Moody diyagramı.
65
Katmanlı akış için Re64
f Re<2.1.103 (4)
4/1Re0791.0
f
2.1.103< Re<105 (5)
2
89.0Re1286.5
71.3log4
1
D
f
Re>105 (6)
2. Ani genişlemeden kaynaklanan sürtünme kaybı:
Şekil 5. Ani genişlemeden kaynaklanan sürtünme kaybı
Şekil 5 de verilen ani genişleme sisteminde akışkan 1 noktasından 2 noktasına akarken
hız azalır ve buna bağlı olarak basınç artar. 1' noktasında ise burgaç oluşumu görülmektedir.
1' noktasında meydana gelen bu kargaşa sürtünme kaybına neden olur. 1 ve 2 noktaları
arasında Bernoulli eşitliği ve momentum eşitlikleri kullanılarak ani genişleme için sürtünme
kaybı eşitliği Eşitlik 7 deki gibi elde edilir [7].
21 2 2 2/ /2g
V Vh m s J kg
(7)
Süreklilik eşitliğini uygularsak; 2211 .. VAVA
2 2 2
2 21 1 1
2
1 / /2 2g g
A V Vh K m s J kgA
(8)
66
3. Ani daralmadan kaynaklanan sürtünme kaybı
Şekil 6. Ani daralmadan kaynaklanan sürtünme kaybı.
Şekil 6 da görülen sistem için 1 ile 1' noktası arasında gerçekleşen enerji kaybı ihmal
edilebilir düzeydedir. Asıl kayıp 1' ile 2 noktaları arasında oluşan kargaşadan meydana gelir.
Ani genişlemede olduğu gibi 1 ve 2 noktaları arasında Bernoulli eşitliği ve momentum
eşitlikleri kullanılarak sürtünme kaybı:
2 2 2
2 22 2 2
1
0,55 1 / /2 2d d
A V Vh K m s J kgA
(9)
şeklinde elde edilir [7].
4. Bağlantı ve vanalardan kaynaklanan sürtünme kaybı Boru bağlantıları ve vanalar akışta kargaşaya sebep olduklarından ek sürtünme kayıpları
doğurur. Bu ekipmanlardan kaynaklanan sürtünme kayıpları Eşitlik 10 kullanılarak
hesaplanır.
2
2 2/ /2b b
Vh K m s J kg (10)
67
Tablo 1. Boru bileşenlerinin sürtünme kayıp katsayıları Bileşen Kb
a. Dirsekler Düzgün 90º, flanşlı Düzgün 90 º, vidalı Uzun dairesel 90º, flanşlı Uzun dairesel 90º, vidalı Uzun dairesel 45º, flanşlı Düzgün 45º, vidalı
0.3 1.5 0.2 0.7 0.2 0.4
b. 180º dönen bağlantılar 180º dönen bağlantı, flanşlı 180º dönen bağlantı, vidalı
0.2 0.5
c. T borular Düz akış, flanşlı Düz akış, vidalı Dirsekli akış, flanşlı Dirsekli akış, vidalı
0.2 0.9 1.0 2.0
d. Bilezik (boru), vidalı 0.08
e. Vanalar Küresel, tam açık Açılı, tam açık Kapı tipi, tam açık Kapı tipi, ¼ kapalı Kapı tipi, ½ kapalı Kapı tipi, ¾ kapalı Bilyalı vana, tam açık Bilyalı vana, 1/3 kapalı Bilyalı vana, 2/3 kapalı
10 2
0.15 0.26 2.1 17
0.05 5.5 210
68
5. Mekanik enerji denkliğinde toplam kayıp:
Düz borudan, ani genişlemeden, ani daralmadan, boru bağlantıları ve vanalardan gelen
sürtünme kayıpları birleştirildiğinde mekanik enerji denkliği (Eşitlik 1) için toplam sürtünme
kayıpları (hL), hızın değişmediği kabul edilerek Eşitlik 11 deki gibi yazılabilir [2].
2
2 24 / /2L g d b
L Vh f K K K m s J kgD
(11)
Akış Ölçerler: Mühendislik uygulamalarında sıvı akımı ölçümünde çok sayıda alet kullanılmaktadır.
Debi ölçümleri, orifisler, tüpler, venturi borusu, yüzdürme olukları, dirsekler, savaklar,
bunların çeşitli modifikasyonları ve çeşitli patent ölçme aletleri ile yapılır [6].
1. Pitot tüpü:
Şekil 7. Pitot tüpü
Pitot tüpü bir noktadaki bölgesel hızı ölçmede kullanılan bir ölçüm aletidir. Aletin çalışma
ilkesi boru içerisinde eksene dikey hareket edebilen, bir ucu akış yönüne karşı, diğer ucu boru
yüzeyine yerleştirilen manometredeki basınç farkının ölçümüne dayanmaktadır. Pitot tüpü
yardımıyla boru içindeki akışkanın akış diyagramını çıkartmak mümkündür.
Basınç farkı: zgP ..
212 PPCV p
(12)
69
2. Venturimetre
Şekil 8. Venturimetre
Akış ölçerlerin dizaynından kaynaklanan basınç kaybı, venturimetrede minimize edilmiştir.
Venturimetre boru hattına yerleştirilir ve basınç çıkışlarının olduğu noktalara bir manometre
yerleştirilerek basınç farkı ölçülür. Venturimetre ortalama çizgisel hızı ölçer. Eşitlik 13’ de
görülen venturimetre sürtünme sabiti, Cv, eğer boru çapı 0,2 m den küçük olursa 0,98; büyük
olursa 0,99 kabul edilir.
4
21
12
PPACQ v (13)
Cv=f (Re, ), =D2/D1
3. Orifismetre
Şekil 9. Orifismetre
70
Orifismetrede akış ölçümü ventürimetre ile aynı temeldedir ve orifismetre ile de ortalama
çizgisel hız ölçülür. Co orifisteki Reynold sayısına bağlıdır. Re 2000 den büyük ve Do/ D1<0,5
olursa Co=0,61 olarak sabit bir değer alınır.
4
21
12
PPACQ o (14)
Co=f (Re, ), =D0/D1
2. MATERYAL VE METOT Materyal Üzerinde çeşitli donanımlar bulunan dairesel kesitli boru sisteminde sürtünme kayıplarını
tayin etmede kullanılan düzeneğin akım şeması Şekil 10’da verilmiştir.
Şekil 10. Sürtünme kayıpları deney düzeneği
B : Ani genişleme (¾ inç’den 2 inç’e) G : Pitot tüpü
71
Deney düzeneği farklı boru çaplarına ve donanıma sahip dört hattan oluşmaktadır:
1. hat: Uzunluğu 50 inç olan ¾ inç iç çaplı düz boru + Uzunluğu 50 inç olan ¾ inç iç çaplı
bağlantılı düz boru.
2. hat: Uzunluğu 50 inç olan ½ inç iç çaplı düz boru + Uzunluğu 50 inç olan ½ inç çaplı
bağlantılı düz boru.
3. hat: Uzunluğu 55 inç olan ¼ inç iç çaplı düz boru + ¼ inçten ½ inçe ani genişleme +
Bilyalı vana + Açılı vana.
4. hat: ¾ inçten ½ inçe ani genişleme + ½ inçten ¾ inçe ani daralma + 90º keskin dirsek +
90º yumuşak dirsek + Küresel vana
Metot
Deneysel metot
Düzeneğin hazırlanması ve deneyin yapılışı
1. Besleme tankının giriş ve çıkış bağlantılarının kontrolünü yapınız.
2. Besleme tankının çıkış vanasını açarak pompayı çalıştırınız. Sırasıyla 4, 3, 2, ve 1.
hatlardan birer dakika suyun akışını sağlayarak hatların içindeki havayı boşaltınız.
3. Deney düzeneğinin sadece 1 nolu hattını açarak akış göstergesinde akışın kararlı hale
gelmesini bekleyiniz.
4. Düzeneğin kararlı hale geldiğinden emin olduktan sonra sadece 1. hattı açık tutarak
maksimum hacimsel akış hızında ve üç farklı debide, manometre tüplerindeki su sütunu
C : Ani daralma (2 inç’den ¾ inç’e) H : 1 inç yarıçaplı 90 dirsek
D : Orifismetre K : 90 keskin dirsek
E : 45 keskin dirsek M : Bilyalı vana
F ve L : Açılı vana
72
yüksekliklerini kaydediniz. Eğer basınç fazla geliyor ise ölçümleri civalı manometre ile de
yapabilirsiniz.
5. Bu işlemleri sırasıyla diğer hatlar içinde tekrar ediniz.
NOT: Bütün bu işlemler sırasında suyun sıcaklığı da kaydedilmelidir.
2.2.2. Matematiksel metot Hesaplama yapılacak noktalar arasında ölçülen basınç farkları, mekanik enerji denkliğinde
(Eşitlik 1) yerine yazılarak deneysel sürtünme kayıpları hesaplanır.
Giriş bölümünde farklı durumlar için verilen sürtünme kayıpları eşitlikleri kullanılarak
kuramsal sürtünme kayıpları hesaplanır.
3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
3.2. Deneysel Sonuçlar
Deney süresince ve deneyden sonra elde edilen veriler Ek-1’ de verilen ilgili tablolara
kaydedilecektir.
3.3. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar
Her hatta sürtünme kaybına neden olacak noktalar arasında ölçülen basınç farklarını
kullanarak deneysel sürtünme kayıplarını hesaplayınız.
Deneysel olarak hesaplanan sürtünme kayıplarını, ilgili eşitlikleri ve tabloları
kullanarak kuramsal olarak da hesaplayınız.
Bulduğunuz deneysel ve kuramsal sürtünme kayıplarını karşılaştırınız.
73
Hesapladığınız sürtünme kayıplarını, kaynakları açısından (ani daralma, ani genişleme,
düz boru, bağlantılar ve vanalar) karşılaştırarak değerlendiriniz.
Simgeler ve Kısaltmalar A : Alan , m2
cp, cv, co : Sırasıyla; pitot tüpü, venturimetre ve orifismetre için sürtünme sabiti
D : Çap, m
f : Sürtünme katsayısı
g : Yerçekimi ivmesi, 9.81 m/s2
hg, hd, hb, hL : Sırasıyla; ani genişleme, ani daralma, bağlantı-vanalar için ve toplam
sürtünme kaybı
Kg, Kd, Kb : Sırasıyla; ani genişleme, ani daralma ve bağlantı-vanalar için sürtünme
kayıp katsayıları
L : Uzunluk, m
P : Basınç, N/m2
Re : Reynold sayısı
V : Hız, m/s
z : Yükseklik, m
α : Düzeltme faktörü, katmanlı akış için = 2, kargaşalı akış için = 1
ε : Pürüzlülük faktörü, m
ρ : Yoğunluk, kg/m3
W : Sistem tarafından yapılan net iş, (J)
74
KAYNAKLAR [1] Evranduz, Ö. ve Çataltaş, İ., “Gıda İşleme Mühendisliği”, İnkılap Yayınevi, İstanbul.
(1989)
[2] Geankoplis, C.J., “Transport Process and Unit Operations”, Prentice-Hall International,
Inc., New Jersey, 921 s., (1993)
[3] White, F.M., “Akışkanlar Mekaniği”, Literatür Yayıncılık, İstanbul, 1034 s., (2004)
[4] http://www.engineersedge.com/fluid_flow/fluid_flow_table_content.htm, Erişim:
06.02.2005
[5] http://www.du.edu/~jcalvert/tech/fluids/bernoul.htm, Erişim: 06.02.2005
[6] Soğukoğlu, M., “Akışkanlar Mekaniği”, Fatih Ofset, İstanbul, 332 s., (1995)
[7] http://www.efm.leeds.ac.uk/CIVE/CIVE2400/pipe%20flow2.pdf, Erişim: 06.02.2005
75
EK-1: Deneysel veri kayıt tabloları
Çizelge 1. Ölçülen basınç değerleri
P, mm-su T= T= T= Q= Q= Q=
1. H
AT ¾ inç' lik düz boru
¾ inç' lik bağlantılı boru Tüm hat
Q= Q= Q=
2. H
AT ½ inç' lik düz boru
½ inç' lik bağlantılı boru Tüm hat
Q= Q= Q=
3. H
AT
¼ inç' lik düz boru 1/4 inç' den 1/2 inç' e ani genişleme ½ inç' lik küresel vana ½ inç' de 180º lik açılı vana Tüm hat
Q= Q= Q=
4. H
AT
1/2 inç' den 3/4 inç' e ani genişleme 3/4 inç' den 1/2 inç' e ani daralma 4 tane yumuşak 90º lik dirsek 4 tane keskin 90º lik dirsek ½ inç' lik küresel vana Tüm hat
76
EZME ( PALPER ) VERİMİ ve PASTÖRİZASYON
1. GİRİŞ
Palper makinası zeytin , domates, kırmızı biber gibi ürünlerin ezilmesi diğer bir deyişle püre
haline getirilmesini sağlar. Meyve suyu üretiminde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Makina
ürünlerin çekirdek ve kabuklarını da ayrı çıkış kısmından verir.
Preslenecek yada pulp haline getirilecek meyvelerin öncelikle parçalanıp kıyılması
gerekir. Çekirdekleri çıkarılan meyveler bu işlem sırasında aynı zamanda parçalanmaktadırlar.
Pulp haline getirilecek yumuşak meyveler, domates gibi ürünler döner bıçaklarla parçalanır.
Preslenecek sert meyveler ise amaca göre yapılmış cihazlarda itina ile kıyılır. Meyve
parçalayan bu cihazlara meyve değirmeni denir. Elde edilen parçalanmış meyve kitlesine ise
mayşe denir.
Parçacık iriliği istenilen meyve suyu randımanına ulaşımında önemlidir. İri parçalar
halinde kıyılmış bir elmada verim iyi olmaz. Aynı şekilde lapa haline getirilmiş meyvelerin
preslenmesi ise mümkün değildir. Parçalama işlemi ile doku zedelenerek ufalanır ve hücre
zarı bir oranda parçalanır. Meyve suyu dışarıya akmaya başlar.
1.1.Meyve Püresi (Meyve Pulpu)
Kabuklu ve soyulmuş meyvelerin, yenilebilir kısımlarının suyu ayrılmadan ezme haline
getirilmesiyle elde edilen, fermente olmamış, fakat fermente olabilen ürünlerdir. Pulplar,
meyvenin kabuk, sap, lifli dokuları gibi kaba unsurlarının ayrılmasıyla sadece meyve etinden
oluşan ezmeye verilen addır. Bileşim bakımından elde edldikleri ürün ile hemen hemen aynı
niteliktedirler.
1.2. Pulpun Elde Edilmesi
Berrak meyve suyu üretiminde pres kullanıldığı halde pulp üretiminde pres yerine palper
kullanılarak mayşe, ezme haline getirilir. Palper, silindir şeklindeki bir elek ile, silindir
eleğin ekseninde yer alan bir mil ve üzerindeki pedallardan oluşan bir cihazdır.
Mayşe palpere verilir. Pedalların eğimi mayşenin palper içinde kalma süresine etki
etmektedir. Pedallar milin dönüşüyle mayşeyi, silindir elek içinde hızla çarparak ve ezerek,
77
elek dışına ince bir ezme halinde çıkarmaktadır. Milin ve pedalların hareketiyle mayşe silindir
boyunca ilerler ve ezme haline gelmeyen kabuk gibi unsurlar posa olarak dışarı atılır.
Pedalların eğimi, pedal uçlarının elek yüzeyine olan mesafesi, eleğin delik çapları isteğe göre
ayarlanabilir. Çoğu zaman değişen delik çaplarına sahip 2 -3 kademeli palper elekler sistemi
kullanılır. İlk elek delik çapı büyük sonrakilerin daha küçük olup, birinci elekten çıkan pulp
ikinci eleğe oradan da çıkan parçacıklar en son olarak son elekten çok ince pulp olarak elde
edilmiş olunur. Elde edilen pulp nektar ham maddesi olarak kullanılır.
Üstten verilen mayşe son palperden incelmiş olarak, pulp şeklinde alınır. Palperler, küf
ve mikroorganizma gelişmesini ve eleklerin tıkanmasını önlemek için sık sık yıkanmalı ve
elek kısmında yırtılma olup olmadığı kontrol edilmelidir.
2. PORTAKAL KONSANTRESİ ÜRETİMİ
Kamyonlarla fabrikaya gelen portakallardan önce 3-5 kg numune alınır. Laboratuvarda
işlenmek için uygunluğu kontrol edilir.Çürük veya ham meyve oranı gibi fiziksel;asitlik oranı
ph’sı ve brix gibi teknik analizleri yapılır. Kamyon üzerindeki kirli portakallar basınçlı suyla
ilk yıkama havuzuna indirilir. Havuzdan elevatöre gelen portakallar yıkama ve duşlama
işlemleri ardından şeçme bantlarına gelir. Burada işçi tarafından çürükler ve cihazlara zarar
verebilecek yabancı maddeler seçilir. Bu seçme bandından sonra ikinci bir havuzda fırçalı
temizleyicilerle duşlama yapılır. Portakallarda kalmış olabilecek çamur veya toprak kalıntıları
uzaklaştırılır. Buradan parçalama bölümüne gelen portakallar ters yönde dönen silindirlerin
arasından geçerek parçalanır ve kabuk kısmı ayrılır. Kabuklar hayvan yemi olarak
değerlendirilmek üzere fabrika dışına alınır. Kalan kısım ise palpere gönderilir. Palperde pulp
ayrılıyor ve kabuklarla beraber atılır. Palperden çıkan portakal suyu dengeleme tanklarına
gelir ve buradan alınan portakal suyu seperatöre gelerek istenen pulp miktarı ayarlanır. Pulp
miktarı ayarlanan portakal suyu pastörize edilmek üzere plakalı ısı değiştiricilerden 110˚C de
geçer ve daha sonra konsantre bir ürün elde etmek için 3 efektli olan evoparatöre gelir. Burada
portakal suyu 65 brikse gelene kadar evopare edilir. Daha sonra konsantre olan ürün
soğutularak başka bir tanka aktarılır. Buradan sonra ürün aseptik doluma gönderilir.
Portakal : Dünyada en çok tüketilen meyve sularının başında gelir. Asit- şeker dengesi iyi,
yoğun sarı renktemeyve suyu veren, aromaca zengin portakallar elverişlidir. Portakallarda
78
meyve suyu randımanı %40-50 arasında değişir. Suda çözünür kuru madde %9-15, toplam
asit /0.6-2.0, C vitamini 25-80 mg /100mL dolaylarında değişir.
Mandalin:Son derece aromalı meyveler olmalarına rağmen, meyve suyuna çok az
işlenmektedir. Mandalin suyu bileşimi çeşide göre çok farklıysada, suda çözünür kuru madde
%10-15, asit %0.8-2.0 ve C vitamini 30-60 mg/mL dolaylarında değişir ( B. Cemeroğlu,
2004)
Refraktometrik Kuru Madde Tayini (Suda Çözünür Kuru Madde)
İçerisinde çözünmüş madde içeren çözeltilerde, ışık, yoğunluğu farklı ortamlardan
birinden diğerine geçerken kırlır. Işığın kırılması, suda çözünmüş maddenin karakteristik
özelliğidir ve onun konsantrasyonunun ölçüsüdür
Reflaktometrenin kuru madde skalası 20 °C’daki saf sakkaroz çözeltisine göre ayarlanmıştır.
Verim: Elde edilen değerin, bu değerin eldesinde harcanan değere oranıdır. Pulp randımanı
genellikle %75-80 arasındadır. Palper verimini etkileyen en önemli unsurlardan biri
parçalanarak elde edilen mayşe tanelerinin büyüklüğüdür. Parçalar ne kadar küçük olursa
verim o oranda artacaktır. Parçalama işlemi ile doku hasar görür ve hücre zarı parçalanır
içindeki suyun akması sağlanır. Ancak eğer mayşe lapa halinde ise verim düşük olacaktır,
çünkü lapa halindeki meyvelerin preslenmesi mümkün değildir.
Meyve Suyunun Durultulması ve Berraklaştırılması
Meyve suyunun durultulmasının amacı, beslenme fizyolojisi ve duyusal açıdan ürünün
özelliklerini mümkün olan en düşük düzeyde değiştirerek, stabil ve berrak meyve suyu
üretmektir.
Mayşenin preslenmesinde meyvenin yapısında bulunan bir kısım bileşikler posada
kalırken, bir kısmı da pres suyuna geçmektedir. Bu bileşiklerden bazıları meyve ham suyunda
çözünmüş halde, daha büyük moleküllü olan bileşikler ise kolloidal çözünmüş veya dispers
dalde dağılmış olarak bulunurlar. Bu bileşiklerin başlıcaları pektik maddeler, selüloz, nişasta,
fenolik bileşikler, protein ve arabandır.
79
Meyve Suyunda Bulanıklık Kaynakları
Presten alınan meyve ham suyunda bulanıklığa neden olan bileşiklerin büyük bir kısmı
hücre duvarında yer almaktadır. Meyve suyunda bulanıklık yapan etmenler (meyve
parçacıkları, parçalanmış hücreler ve diğer koloidal parçalardır), meyve suyundaki pektin
nedeni ile dibe çökemez. Bu bakımdan pektinler, pektolitik enzimler katılarak parçalanır. 3-4
saat sonra da jelatin çözeltisi (yaklaşık %10 luk) katılarak bulanıklık yapan parçalar bir araya
getirilip çöktürülür. Üstte kalan berrak kısım filtre edilir.
Genellikle jelatinle durultmadan sonra kieselsol veya bentonit uygulaması ile meyve
sularında sonradan bulanmaya neden olan bazı kolloid parçacıklarda ayrılır. Bu işleme
berraklaştırma denir.
Durultma yöntemleri:
Isı uygulaması ile durultma
Soğukta durultma
Tanen-jelatin durultması
Enzimatik durultma
STOCKES BAĞINTISI (ÇÖKTÜRME)
v =푟 (dk − ds) g
18 M
v: Katı parçacığın çökme hızı (m/s)
r: Partikül yarıçapı (m)
dk: Katı partikül yoğunluğu (kg/m3)
ds: Sıvı fazın yoğunluğu (kg/m3)
g: Yer çekim ivmesi (m/s2)
M: Sıvı fazın viskozitesi (N.s/m2)
80
3. MATERYAL ve METOT
3.1.MATERYAL
Laboratuvar ölçekli palper cihazı
Pulpu üretilecek olan meyve ve sebzelerden yeterli miktar
Terazi
Refraktometre
Sıcak su banyosu
Pastörizasyon kapları
3.2.METOT
Pulp eldesi:
Palper çalışır konuma getirilir.
Yıkanmış ve kabuğu soyulmuş örnek tartılır.
Ağırlığı bilinen örnek palpere aktarılır.
İşlem sonunda elde edilen pulp miktarı tartılır.
Suda çözünür kuru madde miktarı:
Rekraktometre önce su ile kalibre edilir.
Daha sonra homojen hale getirilen numuneden 1 damla tamlatılarak okuma yapılır.
Yoğunluk hesabı:
Homojen örnekten ölçülen hacim ve ağırlık yardımıyla hesaplanır.
Pastörizasyon:
Örnekler sıcak su banosunda 90C’de farklı sürelerde (30, 60, 90, 120 sn) pastörize edilir.
Pastörizasyon sonucunda absorbans okunur.
Çöktürme
Palperden çıkan örnek behere alınarak, farklı zaman aralıklarında (5, 10, 15 dk ve 1
saat) gözlemlenir.
81
Absorbans Ölçümü:
Deneyde spektrofotometre kullanılarak örneklere ait maksimum nokta belirlenir. Elde
edilen maksimum noktalarda okuma yapılarak örneklerin absorbansları tespit edilir. İşlem
pastörizasyon deneyindeki her basamak ve çöktürme işlemi için uygulanır.
* Her iki örnek için tekrarlanır.
4. RAPORA EKLENMESİ İSTENENLER
Verimlerin hesaplanması
% kabuk, % posa değerlerinin hesaplanması
Yoğunlukların hesaplanması
Brix hesaplanması
Zamana karşı elde edilen absorbans değerlerinden faydalanarak (% T –t) grafiğinin
çizilmesi, farklı sıcaklıkların aynı ve ayrı grafiklerde gösterilmesi
İki örneğin sonuçlarının karşılaştırılıp yorumlanması.
Örnek1 Örnek2 Örnek3 W hammadde
W kabuk
W kabuksuz
W posa
W ürün
Brix
Hacim
Ağırlık (belirli
hacmdeki )
Taz
e ür
ün Bekleme
Süresi
5dk 10dk 15dk 60dk 5dk 10dk 15dk 60dk 5dk 10dk 15dk 60dk
Absorbans
Pastörizasyon
süresi
30 s 60 s 90 s 120 s 30 s 60 s 90 s 120 s 30 s 60 s 90 s 120 s
Absorbans
82
5. KAYNAKLAR
1. Cemeroğlu B., ‘Mevye ve Sebze İşleme Teknolojisi’ 1.cilt Başkent Klişe Matbaacılık,
Ankara, 2004
2. Dokuzlu C., ‘ Gıda Analizleri’ 2. baskı Marmara Kitapevi Yayınları, Bursa, 2004
3. http://www.forumfood.net/showthread.php?t=4217 (Erişim tarihi:17/04/09)
4. http://www.hunterlab.com (Erişim tarihi:20/04/09 )
83
KONSERVELERDE STERİLİZASYON DEĞERİNİN (F0) HESAPLANMASI
1. GİRİŞ
Gıda muhafazasında kullanılan en yaygın yöntemlerden birisinin ısıl işlemler (sterilizasyon,
pastörizasyon) olması dolayısıyla gıda ürünlerinde ısı girişim çalışmaları gıda
mühendisliğinde önemli bir yere sahiptir. Isıl işlemlerle gıdaların muhafazasında asıl amaç
ortamdaki mikroorganizmaların öldürülmesidir. Ancak ısıl işlemle mikroorganizmalar
öldürülürken, gıdanın fiziksel kalitesinin korunabilmesi ve besin değerindeki kayıpların
minimum düzeyde tutulması da amaçlanır [1].
1.1. GIDALARA UYGULANAN ISIL İŞLEMLER
Gıdalara uygulanan ısıl işlemin ilk amacı ürünün güvenliğinin sağlanmasıdır. Isı
uygulamasıyla mikroorganizmaların öldürülmesi pastörizasyon ve sterilizasyon ile
gerçekleştirilir. Pastörizasyon işleminde gıdaya 100°C nin altında ısı uygulaması yapılarak
patojen mikroorganizmalar ve gıdada bozulmaya neden olacak mikroorganizmaların önemli
bir kısmı öldürülür.
Sterilizasyon işleminde gıdaya 100°C nin üstünde ısı uygulaması yapılır. Mutlak
sterilizasyonda amaç bütün mikroorganizmaların öldürülmesidir, yüksek sıcaklık ve uzun
sürede yapılır. Ticari sterilizasyon, sadece patojenlerin ve bozulmaya neden olan
mikroorganizmaların öldürülmesi amacıyla yapılır. Mutlak sterilizasyona göre daha kısa süre
ve daha düşük sıcaklıklarda yapılır.
Mikroorganizmanın ısıl direncini,
pH,
Mikroorganizmanın vejetatif ve spor formda oluşu,
Mikroorganizmanın yaşı ve sayısı,
Sıcaklık ve süre,
Gıdanın bileşimi, etkiler.
pH<4,5 olan gıdalarda genellikle pastörizasyon işlemi uygulanır. Bacillus coagulans,
Bacillus polymxia, Clostridium buturicum, sütte Coxiella burnetii hedef mikroorganizma
(bozulma nedeni olan ısıya en dayanıklı mikroorganizmaya veya sağlık riski oluşturan
mikroorganizma) olarak seçilir [2].
84
pH değeri 4,5 ve üzerindeki gıdalarda ise sterilizasyon işlemi uygulanır. Hedef
mikroorganizma olarak sporları ısıya dirençli Clostridium botulinum seçilir.
Gıdaların muhafazasında uygulanacak ısıl işlem koşulları, o gıdada hedef
mikroorganizmaya ait F ve z değerleri hesaplanarak belirlenebilir.
Bir mikroorganizmanın vejetatif hücre veya sporlarının belirli bir ortamda ve sıcaklıkta
öldürülmesi incelendiğinde, ısıl işlem süresi artarken canlı kalan mikroorganizma sayısının
logaritmik olarak azaldığı görülmektedir.
D değeri: Belli bir sıcaklıkta ortamdaki canlı mikroorganizmaların %90 ının (bir
logaritmik evre) öldürülmesi için gerekli olan süredir.
)log()log( NNtD
N0 ve N mikroorganizmaların başlangıç ve son sayıları, t zamandır.
Termal ölüm süresi: Belirli ortam ve sıcaklıkta belirli bir sayıda mikroorganizmayı
öldürmek için gerekli olan süredir.
Z değeri: Mikroorganizmanın D değerini bir logaritmik devre azaltmak için gereken
sıcaklık artışıdır.
12
21
loglog DDTT
z
Sd (Sterilizasyon değeri): Isıl işlem sırasında canlı mikroorganizma sayısının logaritmik
olarak ne kadar azaldığını veren değerdir.
dSDt
NN
0log
FT değeri: Herhangi bir T sıcaklığında belli bir sterilizasyon değerine ulaşmak için
uygulanması gereken ısıtma süresidir.
dTT SDF
DT: Hedef mikroorganizma için T sıcaklığındaki D değeri.
85
F0 değeri: 121,1°C de hedef mikroorganizma açısından istenilen düzeyde sterilizasyon
değerini elde etmek için gerekli ısıtma süresidir.
00 DSF N
SN: Sterilizasyon normu (Hedef alınan logaritmik azalma sayısı)
D0: 121,1°C deki D değeri
F değeri, ürünün soğuk noktasındaki sıcaklık değişimlerinden yararlanılarak hesaplanır.
dtFt
zTtT refc
0
)(
0 10
Tc zamanın fonksiyonu olarak ürünün soğuk noktasındaki sıcaklık değişimleri, Tref
referans sıcaklık (121,1°C), z mikroorganizmanın z değeri, t işlem süresidir [3].
Düşük asitli konserve gıdalarda sterilizasyon, C. botulinum sporlarının sayısını 1012 den
10 0 a düşürücek şekilde yani 12D lik bir desimal azalma sağlayacak şekilde yapılır.
Pişme Değeri: Isıl işlem sırasında gıdanın besin değerindeki ve tekstürel değişimindeki
değişikliklerin ölçüsüdür [4]. En soğuk noktadaki pişme değerini veren eşitlik aşağıdaki
gibidir;
dtCt
zTT
c
ref
0
10
Isıl işlem sırasında görülen tipik bozunma oranı parametreleri [6];
Sıcaklık (°C) D0(dk) z
Tiamin (B1 vitamini) 110-150 150 45
AskorbikAsit 50-100 - 70
Klorofil 80-140 150 50
Esmerleşme 40-130 300 50
Enzimler - 10 30
Vejetatif hücreler - 0,003 5
Sporlar - 1 10
Proses sırasında pişme değerini ve besin kaybını belirleme F0 değeri ile benzerlik
gösterir. Sıcaklık 100°C olarak kullanılır. Z değeri 25°C ve 47°C arasında değişir. Bu değerler
86
çeşitli tekstür ve renk değişikliklerini kapsar. Lund (1986), toplam kalite kaybını belirlemek
için z değerinin 33°C olarak kullanılmasını önermiştir [7].
Ölüm hızı (lethal rate-LR): İstenilen sıcaklıktaki ölüm hızının referans sıcaklıktaki
ölüm hızına göre bulunması esasına dayanır.
zTT refc
LR
10
Letalite (toplam ölüm sayısı): Isıl işlemde hedef alınan mikrooganizma sayısında
herhangi bir desimal azalmayı sağlamak için 121,1°C deki ısıtma süresidir.
Zamana karşılık LR grafiğinin altındaki alan letaliteyi vermektedir. Grafikten bulunan
alanın referans sıcaklıktaki letalite değerine eşit olması gerekir. Eğer grafiğin altındaki alan,
referans sıcaklıktaki letalite değerinden küçük bulunursa ısıl işlemin yetersiz olduğu anlamına
gelir. Bu durumda grafiğin altındaki alan büyütülmelidir. Alanın büyütülebilmesi için ya ısıl
işlem süresi uzatılmalı yada ısıl işlem sıcaklığı artırılmalıdır.
Isıl işlem eğrileri gıda ürünlerine uygulanan ısıl işlem sürelerinin belirlenmesinde
kullanılacak yukarıdaki parametrelerin belirlenmesi için uzun süreden beri
kullanılmaktadırlar. Bilgisayar ve matematiksel işlemlerin gıda mühendisliği alanında hızla
etkin hale gelmesi ile geliştirilen sayısal çözümleme yöntemleri ile proses zamanları daha
kesin şekilde belirlenebilmesine rağmen ısıl işlem eğrilerinin kullanımı halen modern
işletmelerde dahi tercih edilen bir yöntemdir. Bu eğriler ısıtma ortamı sıcaklığı, işlem zamanı,
ısı transfer ortamının termo-fiziksel özellikleri, ortamdaki kargaşa (turbulans), gıda ürününün
başlangıç sıcaklığı, başlangıç mikroorganizma ya da spor yükü, gıdanın termo-fiziksel
özellikleri, pH, kabın şekli gibi faktörlerden etkilenmektedir.
Seçilen noktanın sıcaklığını ölçmek için kullanılan ısıl çiftlerin ürün içerisinde
yerleştirileceği nokta çok önemlidir. Bu nokta en yavaş ısınan nokta (soğuk nokta) olmalıdır.
Kritik nokta, değişik noktalara ısıl çiftler yerleştirilip zamana karşı sıcaklık değişimleri
gözlenerek bulunur.
87
2. MATERYAL VE METOT
2.1. MATERYAL
Otoklav (Osmanlı Makine San. Ve Tic. A.Ş. Gönen)
Konserve kutusu (kutunun merkez noktasında ve merkezden farklı bir noktada
ısıl çift bulunan konserve kutusu) (Çap:73 mm, h=110 mm, ½ lik kutu)
T tipi ısıl çiftler
Veri Kaydetme Cihazı (Keithley 2700 Multimeter Data Acquisition System)
Kutu Kapatma Makinesi (Umar Makine San. Ve Tic. A.Ş.)
Hazır Konserve
2.2. METOT
2.2.1. Deneysel Metot
Isıl çiftlerle; konserve kutusu, otoklav ve veri kaydetme cihazı arasındaki
bağlantılar yapılır.
Veri kaydetme cihazı yaklaşık yarım saat önceden açılarak sıcaklık değerlerini
saniyede bir kaydetmeye hazır hale getirilir.
Kutu kapatma makinası için gerekli hazırlıklar yapılır;
Kutu kapama makinasının arkasındaki basınçlı hava girişi ile duvardaki
basınçlı hava çıkışı arasında bağlantı kurulur.
Fişe takılır.
Konserve kutusu üzerinde kapağı ile birlikte tablanın üzerine
yerleştirilir.
Ayar düğmesi 2’ ye getirilir.
Start düğmesine basılır.
Alttaki pedala basılarak kapama işlemi gerçekleştirilir.
UYARI!: Kutu kapama makinası çalışır haldeyken kesinlikle yaklaşılmamalı ve temas
edilmemelidir.
Hazır konserve, konserve kutusunun içine boşaltılarak kutu kapatma makinası
ile kapağı kapatılır.
Otoklava su rezistanslarının üstünü kapatacak şekilde konulur.
88
Konserve kutusu otoklav içerisindeki tablanın üzerine yerleştirilir ve otoklavın
kapağı kapatılır.
Sıcaklık ve basınç ayarlanır;
Otoklavın yan panelinde bulunan sıcaklık göstergesinden sıcaklık
istenilen dereceye ayarlanır.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Zamana karşı ölüm hızı (LR) grafiğini çiziniz. Toplam ölüm sayısını (letalite) bularak,
yapılan ısıl işlemin C. botulinum sporlarını inaktif etmek için yeterli olup olmadığını
belirleyiniz ve pişme değerini hesaplayınız.
KAYNAKLAR
1. Ünlütürk A. , Turantaş F. , “Gıda Mikrobiyolojisi” 3. Baskı, İzmir, (2003).
2. Gıda Mikrobiyolojisi Ders Notları, Mersin, (2005).
3. Temel İşlemler Ders Notları, Mersin, (2006).
4. Bindu J. , Ravishankar C.N. , Srinavasa Gopal T. K. , “Shelf Life Evaluationof a Ready
to eat Black Clam (Villarita cyprinoides) Product in Indigenous” LWT - Food Science
and Technology, Volume 40, Issue 3, Pages 498-505, (2007).
5. Yang H. X. , Tang J. , “Advances in Bio-Processing Engineering” , World Scientific,
(2002).
6. Maroulis Z. B. , Saravacos G.D. , “Food Process Design” , Marcel Dekker, 2003
7. Richardson P.S. , “Improving the Thermal Processing of Foods” , Woodhead
Publishing, (2004).
89
ELEK ANALİZİ
1. GİRİŞ
Doğada katı, sıvı veya gaz karışımları halinde bulunan maddeler, kullanım amaçlarına göre
ayrılarak saflaştırılmaktadır. Karışımları oluşturan fraksiyonlar büyüklük, faz ve kimyasal
yapı bakımından birbirinden farklı özelliklere sahip olabilir ve işlemeye uygun olmayabilirler.
Örneğin; bir karışımın yabancı maddelerden arındırılması, farklı boyutlarda olan maddelerin
tane ve tanecik büyüklüklerine göre ayrılması ya da öğütülerek küçük boyutlara indirgenmesi
istenebilir.
Karışımların ayrılmasında difüzyonel ve mekanik olmak üzere iki farklı yöntem
kullanılmaktadır. Ancak bunlardan mekaniksel ayırma işlemleri, gıda endüstrisinde özellikle
tahıl teknolojisi uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu işlemler heterojen
karışımların yoğunluk, şekil veya büyüklük gibi fiziksel özelliklere göre ayrılması prensibine
dayanmaktadır. Ayırma işlemlerinin kolaylaştırılması için farklı prensipte düzenekler ve
makineler geliştirilmiş olmakla birlikte; bu düzenekler genellikle faz, büyüklük ve yoğunluk
farkından yararlanarak ayırma sağlarlar. Ayırma sistemleri ise elek, süzgeç, filtre, filtre keki
ve benzer mekanik parçalardan oluşmaktadır [1].
Doğada katı halde bulunan maddelerin boyutları genel olarak büyük olmakla birlikte
işlenebilmesi ve tüketimlesi için boyutlarının küçültülmesi gerekmekte, bu nedenle kırma ve
öğütme işlemleri büyük parçacıkların küçültülmesi için kullanılmaktadır. Örneğin; buğday,
çavdar gibi tahılların ya da karabiber, kimyon gibi baharatların tüketime hazır hale getirilmesi
için değirmenler kullanılmakta; soya fasulyesi, yağ ve un eldesi için silindirlerle ezilmekte ve
preslenmektedir [5]. Patates, nişasta ve diğer tip unların üretiminde genel olarak çekiçli
değirmen yer almakta, şeker ise boyutu küçültülerek tüketilmektedir. Farklı boyutlara sahip
bu hammaddelerin ise amaca uygun olarak sınıflandırılması zorunludur. Elek sistemleri farklı
boyutlardaki hammaddelerin ayrılarak sınıflandırılmasını sağlar. Eleme işlemi genel olarak
karışımı oluşturan taneciklerin boyutlarına göre ayrılması olarak tanımlanabilir. Gıda
endüstrisinde elekli düzenekler özellikle hububat ürünleri ile meyve-sebze işleme
endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [5]. Bunun nedenleri ise:
90
Hububat ürünlerinin ana hammaddesi olan buğday, arpa, mısır vb. tahılların
taş, toprak vb. yabancı maddelerden temizlenmesi gerekmektedir
Meyve-sebze işlemede hammaddenin boyutlarına göre sınıflandırılarak
ayrılmasını sağlayan sınıflama makineleri kullanılmalıdır [5].
Buğday, arpa, mısır gibi hammaddelerde büyüklük arttıkça endosperm,
dolayısıyla un verimi artmakta; uygulanan bir elek analizi ise unun verimi
hakkında bilgi verebilmektedir.
Un tanelerinin iriliği ve değişik büyüklükteki un taneciklerinin oranı unun su
kaldırma kapasitesine ve elde edilecek unlu mamulün kalitesine etki
etmektedir. Örneğin; ekmeklik unda parçacık büyüklüğünün 1-150 μm
arasında olması istenir. Parçacık boyutları küçüldükçe yüzey alanı artmakta,
buna bağlı olarak da unun su tutma özelliği artmaktadır.
Eleme sistemlerinde ayırımı yapılan karışım halindeki maddelerin işlenmeye uygunluğu
açısından içerisindeki taneciklerin oranları ve büyüklük özellikleri belirlenmelidir. Bu amaçla
taneciklerin şekil özellikleri aydınlatıldıktan sonra elek analizi ile bir dizi hesaplama yapılarak
sonuçlar anlamlı grafikler halinde elde edilir.
1.1.Katı Parçacıkların Tanımlanması
Karışımlar analiz edilmeden önce, karışımı oluşturan fraksiyonların şekil özellikleri
belirlenmelidir Boyutu büyük olan bir maddenin parçalanması ile oluşan parçacıkların
yoğunluk, yüzey alanı vb. gibi özellikleri genel olarak hammaddeninkinden farklıdır. Şekil ve
boyut özellikleri, düzgün tanecikler için kolay bir şekilde tanımlanabilirken; un, irmik v.b.
gibi düzensiz tanecikler için ayrıca tanımlanmalıdır[4]. Küre, küp ya da pul şekline sahip
tanecikler “düzgün tanecik”, şekli belirli olmayan tanecikleri ise “düzgün olmayan tanecik”
olarak adlandırılmaktadır. Gıda endüstrisinde yer alan tanecikler çoğunlukla düzgün olmayan
tanecik sınıfına girerler ancak hammaddenin işlenmesinden sonra elde edilen son ürün,
hamaddenin tanecik özelliklerinden bağımsız olarak farklı şekil özelliklerine sahip olabileceği
de unutulmamalıdır [1]. Şekil özellikleri bir tanecik için şekil ve büyüklük olarak ikiye
ayrılmaktadır:
91
Dp
a. Tanecik şekli
Tek bir parçacığın şekli, şekil faktörü ( λ ) adı verilen bir büyüklük ile belirtilmektedir ve
tanecik büyüklüğünden bağımsızdır. Taneciğin boyut özelliğini gösteren değer çap (Dp)
olarak tanımlanırsa; küp için bu değer bir kenar uzunluğu, küre için ise çap değeridir. Her
iki şekilde de yüzey alanların hacim değerlerine oranı 6 / pD ’dir [1]:
Küpün hacmi: Dp
3
Küpün yüzey alanı : 6Dp2
Kürenin hacmi : 3 343 6p pR D
Kürenin yüzey alanı: 2pD
Hacimsel şekil faktörü “a”, kalınlık ya da yüzeysel şekil faktörü “b” olarak tanımlanırsa şekil
faktörü (λ) bu değerlerin oranı olarak verilir (Eşitlik-1). Bu durumda taneciğin yüzey alanının
[Sp] (Eşitlik-2) hacmine [Vp] (Eşitlik- 3) oranı, şekil faktörleri cinsinden yeniden yazılırsa
(Eşitlik-4):
(1)
(2)
(3)
(4)
Dp
3
26 6( / ) 6p p p p
p p
V aD D DS bD b a
26p pS bD
3p pV aD
ba
92
elde edilir. Şekil faktörü (λ), çap ve uzunluk boyutları eşit olan küp, küre ve silindir için
1’dir. Küreye benzeyen tanecikler için şekil faktörü “küresellik faktörü” olarak
adlandırılır.Düzgün olmayan tanecikler için şekil faktörü değeri 1’den büyüktür (Tablo-1).
Öğütme işlemi yapılmış pek çok madde için bu değer 1,5 ile 1,7 arasında değişmektedir.
Tablo-1. Bazı maddelerin şekil faktörleri [1] Madde Şekil faktörü (λ) Madde Şekil faktörü (λ)
Küre, küp ve kısa silindirler (L=Dp)
1 Keskin kum 1,5
Yuvarlatılmış kum 1,2 Kırılmış cam tozu 1,5
Kömür tozu 1,4
b. Tanecik boyutu
Genel olarak, eş boyutlu tüm tanecikler için çap (Dp) terimi tanımlanabilir. Bir boyutu diğer
boyutundan daha büyük olan tanecikler için çap değeri olarak, ikinci büyük boyut
seçilmelidir. Örneğin iğne v.b. gibi sivri parçacıklar için Dp değeri uzunluk olarak değil
kalınlık olarak alınmalıdır.
Tanecik boyutunu gösteren bir diğer terim ise eşdeğer çap değeridir. Eşdeğer çap [ ,p eD ],
asıl parçacığın yüzey ile hacim oranına eşdeğer olan kürenin çap değeridir (Eşitlik-5) [4].
Birimleri ise parçacık büyüklüğüne göre mili mikron, mikron, santimetre ya da inç olarak
kullanılabilmektedir.
(5)
1.2.Elek Analizi
Tanecik boyutu analizinde en yaygın kullanılan yöntem kuşkusuz ki elek analizidir. Elenecek
maddenin boyut özelliklerine göre boyutlarda ayırmayı sağlayacak pek çok elek çeşidi
bulunmakla birlikte genellikle yuvarlaktır ve üst üste sıralanabilecek şekilde tasarlanmıştır.
Bu sayede bir sarsak yardımıyla belirli süre sarsılan bir elek sisteminden elenen parçacıklar,
kendi boyutundan küçük olan başka bir deyişle, elenemeyeceği açıklığa ulaştığında tutularak
3
,
6 p pp e
p
v DD
S
93
daha fazla ilerleyemez. İşlemin sonunda en küçük tanecikler en altta toplanır. Her bir elekte
ise bulunan açıklık boyutu ile orantılı toplanan parçacıklar bulunur. Analiz sonunda bu elekler
üzerindeki fraksiyonlar tartılarak belirlenir (Şekil-1). Burada önemli olan karışımın mümkün
olduğunca fraksiyonlarına ayrılmasıdır. Elek analizinin yapılacağı sistem ve seçilecek elek
özellikleri belirlenirken dikkat edilecek bazı özellikler; seçilen eleklerin açıklık değerleri,
uygun sıralanması ve analiz yöntemidir [2].
a. Standart elek serileri
Tanecik boyutları 76 000 μm ve 38 μm arasında değişen partiküllerin boyut dağılımlarının
belirlenmesinde kullanılırlar. Kullanılan test elekleri dokuma ile hassas bir şekilde
standardizasyonu yapılarak hazırlanmıştır. Elek açıklık değerleri inç başına düşen mesh
sayısına göre belirlenmektedir. 1 in2 ’lik örgü yüzeyinde bulunan delik sayısı mesh (meş)
olarak adlandırılır. Örneğin 4 mesh’lik eleğin 1 in2 ’sinde 4 delik bulunmaktadır. Gerçek
aralık değerleri ise örgüyü oluşturan liflerin kalınlığı hesaba katılmadığından dolayı eleği
simgeleyen numara değerinden bir miktar düşüktür.
Elek analizinde Amerikan USS ve Tyler, Alman DIN 4188, İngiliz IMM ve BSS,
Hollanda NENORM ve Fransız AFNOR standart elek serileri tanımlanmakla birlikte, en çok
kullanılan elek serisi Tyler standart elek serileridir [2] Bu seri 200-mesh elek açıklığına göre
(0.0074 cm) belirlenmektedir. Serilerden birinin elek aralığı alanı, hemen sonrakinin tam iki
katıdır. Bu nedenle, herhangi bir mesh çapının seride bir sonra gelen eleğin mesh çapına oranı
2 =1,141 olmaktadır. Elek analizinde kullanılacak en büyük elek açıklığı karışımdaki en
büyük tanenin boyutuna göre bir miktar daha küçük seçilmelidir.
Şekil-1:Elek analizinde kullanılan 200 mesh eleğin tel örgüsü (a) ve elek analizi gösterimi(b).
94
b. Elek analiz yöntemleri (Toplamsal ve farksal analiz):
Tanecik boyut analizinden elde edilen bilgiler farklı açıklıklara sahip iki elek takımı arasında
kalan kütlenin ortalama tanecik boyutu cinsinden ifade edilmesi için kullanılır. Bu şekilde
yapılan analiz farksal (diferansiyel) analiz olarak adlandırılmaktadır. Sonuçlar genel olarak
sürekli bir eğriyi kesen ve dağılımı belirlemeye yarayan açıklık değerlerini içeren histogram
grafik şeklinde verilir [2]
Sıralanmış eleklerde biriken taneciklerin boyutlarının; en küçükten başlanarak ardı ardına
toplanıp, maksimum tanecik çapına karşı grafiğe geçirilmesi ile yapılan analiz ise toplamsal
(kümülatif) analiz olarak adlandırılır. Toplamsal analizde veriler veri aralığı ile bölünmüş
histogram grafikten farklı olarak sürekli bir eğri şeklinde verilir.
c. Toplamsal ve farksal analiz ile belirlenebilecek parametreler
Tanecik sayısı ve spesifik yüzey alanıFraksiyonlarına ayrılmış karışımı oluşturan taneciklerin
ortalama tanecik boyutu, spesifik yüzey alanı ve karışımın tanecik dağılımı gibi boyutsal
parametreleri hem toplamsal hem de farksal analiz ile belirlenebilmektedir.
Tekdüze parçacıklar içerdiği kabul edilen bir karışımda Dp tanecik çapına sahip
partiküllerin hacmi kütlesinin yoğunluğa oranı (m/ρp) olarak gösterilir. Bir taneciğin hacmi
aDp3 olduğundan bir örnek içerisinde bulunan tanecik sayısı (N) (Eşitlik-6) ve tek bir
taneciğin yüzey alanının tanecik sayısı ile çarpılmasıyla da toplam yüzey alanı (A) [mm2] elde
edilir (Eşitlik-7) :
(6)
(7)
Ancak gerçekte ayrımı yapılmak istenen karışım tek düze partiküller içermez, bu nedenle
her bir fraksiyon farklı boyut ve yoğunluk değerlerine sahiptir. Karışım elendikten sonra her
bir elekte tutulan miktar ayrı ayrı tartılır. Bu kısımdan sonra ayrılan elek üzerinde kalan
3
/ p
p
mN
aD
23
/ 66p
p
pp p
m mA bDaD D
95
kısımların özellikleri ayrı ayrı belirlenip daha sonra toplama işlemi yapılırsa, farksal analiz
yöntemi tercih edilmiştir. Farksal analizde her bir farksiyondaki taneciklerin boyutlarının aynı
ve o fraksiyonu oluşturan iki eleğin açıklık değerinin ortalamasına eşit olduğu kabul
edilmektedir. Örneğin; 10 ve 14’lük (elek açıklık değerleri 0,1651 ve 0,1168 olan) standart
elekler arasında kalan fraksiyonun taneciklerinin çap değerlerinin (0.1651+0.1168)/2=0.1410
cm olduğu kabul edilmektedir [1]. Bu analiz yöntemi izlendiği takdirde çap değeri ortalama
çap [ nD ] olarak adlandırılır. Toplamsal analiz kullanıldığında her bir elek üzerinde kalan
fraksiyonların değeri sürekli bir fonksiyon gibi işlem görür ve bu fonksiyonun integrasyonu
yapılarak hesaplanır. Toplam değerleri alınarak hesaplanan parametreler daha sonra elek
açıklığı değerlerine karşı grafiğe geçirilmektedir. değeri kütle kesrini göstermektedir ve
tüm karışım için değeri 1’e eşit olmaktadır. Buna göre kütle kesri ( )tanımlanırsa;
(8)
Karışımın yoğunluğu ve şekil faktörü biliniyorsa her bir fraksiyondaki taneciklerin spesifik
yüzey alanları – birim kütleye düşen toplam yüzey alanı- ( wA ) hesaplanabilir (Eşitlik-9).
(9)
Buradaki ∆ n ifadesi n. elekte tutulan örneğin toplam kütle kesrini, nD ise ortalama göstermektedir. Toplamsal analizde Eşitlik-7 diferansiyel olarak yazılır ve spesifik yüzey alanı wA limit =0 ve =1 arasında integral alınarak yapılır. İntegrasyon grafiksel veya
nümerik yöntemlerle hesaplanır. Burada tanecik yoğunluğu (p
) ve şekil faktörünün ( )
sabit kaldığı varsayılmaktadır (Eşitlik-10):
(10)
Burada pD , n. eleğin açıklık değerine eşit olan tanecik çapı değeri, n ise n. eleğin üzerindeki
fraksiyonun kütle kesrini belirtmektedir. Sıralama yukarıdan aşağıya doğru yapıldığından n.
eleğin hemen üzerindeki elek, (n-1). elek olarak adlandırılmaktadır [1].
1 2
11 2
6 6 6 6...p p p p
nTnT
wnT n
AD D D D
1
0
6
p
nw
p
dAD
1 21
...nT
nT nn
96
Tanecik sayısıFarksal analiz için Eşitlik-6 kullanılarak her bir fraksiyondaki tanecik sayısı,
tüm fraksiyonlar için toplanarak elde edilir (Eşitlik-11). Toplamsal analiz için ise toplam
tanecik sayısı, Eşitlik-6’nın integrasyonun grafiksel ya da nümerik olarak hesaplanması ile
elde edilir (Eşitlik-12):
(11)
(12)
Ortalama tanecik boyutları: Karışık bir örnekteki ortalama tanecik boyutu farklı yollarla
hesaplanabilmektedir.
Hacim-yüzey ortalama çap( vsD ): Spesifik yüzey alanı değeri ile hesaplanmaktadır.
(13)
Aritmetik ortalama çap’tır( ND ). Nw burada birim örnek içerisinde bulunan tanecik sayısını ifade etmektedir.
(14)
Kütle ortalama çap ( WD ) ise aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır;
(15)
1 23 3 3 3
11 2
1...nT
nT n
np p p nT p n
Na D a D a D a D
1
30
1
p p
dNa D
0
wNp
Nw
D dND
N
1
0W pD D d
6
p
vsw
DA
97
2. MATERYAL VE METOT 2.1.Materyal
Deney numunesi olarak karışık bulgur örneği (kalın, pilavlık ve köftelik) pilavlık
kullanılacaktır,
Farklı mesh sayılarına sahip standart elekler (Tercihen Tyler serisine uygun),
Elek sarsma cihazı,
Terazi,
Fırça,
Tartım kapları.
2.2.Metot
2.2.1. Matematiksel metot
Tabloya geçirilen değerler ile toplam dağılım ve yoğunluk dağılım eğrisi
çizilir.
Her bir elek fraksiyonu için ortalama tanecik çapı, spesifik yüzey alanı,
tanecik sayısı hesaplanır.
Toplam alan ve toplam tanecik sayısı toplamsal ve farksal analiz yöntemi ile
hesaplanır.
2.2.2. Deneysel metot
Analize başlamadan önce eleklerin temizlenmiş olmalarına dikkat edilmelidir.
Deney düzeneği; analiz elek takımı, elek sarsma cihazı ve teraziden oluşur. Elenecek
maddenin büyüklük dağılımına uygun bir elek takımı seçilmelidir.
Elekler, en büyük mesh (en dar elek açıklığı) değerine sahip elek en altta (tepsinin
hemen üzerinde) ve elek açıklıkları √2 kat artacak şekilde sıralanırlar.
Sarsma cihazına yerleştirilen eleklerin en üstte olanına 250-500 g kadar örneği temsil
eden bir miktar tartılarak koyulur.
Elek takımının üst kapağı sıkıca kapatılıp vidalandıktan sonra sarsma cihazı en az 10
dakika çalıştırılır. Bu sürenin sonunda elek üzerinde kalan miktarlar bir kaba
98
aktarılarak tartılır. Elekler bu sırada iyice boşaltılarak üzerinde madde kalmadığından
emin olunmalıdır. Bu işlem için ince kıl fırçalardan yararlanılabilir. Ancak küçük
delikli eleklerde elek açıklığını etkileyeceğinden kesinlikle kullanılmamalıdır.
Deney bitiminde temizlenen elekler ve laboratuvar tezgâhları düzenli, cihazın elektrik
bağlantısı çekilmiş bir şekilde, bırakılmalıdır.
3. SONUÇLAR
3.1. Verilerin kaydedilmesi:
Mesh Elek açıklık değeri (Dp) (mm) Elek üzerinde toplanan madde miktarı
m (g)
Bulgurun şekil faktörünün hesaplanması için;
Hacimsel şekil faktörü (a):
Yüzeysel şekil faktörü (b):
Taneciklerin özgül ağırlığı:
99
3.2. Verilerin hesaplanması:
3.2.1. Şekil faktörü ve küresellik:
3.2.2. Toplam dağılım ve yoğunluk dağılım eğrilerinin çizilmesi [3] :
Farksal analiz:
Mesh Dpn Elek üstünde kalan madde
ağırlığı (Δm) n n
pnD
0
Toplamsal analiz:
Mesh pD Elek üstünde kalan madde ağırlığı (Δm)
n n n
100
a. Örnek bir tablo ile toplam dağılım eğrisinin çizilmesi: Farksal Analiz:
Mesh Dpn Elek üstünde kalan madde
ağırlığı (g) n n
pnD
4/6 0,3327 8 8/200=0,04 0,04/0.3327
6/8 0,2362 26 26/200=0,13 0,13/0,2362
8/10 0,1651 56 56/200=0,28 0,28/0,1651
10/14 0,1168 50 50/200=0,25 …
14/20 0,0833 44 44/200=0,22
20/28 0,0589 14 14/200=0,07
Tepsi 2 2/200=0,01
Toplam m= 200 g
Toplamsal Analiz:
Mesh pD Elek üstünde kalan madde ağırlığı (Δm)
n n n
4 0.4699 0 0 0
6 0,3327 8 0,04 0.04 8 0,2362 26 0,13 0.17 10 0,1651 56 0,28 0.45 14 0,1168 50 0,25 0.7 20 0,0833 44 0,22 0.92 28 0.9406 14 0,07 0.99
Tepsi 2 0,01 1
Toplamsal olarak elde edilen kütle kesri ( ) , pD ’ye karşılık sürekli bir eğri olarak
grafiğe geçirilir. 0,5 değerine karşılık gelen değer medyan değeridir:
101
b. Yoğunluk dağılım eğrisinin çizilmesi: Histogram ve sürekli eğri olarak iki gösterim şekli vardır. Sürekli eğride ikinci sütundaki
elek açıklık değerlerinin ortalaması alınır. Eğrinin tepe noktasına gelen x değeri modal
değerdir. Elek analizinde farksal analiz için çizilir.
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0 1 2 3 4 5 6 7
Δφ
/ΔD n
Dpn
Dp
Dpn
102
3.2.3. Örnek bir tablo değeri ile tanecik özelliklerinin belirlenmesi
a. Spesifik yüzey alanı, tanecik sayısı : Bir elek analizi aşağıdaki tablodaki veriler ile
yapılıyor olsun. Her bir veri aşağıdaki gibi hesaplanır (Formülde kullanılmak üzere)
[1];
Mesh (Dn) n 1
nD 3
1
nD n
nD 3
n
nD
4/6 0,4013 0,0251 2,49 15,5 0,063 0,4
6/8 0,2844 0,1250 3,52 43,5 0,439 5,4
8/10 0,2006 0,3207 4,98 124 1,599 39,7
10/14 0,1409 0,2570 7,1 358 1,824 92
14/20 0,1000 0,1590 10,0 1000 1,590 159
20/28 0,0711 0,0538 14,1 2800 0,757 150
28/35 0,0503 0,210 19,9 7860 0,417 165
Toplam 6,69 611
Farksal analiz:
Hesaplamaların yapılabilmesi için öncelikle şekil faktörü ve yoğunluk değerlerinin
belirlenmesi gerekmektedir. Yukarıdaki örnek için a=3,5 b=2 ve özgül ağırlık değeri
2,65’tir. Buna göre spesifik yüzey alanı ve tanecik sayısı Eşitlik-9 ve Eşitlik-11
kullanılarak hesaplanır:
1
6 6 1,75 3,962,65
p
nTn n n
wn n n n
xA xD D D
3,96x6,69=26,5 cm2
3 3 31
1 1 0,1892 2,65
nTn n n
np n n n
Na D x D D
=0,189x611=115
103
Toplamsal analiz:
Bir dağılımda tek tür parçacık olmadığından deneysel olarak kaydedilen verilerden
sırasıyla 1
pD ve 3
1
pD kütle kesrine ( ) karşılık grafiğe geçirilir. Değişen değerleri
örnekte 0,7- 0,925 arasındadır. Bu iki nokta arasında eğrinin trapezoidal grafik kuralına
göre alan hesaplaması yapılır ve aşağıdaki sonuçlar Eşitlik 10 ve 12’ye göre elde edilir;
0,9616
0
3.96wp
dAD
=3,96x6,71=26,6 cm2
0,9616
30
0,188wp
dND
=0,189x626=118
Örnek hesaplamada trapezoidal yöntem ile alan hesaplamada kullanılan grafikler:
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1/Dp
Fraksiyondaki kütle kesri (φ)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1/Dp
3
Fraksiyondaki kütle kesri (φ)
104
4. SİMGELER ve KISALTMALAR
Sp: Bir taneciğin yüzey alanı (mm2)
Vp: Bir taneciğin hacmi
b: Yüzeysel şekil faktörü
a: Hacimsel şekil faktörü
λ : Şekil faktörü
Dp: Tanecik çapı ve toplamsal analiz için elek açıklığı değeri (mm)
Dp,e: Eşdeper çap (mm)
nD : Farksal analiz için elek açıklığı ortalamalarının alındığı ortalama çap (mm)
vsD : Hacim-yüzey ortalama çap (mm)
ND : Aritmetik ortalama çap (mm)
WD : Kütle ortalama çap (mm)
: Toplam kütle kesri(mm)
: Fraksiyonun kütle kesri (mm)
A: Toplam yüzey alanı (mm2)
wA : Spesifik yüzey alanı (mm2)
wN : Tanecik sayısı
5. KAYNAKLAR
[1]McCabe W. L., “Unit operations of Chemical Engineering”,Ch:25-26, 792-815, McGraw
Hill, (1967).
[2]Patil K. D., “Mechanical Operations Fundamental Principles and Applications”, 129-136,
Nirali Parakashan, Mumbai, (2009)
[3]Ayvaz Z., Tutkun O, Yörük S., Onat E., Pehlivan P., Batı H., Ekiz H.İ.,Özer D., Fırat
Üniversitesi Kimya Mühendisliği Laboratuvarı Deney Föyü, Fırat Üniversitesi Basımevi,
(1985)
105
[4] Geancoplic C.J., “Transport Processes and Unit Operations”, Prentice Hall, International
Ed., (1993)
[5] Saldamlı İ, “Gıda Endüstrisi Makinaları” Birinci Baskı, Önder Matbaa, Ankara (1990)
6. EKLER
Tyler Standart Elek Serisi Dönüşümleri [1]
Mesh Elek açıklığı (in) Elek açıklığı (mm)
3 0,263 6,680 4 0,185 4,699 5 0,156 3,962 6 1,131 3,327 7 0,110 2,794 8 0,093 2,362 9 0,078 1,981
10 0,065 1,651 12 0,055 1,397 14 0,046 1,168 16 0,0390 0,991 20 0,0328 0,833 24 0,0276 0,701 28 0,0232 0,589 32 0,0195 0,495 35 0,0164 0,417 42 0,0138 0,351 48 0,0116 0,295 60 0,0097 0,246 65 0,0082 0,208 80 0,0069 0,175 100 0,0058 0,147
106
TANELİ GIDALARIN BAZI FİZİKSEL ve MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN
BELİRLENMESİ
1. GİRİŞ
Gıdaların işlenmesini etkileyen bütün özellikleri gıdaların mühendislik özellikleri olarak
tanımlanmaktadır.Gıdaların mühendislik özellikleri termal, optik, elektriksel, yapısal -
geometrik ve mekanik özellikleri olmak üzere sınıflandırılabilir. Gıdaların sahip oldukları
mühendislik özellikleri kimyasal ve yapısal özelliklerine bağlı olarak değişmektedir.
Gıdaların bileşiminde ve şeklinde yapılacak herhangi bir değişiklik bu özelliklerinde de
değişimlere neden olabilir. Gıda maddelerinin iyi bir şekilde işlenerek istenilen kalite
özelliklerini taşıyan ürünlerin elde edilebilmesi için mühendislik özelliklerinin çok iyi bir
şekilde bilinmesi gerekmektedir [1].
Gıdaların kütle-hacim-yüzey alanı ilişkilerine dayalı mühendislik özellikleri proses
tasarımı, diğer özelliklerin belirlenmesi, ürün karakterizasyonu veya kalite
parametrelerinin belirlenmesinde büyük önem taşımaktadır. Bir gıdanın boyut özellikleri,
şekli hacmi, yüzey alanı, yoğunluğu ve gözenekliliği gibi özellikleri o gıdanın proses
koşullarını üzerinde oldukça büyük bir etkiye sahiptir [2]. Örneğin meyve ve sebzeler
işletmede boyutlarına göre sınıflandırılıp, daha sonra gerekli koşullar altınla
işlenmektedir. Gıda maddeleri içerisindeki safsızlık bileşenleri çoğunlukla yoğunluk
farkından yararlanılarak ayrıştırılmaktadır. Yığın yoğunluğunun bilinmesi ile ise
depolama ve taşıma işlemleri sırasında alan boşluğu ile ilgili bilgi vermesi açısından
oldukça önemlidir. Ayrıca karıştırma, taşıma, depolama ve paketleme proseslerinin her
birinde yığın özelliklerinin belirlenmiş olması büyük önem taşır.Birçok fiziksel ve
kimyasal işlemlerde reaksiyon hızı doğrudan yüzey alanı ile ilişkilidir. Çoğu zaman yüzey
alanının büyük olması istenen bir durumdur. Porozite ve yapının kıvrımlılığı kütle
transferi proseslerinde efektiv difüzyon katsayısının belirlenmesinde önemli olmaktadır
[2]. Bununla birlikte gıdaların gözeneklilik ve yoğunlukların sertliklerini kırılganlıklarını
öğütme and kuruma hızları ve mikrobiyal gelişime direnci ile yakından ilgili olan önemli
kalite parametrelerindendir [3].
Bu nedenle gıdaların fiziksel özeliklerinin doğru, hızlı ve düşük maliyetli analiz
yöntemleri ile belirlenmesi gerekmektedir.
107
1.1. Gıdaların Yapısal ve Geometrik Özellikleri
Gıdaların partikül boyutu, yoğunluk, şekil ve gözeneklilik gibi özellikleri yapısal ve
geometrik özellikleri olarak bilinmektedir.
1.1.1. Boyut ölçümü
Bir cismin üç ana kesitinin mikrometre yardımı ile ölçümü ile yapılır. Şekil 1.’ de yer
fıstığı örneklerinin boyut ölçümü görülmektedir.
L: uzunluk (mm)
W: genişlik (mm)
T: kalınlık (mm)
Şekil 1. Yer fıstığı örneklerinin üç ana boyutunun (L-W-T) ölçümü [4].
1.1.2. Eşdeğer çap ve Küresellik Ölçümü
Gıda örneğinin birbirinden farklı üç ana kesitin yardımıyla aşağıda verilen bağıntı
kullanılarak ortalama geometrik çap değeri elde edilir.
Deş= (L×W×T)1/3
L: uzunluk (mm) W: genişlik (mm) T: kalınlık (mm)
L W T
108
Bir tanenin küre şekline ne kadar benzediğinin bir ölçüsü olan küresellik değeri aşağıda
verilen eşitliğe göre hesaplanmıştır.
ɸ = ( × × )
1.1.3. Hacim
Hacim, bir cismin boşlukta kapladığı üç boyutlu alan olarak tanımlanmaktadır. Uluslar
arası birim sisteminde birimi “m3” olarak gösterilmekteidir. Gıdalarda hacim gıdanın
dokusal özelliklerini yakından ilgilendirmektedir. Bu nedenle de önemli bir kalite
kriteridir. Katı maddelerin hacim ölçümü farklı yöntemlerle yapılabilmektedir [1]:
a) Düzgün bir geometriye sahip bir cismin hacmi karakteristik boyutundan
hesaplanmaktadır.Şekil 2.’ de düzgün geometriye sahip cisimlerin hacimleri
gösterilmektedir.
Şekil 2. Düzgün boyutlara sahip cisimlerin hacimleri [7].
b) Sıvı veya gaz yer değiştirme yöntemleri kullanılarak örnek hacminin hesaplanması
Sıvıların Yer Değiştirmesi Metodu
Eğer kullanılan örnek sıvıyı hızlı bir şekilde absorblamıyorsa, hacim ölçümü bu yöntemle
yapılabilmektedir. Bu yöntemde gıda örneğinin hacmi bir piknometre veya bir dereceli
silindir yardımıyla belirlenebilir [1].
Piknometre ile;
Piknometre ağzında kılcal oluklu camdan bir başlık yerleştirilmiş küçük bir balondur.
Piknometre ile yoğunluk saptanırken hidratlanmayan örnekler için su; hidratlanan örnekler
için ise genellikle alkol kullanılmaktadır. Şekil 3.’ te basit bir şekilde sıvı piknometresi ile
hacim ölçümü gösterilmektedir [8].
109
M1 = Boş piknometre ağırlığı,
M2= Sıvı ile dolu piknometre ağırlığı,
M3= Örnek + piknometre ağırlığı,
M4= Örnek + sıvı ile dolu piknometre ağırlığı.
Şekil 3. Sıvı piknometresi ile hacim ölçümü [8].
Buna göre;
M3– M1= Mörnek (kuru örnek kütlesi, g)
[(M2+ M3) - (M1+M4)] = Msu
(örnek tarafından yer değiştiren suyun kütlesini verir).Suyun yoğunluğu 1000 kg/m³
olduğundan kütlesi aynı zamanda hacmine eşittir.
Böylece;
ƿ =푀 − 푀
[(푀 + 푀 ) − (푀 + 푀 )]
Dereceli silindir ile;
Bu yöntemde örneğin hacmi ölçü kabında kullanılan sıvının hacminin değişiminden
belirlenmektedir. Başlangıçta sıvı hacminin bilindiği bir mezür veya büret içerisine
hacmini ölçmek istenilen örnek koyulduğunda sıvı hacminde belli bir artış
gözlemlenmektedir. Bu artış örneğe ait hacimden kaynaklanmaktadır. Bu yöntemde dikkat
edilmesi gereken noktalardan bir tanesi kullanılacak sıvının yüzey geriliminin mümkün
olduğunca düşük olması ve örneğin bu sıvıyı absorblama hızının çok yavaş olması
gerektiğidir. Bu amaçla yaygın olarak alkol, toluen veya tetrakloroetilen kullanılmaktadır
[1].
Şekil 4. Dereceli silindir ile düzgün olmayan cisimlerin hacim ölçümü [9].
110
Gazların Yerdeğiştimesi Metodu
Bu yöntem de genellikle düzgün olmayan geometriye sahip katı maddelerin hacminin
belirlenmesinde kullanılmakadır. Bu amaçla gaz piknometreleri kullanılmaktadır(Şekil 5).
Şekil 5. Gaz piknometresi [1].
Gaz piknometrelerinde direkt olarak hava kullanılabileceği gibi, helyum veya nitrojen
gazı da kullanılabilmektedir. Bir gaz piknometresi yaklaşık olarak eşit hacimlere sahip iki
kaptan oluşmaktadır. Bu iki kap arasında hava transferi küçük bir çapa sahip bir boru
sistemi ile sağlanmaktadır. Basınç ölçümü amaçlı ise manometreler kullanılmaktadır [2].
Gaz piknometresi ile yapılan ölçümlerin sıvı piknometresine kıyasla daha doğru sonuç
vermektedir. Çünkü gaz moleküllerinin materyal arasındaki boşlukları doldurma yetisi
sıvı moleküllere göre daha kuvvetlidir. Ayrıca daha fazla hacimlerde (yığın halinde)
örneğin analiz edilebilmesine olanak sağladığı için de tercih edilen bir yöntemdir. Sıvı
piknometresinde analiz sırasında katı örnek, ortam sıvısı ile temas ettiğinden dolayı işlem
bitiminde kurutulması gerekmektedir. Bu nedenle sıvı piknometresi ile hacim ölçümü
analiz süresinin uzun olması nedeni ile kimi zaman tercih edilmemektedir.
Gaz piknometresi granüler yapıdaki, gözenekli veya çözünür özellikteki maddelerin
kaya parçaları, toprak örnekleri, kömür, seramik, tuzlar, ilaçlar, plastik filmler, diş,
çikolata, tohum gibi örneklerde hacim ölçümü dolaylı olarak da yoğunluk ölçümlerinde
yaygın olarak kullanılmaktadır [6].
Bir gaz piknometresi yaklaşık eşit hacme sahip V1 ve V2iki adet hava sıkıştırma
haznesinden oluşmaktadır. Analiz edilecek örnek ikinci hazne içerisine yerleştirilir. 3
nolu hava çıkış valfi ve hazneler arasında bulunan 2 nolu valf kapalı durumda tutulur.
111
Hava giriş valfi, yani valf 1açılarak birinci hazne içerisine bir pompa sistemi ile gaz
girişi sağlanır. Basınç artışı sistemde bulunan basınç ölçerden kaydedilir. Genel olarak 1
olu kapta 700-1000 Pa değerine bir basınç yaratılır. Ardından giriş valfi, yani 1 nolu valf
kapalı konuma getirilir ve denge basıncı ölçülür. Bu sırada gazın ideal gaz gibi davrandığı
kabul edilmektedir [1]. Gaz piknometresinin temeli Boyle-Mariotte basınç-hacim ilişkisi
kuralına dayanmaktadır. Buna göre;
P1 V1= n R T1 (1)
Burada:
P1 = Valf 2 kapalı konumda iken denge basıncı (Pa)
V1 = Birinci haznenin hacmi (m3)
n = Gazın mol sayısı (kg mol)
R = Gaz sabiti (8314,34 J/kg mol K)
T = Mutlak sıcaklık (K)
Denge basıncının sağlanmasının ardından iki hazne arasındaki iki numaralı valf açılarak
birinci hazne içerisindeki gazın ikinci haznedeki örnek arasındaki boşluklara dolması
sağlanır. Sistem dengeye ulaştığında basınç ölçerden elde edilen basınç değeri P2 olarak
kaydedilir. Bu sırada başlangıçta m olan toplam gazınkütlesi birinci haznede m1, ikinci
haznedeki boşlukların kütlesini temsil eden m2 olarak bölünmüş olur.
m= m1+m2 (2)
İki sistemin izotermal olduğu düşünülürse;
P1 V1 = P2 V1 +P2 Vg (3)
Burada Vg ikinci haznedeki örneğin arasında bulunan gözeneklerin hacmini
belirtmektedir.
푽품 = 푽ퟐ − 푽ö = 푽ퟏ푷ퟏ 푷ퟐ
푷ퟐ (4)
Vö örnek hacmini ifade etmektedir.
푽ö = 푽ퟐ − 푽ퟏ푷ퟏ 푷ퟐ
푷ퟐ (5)
112
Bu işlemler sırasında bağlantı borularının hacminden gelebilecek hataların göz önüne
alınması gerekmektedir. Ayrıca, kullanılan havanın tıpkı bir ideal gaz gibi davranmadığı
unutulmamalıdır. Bununla birlikte bağlantı boru sistemindeki 2 numaralı valf
açıldığındaki basınç eşitlenmesi sırasında haznelerin sıcaklıkları birbirinden farklı
olmaktadır, yani sistem izotermal değildir. Bu hataların elimine edilebilmesi için
kullanılan cihaz hacmi kesin olarak belirlenmiş bir cisim ile kalibre edilebilir.Bu amaçla
aluminyum cisimler kullanılabilir.
Gaz piknometresi ile hacim ölçümündebazı temel varsayımlar:
Piknometre içerisindeki gazın ideal gaz gibi davrandığı.
Analiz edilen örneğin ve piknometre elemanlarının rijit yapıda olduğu.
Pikometre üzerindeki boru sisteminde herhangi bir gaz sızıntısı olmadığı ve
gaz basıncının çok hızlı bir şekilde denge durumuna geldiği.
Gaz sıcaklığının iki çemberde homojen ve sabit kaldığı (izotermal).
Bir Gaz Piknometresi Dizaynında Dikkat Edilecek Noktalar
Örnek haznesinin özellikleri;
Öncelikle duvar sürtünme etkilerinin minimuma indirilmesi gerekmektedir. Literatürde
yer alan çalışmaların birinde (Schaub-Szabo ve Leonard, 1999) küçük hacimdeki örnek
hazneleri (yüzey alanı/hacim oranı, 10 m2/m3) için bu etkilerin ihmal edilmeyecek kadar
fazla olduğu belirtilmektedir. Bu bilgiye göre silindir şeklindeki örnek haznesinin yüzey
alanı πDh, haznenin hacmi ise πD2h/4 olur. Yapılan çalışmada belirtilen oranı
kullandığımız takdirde haznenin çapının optimum olarak 0,4 m olması gerektiği sonucu
ortaya çıkar. Yüksekliğin ise yaklaşık olarak 25 L hacminde bir hazne elde edebilmek için
0,2 m olması gerekir. Ayrıca örnek haznesinin açıp kapamasının pratik olması ve kolay
temizlenebilir olması önemlidir [5].
Boru sisteminin özellikleri;
İki hazne arasındaki bağlantının sağlanması amaçlı kullanılan boruların çapları büyük
önem taşımaktadır. Bağlantı borularının hacmi, örnek haznelerinin hacmine kıyasla çok
küçük olmalıdır. Bunun yanında boru sisteminin, hazneler ve valflerle birleşme noktaları
sızdırmaz olmalıdır. Aksi takdirde analiz sırasında bu bağlantı noktalarından oluşabilecek
gaz sızıntıları yanlış ölçüm yapılmasına neden olabilir
113
Basınç ölçerin özellikleri;
Kullanılan basınç ölçme düzeneğinin duyarlılığının yüksek ve hassas ölçüm
yapabilmesi gerekmektedir.
1.1.4. Yoğunluk
Yoğunluk, en önemli mekanik özelliklerden biri olup birim hacimdeki madde miktarı
olarak tanımlanmaktadır. Birimi uluslar arası birim sisteminde kg/m3’ tür. Yığın
yoğunluğu ise paketlenmiş veya istiflenmiş bir malzemenin toplu olarak yoğunluğudur.
Yığın yoğunluğu malzemenin geometrisi, partiküllerin büyüklüğü ve yüzey özellikleri ile
ilişkilidir [2].
푌표ğ푢푛푙푢푘 = 퐾ü푡푙푒퐻푎푐푖푚 ƿ = 푚
푉
1.1.5. Gözeneklilik
Maddenin içerdiği gözeneklerinin hacminin, toplam hacme (gözenek hacmi+maddenin
kendi kacmi) oranıdır. Birimi olmayan bir niceliktir. Yığın gözenekliliği ise maddenin
etrafındaki boşlukların hacminin, toplam yığın hacmine oranlanması ile hesaplanmaktadır
[2].
Ɛ = ƿ ƿƿ
×100
Yığın gözeneklilik değeri (Ɛ), tane yoğunluğu (ƿt) ve yığın yoğunluğu (ƿy)
1.1.6. Statik Sürtünme Katsayısı
Taneli gıdaların, çeşitli yapıdaki yüzeyler üzerindeki sürtünme katsayıları, analiz ve hasat
sonraı işleme, proses ve depolamada kullanılan ekipmanların (silo, konveyor) dizaynı için
önemli parametrelerden biridir. Ayrıca statik ve dinamik sürtünme katsayısı makinelerin
güç gereksiniminin tahmininde de önemlidir. Tarımsal gıda örneklerinin sürtünme
katsayısını belirlemek için bugüne farklı yöntemler kullanılmıştır. Kramer (1944) pirinç
tanelerinin sürtünme katsayısını belirlemek için eğik düzlem yöntemini kullanmıştır.
Birkaç araştırmacı tarafından kullanılan bu yöntem, malzemenin materyal yüzeyindeki
hareketine dayalıdır. Çoğu durumda, statik sürtünme katsayısı, örneğin, materyalin eğimi
114
boyunca aşağıya doğru kaymaya başladığı andaki eğiminin tanjant açısı belirlenerek
ölçülür.
Eğik düzlem üzerinde i ve j yönündeki kuvvetler belirlenir. Bu kuvvetlerin toplamı ise;
푭 = (풇 − 풎품풔풊풏Ɵ)풊 + (푵 − 풎품풄풐풔Ɵ)풋
j yönünde herhangi bir hareket olmayacağından, bu yöndeki kuvvetler “0”’ dır.
푵 − 풎품풄풐풔휽 = ퟎ
푵 = 풎품풄풐풔휽
푭풎풂풙 = 흁푵 = 흁풎품풄풐풔휽
Blok kaymaya başlamadan hemen önce sürtünme kuvveti maksimuma ulaşır, ancak blok
henüz hareketsizdir. i yönündeki kuvvet eşitlendiğinde;
푭풎풂풙 − 풎품풔풊풏휽 = 흁풎품풄풐풔휽 − 풎품풔풊풏휽 = ퟎ
흁풎품풄풐풔휽 = 풎품풔풊풏휽
흁풄풐풔휽 = 풔풊풏휽 elde edilir.
Buradan µ çekilirse;
흁 = 풔풊풏휽풄풐풔휽 = 풕풂풏휽
Statik sürtünme katsayısı eğik düzlemin yatayla yapmış olduğu Ɵ açısının tanjantı olarak
belirlenmiş olur.
115
2. MATERYAL ve YÖNTEM
Materyal
Deney numunesi olarak taneli gıda örneği
Gaz piknometresi
Terazi
Mikrometre
Eğik düzlem düzeneği
Mezur
Toluen
Yöntem
Boyut ölçümü
Gıda örneğinin üç ana kesiti (en-boy-yükseklik) mikrometre yardımı ile
ölçülür.
Elde edilen veriler kullanılarak eşdeğer çap ve küresellik hesaplanır.
Sıvı yer değiştirme yöntemi ile hacim ölçümü
100 gram gıda örneği, içerisinde belli hacimde toluen bulunan 1 L hacmindeki
mezurün içerisine bırakılır.
Mezurde yeni hacim değeri okunur.
İki hacim arasındaki fark, yer fıstığı örneklerinin gerçek hacmini vermektedir.
Gaz yer değiştirme yöntemi ile hacim ölçümü
Piknometrenin örnek kabı gıda örneği ile doldurulur.
Piknometre boru sistemi üzerinde yer alan valflerden 2 ve 3 numaralı olanlar
kapalı konumda tutulurlar,
Açık olan 1 nolu valften hava toplama kabına belirli basınçta hava girişi
sağlanır.
Valf 1 kapatılarak sabitlenen basınç değeri okunur.
Denge basıncı elde edildikten sonra valf 2 açılır ve sistem içerisindeki havanın
örnek kabına bulunan boşluklar arasına geçişi gerçekleşir.
Basınç değeri kaydedilir.
İdeal gaz yasası kullanılarak örneklerin gerçek hacimleri ölçülür.
116
Gerçek ve yığın hacmi belli olan örneğin gözenekliliği belirlenir.
Statik sürtünme katsayısının belirlenmesi
Farklı düzlemler üzerinde gıda örneğinin sürtünme katsayısı belirlenir.
Bu amaçla tahta, plastik ve metal düzlemler kullanılır.
Makara sistemi yardımıyla eğik düzlemin hareketi sağlanarak, analiz edilen
gıdanın düzlemde kayması sağlanır.
Örneklerin düştüğü açı, açı ölçer yardımıyla belirlenir. Belirlenen bu açının
tanjantı statik sürtünme katsayısını verir.
3. DENEY SONRASI YAPILACAK HESAPLAMALAR
Kullanılan gıda örneklerinin;
Boyut ölçümü yapılacak, buna bağlı olarak eşdeğer çap ve küresellik değeri
hesaplanacaktır.
Sıvı ve gaz yer değiştirme yöntemlerine göre gözenek ve örnek hacmi, yığın
yoğunluğu ve gözeneklilik değerleri hesaplanacaktır.
Eğik düzlem sistemi kullanılarak farklı zeminlerde örneğin statik sürtünme
katsayısı belirlenecektir.
4. ÖRNEK PROBLEM
Kurutulmuş elma dilimlerinin gözenekliliği gaz piknometresi kullanılarak belirlenmek
istenmektedir. Kurutulmuş elma dilimleri piknometrenin ikinci haznesine doldurulmuştur.
2 ve 3 numaralı valfler kapalı durumda iken birinci çembere hava girişi sağlanmıştır. Bu
işlemin ardından valf 1 kapatılmış ve basınç ölçerden P1 değeri 0.618 atm olarak
okunmuştur. Sonra, valf 2 açılarak denge basıncı sağlanmış ve P2 değeri 0.473 atm olarak
kaydedilmiştir. Bu bilgilere göre kurutlmuş elma dilimlerinin gözenekliliğini (Ɛ)
hesaplayınız.
Eşitlik 3 kullanılarak;
P1 V1 = P2 V1 +P2 Vg
117
Ɛ =푉푔푉1
= Ɛ = . ..
= 0, 307
5. TARTIŞMA ve ÖNERİLER
Her iki yöntem kullanılarak deneysel olarak gözenek hacmi ve örnek hacmi belirlenerek
bu değerler arasındaki farklılığı nedenini tartışınız.
Sıvı yerdeğiştirme ve gaz piknometresi hesaplamalarında yapılan varsayılmaların ne gibi
hatalara neden olabilceğini tartışınız. Bu hataları gidermek amaçlı öneriniz varsa sununuz.
Eğik düzlem kullanılarak belirlenen statik sürtünme katsayısı, birçok parametreye göre
değişkenlik gösterebilmektedir. Bunlar; gıda maddesinin yüzeysel yapısı, nem içeriği ve
eğik düzlemin materyal özellikleri olarak sıralanabilir. Siz de raporunuzda bu faktörlerin
etkisini tartışınız.
6. SİMGE ve KISALTMALAR
P1 = Valf 2 kapalı konumda iken denge basıncı (Pa)
V1 = Birinci haznenin hacmi (m3)
n = Gazın mol sayısı (kg mol)
R = Gaz sabiti (8314,34 J/kg mol K)
T = Mutlak sıcaklık (K)
m = Kütle (kg)
Ƿ = Yoğunluk (kg/m3)
Ɛ = Gözeneklilik
N= Tepki kuvveti (N)
g= Yerçekimi ivmesi (m/s2)
f= Sürtünme kuvveti
µ= Statik sürtünme katsayısı
7. KAYNAKLAR
[1] Şahin, S., Sumnu,S. G. “Physical Properties of Foods” Chapter: Size, Shape, Volume, and
Related Physical Attributes, 1-36, Springer Science+Business Media, 2006.
118
[2] Rao, M. A., Syed S. H. Rizvi, Datta A.K., “EngineeringPropertiesof FoodsThird Edition”
Cahpter: Mass-Volume-Area–Related Properties of Foods, 1-35, CRC Press, 2005.
[3] Chang, C. S., “Measuring Density And Porosity Of Grain Kernels Using A Gas Pycnometer”,
Cereal Chem, 65(1) 13-15, 1988.
[4] Eser, E. “Uzak İnfrared (Fır) Işınlarının İşlenmemiş İç Yer Fıstığının Fiziksel Kimyasal Ve
Mikrobiyolojik Kalitesine Etkisi”, Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Gıda Mühendisliği A.B.D., 2012. [5] Agnew J.M., Leonard J.J, Feddes, J. and Feng, Y.,” A modified air pycnometer for compost air
volume and density determination”, Canadian Biosystems Engineering, 45, 27-35, 2003.
[6] Tamari, S., Chavez, A.A., “ Optimum Design Of Gas Pycnometers For Determining The
Volume Of Solid Particles” Simposio de metrologia, 25-27 Ekim 2004.
[7] Anonim,http://www.renkliweb.com/soru-cevap-2/katilarin-hacmi-nasil-olculur-orneklerle-
katilarin-hacmi-olcme.html Erişim tarihi: 07.11.2013.
[8] Yoğunluk Saptanması Deney Föyü, Cevher Hazırlama Laboratuvarı I,İnönü Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü.
[9} http://www.lisefizik.com/lise1/hacim.htm
119
GAZ ve SIVI DİFÜZYONU
1. GİRİŞ
Gıda mühendisliğinde karşılaşılan temel işlemlerden önemli bir kısmı başlıca üç
transfer işlemi olan momentum, ısı ve kütle aktarım işlemleri içinde sınıflandırılabilir. Bu
aktarım işlemlerinin gerçekleşmesi için sistemde bir itici güç bulunması gerekir.
1) Akışkan akımında itici güç, basınç farkı (ΔP)
2) Isı transferinde, sıcaklık farkı (ΔT)
3) Kütle iletiminde de kimyasal potansiyel farkıdır. Bununla birlikte kütle iletiminde
sürücü kuvvet olarak kimyasal potansiyel, doğrudan ölçülebilen bir büyüklük
olmadığından yerine derişim farkı (ΔCA) kullanılabilir [1,2].
Bir bileşenin yüksek konsantrasyonda bulunduğu bölgeden düşük konsantrasyonda
olduğu bölgeye hareketine kütle transferi denir. Kütle transferi iki temel mekanizma ile
gerçekleşir:
i. Moleküllerin gelişi güzel hareketinden doğan kütle transferine, moleküler difüzyon,
ii. Aşağıda belirtilen ve akışkanın akış rejimi ile ilgili olan transfere ise Eddy difüzyonu
denir:
Mekanik karıştırma,
Akışkan akımında türbülans,
Yoğunluk farkından doğan konveksiyon akımları,
Manyetik kuvvet, yüzey gerilimi, elektrik alanı, yüzey kuvvetleri gibi
akışkana kazandırılan diğer faktörler.
Gazların çok hızlı ve oldukça serbest hareket eden moleküllerden meydana geldiği
bilinmektedir. Aynı basınç ve sıcaklıkta bulunan iki ayrı gaz kütlesinin bir levha ile ayrılarak
iki kap içine konulduğu düşünülsün (Şekil 1.1). Levha çekildiğinde, moleküllerin hızlı
hareketinden dolayı her iki gazda birbirinin içine yayılır. Bu işlem dengeye ulaşıncaya kadar
devam eder. Bu şekilde gelişen kütle iletimine “Moleküler Difüzyon” denir. Şimdi aynı
kaplardan birindeki gazın sıkıştırıldığını ve aradaki levhaya da bir delik açıldığını düşünelim
(Şekil 1.2). Bu durumda sıkıştırılan gaz levhaya açılan delikten ikinci kaba doğru akacaktır.
Buna ortaya çıkan Eddy akımlarından dolayı “Eddy Difüzyonu” denir [2,3].
120
I II
F F
I II
X
CA(x)
A Bileşeninin konsantrasyonu
yüksek
A Bileşeninin konsantrasyonu
düşük
dxdCEgim A
A Bileşeninin konsantrasyon profili
Şekil 1.1. Moleküler Difüzyon
Şekil 1.2. Eddy Difüzyonu
Sıvılarda moleküler difüzyona, bir bardak suya bir damla mürekkep eklendiğinde boya
moleküllerinin suyun tüm kısımlarına yavaşça yayılması örnek olarak verilebilir. Boya
karışımı bir kaşıkla karıştırıldığında boyanın su içindeki yayınım hızı artacaktır. Bu durumda
gerçekleşen difüzyon ise Eddy difüzyonudur [1].
Durgun bir ortamda kütle difüzyon hızı difüzyon yönündeki konsantrasyon gradyanı
ile doğru orantılıdır. Bu doğrusal ilişki Fick Yasası (Eşitlik 1) olarak bilinir.
dzdx
CDJ AABA (1)
Şekil 1.3. A bileşeninin durgun ortamda difüzyonu
121
Fick eşitliğindeki doğrusallık sabiti ABD difüzyon katsayısı olarak bilinir. Birimi m2/s
olup, kinematik viskozite (υ) ve ısıl yayınım katsayısı (α) ile aynıdır. Difüzyon katsayısı,
basınç, sıcaklık ve sistemin kompozisyonunun bir fonksiyonudur.
Sıvı içerisindeki moleküller gazlardan daha sıkışık durumdadır ve gaz molekülleri
kadar serbest hareket edemezler. Dolayısıyla sıvı içinde yayınım gaz içinde yayınımdan daha
yavaştır. Gazlar için difüzyon katsayısı, 5.10-6-10-5 m2/s, sıvılar için 10-10-10-9 m2/s ve katılar
için 10-14-10-10 m2/s aralıklarındadır.
Kararlı Hal Kütle Transferi:
Bir Bileşenin durgun olduğu durumda yayınım modeli
İkili sistemler (A-B karışımları) için mol kesri veya kütle kesri kullanılarak Fick yasası
aşağıdaki şekillerde yazılır:
Molar konsantrasyon temelinde;
Mol kesri (xA): CC
x AA AA xCC (2)
- Eğer “C” sabitse;
dzCxd
DJ AABA
)( (3)
dzdC
DJ AABA (4)
- A gaz bileşeninin ideal gaz yasasına uyduğu durumda,
nRTPV RTP
VnC (5)
RTP
C AA (6)
Soru: Moleküler difüzyon ve eddy difüzyonuna günlük hayattan neler örnek verilebilir?
Soru: Akı nedir? Matematiksel olarak nasıl ifade edilir?
122
VA
VDF V*
RTP
dzdDJ A
ABA (7)
dzdP
RTDJ A
ABA 1 (8)
Kütle konsantrasyonu;
Kütle Kesri (wA): A
Aw AA w (9)
dzdw
Dj AABA (10)
- Eğer “ρ” sabitse;
dzwd
Dj AABA
)( (11)
dzd
Dj AABA
)( (12)
Akışkanın yığın hareketi ya da konveksiyonel akış olduğu koşullarda, sabit bir noktaya
göre akışkanın molar ortalama hızı V* (m/s) olsun. Bu durumda A bileşeninin hızı difüzyonel
ve konveksiyonel hızlarının toplamına eşittir.
*VVV DFA
Bu durumda;
DFAA VCJ (13)
*AAA VVCJ (14) *
AAAA VCVCJ (15)
*AAAA VCJVC (16)
AAA NVC (17)
İkili sistem için: BBAA* VXVXV (18)
123
B
BA
AA
AABA V
CCV
CCC
dzdxCDN (19)
BBAAAA
ABA VCVCC
Cdz
dxCDN
(20)
BAAA
ABA NNxdz
dxCDN
(21)
i. Bu eşitlikte B bileşeni A bileşeninin içinde yayınmıyorsa NB=0 olarak alınabilir.
ii. A bileşeninin B içerisindeki çözünürlüğü çok düşükse, xA<<1.0, xA ihmal edilebilir.
iii. Eş molar zıt yayınım varsa NA=-NB olur.
Kararsız Hal Kütle Transferi:
Kütle transfer işleminin zamana bağlı olduğu durumda
0
tCA :
AAAA RC.VJtC
(22)
Konveksiyonla kütle iletimi yok ise: 0. ACV
Kimyasal tepkime yok ise: 0AR
AA J
tC
(23)
Kartezyen koordinatlarda:
zCD
zyCD
yxCD
xtC A
ABA
ABA
ABA (24)
İletim tek yönlü ise: 2
2
xCD
tC A
ABA
(26)
Silindirik koordinatlarda:
124
zCD
zCD
r1
rCrD
rr1
tC A
ABA
AB2A
ABA (27)
İletim tek yönlü (r yönünde) ise:
rCrD
rr1
tC A
ABA (28)
Küresel koordinatta:
A
AB2a
AB22A2
AB2A CDSin
Sinr1CD
Sinr1
rCrD
r1
tC
(29)
İletim tek yönlü (r yönünde) ise:
rCrD
rtC A
ABA 2
2
1 (30)
2. MATERYAL VE METOT
Deney I: Sıvı yüzeylerden gaz yayınımı
Materyal: Etil alkol
Metot: 10 mL lik bir mezüre etil alkol konur ve ilk yüksekliği kaydedilir. Mezür 70
ºC deki etüve yerleştirilerek 150 dakika boyunca her 30 dakikada bir alkol yüksekliği
kaydedilir (Ek-1 de Çizelge-1).
Deney II: Katı yüzeylerden gaz yayınımı
Materyal: Naftalin
Metot: Küre şeklindeki naftalinin çapı ölçülür ve 70 ºC deki etüve bir iple asılır. Bu
andan itibaren 150 dakika boyunca her 30 dakikada bir naftalinin çapı kaydedilir (Ek-1 de
Çizelge-2).
125
B Gazı
2zz
1zz zzAN
zzzAN
z = z3
A Sıvısı
Deney III: Sıvı içerisinde kararsız hal kütle transferi
Materyal: Kara Havuç
Metot: 1 cm kalınlığında ve 5-6 cm çapındaki bir havuç dilimi, 50 ºC de ve pH 2 olan
600 mL hacmindeki 0.1 M sitrik asit çözeltisine daldırılarak antosiyanin pigmentinin çözeltiye
geçmesi sağlanır. Her 30 dakikada bir çözeltiden örnek alınarak 525 nm de absorbans
okuması yapılır ve Ek-1 de verilen Çizelge-3 e kaydedilir. Antosiyanin derişimi pH
diferansiyel yöntemi ile siyanidin-3-glikoz cinsinden hesaplanır [4].
NOT: Havuçların başlangıç antosiyanin derişimini 2000 mg/kg , ε=29600 L/cm-mg,
MA=448.8 kg/kgmol olarak alınız.
3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
3.1. Deneysel Sonuçlar
Deney süresince ve deneyden sonra elde edilen veriler Ek-1 de verilen ilgili tablolara
kaydedilecektir.
3.2. Matematiksel Model
Kararlı hal gaz yayınımı:
Silindirik koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım varsa:
1
2lnA
AABA PP
PPz
PRTDN (31)
Şekil 3.1. Silindirik koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım
126
2
1ln1 A
AABA PP
PPrP
RTDNPA1
r = r1
NA
PA2
r = r2
Δr
r = r3
Küresel koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım varsa:
(32)
Şekil 3.2. Küresel koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım
Birim zamanda A bileşiğindeki azalış Eşitlik 33 de gösterildiği gibidir:
MAANdtdm
AA (33)
Şekil 3.1 deki sistemde sıvı yüksekliğinin z1 den z3 e düşmesi için gereken süre:
120
32f
20
2f
1A
2AABf
zzzzzz
zz
PPPP
ln
1D1
MAP2TR
t
(34)
Şekil 3.2 deki sistemde kürenin yarıçapının r1 den r3 e düşmesi için gereken süre:
2321
1A
2AABf rr
PPPP
ln
1D1
MAP2TR
t
(35)
1. Alkol ve naftalinin DAB değerlerini deneysel olarak hesaplayınız.
Soru: Silindirik ve küresel sistemler için toplam akıyı veren
Eşitlik 31 ve 32 yi türetiniz.
Soru: Eşitlik 34 ve 35 i türetiniz.
Soru: Zamanla aldığınız yükseklik ve çap verilerini kullanarak deneysel DAB değerleri nasıl hesaplanır?
127
Difüzyon katsayısının teorik olarak hesaplanması:
A-B gaz molekülü çiftinin difüzyon katsayısı Chapman ve Enskog Boltzman eşitliği
(Eşitlik 36) kullanılark hesaplanabilir.
2/1
BAAB,D2AB
2/37
AB MA1
MA1
PT108583.1D
(36)
2. Alkol ve naftalinin DAB değerlerini teorik olarak hesaplayınız.
3. Teorik ve deneysel DAB değerlerini birbirleri ile ve literatürdeki verilerle
karşılaştırınız.
4. Deney materyallerinin her biri için yarılanma süresini hesaplayınız.
Kararsız hal yayınım:
Sonsuz bir ortamda A bileşeninin herhangi bir x ve t deki konsantrasyonunu veren
formül:
xCx
xx1D
tC An
nABA (37)
Sonsuz plaka için n=1:
t)t,x(C
D1
x)t,x(C
AB
2
(38)
Sınır koşulları:
Başlangıç Sınır Koşulu: iC)0,x(C
Simetri Sınır Koşulu:
0x)t,0(C
Konveksiyon Sınır Koşulu:
Ct,xCk
x)t,x(CD
LxLX
AB
-L
+L
x=0
128
Eşitlik 38, sınır koşulları kullanılarak çözüldüğünde:
1n2AB2
nnnnn
n
i LtD
expLxCos
CosSinSin2
CCC)t,x(C
(39)
Çözüm bütün hacim üzerinden yapıldığından:
L
L
L
L 1n2AB2
nnnnn
n
L
L
L
L i
dxA
dxALtD
expLxCos
CosSinSin2
dxA
dxACCC)t,x(C
(40)
1n2AB2
nnnnn
n2
i LtD
expCosSin
Sin2CCC)t(C
(41)
tanDL.kBiAB
(42)
Karıştırmadan dolayı k ve Bi kabul edilerek λ hesaplanır.
5. Antosiyaninin su içindeki DAB sini hesaplayınız.
3.3. Tartışma
Bu çalışmada farklı geometrilerde kararlı hal ve kararsız hal kütle transferi için gerekli
yaklaşımlar verilmiş, deneysel ve teorik olarak difüzyon katsayılarının hesaplanma yöntemleri
anlatılmıştır. Deneysel ve teorik olarak hesaplanan difüzyon katsayılarını karşılaştırarak
yorumlayınız.
Soru: Biot (Bi) ve Fourier (Fo) sayılarının fiziksel anlamları nedir?
Soru: Bi olması için ?
Soru: Havuç dilimi sonsuz plaka olarak kabul edilerek Eşitlik 41 den difüzyon katsayısı nasıl hesaplanır?
129
4. Simgeler ve Kısaltmalar
A Alan (m2) Bi Biot sayısı C A ve B bileşenlerinin toplam derişimi (gmol A + B/m3) CA A bileşeninin derişimi (gmol A/m3) DAB A bileşeninin B bileşeni içindeki moleküler difüzyon katsayısı (m2/s) JA A bileşeninin molar akısı (kgmol/m2.s) jA A bileşeninin kütlesel akısı (kgmol/m2.s) k Kütle transfer katsayısı (m/s) mA A bileşeninin kütlesi (kg) MA Molekül ağırlığı (kg/kgmol) N Mol sayısı (kgmol) NA A bileşeninin toplam molar akısı (kgmol/m2.s) P A ve B bileşenlerinin toplam basıncı (Pa) PA A bileşeninin kısmi buhar basıncı (Pa) R Evrensel gaz sabiti (8314.3 Pa.m3/kgmol.K) R Yarı çap (m) T Zaman (s) T Sıcaklık (K) V Hacim (m3) wA A bileşeninin kütle kesri xA A bileşeninin mol kesri z Yükseklik (m) ε Molar absorptivite katsayısı (L/mg.cm) ρA Kütle derişimi (kg/m3) ΩD,AB Çarpışma integrali σAB Ortalama çarpışma çapı (A)
5. Kaynaklar
[1] Geankoplis, C.J., “Transport Process and Unit Operations”, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey, 921 s., (1993).
[2] Ekinci, E., Okutan, H., “Kütle İletimi”, İstanbul Teknik Üniversitesi Matbaası, İstanbul, 108 s., (1987).
[3] Incropera, P.F., DeWitt, D.P., “Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri”, Literatür Yayıncılık, İstanbul, 960 s., (2001).
[4] Guisti, M.M., Wrolstad, R.E., Current Protocols in Food Analytical Chemistry In
“Current Protocols in Food Chemistry”, John Wiley, New York, (2001).
130
EK-1. Deneysel veri kayıt tabloları
Çizelge 1. Alkol yüksekliği (z)
t (dk) z (cm)
0
30
60
90
120
150
Çizelge 2. Naftalin çapı (r)
t (dk) r (mm)
0
30
60
90
120
150
Çizelge 2. Antosiyanin absorbansı
t (dk) ABS
0
30
60
90
120
150
131
GIDALARIN DONDURULMASI
1. GİRİŞ
1.1. DONDURMA İŞLEMİNİN TEMEL İLKESİ
Dondurma, gıda maddelerinin yapısında bulunan suyun dondurulması ile bozulma
nedeni olan mikroorganizmaların yararlanamayacağı bir ortam yaratarak, zararları en az
düzeye indirmek amacıyla uygulanan bir soğuk saklama tekniğidir.
Dondurma işlemi ile mikroorganizma faaliyetlerinin yanında, gıdalarda bozulma
nedeni olan enzim aktivitelerine, kimyasal ve biyokimyasal olaylara da bir ölçüde engel
olunmakta ve bu tür olaylar yavaşlatılmaktadır (Bilişli, 1998).
1.2. DONDURMA İŞLEMİ
Sıvı bir maddeden enerji uzaklaşması sonucunda, maddenin sıvı fazdan katı faza
dönüşmesi olayına ‘donma’ denir. Enerjinin uzaklaştırılmasıyla sıvı fazdaki moleküllerin
serbest hareketleri gittikçe yavaşlar ve moleküller kendiliğinden kümeleşerek kendilerine
özgü düzenli bir yapıya dönüşme eğilimine girerler. Bu, faz değiştirmenin başlangıcıdır.
Suyun buz haline geçişinde kristallerin oluşumu ve kristallerin irileşmesi şeklinde iki aşama
bulunmaktadır. Oluşan kristallerin boyutları ortam sıcaklığına bağlıdır. Ortam sıcaklığı ne
kadar düşük olursa, oluşan kristalin boyutu da o kadar küçük olur. Kristallerin büyüme hızı da
ortamın sıcaklığı ile ortamdan ısının uzaklaştırılma hızına bağlıdır. Saf bir maddenin faz
değiştirmesi sadece kendine özgü bir sıcaklıkta gerçekleşebilmektedir. Su için bu sıcaklık
0C’dir (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003).Gıdalar %60-90 oranında su içerirler.
Gıdalardaki su, çok sayıda çözünmüş madde içeren bir çözelti niteliğindedir. Bu nedenle
donma 0C’den daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Su içinde çözünen madde derişimi
arttıkça donma noktası da düşer (Çizelge 1).
Çizelge 1. Bazı gıdaların su içerikleri ve donma noktaları (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003). Gıda Grupları Su İçeriği (%) Donma Noktası (C) Sebze Meyve Et Balık Süt Yumurta
78-92 87-95 65-70 65-81
87 74
(-0,8)-(-2,8) (-0,9)-(-2,8) (-1,7)-(-2,2) (-0,6)-(-2,0)
-(-0,5) -(-0,5)
132
Donma işlemi 3 aşamada gerçekleşmektedir:
1. Ürünün sıcaklığının donma noktasına kadar düşürülmesi,
2. Ürünün donma noktasında buz kristalleri oluşturarak donması,
3. Donmuş ürünün sıcaklığının donmuş yapıda istenen depolama sıcaklığına kadar
düşürülmesi.
Gıda maddelerinde, sıcaklık azaldıkça donan su miktarının arttığı görülmüştür. Donma
noktası altında sıcaklığa bağlı olarak su aktivitesi değerleri de değişmektedir. Örneğin,
dondurma işlemi öncesinde 0C’de su aktivitesi değeri 1,00 olan bir gıda maddesinin –20
C’deki su aktivitesi değeri 0,823 düzeyine inmektedir. Bu durumda bakteri gelişiminin
engellendiği görülmüştür (Bilişli, 1998).
1.2.1. DONMA İŞLEMİ TEORİSİ
Gıda için tipik donma eğrisi şekil 1’deki gibidir.
Şekil 1. Gıdaların tipik donma grafiği
AB': Soğuma: Sıcaklık donma sıcaklığının altına düşer.
B': Aşırı soğuma (supercooling): su sıvı haldedir.
B'C: Buz kristalleri oluşmaya başlar, kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar, sıcaklık donma
sıcaklığına yükselir.
CD': Buzlanma: buzlanma nedeni ile donmamış halde bulunan su içindeki katı madde
konsantrasyonu devamlı olarak artar ve sonuç olarak donma noktasında sürekli düşme
gözlenir.
133
D': Gıda maddesinde donmamış halde bulunan su, içindeki katı madde bakımından aşırı
doymuş hale gelir ve katı madde kristallizasyonu olur. Kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar.
Katı madde kristalizasyonunun başladığı noktadır.
D'E: Gıda maddesinin sıcaklığı dondurucu sıcaklığına düşer.
1.3. DONDURMA YÖNTEMLERİ
Bir gıdanın dondurulması, gıdadaki ısı enerjisinin bir soğutucuya (soğutma ortamı)
aktarılarak uzaklaştırılması suretiyle sağlanır. Soğutucu, gaz, sıvı veya katı halde bulunabilir.
1.3.1. Soğuk Hava İle Dondurma
En yaygın olarak kullanılan dondurma yöntemidir. Durgun havada ve hava akımında
dondurma olmak üzere iki şekilde uygulanır.
1.3.1.1. Durgun havada dondurma
Bu yöntemde kullanılan hava durgundur. Böyle bir dondurucunun esası, iyice izole
edilmiş bir soğuk odadır. Soğutma evaporatörü, tavanda, duvarda veya odanın ortasında
yukardan aşağıya uzanan borular demeti şeklinde bulunabildiği gibi dikine raflar şeklinde de
olabilir. Durgun havada dondurma yönteminde soğuk odanın sıcaklığı (-20)C- (-30)C
arasında bulunur. Hareketsiz veya çok yavaş hareketli bir havaya üründen olan ısı transferi
çok düşük olduğundan, dondurulmak üzere depoya konan gıda maddesinin donması çok uzun
süre alır. Donma süresi dondurulan materyalin büyüklüğüne, ambalajın niteliğine, dondurulan
birimler arasındaki boşluğa bağlı olarak birkaç saatten bir haftaya kadar değişebilir.
1.3.1.2. Hava akımında dondurma
Bu tip dondurucuların temel ilkesi havanın, dondurulan gıda maddesi ile evaporatör
arasında hızlı hareket etmesidir. Isı transfer katsayısı hava hızına bağlı olarak arttığından, gıda
maddesinin hızla dondurulması sağlanır. Bu yöntemde hava sıcaklığı -20C, -30C arasında
değişir. Hava akımında dondurma yönteminde çok değişik tipte donduruculardan yararlanılır.
Bunlardan en yaygın kullanılanı tünel donduruculardır. Tünel dondurucularda, dondurulacak
ürün ya bir bantla taşınır veya üst üste yerleştirilmiş kerevetlerden oluşan araba dizilerinin
tünel içindeki hareketiyle taşınır.
134
Akışkan Yatak Dondurucu
Bantlı dondurucularda bandın altından verilen çok yüksek hızlı havanın, bant
üzerindeki parçacıkları adeta havada yüzer halde tutmasına dayanan bir sistemdir. Bu tip
dondurucularda hava içinde yükselen ve geri düşen, adeta kaynamaya benzer bir hareket
gösteren parçacıkların her biri, tüm yüzeylerinden soğuk hava ile temas ederek hızla donar.
Bu şekilde her parçacığın ayrı ayrı donmasına, bireysel hızlı (Individually Quick Freezing-
IQF) denir. Kiraz, vişne, çekirdeksiz üzüm gibi bütün haldeki meyveler ile küp şeklinde
kesilmiş havuç ve patateslerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Spiral Bantlı Dondurucu
Yalıtılmış bir kabin içinde yer alan ve toplam uzunluğu 100-300 m arasında değişen
bir bant, dondurulacak ürünü spiral bir yol izleyerek aşağıdan yukarı doğru taşırken, soğuk
hava yanlardan verilir. Bandın spiral şekilde oluşu, az yer işgal eden küçük bir sistemde,
büyük miktarda hammaddenin dondurulmasına izin vermektedir.
1.3.2. Dolaylı Temas Metoduyla Dondurma
Bu yöntemde, içten soğutulan iki plaka arasına yerleştirilmiş ambalajlı ürünler, plaka
ile temas sonucunda dondurulur. Dondurulan ürün ile soğumayı gerçekleştiren soğutucu
arasında plaka bulunduğundan bu yönteme “dolaylı temas metoduyla dondurma” denir.
En yaygın plakalı dondurucular, çoklu plakalı dondurucu şeklinde olanlardır. Bunlarda
iyi izole edilmiş bir kabin içinde, raf şeklinde bir çok plaka yer almaktadır. Paketlenmiş gıda
maddesi bu plakalar arasına düzenli bir şekilde yerleştirilir. Raf dizisi hidrolik bir düzenle
yavaş bir şekilde sıkıştırılır. Plakalar yüklendikten sonra kabin kapıları kapatılır ve soğutucu
istenen derecede çalıştırılır. Kabin şeklindeki plakalı dondurucular, kesikli çalışmakta ve
genellikle her 2 saatte bir boşaltılmaktadır.
Sürekli çalışan plakalı dondurucular da vardır. Örneğin bu sistemlerden birisinde, bir
seri çift ‘raf plaka’ bulunur. Bir raf çiftinin, dondurucunun dışında bulunduğu sırada, bantla
taşınan ambalajlı ürünler otomatik olarak buraya doldurulur. Bu istiflenmiş raf, dondurucuya
girip yukarı doğru hareket ederken, biraz önce boşaltılmış rafa yeni bir yerleştirme başlar. Her
raf dondurucuda bir devir yapınca donma tamamlanır ve donması tamamlanmış her raf sıra ile
boşaltılır.
135
1.3.3. Daldırarak Dondurma
Bu yöntemde dondurulacak ürün, ambalajlanmış veya ambalajlanmamış olarak, düşük
derecelere kadar soğutulmuş uygun bir sıvıya daldırılmakta veya bu sıvı ürün üzerine
püskürtülmektedir. Daldırarak dondurma işlemi için kullanılan sıvılar, düşük sıcaklıklarda
dahi donmamalıdır; gıda ile doğrudan temas eden sıvılar toksik etkili olmamalı, yabancı renk,
koku ve tat içermemeli, gıdanın rengini değiştirmemelidir.
Daldırarak dondurmada kullanılan donma noktası düşük sıvılardan en yaygınları,
salamura, şeker şurubu ve gliserol çözeltileridir. Bu sıvılarla donma noktası -20C,-30C’ye
düşürülebilir.
1.3.4. Kriyojenik Sıvılarla Dondurma
Kriyojenik dondurmada herhangi bir soğutma sistemine gerek bulunmamakta, soğuma
ve donma doğrudan bir kriyojen maddeden yararlanılarak sağlanmaktadır. Kriyojenik madde,
soğutulan materyalden ısı absorbe ederek (gizli ısı) faz değiştiren soğutucu maddedir.
Çok değişik kriyojenik maddeler bulunmaktadır, fakat günümüzde gıdaların
dondurulmasında sadece sıvı azot ve sıvı karbondioksit kullanılmaktadır. Karbondioksitin
kaynama noktası -57,6C; sıvı azotun kaynama noktası ise -196C’dir. Bir çok kriyojenik
maddenin kaynama noktası çok düşüktür. Çok düşük kaynama noktasına sahip kriyojen
maddeler ile dondurma işlemi sırasında ani ısı transferi sonucunda, gıdanın çatlaması,
parçalanması gibi mekanik zedelenmeler meydana gelir. Bu sebeple, kriyojen maddelerin
kaynama noktalarının -50C ve -60C arasında olması ve yüksek bir buharlaşma gizli ısısına
ihtiyaç duymaları istenir (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003).
1.4. DONDURULMUŞ GIDALARIN ÖZELLİKLERİ
1.4.1. Yoğunluk
Su, donarken hacmi artmakta, yoğunluğu azalmaktadır. Buzun yoğunluğu suyun
yoğunluğundan daha düşüktür. Donmuş bir gıdanın yoğunluğu da donmamış gıdanın
yoğunluğuna göre daha düşük olacaktır. Dondurulan gıdanın yoğunluğunun donma süresince
sabit kaldığı varsayılmaktadır ancak gerçekte donma süresince değişmektedir (Şekil 2).
136
Şekil 2. Çileğin dondurulması sırasında yoğunluğunun sıcaklıkla değişmesi (Singh ve
Heldman, 2001)
1.4.2. Isıl İletkenlik
Buzun ısıl iletkenliği suyun ısıl iletkenliğine göre daha fazladır. Dondurulmuş gıdanın
ısıl iletkenliği de sıcaklığının azalmasıyla artmaktadır (Şekil 3).
Şekil 3. Donmuş yağsız biftekte, ısıl iletkenlik katsayılarının sıcaklıkla değişmesi
(Singh ve Heldman, 2001)
1.4.3. Entalpi
-40C ‘de entalpi 0 kj/kg’a yaklaşmaktadır. Sıcaklığın -40C’den 0C’ye yükselmesi
durumunda ise entalpi değeri artmaktadır (Şekil 4).
137
Şekil 4. Kirazın dondurulmasında, entalpisinin sıcaklığa göre değişmesi (Singh ve
Heldman, 2001)
1.4.4. Özgül Isı
Gıdaların nem içeriklerine göre özgül ısıları değişmektedir; nem içeriği azaldıkça
özgül ısı azalmaktadır. Sıcaklık -40C’ ye yaklaştıkça gıdaların özgül ısıları azalmaktadır.
Şekil 5. Kirazın dondurulması sırasında özgül ısı değerinin sıcaklıkla değişmesi (Singh
ve Heldman, 2001)
1.4.5. Isıl Yayınım Katsayısı
Isıl yayınım katsayısı, gıdanın ısıl iletkenlik, yoğunluk ve özgül ısı değerlerine göre
değişmektedir. Donma noktası altında yoğunluk ve özgül ısı değeri azalmakta, ısıl iletkenlik
138
değeri artmaktadır. Bu değerlere bağlı olarak, ısıl yayınım katsayısı artmaktadır (Singh ve
Heldman, 2001).
Şekil 6. Bazı gıdaların ısıl yayınım katsayılarının sıcaklıkla değişmesi (Singh ve
Heldman, 2001).
1.5. DONMA SÜRESİ
Isıl merkez (ürünün en geç soğuyan noktası) sıcaklığının, başlangıçtaki sıcaklıktan, bu
noktada kristallenme başlayıp, donma noktasının altında belirli bir sıcaklığa düşmesi için
gereken süre donma süredir. Donma süresini, gıdanın ısıl iletkenlik katsayısı, ısı transferinin
gerçekleştiği yüzey alanı, gıdanın kalınlığı, gıdanın ambalajı, gıdanın ve dondurucu ortamın
sıcaklık farkı ile yüzey filmi etkilemektedir. Dondurma işlemi sırasında oluşan, gıdanın
yüzeyinde hareketsiz duran ve ısı transferini güçleştiren tabakaya yüzey filmi denilmektedir.
Bu filmin kalınlığı arttıkça ısı transferi güçleşir. Akışkanın hızı arttıkça bu filmin kalınlığı
azalır ve ısı transferi artar.
1.6. DONMA SÜRESİNİN HESAPLANMASI
Donma süresinin hesaplanmasında, gerçeğe oldukça yakın sonuç veren en basit eşitlik
Planck tarafından önerilmiştir. Planck eşitliğinin doğruluğunu artırmak için birçok araştırmacı
bu eşitlikte iyileştirme yapmıştır. Bazı araştırmacılar da donma süresinin hesaplanması
amacıyla daha karmaşık yeni yöntemler ve farklı eşitlikler önermişlerdir. Bunların başlıcaları,
Cleland ve Early, Hung ve Thomson ve Pham tarafından önerilenlerdir.
139
Üründen ortama ısı Üründen ortama ısı
aktarımı, q aktarımı, q
Th
a
Şekil 7. Donma sırasında sıcaklık profili
Donmuş plakada iletimle ısı transferi, yalancı kararlı hal koşulları kabul edilebilecek
kadar yavaş olmaktadır. Şekil 7’de a kalınlığında bir plaka, her iki tarafından konveksiyonla
soğutulduğunda, t zaman sonra plakanın iki yüzeyinden x kalınlık donmaktadır. Ortam
sıcaklığı sabit T ve donma sıcaklığı TF ise maddenin merkezindeki donmamış bölge de TF
sıcaklığında olur. t zamanında maddeden uzaklaşan q ısısı, yalancı-kararlı hal koşulları kabul
edildiğinden ısıl taşınılma (konveksiyon) uzaklaşan ısıdır (Geankoplis, 1993, Sigh ve
Heldman 2001). Üründen ortama ısıl taşınım;
( )sq hA T T (1.1)
Burada A, yüzey alanıdır ve ısı donmuş bölgenin x kalınlığı boyunca kararlı koşullarda
iletimle iletilir. Ürünün donmuş bölgelerinde ısı iletimi;
( )F skAq T Tx
(1.2)
Eğer dt süresince maddenin dx kalınlığı donuyorsa; A yüzey alanına sahip maddenin donmuş
bölgesinin ağırlığı şöyle hesaplanabilir;
f f fm V Adx (1.3)
Kütle, gizli ısı ile çarpılıp dt zamanına bölünürse q aşağıdaki eşitlik gibi düzenlenebilir.
f ff f
Adx dxq Adt dt
(1.4)
Burada ρ, donmamış maddenin yoğunluğudur. Eşitlik (1.1) ve (1.2)’leri kullanılıp Ts değeri
elimine edilerek denklem yeniden düzenlenirse aşağıdaki eşitlik elde edilir.
( )/ 1/F
f
T T Aqx k h
(1.5)
Eşitlik (1.4) ve (1.5) eşitlenirse eşitlik (1.6); tekrar düzenlenip t=0 ve t=t ile x=0 ve x=a/2
aralıklarında integrali alınırsa eşitlik (1.7) elde edilir.
Donmuş
Bölge
k
x
Donmamış
Bölge
TF TF
Donmuş
Bölge
x
140
( )/ 1/F
f ff
T T A dxAx k h dt
(1.6)
/ 2
0 0
1( ) ( )t a
F f ff
xT T dt dxk h
(1.7)
İntegral çözüldüğünde, Plank’a göre sonsuz plakanın donma süresini veren eşitliğe ulaşılır. 2
( )2 8
f f
F f
a atT T h k
(1.8)
Eşitlik 1.8, diğer tüm şekiller için genelleştirildiğinde Plank eşitliğinin yaygın olarak
kullanılan formu elde edilir (Eşitlik 1.9). Sonsuz plakanın kalınlığı olan a, sonsuz silindir ve
küre için çaptır (Sigh ve Heldman 2001). 2
' 'f ff
F f
a at P RT T h k
(1.9)
f su sum x ( %sum örnek su miktarı ; 333.2 /su kJ kgK )
Çizelge 2. Gıdanın geometrik şekline göre P’, R’ ve E değerleri
Gıdanın Geometrik Şekli P' R' E Sonsuz plaka 1/2 1/8 1 Sonsuz silindir 1/4 1/16 2 Küre 1/6 1/24 3
Planck eşitliğinin kullanılabilmesi için gerekli koşullar ve varsayımlar:
1- Dondurulacak materyalin donma başlangıç sıcaklığına ulaştığı andan sonra geçen
süreyi kapsamaktadır. Materyalin dondurucuya girdiği andan, donma başlangıç
sıcaklığına kadar geçen süre hesaplama dışında kalmaktadır.
2- Dondurulan gıdanın yoğunluk ve ısıl iletkenlik katsayılarının donma süresince
sabit kaldığı,
3- Donma noktasının sabit kaldığı,
4- Gıdadaki suyun miktarına bağlı olarak donma gizli ısı da değişmektedir. Donma
gizli ısısının değişmediği kabul edilir.
141
Donma süresinin hesaplanmasında kullanılan diğer bir eşitlik Cleland eşitliğidir. Bu eşitlik
aşağıda verilmiştir:
2
12
2
1
1 BiTH
TH
hRt plaka (1.10)
Et
t plaka (1.11)
E şekil faktörüdür; sonsuz plaka, sonsuz silindir ve küre olmayan gıdalar için aşağıdaki
formülden hesaplanır.
Bi
Bi
Bi
BiE22
212
12
21
2
211
(1.12)
21 RA
(1.13)
3
1
2
34 R
V
(1.14)
f
hRBik
(1.15)
1 3u u iH C T T (1.16)
2 3f f f fH C T T (1.17)
TTT f 105,0263,08,13 (1.18)
31 2
iT TT T
(1.19)
TTT 32 (1.20)
[Ti: Patatesin başlangıç sıcaklığı (°C); T∞: Dondurucu ortam sıcaklığı (°C); Tf: Dondurulmuş
patatesin son sıcaklığı (°C)]
1.7. DONMA HIZI
142
Donma hızı (C/saat), gıdanın ilk sıcaklığı ve son sıcaklığı arasındaki farkın donma
süresine bölümüyle elde edilir (Singh ve Heldman, 1993).
2. MATERYAL VE METOT
2.1. MATERYAL
Deneyde dondurucu (durgun ve hava akımlı), silindir kalıp, ısıl çift, sonsuz silindir
şeklinde alüminyum cisim ve iki adet patates kullanılacaktır.
2.2. METOT
2.2.1. Deneysel Metot
a) Donma Sürelerinin Belirlenmesi
Deney, durgun ve hareketli havada dondurma olmak üzere iki şekilde yapılacaktır.
Silindir kalıp ile patatese sonsuz silindir şekli verilir. Patatesin merkezine ve dondurucu
içerisine ısıl çift yerleştirilir. Patates dondurucuya konulur ve dondurma işlemi başlatılarak
patatesin merkez sıcaklığı ile dondurucu ortamın sıcaklığı belli zaman aralıklarında kaydedilir
(30 sn de bir veri alınması yeterli olmaktadır). Deneysel olarak donma süresi belirlenir.
b) Dondurma İşlemi İçin Isı Trasfer Katsayısı Değerinin (h:W/m2K) Belirlenmesi
Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismin merkezine ve dondurucu içerisine ısıl çift
yerleştirilir. Daha sonra cisim dondurucuya yerleştirilir ve dondurma işlemi başlatılarak
cismin merkez sıcaklığı ile dondurucu ortamın sıcaklığı belli zaman aralıklarında kaydedilir
(30 sn de bir veri alınması yeterli olmaktadır). Deney durgun ve hareketli hava koşullarında
ayrı ayrı yapılır.
2.2.2. Matematiksel Metot
a) Donma Sürelerinin Belirlenmesi
Planck eşitliği ve Cleland eşitliği kullanılarak donma süresi hesaplanır.
b) Dondurma İşlemi İçin Isı Trasfer Katsayısı Değerinin (h:W/m2K) Belirlenmesi
143
Dondurma işlemi için ısı transfer katsayısı Lumped Sistem metodu kullanılarak
belirlenecektir. Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismin ısıl iletim katsayısı (k) oldukça
yüksektir ve cismin merkezi ile yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı ihmal edilebilir düzeydedir.
Cisim içerisinde sıcaklık konuma bağlı olarak değişmezken sadece zamanın bir
fonksiyonudur.
Lumped sistemde alüminyum silindir soğurken cismin iç enerji değişimi yüzeyde
konveksiyonla olan ısı kaybına eşit olmaktadır (Eşitlik 1.21);
pdThA T T mcdt (1.21)
0
ln ln lni
t
p ip p i
d dTT Tdt dt
d hA d hA T ThA mc dt tdt mc mc T T
(1.22)
p
hA tmc
i
T TeT T
(1.23)
lni
T TT T
ye karşı (t) zaman grafiğe geçirildiğinde elde edilen eğrinin lineer kısmının
eğimi;-p
hAmc
değerini verir. Bu eşitlikten de ortamın ısı transfer katsayısı (h) değeri hesaplanır.
T: Cismin zamanla değişen sıcaklığı (°C);
Ti: Cismin başlangıç sıcaklığı (°C)
T∞: Dondurucu ortam sıcaklığı (°C);
h: Ortam ısı transfer katsayısı (W/m2K)
A: Cismin yanal yüzey alanı (m2)
m: Cismin kütlesi (kg)
cp: Cismin ısı kapasitesi değeri (J/kgK)
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
144
3.1. DENEYSEL VERİLER
Patatesin nem içeriği = % k Al = W/mK k patates = W/mK ρ patates = kg/m3 λdonma gizli ısısı(su) = kj/kg D Al = m D patates = m (durgun hava deneyindeki) D patates = m (hareketli hava deneyindeki)
MAl = kg cp Al = J/kgK LAl = m İşlenmemiş veri tablosu;
Durgun hava deneyi için veriler Hareketli hava deneyi için veriler
t (dk) Tmerkez Al
(C)
Tortam (C) t (dk) Tmerkez Al
(C)
Tortam (C)
Durgun hava deneyi için veriler Hareketli hava deneyi için veriler
t (dk) Tmerkez patates Tortam (C) t (dk) Tmerkez patates Tortam (C)
145
(C) (C)
3.2. DENEY SONRASI YAPILACAK HESAPLAMALAR
146
1. Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismi kullanılarak zamana karşı sıcaklık
değişimlerini kaydettiğiniz deneyde her iki durum için (durgun hava ve hareketli hava)
elde ettiğiniz deneysel verileri kullanarak her bir t anı için lni
T TT T
değerlerini
hesaplayınız ve zamana karşı grafiğe geçiriniz. Elde ettiğiniz eğrilerin lineer
kısımlarının eğimlerini kullanarak; her iki durum için ayrı ayrı ısı transfer katsayısı (h)
değerlerini hesaplayınız.
2. Patatesin durgun havada ve hareketli havada dondurulması işlemleri sırasında elde
ettiğiniz sıcaklık verilerini zamana karşı grafiğe geçirerek tek bir grafikte sıcaklık-
zaman eğrilerini gösteriniz.
3. Her iki durum için deneysel donma sürelerini belirtiniz.
4. Planck eşitliğini ve Cleland eşitliğini kullanarak teorik donma süresini hesaplayınız.
5. Her iki dondurma işlemi için donma hızlarını hesaplayınız.
3.3. TARTIŞMA VE ÖNERİLER
- Zamana karşı sıcaklık grafiğinden, örneğin donma sıcaklığını tanımlayınız.
- Her iki dondurma işlemi için de deneysel ve teorik donma sürelerini tanımlayarak bu süreler
arasındaki farklılığın sebebini açıklayınız.
- Durgun hava ve hareketli havadaki donma hızlarını karşılaştırarak donma hızını etkileyen
faktörleri açıklayınız.
- Durgun havada ve hareketli havada dondurma işlemlerinin avantaj ve dezavantajlarını
açıklayınız.
- Donma sürelerini göz önünde bulundurarak Planck eşitliği ve Cleland eşitliğini
karşılaştırınız.
SİMGELER VE KISALTMALAR
tf : Donma süresi, saniye
147
ρ : Dondurulan gıdanın yoğunluğu, kg/m3 λ : Donma gizli ısısı, kj/kg TF : Donma başlangıç sıcaklığı, C T∞ : Ortam sıcaklığı, C Ti : Gıdanın başlangıç sıcaklığı, K Tf : Gıdanın son sıcaklığı (merkez), K a : Dondurulan gıdanın kalınlığı, m (Küre veya silindir şeklindeki materyallerde
çap, plaka için kalınlık) h : Isı transfer katsayısı, W/m2K k : Donmuş gıdanın ısı iletim katsayısı, W/mK Cu : Donmamış gıdanın ısı kapasitesi, kj/kgK Cf : Donmuş gıdanın ısı kapasitesi, kj/kgK ΔH1 : Donmadan önceki soğuma sırasındaki volumetrik entalpi değişimi ΔH2 : Donma sırasındaki ve sonrasındaki volumetrik entalpi değişimi ΔT1 : Donmadan önceki soğuma sırasındaki sıcaklık farkı ΔT2 : Donma sırasındaki ve sonrasındaki sıcaklık farkı Bi : Biot sayısı P' : Dondurulan gıdanın geometrik şekline bağlı katsayı R' : Dondurulan gıdanın geometrik şekline bağlı katsayı A : Radyal yöndeki en küçük kesit alanı, m2 V : Toplam hacim, m3 R : Termal merkezden yüzeye olan en küçük uzaklık, m
4. KAYNAKLAR
Bilişli, A. “Gıdaların Dondurularak Muhafazası”, Tarımsal Araştırmaları Destekleme ve Geliştirme Vakfı, Yalova, (1998) Cemeroğlu, B. Özkan ve M. Karadeniz, F. “Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi”, Başkent Klişe Matbaacılık, Ankara, (2003) Geankoplis, C. “Transport Processes and Unit Operations”, Prentice-Hall International, Inc. USA, (1993) Singh, P.R. ve Heldman, D.R. “Introduction to Food Engineering” Academic Pres, INC. USA, (2001)
Recommended