طراحی انواع وان های شستشوی سبزیجات

 در طراحی وان های شستشوی مواد غذایی، اولین نکته تخمین مقدار آبی است که میتواند مقدار مشخصی از مواد را شستشو دهد. این نتایج و اعداد معمولا به صورت تجربی قبل از هرگونه طراحی بدست می آیند. همچنین شستشو باید در چند مرحله و به صورت جدا از هم صورت بگیرد تا از مخلوط شدن آب آلوده و آب تمیز جلوگیری شود. در اینجا هدف از شستشو پاک کردن سبزیجات از گرد و خاک است به طوری که بتوان آن را به صورت خام مصرف کرد.

پس از معلوم شدن وزن محصولی که باید شسته شود و مقدار آب مصرفی، نوبت به طراحی وان ( مخزن شستشو ) میرسد. در اینجا روشی که برای شستشو تعریف شده است، به صورت شستشو با دوش ( چند نازله و تک نازله ) است. تعداد مراحل شستشو طراحی نهایی وان را مشخص میکند. بهترین نوع شستشو، شستشو با آب پرفشار است که در این روش، هم آب کمتری مصرف میشود و هم نتیجه ی نهایی بهتر خواهد بود.

در نظر بگیرید که برای شستشوی مقدار معینی از سبزیجات قرار است از سیستم دوش آب استفاده شود و به طور مداوم آب از داخل وان به داخل دوش ها پمپاژ میشود. چه نیرویی برای جا به جایی این حجم از آب نیاز است ؟ قبل از انجام محاسبات، داده های اولیه که بر اساس تجربه بدست آمده مهم است : دبی جریان خروجی از هر یک از نازل های دوش ( بر حسب لیتر بر دقیقه  یا گالن بر دقیقه ) و فشار آب خروجی ( بر حسب پاسکال یا psi  ) .

در اینجا باید معادله تعادل انرژی مکانیکی ( قانون برنولی ) را در نظر بگیریم. به طور مشخص انرژی ای که توسط پمپ تولید میشود و انرژی که در طول مسیر آبرسانی مصرف میشود باید برابر باشد. با محاسبه ی انرژی مصرف شده، قدرت مورد نیاز پمپ را بدست خواهیم آورد. پس از ترسیم کردن طول مسیر لوله کشی و المان های اتصال ( که شامل زانو ها، سه راهی ها، شیر ها و … است ) و سایز لوله ها ( سایز لوله ها با توجه به فشاری که میخواهیم در انتهای مسیر داشته باشیم، انتخاب میشود ) نوبت به محاسبه ی هد Head  مورد نیاز میرسد. در آغاز باید بدانیم هر پمپی با دو مشخصه ی کلی شناخته میشود : ۱. Head   ۲. دِبی ( نرخ جریان )Flow rate  ( دانشمندان از مفهوم وزن مخصوص برای مقایسه چگالی یک ماده با چگالی آب استفاده می کنند.علت آنکه برای محاسبه ی انرژی تولید شده توسط پمپ از مفهوم head  به جای Pressure استفاده میکنیم این است که فشار پمپ با توجه به وزن مخصوص تغییر میکند اما head  ثبات میماند. Head  مربوط به سرعتی است که مایع هنگام عبور از پمپ بدست می آورد)

هد Head  حداکثر ارتفاعی است که یک پمپ میتواند سیالی را ضد نیروی جاذبه جا به جا کند.

دبی Flow rate  حجمی از سیال است که پمپ در زمان مشخص ( معمولا دقیقه ) میتواند جا به جا کند.

هنگامی که سیال در داخل یک خط لوله جریان می یابد، اصطکاک بین سیال متحرک و دیواره لوله ثابت، رخ می دهد. این اصطکاک مقداری از انرژی هیدرولیکی سیال را به انرژی حرارتی تبدیل می کند. این انرژی حرارتی نمی تواند دوباره به انرژی هیدرولیک تبدیل شود، بنابراین سیال افت فشار را تجربه می کند. این تبدیل و از دست دادن انرژی به عنوان افت هد Head loss شناخته می شود. افت هد سیالات نیوتنی در خط لوله را می توان با استفاده از معادله دارسی ( معادله ۱ ) تعیین کرد.

hL  = افت هد ( feet)
f  = ضریب اصطکاک دارسی ( بدون بعد )
L = طول لوله ( feet )
D  = قطر داخلی لوله  ( inch )
v  = سرعت سیال ( feet per second )
g = ثابت گرانش ( ۳۲.۲ feet/sec۲ )

d = قطر داخلی لوله ( inch  )
Q = دبی جریان ( gallons/minute )

ارزیابی معادله دارسی بینشی صحیح در مورد عوامل موثر بر افت هد در یک خط لوله فراهم می کند. اگر طول ( ارتفاع ) لوله دو برابر شود، افت هد دو برابر می شود. اگر قطر لوله داخلی دو برابر شود، افت هد به نصف کاهش می یابد. اگر سرعت جریان دو برابر شود، افت هد به میزان چهار برابر افزایش می یابد. به استثنای ضریب اصطکاک دارسی، هر یک از فاکتورها را می توان به راحتی اندازه گیری کرد. ضریب اصطکاک دارسی از جدولی موسوم به جدول مودی moody diagram  قابل استخراج است. جدول مودی رابطه ی بین زبری دیواره ی لوله، عدد رینولدز و ضریب اصطکاک دارسی را بیان میکند.

برای محاسبه ی عدد رینولدز ( که میزان جریان آرام یا  متلاطم را نشان میدهد ) به چند فاکتور نیاز داریم . ویسکوزیته دینامیکی سیال ( آب ) متناسب با دمای آن است که از جداول مربوط به آن قابل استخراج است. سرعت سیال نیز از تقسیم دبی بر مساحت سطح مقطع لوله بدست میآید. چگالی آب و طول مسیر نیز مشخص است.  پس از جا گذاری در معادله زیر عدد رینولدز مشخص میشود.

بعد از مشخص شدن عدد رینولدز ، میتوانیم با جا گذاری در معادله ی ۱ ، مقدار افت ِ هد را بدست آوریم.

حال معادله ی تعادل انرژی مکانیکی در سیالات ( فرم ِ هِد قانون برنولی ) را برقرار میکنیم تا ببینیم هد ِ مورد نیاز ( هِدی که باید توسط پمپ تامین شود تا افت هد را جبران کند ) چه عددی باید باشد ؟

با جایگذاری مقادیر در فرمول بالا، هدِ پمپ بر حسب ” متر ” بدست خواهد آمد.

 وجود خم ها ، شیر ها ، سه راهی ها و … در مسیر، افت ِ هد های دیگری را ایجاد میکند ( به علت کم کردن سرعت سیال در مسیر )  که باید به هدِ پمپ اضافه شود. با دانستن مسیر لوله کشی و محاسبه ی تعداد این المان ها، مقادیر مرتبط را از جداولی مانند جدول زیر استخراج میکنیم و به هدِ پمپ اضافه میکنیم.

حال مشخص شد که پمپ آب چه مشخصه ای ( بر حسب Head ) باید داشته باشد. انرژی مورد نیاز جهت تامین این مقدار Head  با توجه به توانی که داخل خود پمپ اتلاف میشود قابل محاسبه است.

توان هیدرویلیکی مورد نیاز برای دستیابی به مقدارمشخصی از Head از فرمول زیر بدست می آید ( بر حسب  kw) :

برای بدست آوردن توان شفت، توان هیدرولیک را بر بازده پمپ ( معمولا ۷۵ % ) تقسیم میکنیم. سپس با توجه به جدول زیر ضریب اصلاح توان را برای توان نهایی اعمال میکنیم.