الإستفادة من المبادلات الحراریة فی تجفیف مخلفات المزارع السمکیة

نوع المستند : Original Article

المؤلفون

1 أستاذ مساعد- قسم الهندسة الزراعیة- کلیة الزراعة- جامعة کفرالشیخ، کفرالشیخ 33516- مصر

2 مدرس-قسم الهندسة الزراعیة- کلیة الزراعة- جامعة کفر الشیخ، کفرالشیخ 33516- مصر

3 باحث أول- معهد بحوث الهندسة الزراعیة- الدقی- الجیزة- مصر

4 طالب ماجستیر- قسم الهندسة الزراعیة- کلیة الزراعة- جامعة کفرالشیخ، کفرالشیخ 33516- مصر

المستخلص

یولد إرتفاع أسعار الأعلاف الحیوانیة والسمکیة فی مصر فجوة کبیرة فی مجال التغذیة، حیث یتطلب ذلک البحث عن مصادر جدیدة للبروتین الحیوانی مثل مرکزات الأعلاف المحلیة بدلاً من إستیرادها. حیث یتم إهدار کمیات کبیرة من الأسماک صغیرة الحجم عند حصاد المزارع السمکیة وإلقائها على الأرض دون أی استغلال. لذلک أصبح من الضروری معالجة  تلک المخلفات من أجل الحصول علی  مرکزات أعلاف منخفضة التکالیف. لذلک یهدف هذا البحث إلی تجفیف عینة من مخلفات الأسماک بأبعاد 3,6±1,4سم طول، 2±0,7سم سمک ووزنها 19±2,88 جرام، بإستخدام تیار من الهواء الساخن الناتج من المبادلات الحراریة. أجریت التجربة خلال شهر سبتمبر لعام 2015م بمرکز میکنة الأرز بمیت الدیبة، محافظة کفرالشیخ.
الهدف العام من الدراسة الحالیة هو الإستفادة من المبادلات الحراریة فی تحسین الکفاءة الحراریة لعملیة التجفیف الشمسی لمخلفات المزارع السمکیة بهدف إنتاج الأعلاف المرکزة المستخدمة فی عملیة التغذیة للإنتاج الحیوانی.تم دراسة المتغیرات البحثیة الأتیة:
1-     دراسة التحلیل الریاضی للمبادلات الحراریة
2-     دراسة تأثیر سرعة هواء التجفیف (1,5،2 ،3م/ ث) خلال نوعین من المبادلات الحراریة (المتوازی و المتقابل الانسیاب)
3-     بحث وتطبیق التکامل بین کلاً المجمع الشمسی والمبادل الحراری فی تحسین الکفاءة الحراریة لعملیة التجفیف الشمسی لمخلفات الإسماک
ویتکون نظام التجفیف الشمسی من: غرفة التجفیف ، المجمع الشمسی  والمبادل الحراری (المتوازی والمتقابل الانسیاب).

1- المجففات الشمسیة من نوع الصوبة

یوجد غرفتین للتجفیف لهما نفس الأبعاد الهندسیة: ( 2م طول × 1م عرض × 0,9م إرتفاع).  وتم تغطیة جمیع الجوانب من البلاستیک البولی إثیلین، وضعت تحت الظل لتجنب تأثیر أشعة الشمس المباشرة علی غرفة التجفیف من أجل دراسة أداء المبادلات الحراریة. ویتم تعلیق غرفة التجفیف بواسطة خلیة الوزن لمعرفة الوزن الکلی لغرفة التجفیف، ثم یتم توصیل المبادل الحراری بغرفة التجفیف بواسطة وصلة معدنیة معزولة حراریاً. حیث یوجد فتحة فی الجانب الآخر فی أسفل غرفة التجفیف ویثبت علیها مروحة  لسحب بخار الماء الساخن الناتج عن عملیة التجفیف وبسرعات هواء مختلفة (1,5، 2 ، 3م/ث). وأیضا فی الجزء العلوی من الغرفة یوجد فتحه لدخول  الهواء الساخن الناتج من المبادل الحراری بحیث یمر الهواء الساخن لتجفیف مخلفات الأسماک.
2- المجمع الشمسی
المجمع الشمسی عباره عن إطار خشبی مسطح أبعاده (1 × 1م) ویتم تغطیتة  بلوح زجاجی شفاف سمکه 6مم وبداخله لوح ماص مطلی باللون الداکن لامتصاص أشعة الشمس، ثم یتم وضع أنابیب من النحاس التی تمر من خلالها المیاه لتسخینها، والمسافة بین کل أنبوب والآخر 15سم ومتصله بخزان میاه معزول حراریاً سعته 150 لتر.
3- المبادل الحراری
عباره عن إسطوانتین: الإسطوانة الداخلیة مصنوعة من الحدید المجلفن قطرها 0,3048م وطولها 1,5م وسمکها 0,0009م ویتم ملئ ماسوره مرور الهواء بأسلاک دقیقة من الحدید التی تعمل علی إعاقة مرور الهواء فتزید من مساحة السطح المعرض للهواء. وبعد ذلک یتم وضعها داخل إسطوانة أخرى قطرها 0,5م حیث یمر بها الماء الساخن، وبعد ذلک یتم عزل المبادل الحراری من الخارج بالصوف الزجاجی سواء یمر الهواء فی نفس إتجاه المیاه أو فی الإتجاه المعاکس.
4- مخلفات الأسماک
تم الحصول على مخلفات الأسماک (الأسماک الصغیرة) من المزارع السمکیة من قریة دمرو، مرکز سیدی سالم، بمحافظة کفر الشیخ. ثم نقلها إلى مرکز میکنة الأرز بمیت الدیبة، محافظة کفرالشیخ وکان المحتوى الرطوبی 76,9±1٪ على أساس رطب.
ویمکن تلخیص أهم نتائج الدراسة کما یلی:
1-          حققت سرعة هواء التجفیف 1,5م/ث أقصی معدل تجفیف لنظامی المتوازی والمتقابل الانسیاب  هو 0,283 & 0,420کج ماء/ (کج مادة جافة. دقیقة)، على الترتیب.
2-          یقل زمن التجفیف بزیادة درجة حرارة هواء التجفیف ، وأظهرت النتائج ان نوعیة المبادل الحراری (المتوازی أوالمتقابل الإنسیاب) له تأثیر کبیر على عملیة تجفیف مخلفات الأسماک.
3-         المحتوی الرطوبی النهائی لنظامی المبادل الحراری المتوازی والمتقابل الإنسیاب هو 11,43 ، 6,43٪ علی اساس رطب علی الترتیب عند سرعة هواء تجفیف 1,5م/ث والتی أجربت فی ثلاثة أیام تجفیف.
4-          أعلی طاقة حراریة منقولة من الماء للهواء هی 2,21 ، 2,81 کیلووات للمبادل الحراری المتوازی والمتقابل الانسیاب علی الترتیب عند سرعة هواء تجفیف 3م/ث مقارنة بسرعات الهواء الأخری.
5-          المقاومة الحراریة للمبادل الحراری المتقابل الإنسیاب أقل منها للمتوازی الإنسیاب عند سرعات هواء التجفیف تحت الدراسة. لأن درجة حرارة الهواء الخارج من المبادل الحراری المتقابل الإنسیاب أعلی من المتوازی الإنسیاب.
6-          أعلی کفاءة حراریة للمبادل الحراری المتوازی الإنسیاب هی 28٪ عند سرعة هواء تجفیف 1,5م/ث والمتقابل الإنسیاب 20٪ عند سرعة هواء تجفیف 2م/ث.
7-          المحتوی الرطوبی لمخلفات الأسماک ینخفض جدا بتقدم زمن التجفیف، حیث أن معدل الإنخفاض فی المحتوی الرطوبی لمخلفات الأسماک لنظام المبادل الحراری المتقابل الإنسیاب أعلی منه مقارنة بالنظام المتوازی الإنسیاب خلال فترات عملیة التجفیف.
8-          أقصی طاقة داخلیة للمیاة فی الخزان 6,09 کیلوجول عند الساعة الخامسة مساءً وکانت درجة حرارة الماء 40,6 مᵒ وأقل إشعاع 77,43 وات/م2 .
9-          حقق نظام المبادل الحراری المتقابل الإنسیاب أعلى معدل للطاقة الفعالة لهواء التجفیف 0,433 کیلووات عند سرعة هواء تجفیف 3م/ث  والنظام المتوازی الإنسیاب 2,49 کیلووات عند سرعة هواء تجفیف 2م/ث .
10-      الإنثالبیا النوعیة لهواء التجفیف لوحدة النظام المتقابل الإنسیاب أعلی من الإنثالبیا النوعیة فی وحدة النظام المتوازی الإنسیاب عند سرعة هواء تجفیف 1,5- 3م/ث بینما أقل منة عند سرعة هواء تجفیف  2م/ث.
11-      الإنثالبیا الکامنة للهواء المحیط الخارج من النظامین المتوازی والمتقابل الإنسیاب أقل من الإنثالبیا المحسوسة للهواء الخارج من کلا النظامین تحت الدراسة.
12-      أعلى کفاءة حراریة لنظام تسخین المیاه بالطاقة الشمسیة 53,63٪ وأعلى کفاءة تخزین للطاقة الحراریة هی 50,284٪.

الموضوعات الرئيسية


Abdallah, S. E. 1999. Utilization of solar energy in agricultural purposes: Applications of solar energy collected by a plastic greenhouse for drying and aerating of wheat crop. Unpublished M. Sc. thesis, Department of Agricultural Mechanization, Faculty of Agriculture, Kafr Elsheikh, Tanta University, Egypt.
Abdallah, S. E. 2010. Thermal efficiency enhancement of a solar drier for hay making from sugar beet tops. AMA-Agricultural Mechanization in Asia Africa and Latin America, 41(4): 87-98.
Abou- Zaher, S. E. 1998. Environmental control systems of agricultural structure: A simulation study on broiler housing systems. Unpublished Ph.  D. thesis, Department of Agricultural Mechanization, Faculty of Agriculture, Kafr ElSheikh, Tanta University, Egypt.
Afriyie, J. K.; M. A. A. Nazha; H. Rajakaruna and F. K. Forson. 2009. Experimental investigations of a chimney-dependent solar crop drier. Renewable Energy, 34: 217-222.
Agarwal, P.; A. Sikand and V. Shanthi. 2014. Application of heat exchangers in bioprocess industry: a review. International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 6(1): 24-28.
Ali, M. F. 1996. The use of treated and untreated sugar beet by-products in feeding farm animals. Unpublished Ph. D. thesis, Faculty of Agriculture, Kafr Elsheikh, Tanta University, Egypt.
AOAC. 2005. Association of Official Analytical Chemists, Official Methods of Analysis (18th Ed.). International, Maryland, USA.
Arason, S. 2001. The drying of fish and utilization of geothermal energy - The icelandic experience. Keynote lectures. 1st Nordic drying conference, Trondheim, 27th - 29th June 2001. Published in the conference’s CD-disk.
Bala, B. K. and M. R. A. Mondol. 2001. Experimental investigation on solar drying of fish using solar tunnel drier. Drying Technology, 19: 427-436.
Bala, B. K and N. Debnath. 2012. Solar drying technology: potentials and developments. Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications, Vol. 2, Article ID R120302, 5page.
Bala, B. K.; M. R. A. Mondol; B. K. Biswas and B. L. Das Chowdury. 2001. Solar drying of pineapple using solar tunnel drier. 4th International Conference on Mechanical Engineering, 26-28, Dhaka, Bangladesh, pp: 47-51.
Banout, J. P. Ehl; J. Havlik; B. Lojka; Z. Polesny and V. Verner. 2011. Design and performance evaluation of a double-pass solar drier for drying of red chilli (Capsicum annum L.). Solar Energy, 85: 506-515.
Basunia, M. A.; H. H. Al-Handali; M. I. Al-Balushi; M. S. Rahman and O. Mahgoub. 2011. Drying of fish sardines in Oman using solar tunnel driers. Journal of Agricultural Science and Technology, B1: 108-114.
Budihardjo, I. and G. L. Morrison. 2009. Performance model for water-in-glass evacuated tube solar water heaters. Solar Energy, 83: 49-56.
Bukola, O. Bolaji and Ayoola P. Olalusi. 2008. Performance evaluation of a mixed-mode solar drier, Assumption University Journal of Technology, 11(4): 225-231.
Darvishi, H.; M. Azadbakht; A. Rezaeiasl and A. Farhang. 2013. Drying characteristics of sardine fish dried with microwave heating. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 12: 121-127.
Dhiwahar, Er. M. 2010. Solar for fish and vegetables, Shri AMM Murugappa Chettiar Research Centre. Taramani, Chennai- 600113. http://www.amm-mcrc.org. Accessed on 24/3/2014.
Edwards, P.; L. A. Tuan and G. L. Allan. 2004. A survey of marine trash fish and fishmeal as aquaculture feed ingredients in Vietnam, ACIAR Working Paper No. 57, Australian Centre for International Agricultural Research, Canberra, Australia.
Ekechukwu, O. V and B. Norton. 1999. Review of solar energy drying III: low temperature air-heating solar collectors for crop drying applications. Energy Conversion and Management, 40(6): 657-667.
Elbadawy, E. I. A. 2016. Solar energy applications in the field of agricultural process engineering: Technology of drying crop residues by solar energy. Unpublished M. Sc. thesis, Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture, Kafrelsheikh University, Egypt.
Eldreeny, A. G. F.  2015.  Process engineering of agricultural and industrial wastes: Engineering aspects for processing agricultural and industrial wastes. Unpublished M. Sc. thesis, Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture, Kafrelsheikh University, Egypt.
El-Keway, A. A. 2003. Utilization of solar heated and ambient air for drying rough rice for several harvest periods. Unpublished Ph. D. thesis, Department of Agricultural Mechanization, Faculty of Agricultural, Kafr Elsheikh, Tanta University, Egypt.
El-Sahrigi, A. F.; M. A. El-Refaie; S. M. Abdelatif and O. K. Mohamed. 1993. Utilization of solar energy in agricultural crop drying. Misr Journal of Agricultural Engineering, 10(3): 402-417.
Fakheri, A. 2006. Thermal efficiency of the cross flow heat exchangers. Proceedings of the 2006 American Society of Mechanical Engineers (ASME), International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE), Chicago, IL, November 5-10.
FAO. 2014. Food and Agriculture Organization of the United Nations. The State of World Fisheries and Aquaculture 2014. http://www.fao.org/3/a-i3720e.pdf. Accessed on 17/10/2016.
FAO. 2016. Food and Agriculture Organization of the United Nations. The State of World Fisheries and Aquaculture 2016. http://www.fao.org/3/a-i5555e.pdf. Accessed on 23/12/2016.
FWA. 2010. Fish Wealth Authority. http://grfrd.org.com. Accessed on 20/11/2016.
Forson, F. K., M. A. A. Nazha and H. Rajakaruna. 2007. Modeling and experimental studies on a mixed-mode natural convection solar crop drier. Solar Energy; 81(3): 346-357.
Fudholi, A.; K. Sopian; M. H. Ruslan; M. A. Alghoul and M. Y. Sulaiman. 2010. Review of solar driers for agricultural and marine products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(1): 1-30.
Gatea, A. A. 2011. Design and construction of a solar drying system, a cylindrical section and analysis of the performance of the thermal drying system. African Journal of Agricultural Research, 6(2): 343-351.
Gbaha, P.; H. Yobouet Andoh; J. Kouassi Saraka; B. Kamenan Koua and S. Toure. 2007. Experimental investigation of a solar drier with natural convective heat flow. Renewable Energy, 32(11): 1817-1829.
Goddard, J. S. and J. S. M. Perret. 2005. Co-drying fish silage for use in aquafeeds. Animal Feed Science and Technology, 118: 337-342.
Gudlaugsson, B. 1998. Utilization of geothermal energy for freeze drying. IFL report,2-98, Icelandic fisheries Lab. (in Icelandic).
Guo, Z. Y.; X. B. Liu.; W. Q. Tao and R. K. Shah. 2010. Effectiveness–thermal resistance method for heat exchanger design and analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53: 2877-2884.
Incropera, F. P. D and P. DeWitt. 2002. Fundamentals of heat and mass transfer. 5th ed., Wiley, New York, USA.
Jairaj, K. S.; S. P. Singh and K. Srikant. 2009. A review of solar driers developed for grape drying. Solar Energy, 83: 1698-1712.
Kakac, S and H. Liu. 2002. Heat exchangers selection, rating, and thermal design. 2nd ed; Boca Raton: CRC Press, pp. 33-45.
Knapp, G. 2008. The potential for increasing production of fishmeal and fish oil from food fishery byproducts: the case of Alaska pollock. International fishmeal and fish oil organization annual conference San Diego, California, USA.
Leon, M. A.; S. Kumar and S. C. Bhattacharya. 2002. A comprehensive procedure for performance evaluation of solar food driers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6: 367-393.
López-Mosquera, M. E.; E. Fernandez-Lema; R. Villares; R. Corral; B. Alonso and C. Blanco. 2011. Composting fish waste and seaweed to produce a fertilizer for use in organic agriculture. Procedia Environmental Sciences, 9: 113-117.
MAF. 1995. Ministry of Agriculture and Fisheries. Directorate Annual Statistics Report, Oman.
Marco, R.; B. Enrico; M. Emanuele; M. Andrea; V. Mauro and N. Vincenzo. 2015. Experimental tests of solar collectors prototypes systems. Energy Procedia, 82:  744-751.
Michael Ayodele, O. and O. Adesoji Matthew. 2012. Effects of pre-treatments and drying temperatures on drying rate and quality of African Catfish (Clarias gariepinus). Journal of Biology, Agriculture and Healthcare, 2(4): ISSN 2224-3208.
Mujaffar, S. and C. K. Sankat. 2011. The Effect of temperature on the drying characteristics of salted Shark Fillets, The West Indian Journal of Engineering, 33(1-2): 19-25.
Mumba, J. 1996. Design and development of a solar grain drier incorporating photovoltaic powered air circulation. Energy Conversion and Management, 37(5): 615-621.
Montero, I.; J. Blanco; T. Miranda; S. Rojas and A. R. Celma. 2010. Design, construction and performance testing of a solar drier for agroindustrial by-products. Energy Conversion and Management, 51: 1510-1521.
Olokor, J. O., C. Ugoala and A. Ibitoye. 2009. Study of weight loss in solar drier across different ecological zones of Nigeria. Nature Proceedings: Nature Proceedings: doi:10.1038/npre.2009.3018.1: Posted2 Apr 2009.
Pangavhane, D. R.; R. L. Sawhney and P. N. Sarsavadia. 2002. Design, development and performance testing of a new natural convection solar drier. Energy, 27: 579-590.
Ramana Murthy, M. V. 2009. A review of new technologies, models and experimental investigations of solar driers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(4): 835-844.
RIMF. 2001. Research Institute for Marine Fisheries. Proceedings of marine fisheries research, Volume 2, the 40th anniversary of Research Institute for Marine Fisheries Foundation (1961-2001). Ministry of Fisheries and Agriculture Publishing House, 548pp. Hanoi, Vietnam.
Russ, W. and R. M. Pittroff. 2004. Utilizing waste products from the food production and processing industries. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 44: 57-62.
Sablani, S.; M. S. Rahman; O. Mahgoub and A. Al-Marzouki. 2003. Drying rates and quality parameters of fish sardines processed using solar driers. Agricultural and Marine Sciences, 8(2): 79-86.
Sankat, C. K. and S. Mujaffar. 2004. The sun and solar drying potential of salted shark fillets. International Drying Symposium (IDS), 37: 1584-1591, Sao Paulo City, Brazil.
Sharma, A.; C. R. Chen and N. V. Lan. 2009. Solar-energy drying systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13: 1185-1210.
Sultana, S.; Shikha; M. N. Islam and M. Kamal. 2009. Drying performance of rotating and solar tunnel drier for production of quality dried fish. Progress in Agriculture, 20(1&2): 173-181.
Vijaya Venkata Raman, S.; S. Iniyan and R. Goic. 2012. A review of solar drying technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16: 2652-2670.
Vlachos, N. A.; T. D. Karapantsios; A. I. Balouktsis and D. Chassapis. 2002. Design and testing of a new solar tray drier. Drying Technology, 20(5): 1239-1267.
Westendorf, M. 2000. Food waste to animal feed. Iowa State Press, Iowa, USA.
WFC. 2011. World Fish Center. Strategy Update, 2011. The World Fish Center, Penang, Malaysia.