DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1531601
تاريخ النشر: 2025-03-24
المؤلف: Abdallah Elshawadfy Elwakeel وآخرون
الموضوع الرئيسي: تجفيف الطعام والنمذجة
نظرة عامة
تقدم الدراسة الحالية تطوير وتقييم تقني وبيئي لمجفف شمسي قسري مستدام (SFCSD) مصمم لتجفيف خمسة أصناف من ثمار التمر في منطقة أسوان بمصر. يعمل SFCSD في وضعين – دوران الهواء القسري (نشط) ودوران الهواء الطبيعي (سلبي) – اعتمادًا على درجة حرارة الهواء الداخلية وشدة الضوء المحيط. يتميز بنظام إنذار مبكر ينبه المشغلين عبر الرسائل النصية القصيرة في حالة حدوث أعطال في النظام. أسفرت معايرة المستشعرات لسرعة الهواء، وشدة الضوء، والرطوبة النسبية، ودرجة حرارة الهواء عن معاملات ارتباط عالية (قيم R²) تتجاوز 0.98، مما يشير إلى أداء موثوق. تم تسجيل متوسط الإشعاع الشمسي اليومي، ودرجة الحرارة المحيطة، والرطوبة النسبية خلال الاختبار عند 494.78 واط/م²، 29.46 درجة مئوية، و23.68%، على التوالي.
وجدت الدراسة أن النفاذية الفعالة للرطوبة (EMD) لأصناف ثمار التمر تراوحت بين $3.5569 \times 10^{-7} \, \text{m}^2/\text{s}$ إلى $3.9489 \times 10^{-7} \, \text{m}^2/\text{s}$، مع تحقيق محتوى رطوبة متوازن بعد تسعة أيام. أظهرت النظام الكهروضوئي وجامع الطاقة الشمسية كفاءات قصوى بلغت 25.28% و69.52%، على التوالي. أشارت تقييمات الأثر البيئي إلى وقت استرداد الطاقة (EPP) يبلغ 7.15 سنوات، مما يمثل 23.83% من عمر النظام، إلى جانب قيمة تخفيض CO₂ تبلغ 93.2 طن وحقوق الكربون بقيمة $6757.02 على مدى 30 عامًا. قد تستكشف الأعمال المستقبلية دمج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتعزيز أتمتة SFCSD وقدرات مراقبة الأداء.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية ثمار التمر (DF) كمحصول حيوي في المناطق الجافة، وخاصة في محافظة أسوان، مصر، المعروفة بتنوع أصنافها من التمور المجففة. الطريقة التقليدية لتجفيف الشمس، رغم انتشارها، تشكل مخاطر صحية بسبب التلوث الناتج عن العوامل البيئية، مما يستدعي استكشاف تقنيات تجفيف أكثر تحكمًا. DF غني بالعناصر الغذائية الأساسية وله مدة صلاحية قصيرة بسبب محتوى الرطوبة العالي، مما يجعل التجفيف الفعال أمرًا حاسمًا لتحسين جودته وطول عمره.
تناقش الورقة طرق التجفيف الشمسي المختلفة، بما في ذلك المجففات الشمسية المباشرة (DSD)، والمجففات الشمسية غير المباشرة (ISD)، والمجففات الشمسية الهجينة (HSD)، كل منها بآليات تشغيل مميزة. أظهرت الدراسات السابقة فعالية المجففات الشمسية في تحسين جودة ومدة صلاحية DF، مع نتائج تشير إلى أن التجفيف الشمسي غير المباشر يمكن أن يعزز جودة المنتج مع تقليل الفاقد. تهدف الدراسة الحالية إلى تطوير مجفف شمسي قسري يعمل بالطاقة الكهروضوئية (PV) يدمج أنظمة إلكترونية متقدمة لمراقبة وتحسين عملية التجفيف. من المتوقع أن يحسن هذا النهج المبتكر كفاءة التجفيف والجودة بينما يقيم أيضًا الأثر البيئي للنظام.
طرق
في هذه الدراسة، تم اختيار خمسة أصناف من ثمار التمر (DF)، تمثل الأنواع الأكثر زراعة في أسوان، مصر. تم إجراء الإجراءات التجريبية في جامعة أسوان على مدى فترة في أكتوبر 2023، مع مراقبة عملية التجفيف يوميًا من الساعة 7 صباحًا حتى 5 مساءً لمدة إجمالية قدرها 10 ساعات. تم قياس درجة الحرارة المحيطة (AT) والرطوبة النسبية (RH) في ثلاثة مواقع متميزة: خارج غرفة التجفيف، عند النقاط السفلية داخل غرفة التجفيف (DR)، وعند النقاط العليا من DR، كما هو موضح في الشكل 5.
تم تسجيل وزن كل صنف من التمر يوميًا في الساعة 5 مساءً، وتم تحديد محتوى الرطوبة (MC) لعينات التمر الطازجة من خلال التجارب التي أجريت في نفس الجامعة. يتم تفصيل دقة ونطاق ودقة أجهزة القياس والمستشعرات المستخدمة في الدراسة في الجدول 1. يضمن هذا الإطار المنهجي تقييمًا شاملاً لعملية التجفيف وتأثيراتها على محتوى الرطوبة لأصناف التمر.
مناقشة
تقدم الدراسة مجفف طعام شمسي غير مباشر يعمل بالهواء الساخن (SFCSD) مدمج مع نظام كهروضوئي (PV)، تم تصميمه وبناؤه في أسوان، مصر، باستخدام مواد محلية. يتكون SFCSD من جامع شمسي (SC) وغرفة تجفيف (DR)، مما يسهل التركيب والصيانة بكفاءة. يعمل SC، المصنوع من صفائح مجلفنة ومُعزولة برقائق الخشب، بزاوية ميل 20° لتحسين امتصاص الشمس. تم تجهيز DR بمروحة شفط AC وتسع صواني تجفيف، مما يسمح بتدوير الهواء بفعالية وإزالة الرطوبة من عينات ثمار التمر (DF) المختلفة التي تم اختبارها.
كشفت تقييمات الأداء عن تخفيضات كبيرة في محتوى الرطوبة (MC) عبر خمسة أصناف من DF، مع متوسط أوقات التجفيف التي بلغت 90 ساعة للوصول إلى محتوى الرطوبة المتوازن (EMC). استخدمت الدراسة مقاييس متنوعة، بما في ذلك نسبة الرطوبة (MR) والنافذية الفعالة للرطوبة (EMD)، لتقييم كفاءة التجفيف. أشارت النتائج إلى أن معدلات التجفيف تختلف بين أصناف DF، متأثرة بعوامل مثل درجة حرارة التجفيف وسمك المادة. تم أيضًا تحليل كفاءة نظام PV، مما يبرز دوره في تشغيل عملية التجفيف بشكل مستدام. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات SFCSD كحل فعال من حيث الطاقة للتجفيف الزراعي، مما يسهم في تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية وتعزيز الاستدامة البيئية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1531601
Publication Date: 2025-03-24
Author(s): Abdallah Elshawadfy Elwakeel et al.
Primary Topic: Food Drying and Modeling
Overview
The current study presents the development and techno-environmental evaluation of a sustainable forced convection solar dryer (SFCSD) designed for drying five date fruit varieties in the Aswan region of Egypt. The SFCSD operates in two modes—forced air circulation (active) and natural air circulation (passive)—depending on the internal air temperature and ambient light intensity. It features an early warning system that alerts operators via SMS in case of system failures. Calibration of sensors for air speed, light intensity, relative humidity, and air temperature yielded high correlation coefficients (R² values) exceeding 0.98, indicating reliable performance. The average daily solar radiation, ambient temperature, and relative humidity during testing were recorded at 494.78 W/m², 29.46°C, and 23.68%, respectively.
The study found that the effective moisture diffusivity (EMD) for the date fruit varieties ranged from $3.5569 \times 10^{-7} \, \text{m}^2/\text{s}$ to $3.9489 \times 10^{-7} \, \text{m}^2/\text{s}$, with equilibrium moisture content achieved after nine days. The photovoltaic system and solar collector exhibited maximum efficiencies of 25.28% and 69.52%, respectively. Environmental impact assessments indicated an energy payback time (EPP) of 7.15 years, representing 23.83% of the system’s lifetime, alongside a CO₂ mitigation value of 93.2 tons and carbon credits valued at $6757.02 over 30 years. Future work may explore the integration of machine learning and artificial intelligence to enhance the SFCSD’s automation and performance monitoring capabilities.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of date fruit (DF) as a vital crop in arid regions, particularly in Aswan Governorate, Egypt, which is known for its diverse varieties of dried dates. The traditional method of sun drying, while prevalent, poses health risks due to contamination from environmental factors, necessitating the exploration of more controlled drying techniques. DF is rich in essential nutrients and has a short shelf life due to high moisture content, making effective drying crucial for enhancing its quality and longevity.
The paper discusses various solar drying methods, including direct solar dryers (DSD), indirect solar dryers (ISD), and hybrid solar dryers (HSD), each with distinct operational mechanisms. Previous studies have demonstrated the effectiveness of solar dryers in improving the quality and shelf life of DF, with findings indicating that indirect solar drying can enhance product quality while reducing waste. The current study aims to develop a photovoltaic (PV) operated solar forced convection solar dryer (SFCSD) that integrates advanced electronic systems for monitoring and optimizing the drying process. This innovative approach is expected to improve drying efficiency and quality while also assessing the environmental impact of the system.
Methods
In this study, five varieties of date fruit (DF) were selected, representing the most commonly cultivated types in Aswan, Egypt. The experimental procedures were conducted at Aswan University over a period in October 2023, with the drying process monitored daily from 7 a.m. to 5 p.m. for a total of 10 hours. Ambient temperature (AT) and relative humidity (RH) were measured at three distinct locations: outside the drying room, at the lower points within the drying room (DR), and at the upper points of the DR, as illustrated in Figure 5.
The weight of each date variety was recorded daily at 5 p.m., and the moisture content (MC) of the fresh date samples was determined through experiments conducted at the same university. The accuracy, range, and resolution of the measurement devices and sensors utilized in the study are detailed in Table 1. This methodological framework ensures a comprehensive assessment of the drying process and its effects on the moisture content of the date varieties.
Discussion
The study introduces a novel hot-air indirect solar food dryer (SFCSD) integrated with a photovoltaic (PV) system, designed and constructed in Aswan, Egypt, utilizing locally sourced materials. The SFCSD comprises a solar collector (SC) and a drying room (DR), facilitating efficient installation and maintenance. The SC, made from galvanized corrugated sheets and insulated with sawdust, operates at a 20° inclination to optimize solar absorption. The DR is equipped with an AC suction fan and nine drying trays, allowing for effective air circulation and moisture removal from various date fruit (DF) samples tested.
Performance evaluations revealed significant reductions in moisture content (MC) across five DF varieties, with drying times averaging 90 hours to reach equilibrium moisture content (EMC). The study employed various metrics, including moisture ratio (MR) and effective moisture diffusivity (EMD), to assess drying efficiency. Results indicated that drying rates varied among DF varieties, influenced by factors such as drying temperature and material thickness. The PV system’s efficiency was also analyzed, highlighting its role in powering the drying process sustainably. Overall, the findings underscore the SFCSD’s potential as an energy-efficient solution for agricultural drying, contributing to reduced reliance on conventional energy sources and promoting environmental sustainability.