Modeling Drying Kinetics with Solar-Hybrid Storage Systems for Efficient Orange

Abstract

In light of the global shift toward renewable energy, this study addresses the intermittent nature of solar radiation by integrating thermal energy storage techniques into solar drying technologies. This thesis presents a comprehensive experimental investigation and mathematical modeling of the drying kinetics of orange slices (4–6 mm thickness, 85–90% initial moisture content) under the arid climatic conditions of the El-Oued region, southeastern Algeria, during the summer of 2026. Two advanced Indirect Solar Dryer (ISD) prototypes operating under forced convection were evaluated and compared. The first setup utilized a conventional flat-plate solar collector as a baseline reference. In contrast, the second prototype was enhanced by integrating an innovative thermal composite material within the collector, marrying the high latent heat capacity of paraffin wax with the superior thermal conductivity of aluminum shavings (PCM-ALSH). The empirical results indicated that the PCM-ALSH integrated collector attained a superior thermal peak and produced a pronounced thermal lag during solidification, prolonging effective drying activities for several hours beyond sunset. This dynamic response effectively functioned as a thermal buffer, smoothing temperature fluctuations, reducing overall drying time, and preserving the nutritional and sensory quality of the fruit by minimizing adverse biochemical alterations (such as the Maillard reaction). Furthermore, thin-layer empirical and semi-empirical mathematical models (e.g., Page, Henderson&Pabis, and Lewis) were fitted to the drying curves, demonstrating robust statistical validation through the coefficient of determination( 𝑅2 ,)reduced chi-square( 𝜒2 ,)and rootmean-square error (RMSE). Fick’s second law was successfully applied to determine the effective moisture diffusivity( 𝐷𝑒𝑓𝑓 )within the product matrix, proving this hybrid system to be a highly sustainable processing strategy for arid desert regions تأتي هذه الدراسة في إطار التحول العالمي نحو تكنولوجيات الطاقة المتجددة، وتحديدًا لتطوير وتجويد أداء أنظمة التجفيف الشمسي غير المباشر عبر دمج تقنيات تخزين الطاقة الحرارية الكامنة لتجاوز مشكلة تقطع الإشعاع الشمسي. تم في هذا العمل إجراء دراسة تجريبية مقارنة ونمذجة رياضية لحركية تجفيف شرائح البرتقال (ب ُسمك 4إلى 6ملم ورطوبة ابتدائية تتراوح بين %85و )%90في منطقة الوادي بالجنوب الشرقي الجزائري خلال صيف .2026جرت المقارنة بين نموذجين للمجفف الشمسي غير المباشر ذي الحمل القسري: الأول يعتمد على لاقط شمسي مسطح تقليدي، بينما تم تدعيم اللاقط الثاني بدمج مادة مبتكرة ذات تغير طوري مركب تجمع بين شمع البارافين المصري وخرط الألومنيوم ) (PCM-ALSHلرفع الموصلية الحرارية للمنظومة. وأظهرت النتائج التجريبية تفوقًا ملحو ًظا للاقط المطور؛ حيث حقق ذروة حرارية أعلى وتأثي ًرا مخمدًا (العطالة الحرارية) ساهم في استمرار تدفق الحرارة داخل حجرة التجفيف لعدة ساعات بعد غروب الشمس، مما أدى إلى تقليص زمن التجفيف الإجمالي بنسبة معتبرة والحفاظ على جودة المنتج الغذائي والحسية (تقليل تفاعل مايار وتلف الفيتامينات.) كما تم تقييم وتوافق حركية التجفيف باستخدام النماذج الرياضية للطبقات الرقيقة( مثل نماذج Page و Hendersonو ،Lewisوأثبتت المؤشرات الإحصائية𝑅2و X2و RMSEمطابقة عالية للبيانات التجريبية، إلى جانب حساب معامل الانتشار الفعال للمجال المائي )𝑓𝑓𝑒𝐷( بالاعتماد على قانون فيك الثاني للانتشار