Stratégies de conception et d’optimisation d’une boîte ventilée performante

Summary

Ici, nous présentons la méthode d’analyse de gamme pour optimiser les points d’échantillonnage générés par un plan expérimental orthogonal afin de s’assurer que les aliments frais peuvent être stockés dans une boîte ventilée pendant une longue période en régulant le schéma de flux d’air.

Abstract

Cette étude vise à résoudre les problèmes de chaos de flux d’air et de mauvaise performance dans une boîte ventilée causés par la distribution hétérogène du flux d’air à travers la conception de la structure interne de la boîte ventilée avec une consommation d’énergie constante. L’objectif final est de répartir uniformément le flux d’air à l’intérieur de la boîte ventilée. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour trois paramètres structuraux : le nombre de tuyaux, le nombre de trous dans le tuyau du milieu et le nombre de chaque incrément de l’intérieur vers l’extérieur. Un total de 16 ensembles aléatoires de trois paramètres structurels à quatre niveaux ont été déterminés à l’aide du plan expérimental orthogonal. Un logiciel commercial a été utilisé pour la construction d’un modèle 3D pour les points expérimentaux sélectionnés, et ces données ont été utilisées pour obtenir les vitesses d’écoulement de l’air, qui ont ensuite été utilisées pour obtenir l’écart type de chaque point expérimental. Selon l’analyse de gamme, la combinaison des trois paramètres structurels a été optimisée. En d’autres termes, une méthode d’optimisation efficace et économique tenant compte des performances de la boîte ventilée a été établie, et elle pourrait être largement utilisée pour prolonger le temps de stockage des aliments frais.

Introduction

Les légumes et les fruits frais occupent une proportion élevée de la consommation alimentaire humaine, non seulement parce qu’ils ont bon goût et une forme attrayante, mais aussi parce qu’ils sont très bénéfiques pour les personnes pour obtenir une nutrition et maintenir la santé¹. De nombreuses études ont montré que les fruits et légumes frais jouent un rôle unique dans la prévention de nombreuses maladies ^2,3. Dans le processus de stockage des fruits et légumes frais, les champignons, la lumière, la température et l’humidité relative sont les principales raisons de leur détérioration 4,5,6,7,8. Ces conditions externes affectent la qualité des fruits et légumes frais stockés en affectant le métabolisme interne ou les réactions chimiques⁹.

Les technologies de traitement courantes pour les fruits et légumes comprennent la conservation non thermique et thermique. Parmi eux, le prétraitement thermique a un effet positif sur le processus de séchage, mais il peut également avoir des effets néfastes sur la qualité du produit, tels que la perte de nutriments, le changement de saveur et d’odeur et le changement de couleur^10,11. Par conséquent, ces dernières années, la conservation non thermique des produits a fait l’objet d’une attention du point de vue de la recherche pour répondre à la demande des consommateurs de produits frais. À l’heure actuelle, il existe principalement le traitement par rayonnement, le champ électrique pulsé, le traitement de l’ozone, les revêtements comestibles, le dioxyde de carbone en phase dense et d’autres technologies de conservation non thermique pour stocker les fruits et légumes, mais ces technologies présentent souvent des lacunes, telles que la nécessité de gros équipements, le prix élevé et le coût d’utilisation¹². Par conséquent, la conception d’une structure simple, peu coûteuse et d’un contrôle pratique de l’équipement de conservation est très significative pour l’industrie alimentaire.

Dans l’environnement de stockage des fruits et légumes, un système de circulation d’air approprié aide à éliminer la chaleur générée par le produit lui-même, à réduire le gradient de température et à maintenir la température et l’humidité dans l’espace où il se trouve. Une bonne circulation de l’air empêche également la perte de poids due à la respiration et aux infections fongiques^13,14,15. De nombreuses études ont été menées sur l’écoulement de l’air à l’intérieur de différentes structures. Praeger et ^coll.16,17 ont mesuré la vitesse du vent à différentes positions sous différentes puissances de fonctionnement du ventilateur dans un entrepôt à l’aide de capteurs et ont constaté qu’il pouvait y avoir une différence de vitesse de l’air aussi grande que sept fois supérieure en raison de différentes hauteurs verticales^, et la vitesse de l’air à chaque position était positivement corrélée avec la puissance de fonctionnement du ventilateur. En outre, une étude a examiné l’effet de la disposition du chargement et du nombre de ventilateurs sur le flux d’air, et il a été conclu que l’augmentation de la distance de certaines positions de ventilateurs et le choix rationnel du nombre de ventilateurs étaient utiles pour améliorer l’effet. Berry et ^coll.18 ont étudié l’effet du flux d’air dans différents environnements d’entreposage des fruits sur la distribution des stomates dans les boîtes d’emballage. À l’aide d’un logiciel de simulation, Dehghannya et ^coll.19,20 ont étudié l’état d’écoulement de l’air forcé pré-froid dans l’emballage avec différentes zones d’évent, quantités et positions de distribution sur la paroi de l’emballage^, et ont obtenu l’influence non linéaire de chaque paramètre sur l’état du flux d’air. Delele et ^coll.21 ont appliqué un modèle numérique de dynamique des fluides pour étudier l’influence de produits distribués au hasard dans différentes formes de boîtes de ventilation sur le flux d’air. Ils ont constaté que la taille du produit, la porosité et le rapport de trou de boîte avaient un impact plus important sur le flux d’air, tandis que le remplissage aléatoire avait un impact moindre. Ilangovan et ^coll.22 ont étudié les modèles d’écoulement d’air et le comportement thermique entre les trois structures d’emballage et ont comparé les résultats avec des modèles structuraux de référence. Les résultats ont montré que la répartition de la chaleur dans la boîte n’était pas uniforme en raison des différents emplacements et conceptions de l’évent. Gong et ^al.23 ont optimisé la largeur de l’espace entre le bord du plateau et la paroi du conteneur.

Les techniques utilisées dans cet article comprennent des méthodes de simulation et d’optimisation. Le principe de la première est que les équations gouvernantes ont été discrétisées et résolues numériquement en utilisant la méthode du volume fini²¹. La méthode d’optimisation utilisée dans le présent document est appelée optimisation orthogonale²⁴. Le test orthogonal est une méthode d’analyse multifactorielle et multiniveau typique. La table orthogonale construite à l’aide de cette méthode contient des points représentatifs uniformément répartis dans l’espace de conception, qui peuvent décrire visuellement l’ensemble de l’espace de conception et être examinés. C’est-à-dire que moins de points représentent le test factoriel complet, ce qui permet d’économiser beaucoup de temps, de main-d’œuvre, de matériel et de ressources financières. Le test orthogonal a été largement utilisé dans la conception d’expériences dans les domaines des systèmes électriques, de la chimie, du génie civil, etc.²⁵.

L’objectif de cette étude est de concevoir et d’optimiser une boîte ventilée performante. Une boîte ventilée peut être définie comme une boîte d’origine comprenant un dispositif de contrôle du gaz qui disperse le gaz uniformément dans la boîte. L’uniformité de la vitesse fait référence à la façon dont l’air circule uniformément à travers la boîte ventilée. Yun-De et ^al.26 ont déjà montré que la propriété d’un matériau multiporeux a un effet important sur l’uniformité de vitesse d’une boîte de légumes frais. Dans certaines expériences, un plénum ou une chambre modulée a été laissé à la fois en haut et en bas de la chambre d’essai pour garantir une distribution homogène de l’air forcé ou induit²⁷. La boîte ventilée conçue dans ce document contient des réseaux de tuyaux avec des trous en zigzag. Le contrôle de la distribution du flux d’air dans la boîte ventilée est la principale stratégie de préservation. Il y a deux entrées d’air de taille égale placées parallèlement sur les côtés gauche et droit de la boîte ventilée, et une sortie est placée sur le côté supérieur de la boîte. La conception de la structure interne d’une boîte ventilée est la clé de cette étude. En d’autres termes, le nombre de tuyaux et de trous est un paramètre important pour modifier la structure interne de la boîte ventilée. Le modèle de référence comporte 10 tuyaux. Les deux tuyaux du milieu ont chacun 10 trous, qui sont décalés à travers les tuyaux. Le nombre de trous du milieu au tuyau extérieur augmente de deux à la fois.

En d’autres termes, lorsque nous conservons des légumes frais, des fruits et d’autres produits, un flux d’air continu et stable peut réduire la respiration des produits, réduire l’éthylène et d’autres substances nocives pour la conservation des produits et réduire la température produite par les produits eux-mêmes. En raison des différents paramètres de la boîte ventilée, il n’est pas facile d’obtenir l’état de débit d’air requis, ce qui affectera la propriété de préservation de la boîte ventilée. Par conséquent, le projet prend comme objectif de contrôle l’uniformité de la vitesse d’écoulement interne de la boîte ventilée. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour les paramètres structuraux de la boîte ventilée. Les échantillons ont été sélectionnés par plan expérimental orthogonal. Nous avons utilisé l’analyse de portée pour optimiser la combinaison des trois paramètres structurels. Pendant ce temps, nous vérifions l’opportunité des résultats de l’optimisation.

Protocol

1. Traitement de pré-simulation REMARQUE : Compte tenu des réseaux de tuyaux, la moitié inférieure tridimensionnelle et la moitié supérieure des modèles de boîtes ventilées sont établies à l’aide d’un logiciel tridimensionnel et en les enregistrant sous forme de fichiers X_T, les dimensions globales sont indiquées à la figure 1. Les configurations sont indiquées dans le tableau des matériaux. Exécutez le logiciel de s…

Representative Results

Conformément au protocole, les trois premières parties étaient les plus importantes, qui comprennent la modélisation, le maillage et la simulation, le tout dans le but d’obtenir l’écart type du débit. Ensuite, nous avons complété l’optimisation de la structure de la boîte ventilée grâce à des expériences orthogonales et à l’analyse de gamme. Le modèle utilisé dans le protocole est le modèle de boîte ventilée de référence, qui est le modèle initial obtenu à partir de la référence. <strong …

Discussion

En raison de ses performances élevées et de sa structure complexe, dans cette étude, nous avons construit une boîte ventilée basée sur un logiciel de modélisation. Nous avons analysé le flux interne par un logiciel de simulation. Le logiciel de simulation est connu pour ses capacités avancées de modélisation physique, qui comprennent la modélisation de la turbulence, les écoulements monophasiques et multiphasiques, la combustion, la modélisation de batterie, l’interaction fluide-structure, et bien plus en…

Materials

Hardware
NVIDIA GPU	NVIDIA	N/A	An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com
Software
Ansys-Workbench	ANSYS	N/A	Multi-purpose finite element method computer design program software.https://www.ansys.com
SOLIDWORKS	Dassault Systemes	N/A	SolidWorks provides different design solutions, reduces errors in the design process, and improves product quality www.solidworks.com
SPSS	IBM	N/A	Software products for statistical analytical operations, data mining, predictive analysis, and decision support tasks software.https://www.ibm.com