Estratégias de Projeto e Otimização de uma Caixa Ventilada de Alto Desempenho

Summary

Aqui, apresentamos o método de análise de alcance para otimizar os pontos de amostra gerados por um planejamento experimental ortogonal para garantir que os alimentos frescos possam ser armazenados em uma caixa ventilada por um longo tempo, regulando o padrão de fluxo de ar.

Abstract

Este estudo visa resolver os problemas de caos de fluxo de ar e baixo desempenho em uma caixa ventilada causados pela distribuição heterogênea do fluxo de ar através do dimensionamento da estrutura interna da caixa ventilada com consumo constante de energia. O objetivo final é distribuir uniformemente o fluxo de ar dentro da caixa ventilada. A análise de sensibilidade foi realizada para três parâmetros estruturais: o número de tubos, o número de furos no tubo médio e o número de cada incremento do tubo interno para o externo. Um total de 16 conjuntos de arranjos aleatórios de três parâmetros estruturais com quatro níveis foram determinados usando o planejamento experimental ortogonal. Um software comercial foi utilizado para a construção de um modelo 3D para os pontos experimentais selecionados, e esses dados foram utilizados para obter as velocidades do fluxo aéreo, que foram então utilizadas para obter o desvio padrão de cada ponto experimental. De acordo com a análise de amplitude, a combinação dos três parâmetros estruturais foi otimizada. Em outras palavras, estabeleceu-se um método eficiente e econômico de otimização considerando o desempenho da caixa ventilada, podendo ser amplamente utilizado para prolongar o tempo de armazenamento de alimentos in natura.

Introduction

Hortaliças e frutas frescas ocupam alta proporção do consumo alimentar humano, não só por apresentarem bom gosto e forma atrativa, mas também por serem de grande benefício para a obtenção de nutrição e manutenção da saúde¹. Muitos estudos têm demonstrado que frutas e hortaliças frescas desempenham um papel único na prevenção de muitas doenças ^2,3. No processo de armazenamento de frutas e hortaliças frescas, fungos, luz, temperatura e umidade relativa do ar são as causas importantes para sua deterioração4,5,6,7,8. Essas condições externas afetam a qualidade de frutas e hortaliças frescas armazenadas por afetar o metabolismo interno ou reações químicas⁹.

As tecnologias de tratamento comuns para frutas e vegetais incluem a preservação não térmica e térmica. Dentre eles, o pré-tratamento térmico tem efeito positivo no processo de secagem, mas também pode ter efeitos adversos na qualidade do produto, como perda de nutrientes, alteração de sabor e odor e mudança de cor^10,11. Por isso, nos últimos anos, a preservação não térmica de produtos tem recebido atenção do ponto de vista da pesquisa para atender à demanda dos consumidores por produtos in natura. Atualmente, existem principalmente processamento de radiação, campo elétrico pulsado, processamento de ozônio, revestimentos comestíveis, dióxido de carbono em fase densa e outras tecnologias de preservação não térmica para armazenar frutas e vegetais, mas essas tecnologias frequentemente apresentam deficiências, como a exigência de equipamentos grandes, o alto preço e o custo de uso¹². Portanto, o projeto de uma estrutura simples, de baixo custo e controle conveniente do equipamento de conservação é muito significativo para a indústria de alimentos.

No ambiente de armazenamento de frutas e hortaliças, um sistema adequado de circulação de ar ajuda a eliminar o calor gerado pelo próprio produto, reduzir o gradiente de temperatura e manter a temperatura e a umidade no espaço onde está localizado. A circulação adequada do ar também previne a perda de peso devido à respiração e infecções fúngicas^13,14,15. Numerosos estudos têm sido realizados sobre o fluxo aéreo dentro de diferentes estruturas. Praeger et ^al.16,17 mediram a velocidade do vento em diferentes posições sob diferentes potências de operação do ventilador em um armazém por meio de sensores e verificaram que poderia haver uma diferença de até sete vezes na velocidade do ar devido às diferentes alturas verticais^, e a velocidade do ar em cada posição foi positivamente correlacionada com a potência de operação do ventilador. Além disso, um estudo examinou o efeito do arranjo de carga e do número de ventiladores no fluxo de ar, e concluiu-se que aumentar a distância de algumas posições do ventilador e escolher racionalmente o número de ventiladores foi útil para melhorar o efeito. Berry et ^al.18 estudaram o efeito do fluxo de ar em diferentes ambientes de armazenamento de frutas sobre a distribuição de estômatos em caixas de embalagem. Dehghannya et ^al.19,20, utilizando um software de simulação^, estudaram o estado de fluxo de ar pré-frio forçado no pacote com diferentes áreas de ventilação, quantidades e posições de distribuição na parede da embalagem e obtiveram a influência não linear de cada parâmetro no estado do fluxo de ar. Delele et ^al.21 aplicaram um modelo computacional de fluidodinâmica para estudar a influência de produtos distribuídos aleatoriamente em diferentes formas de caixas de ventilação sobre o fluxo aéreo. Eles descobriram que o tamanho do produto, a porosidade e a razão do furo da caixa tiveram um impacto maior no fluxo de ar, enquanto o enchimento aleatório teve um impacto menor. Ilangovan et ^al.22 estudaram os padrões de fluxo de ar e o comportamento térmico entre as três estruturas de embalagem e compararam os resultados com modelos estruturais de referência. Os resultados mostraram que a distribuição de calor na caixa não foi uniforme devido aos diferentes locais e desenhos do respiradouro. Gong et ^al.23 otimizaram a largura do espaço entre a borda da bandeja e a parede do recipiente.

As técnicas utilizadas neste trabalho incluem métodos de simulação e otimização. O princípio do primeiro é que as equações governantes foram discretizadas e resolvidas numericamente usando o método dos volumes finitos²¹. O método de otimização utilizado neste trabalho é denominado otimização ortogonal²⁴. O teste ortogonal é um método típico de análise multifatorial e multinível. A tabela ortogonal construída usando esse método contém pontos representativos uniformemente distribuídos no espaço de projeto, que podem descrever visualmente todo o espaço de projeto e ser examinados. Ou seja, menos pontos representam o fator teste completo, economizando muito tempo, mão de obra, material e recursos financeiros. O ensaio ortogonal tem sido amplamente utilizado no planejamento de experimentos nas áreas de sistemas de potência, química, engenharia civil, etc²⁵.

O objetivo deste estudo é projetar e otimizar uma caixa ventilada de alto desempenho. Uma caixa ventilada pode ser definida como uma caixa original, incluindo um dispositivo de controle de gás que dispersa o gás uniformemente na caixa. A uniformidade de velocidade refere-se a como o ar flui uniformemente através da caixa ventilada. Yun-De et ^al.26 demonstraram anteriormente que a propriedade de material multiporoso tem um efeito importante na uniformidade de velocidade de uma caixa de vegetais frescos. Em alguns experimentos, um plenum ou câmara modulada foi deixado tanto na parte superior quanto inferior da câmara de teste para garantir uma distribuição homogênea do ar forçado ou induzido²⁷. A caixa ventilada projetada neste artigo contém matrizes de tubos com furos em zigue-zague. O controle da distribuição do fluxo de ar na caixa ventilada é a principal estratégia de preservação. Há duas entradas de ar de tamanho igual definidas paralelamente nos lados esquerdo e direito da caixa ventilada, e uma saída é definida no lado superior da caixa. Projetar a estrutura interna de uma caixa ventilada é a chave para este estudo. Em outras palavras, o número de tubos e furos é um parâmetro importante para alterar a estrutura interna da caixa ventilada. O modelo de referência tem 10 tubos. Os dois tubos do meio têm 10 furos cada, que são escalonados através dos tubos. O número de furos do meio para o tubo externo aumenta em dois de cada vez.

Em outras palavras, quando mantemos legumes, frutas e outros produtos frescos, o fluxo de ar contínuo e estável pode reduzir a respiração dos produtos, reduzir o etileno e outras substâncias nocivas para a conservação do produto e reduzir a temperatura produzida pelos próprios produtos. Devido aos diferentes parâmetros da caixa ventilada, não é fácil obter o estado de fluxo de ar necessário, o que afetará a propriedade de preservação da caixa ventilada. Portanto, o projeto toma como objetivo de controle a uniformidade da velocidade do fluxo de ar interno da caixa ventilada. Foi realizada análise de sensibilidade para os parâmetros estruturais da caixa ventilada. As amostras foram selecionadas por planejamento experimental ortogonal. Utilizou-se a análise de amplitude para otimizar a combinação dos três parâmetros estruturais. Enquanto isso, verificamos a conveniência dos resultados de otimização.

Protocol

1. Processamento pré-simulação NOTA: Considerando as matrizes de tubos, a metade inferior tridimensional e a metade superior dos modelos de caixa ventilada são estabelecidas usando software tridimensional e salvando-os como arquivos X_T, as dimensões gerais são mostradas na Figura 1. As configurações são mostradas na tabela de materiais. Execute o software de simulação e arraste o componente Mesh de “Sistemas …

Representative Results

Seguindo o protocolo, as três primeiras partes foram as mais importantes, que incluem modelagem, malha e simulação, todas para obter o desvio padrão da vazão. Em seguida, concluímos a otimização da estrutura da caixa ventilada através de experimentos ortogonais e análise de alcance. O modelo utilizado no protocolo é o modelo de caixa de referência-ventilação, que é o modelo inicial obtido a partir da referência. A Figura 4 mostra o resultado do fluxo aerodinâmico do modelo d…

Discussion

Devido ao seu alto desempenho e estrutura complexa, neste estudo, construímos uma caixa ventilada baseada em software de modelagem. O fluxo interno foi analisado por um software de simulação. O software de simulação é conhecido por seus recursos avançados de modelagem física, que incluem modelagem de turbulência, fluxos monofásicos e multifásicos, combustão, modelagem de bateria, interação fluido-estrutura e muito mais. O método de seleção de amostras utilizado neste trabalho é o método de planejamento…

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