אסטרטגיות תכנון ואופטימיזציה של קופסה מאווררת בעלת ביצועים גבוהים
Summary
כאן, אנו מציגים את שיטת ניתוח הטווח כדי לייעל את נקודות הדגימה שנוצרו על ידי תכנון ניסוי אורתוגונלי כדי להבטיח כי מזון טרי יכול להיות מאוחסן בקופסה מאווררת במשך זמן רב על ידי ויסות דפוס זרימת האוויר.
Abstract
מחקר זה נועד לפתור את הבעיות של זרימת אוויר, כאוס וביצועים ירודים בתיבה מאווררת הנגרמת על ידי התפלגות הטרוגנית של זרימת האוויר באמצעות תכנון המבנה הפנימי של התיבה המאווררת עם צריכת אנרגיה קבועה. המטרה הסופית היא לחלק באופן שווה את זרימת האוויר בתוך הקופסה המאווררת. ניתוח רגישות בוצע עבור שלושה פרמטרים מבניים: מספר הצינורות, מספר החורים בצינור האמצעי, ומספר כל תוספת מהצינור הפנימי לחיצוני. בסך הכל נקבעו 16 קבוצות מערך אקראיות של שלושה פרמטרים מבניים עם ארבע רמות באמצעות תכנון ניסויי אורתוגונלי. תוכנה מסחרית שימשה לבניית מודל תלת ממדי עבור נקודות הניסוי שנבחרו, ונתונים אלה שימשו להשגת מהירויות זרימת האוויר, אשר שימשו לאחר מכן כדי לקבל את סטיית התקן של כל נקודת ניסוי. על פי ניתוח הטווח, השילוב של שלושת הפרמטרים המבניים היה אופטימלי. במילים אחרות, נקבעה שיטת אופטימיזציה יעילה וחסכונית בהתחשב בביצועי הקופסה המאווררת, וניתן היה להשתמש בה באופן נרחב כדי להאריך את זמן האחסון של מזון טרי.
Introduction
ירקות ופירות טריים תופסים שיעור גבוה של צריכת מזון אנושית, לא רק משום שיש להם טעם טוב וצורה אטרקטיבית, אלא גם משום שהם מועילים מאוד לאנשים להשיג תזונה ולשמור על הבריאות1. מחקרים רבים הראו כי פירות וירקות טריים ממלאים תפקיד ייחודי במניעת מחלות רבות 2,3. בתהליך האחסון של פירות וירקות טריים, פטריות, אור, טמפרטורה ולחות יחסית הם הסיבות החשובות להידרדרותם 4,5,6,7,8. תנאים חיצוניים אלה משפיעים על איכות הפירות והירקות הטריים המאוחסנים על ידי השפעה על חילוף החומרים הפנימי או תגובות כימיות9.
טכנולוגיות טיפול נפוצות בפירות וירקות כוללות שימור לא תרמי ותרמי. ביניהם, טיפול מקדים תרמי יש השפעה חיובית על תהליך הייבוש, אבל זה יכול להיות גם השפעות שליליות על איכות המוצר, כגון אובדן של חומרים מזינים, שינוי טעם וריח, ושינוי צבע10,11. לכן, בשנים האחרונות, שימור לא תרמי של מוצרים קיבל תשומת לב מנקודת מבט מחקרית כדי לענות על הביקוש של הצרכנים למוצרים טריים. כיום, יש בעיקר עיבוד קרינה, שדה חשמלי פועם, עיבוד אוזון, ציפויים אכילים, פחמן דו חמצני פאזה צפופה, וטכנולוגיות שימור לא תרמיות אחרות לאחסון פירות וירקות, אך לטכנולוגיות אלה יש לעתים קרובות חסרונות, כגון דרישת ציוד גדול, מחיר גבוה ועלות השימוש12. לכן, תכנון מבנה פשוט, עלות נמוכה, ושליטה נוחה על ציוד השימור הוא משמעותי מאוד לתעשיית המזון.
בסביבת האחסון של פירות וירקות, מערכת זרימת אוויר נכונה מסייעת לחסל את החום שנוצר על ידי המוצר עצמו, להפחית את שיפוע הטמפרטורה ולשמור על הטמפרטורה והלחות בחלל בו הוא נמצא. זרימת אוויר תקינה מונעת גם ירידה במשקל עקב נשימה וזיהומים פטרייתיים13,14,15. מחקרים רבים נערכו על זרימת אוויר בתוך מבנים שונים. Praeger et al.16,17 מדדו את מהירות הרוח במיקומים שונים תחת עוצמות הפעלה שונות של מאווררים במחסן באמצעות חיישנים ומצאו שיכול להיות הבדל גדול עד פי שבעה במהירות האוויר עקב גבהים אנכיים שונים, ומהירות האוויר בכל מיקום הייתה בקורלציה חיובית עם כוח הפעולה של המאוורר. יתר על כן, מחקר בחן את ההשפעה של סידור המטען ומספר המאווררים על זרימת האוויר, והגיע למסקנה כי הגדלת המרחק של חלק מעמדות המאווררים ובחירה מושכלת של מספר המאווררים סייעו בשיפור האפקט. ברי ועמיתיו חקרו את ההשפעה של זרימת אוויר בסביבות אחסון פירות שונות על פיזור הפיוניות בקופסאות אריזה. באמצעות תוכנת סימולציה, Dehghannya et al.19,20 חקרו את מצב זרימת האוויר של אוויר טרום קר כפוי באריזה עם אזורי אוורור, כמויות ומיקומי הפצה שונים על דופן האריזה, והשיגו את ההשפעה הלא ליניארית של כל פרמטר על מצב זרימת האוויר. Delele et al.21 יישמו מודל חישובי של דינמיקת נוזלים כדי לחקור את ההשפעה של מוצרים המופצים באופן אקראי בצורות שונות של קופסאות אוורור על זרימת האוויר. הם מצאו שלגודל המוצר, לנקבוביות וליחס חורי הקופסה הייתה השפעה גדולה יותר על זרימת האוויר, בעוד שלמילוי אקראי הייתה השפעה קטנה יותר. Ilangovan et al.22 חקרו דפוסי זרימת אוויר והתנהגות תרמית בין שלושת מבני האריזה והשוו את התוצאות עם מודלים מבניים ייחוס. התוצאות הראו שפיזור החום בקופסה לא היה אחיד בגלל המיקומים והעיצובים השונים של פתח האוורור. Gong et al.23 ייעל את רוחב הרווח בין קצה המגש לדופן המיכל.
הטכניקות המשמשות במאמר זה כוללות שיטות סימולציה ואופטימיזציה. העיקרון של הראשון הוא שהמשוואות השולטות היו דיסקרטיות ונפתרו מספרית באמצעות שיטת הנפח הסופי21. שיטת האופטימיזציה המשמשת במאמר זה מכונה אופטימיזציה אורתוגונלית24. הבדיקה האורתוגונלית היא שיטת ניתוח רב-גורמית ורב-שכבתית טיפוסית. הטבלה האורתוגונלית הבנויה בשיטה זו מכילה נקודות מייצגות המפוזרות באופן אחיד בחלל העיצובי, אשר יכולות לתאר ויזואלית את החלל העיצובי כולו ולהיבחן. כלומר, פחות נקודות מייצגות את מבחן הפקטור המלא, וחוסכות מאוד זמן, כוח אדם, חומר ומשאבים כספיים. המבחן האורתוגונלי נמצא בשימוש נרחב בתכנון ניסויים בתחומי מערכות כוח, כימיה, הנדסה אזרחית וכו ‘25.
מטרת מחקר זה היא לתכנן ולמטב קופסת אוורור בעלת ביצועים גבוהים. קופסה מאווררת יכולה להיות מוגדרת כקופסה מקורית הכוללת מכשיר בקרת גז המפזר את הגז באופן אחיד בקופסה. אחידות מהירות מתייחסת לאופן שבו האוויר זורם באופן שווה דרך התיבה המאווררת. Yun-De et al.26 הראו בעבר כי לתכונה של חומר רב-נקבובי יש השפעה חשובה על אחידות המהירות של קופסת ירקות טריים. בחלק מהניסויים, מליאה או תא מווסת הושארו הן בחלק העליון והן בחלק התחתון של תא הבדיקה כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של אוויר מאולץ או מושרה27. קופסת האוורור המעוצבת בנייר זה מכילה מערכים של צינורות עם חורי זיגזג. שליטה בפיזור זרימת האוויר בתיבה המאווררת היא אסטרטגיית השימור העיקרית. ישנם שני פתחי אוויר בגודל שווה הממוקמים במקביל בצד שמאל וימין של התיבה המאווררת, ושקע מוגדר בצד העליון של התיבה. תכנון המבנה הפנימי של קופסה מאווררת הוא המפתח למחקר זה. במילים אחרות, מספר הצינורות והחורים הוא פרמטר חשוב לשינוי המבנה הפנימי של התיבה המאווררת. מודל הייחוס כולל 10 צינורות. לשני הצינורות האמצעיים יש 10 חורים כל אחד, אשר מדורגים על פני הצינורות. מספר החורים מהצינור האמצעי לחיצוני גדל בשניים בכל פעם.
במילים אחרות, כאשר אנו שומרים על ירקות, פירות ומוצרים טריים אחרים, זרימת אוויר רציפה ויציבה יכולה להפחית את הנשימה של מוצרים, להפחית אתילן וחומרים מזיקים אחרים לשימור המוצר, ולהפחית את הטמפרטורה המיוצרת על ידי המוצרים עצמם. בשל הפרמטרים השונים של התיבה המאווררת, לא קל להשיג את מצב זרימת האוויר הנדרש, אשר ישפיע על תכונת השימור של התיבה המאווררת. לכן, הפרויקט לוקח את אחידות מהירות זרימת האוויר הפנימית של התיבה המאווררת כיעד הבקרה. בוצע ניתוח רגישות לפרמטרים המבניים של התיבה המאווררת. הדגימות נבחרו על ידי תכנון ניסויי אורתוגונלי. השתמשנו בניתוח טווח כדי לייעל את השילוב של שלושת הפרמטרים המבניים. בינתיים, אנו מאמתים את הכדאיות של תוצאות האופטימיזציה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשל ביצועיה הגבוהים והמבנה המורכב שלה, במחקר זה בנינו קופסה מאווררת המבוססת על תוכנת מידול. ניתחנו את הזרימה הפנימית באמצעות תוכנת סימולציה. תוכנת סימולציה ידועה ביכולות המידול הפיזיקליות המתקדמות שלה, הכוללות מידול מערבולות, זרימות חד-פאזיות ורב-פאזיות, בעירה, מידול סוללות, אינטראקציה ב…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי Wenzhou Science and Technology Bureau of China (פרויקט חדשנות מדעית וטכנולוגית גדול של וונג’ואו תחת מענק מס ‘ZG2020029). המחקר ממומן על ידי אגודת וונג’ואו למדע וטכנולוגיה עם מענק מס ‘KJFW09. מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המדע והמחקר העירונית של וונג’ואו (ZN2022001).
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 |
Riferimenti
- Villa-Rodriguez, J. A., et al. Maintaining antioxidant potential of fresh fruits and vegetables after harvest. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 55 (6), 806-822 (2015).
- Mozaffari, H., Lafrenière, J., Conklin, A. Does eating more variety of fruits and vegetables reduce risk of cancer? Findings from a systematic review and meta-analysis. Current Developments in Nutrition. 4, 339-339 (2020).
- Wu, S., Fisher-Hoch, S. P., Reininger, B. M., Lee, M., McCormick, J. B. Fruit and vegetable intake is inversely associated with cancer risk in Mexican-Americans. Nutrition and Cancer. 71 (8), 1254-1262 (2019).
- Nan, M., Xue, H., Bi, Y. Contamination, detection and control of mycotoxins in fruits and vegetables. Toxins. 14 (5), 309 (2022).
- Alothman, M., Bhat, R., Karim, A. A. Effects of radiation processing on phytochemicals and antioxidants in plant produce. Trends in Food Science & Technology. 20 (5), 201-212 (2009).
- Ayala-Zavala, J. F., Wang, S. Y., Wang, C. Y., González-Aguilar, G. A. Effect of storage temperatures on antioxidant capacity and aroma compounds in strawberry fruit. LWT-Food Science and Technology. 37 (7), 687-695 (2004).
- Piljac-Žegarac, J., Šamec, D. Antioxidant stability of small fruits in postharvest storage at room and refrigerator temperatures. Food Research International. 44 (1), 345-350 (2011).
- Lal Basediya, A., Samuel, D. V. K., Beera, V. Evaporative cooling system for storage of fruits and vegetables – a review. Journal of Food Science and Technology. 50 (3), 429-442 (2013).
- Sandhya, Modified atmosphere packaging of fresh produce: Current status and future needs. LWT-Food Science and Technology. 43 (3), 381-392 (2010).
- Bassey, E. J., Cheng, J. H., Sun, D. W. Novel nonthermal and thermal pretreatments for enhancing drying performance and improving quality of fruits and vegetables. Trends in Food Science & Technology. 112, 137-148 (2021).
- Mieszczakowska-Frąc, M., Celejewska, K., Płocharski, W. Impact of innovative technologies on the content of vitamin C and its bioavailability from processed fruit and vegetable products. Antioxidants. 10 (1), 54 (2021).
- Xue, Z., Li, J., Yu, W., Lu, X., Kou, X. Effects of nonthermal preservation technologies on antioxidant activity of fruits and vegetables: A review. Food Science and Technology International. 22 (5), 440-458 (2016).
- Olaimat, A. N., Holley, R. A. Factors influencing the microbial safety of fresh produce: a review. Food Microbiology. 32 (1), 1-19 (2012).
- Caleb, O. J., Mahajan, P. V., Al-Said, F. A. J., Opara, U. L. Modified atmosphere packaging technology of fresh and fresh-cut produce and the microbial consequences-a review. Food and Bioprocess Technology. 6 (2), 303-329 (2013).
- Waghmare, R. B., Mahajan, P. V., Annapure, U. S. Modelling the effect of time and temperature on respiration rate of selected fresh-cut produce. Postharvest Biology and Technology. 80, 25-30 (2013).
- Praeger, U., et al. Airflow distribution in an apple storage room. Journal of Food Engineering. 269, 109746 (2020).
- Praeger, U., et al. Influence of room layout on airflow distribution in an industrial fruit store. International Journal of Refrigeration. 131, 714-722 (2021).
- Berry, T. M., Delele, M. A., Griessel, H., Opara, U. L. Geometric design characterisation of ventilated multi-scale packaging used in the South African pome fruit industry. Agricultural Mechanization in Asia, Africa, and Latin America. 46 (3), 34-42 (2015).
- Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. Mathematical modeling of airflow and heat transfer during forced convection cooling of produce considering various package vent areas. Food Control. 22 (8), 1393-1399 (2011).
- Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. Transport phenomena modelling during produce cooling for optimal package design: thermal sensitivity analysis. Biosystems Engineering. 111 (3), 315-324 (2012).
- Delele, M. A., et al. Combined discrete element and CFD modelling of airflow through random stacking of horticultural products in vented boxes. Journal of Food Engineering. 89 (1), 33-41 (2008).
- Ilangovan, A., Curto, J., Gaspar, P. D., Silva, P. D., Alves, N. CFD modelling of the thermal performance of fruit packaging boxes-influence of vent-holes design. Energies. 14 (23), 7990 (2021).
- Gong, Y. F., Cao, Y., Zhang, X. R. Forced-air precooling of apples: Airflow distribution and precooling effectiveness in relation to the gap width between tray edge and box wall. Postharvest Biology and Technology. 177, 111523 (2021).
- Guo, R., Li, L. Heat dissipation analysis and optimization of lithium-ion batteries with a novel parallel-spiral serpentine channel liquid cooling plate. International Journal of Heat and Mass Transfer. 189, 122706 (2022).
- Chen, J., et al. Optimization of geometric parameters of hydraulic turbine runner in turbine mode based on the orthogonal test method and CFD. Energy Reports. 8, 14476-14487 (2022).
- Yun-De, S., Hai-Dong, Q., Sun, B., Li, Z. Z., Cao, K. B. Flow analysis of fresh vegetable box based on multiporosity material. International Journal of Education and Management Engineering. 2 (1), 29 (2012).
- Elansari, A. M., Mostafa, Y. S. Vertical forced air pre-cooling of orange fruits on bin: Effect of fruit size, air direction, and air velocity. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences. 19 (1), 92-98 (2020).
