Design- und Optimierungsstrategien einer Hochleistungs-Belüftungsbox

Summary

Hier stellen wir die Methode der Reichweitenanalyse vor, um die durch ein orthogonales Versuchsdesign generierten Probenpunkte zu optimieren, um sicherzustellen, dass frische Lebensmittel durch Regulierung des Luftstrommusters lange Zeit in einer belüfteten Box gelagert werden können.

Abstract

Diese Studie zielt darauf ab, die Probleme des Luftstromchaos und der schlechten Leistung in einem belüfteten Kasten zu lösen, die durch die heterogene Verteilung des Luftstroms durch das Design der inneren Struktur des belüfteten Kastens mit konstantem Energieverbrauch verursacht werden. Das Endziel ist es, den Luftstrom in der belüfteten Box gleichmäßig zu verteilen. Eine Sensitivitätsanalyse wurde für drei strukturelle Parameter durchgeführt: die Anzahl der Rohre, die Anzahl der Löcher im mittleren Rohr und die Anzahl der einzelnen Zuschläge vom Innen- zum Außenrohr. Insgesamt wurden 16 Random-Array-Sets von drei Strukturparametern mit vier Stufen unter Verwendung des orthogonalen Versuchsdesigns bestimmt. Kommerzielle Software wurde für die Erstellung eines 3D-Modells für die ausgewählten Versuchspunkte verwendet, und diese Daten wurden verwendet, um die Luftströmungsgeschwindigkeiten zu erhalten, die dann verwendet wurden, um die Standardabweichung jedes Versuchspunkts zu erhalten. Entsprechend der Reichweitenanalyse wurde die Kombination der drei Strukturparameter optimiert. Mit anderen Worten, es wurde eine effiziente und wirtschaftliche Optimierungsmethode unter Berücksichtigung der Leistung der belüfteten Box etabliert, die in großem Umfang zur Verlängerung der Lagerzeit von frischen Lebensmitteln eingesetzt werden kann.

Introduction

Frisches Gemüse und Obst nehmen einen hohen Anteil an der menschlichen Nahrungsaufnahme ein, nicht nur, weil sie einen guten Geschmack und eine attraktive Form haben, sondern auch, weil sie für die Menschen von großem Nutzen sind, um sich zu ernähren und die Gesundheit zu erhalten¹. Viele Studien haben gezeigt, dass frisches Obst und Gemüse eine einzigartige Rolle bei der Vorbeugung vieler Krankheiten spielt ^2,3. Bei der Lagerung von frischem Obst und Gemüse sind Pilze, Licht, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit die Hauptgründe für deren Verschlechterung 4,5,6,7,8. Diese äußeren Bedingungen beeinflussen die Qualität von gelagertem frischem Obst und Gemüse, indem sie den inneren Stoffwechsel oder chemische Reaktionen beeinflussen⁹.

Gängige Behandlungstechnologien für Obst und Gemüse umfassen die nichtthermische und thermische Konservierung. Unter anderem wirkt sich die thermische Vorbehandlung positiv auf den Trocknungsprozess aus, kann aber auch nachteilige Auswirkungen auf die Produktqualität haben, wie z. B. Nährstoffverlust, Geschmacks- und Geruchsveränderung sowie Farbveränderung^10,11. Daher hat in den letzten Jahren die nicht-thermische Konservierung von Produkten aus der Forschungsperspektive Aufmerksamkeit erhalten, um die Nachfrage der Verbraucher nach frischen Produkten zu befriedigen. Gegenwärtig gibt es hauptsächlich Strahlungsverarbeitung, gepulste elektrische Felder, Ozonverarbeitung, essbare Beschichtungen, Dichtphasen-Kohlendioxid und andere nichtthermische Konservierungstechnologien zur Lagerung von Obst und Gemüse, aber diese Technologien weisen oft Mängel auf, wie z. B. die Anforderung großer Geräte, der hohe Preis und die Nutzungskosten¹². Daher ist das Design einer einfachen Struktur, kostengünstiger und bequemer Steuerung der Konservierungsgeräte für die Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung.

In der Lagerumgebung für Obst und Gemüse trägt ein geeignetes Luftzirkulationssystem dazu bei, die vom Produkt selbst erzeugte Wärme zu eliminieren, den Temperaturgradienten zu verringern und die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in dem Raum, in dem es sich befindet, aufrechtzuerhalten. Eine gute Luftzirkulation verhindert auch Gewichtsverlust durch Atmung und Pilzinfektionen^13,14,15. Es wurden zahlreiche Studien zur Luftströmung innerhalb verschiedener Strukturen durchgeführt. Praeger et ^al.16,17 maßen die Windgeschwindigkeit an verschiedenen Positionen unter unterschiedlichen Ventilatorbetriebsleistungen in einem Lagerhaus durch Sensoren und stellten fest, dass es aufgrund unterschiedlicher vertikaler Höhen einen siebenfachen Unterschied in der Luftgeschwindigkeit geben kann^, und die Luftgeschwindigkeit an jeder Position korrelierte positiv mit der Betriebsleistung des Ventilators. Darüber hinaus untersuchte eine Studie die Auswirkungen der Ladeanordnung und der Anzahl der Lüfter auf den Luftstrom, und es wurde festgestellt, dass die Vergrößerung des Abstands einiger Lüfterpositionen und die rationale Wahl der Anzahl der Lüfter hilfreich waren, um den Effekt zu verbessern. Berry et ^al.18 untersuchten die Auswirkungen des Luftstroms in verschiedenen Lagerumgebungen von Früchten auf die Verteilung der Spaltöffnungen in Verpackungskartons. Mit Hilfe von Simulationssoftware untersuchten Dehghannya et ^al.19,20 den Luftströmungszustand von erzwungener vorkalter Luft in der Verpackung mit unterschiedlichen Entlüftungsbereichen, -mengen und -verteilungspositionen an der Verpackungswand und ermittelten den nichtlinearen Einfluss jedes Parameters auf den Luftströmungszustand. Delele et ^al.21 wandten ein numerisches Strömungssimulationsmodell an, um den Einfluss von Produkten, die zufällig in verschiedenen Formen von Lüftungskästen verteilt sind, auf den Luftstrom zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Produktgröße, die Porosität und das Kastenlochverhältnis einen größeren Einfluss auf den Luftstrom hatten, während die zufällige Füllung einen geringeren Einfluss hatte. Ilangovan et ^al.22 untersuchten die Luftströmungsmuster und das thermische Verhalten zwischen den drei Verpackungsstrukturen und verglichen die Ergebnisse mit Referenzstrukturmodellen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmeverteilung in der Box aufgrund der unterschiedlichen Positionen und Designs der Entlüftung nicht gleichmäßig war. Gong et ^al.23 optimierten die Breite des Spalts zwischen dem Rand des Tabletts und der Wand des Behälters.

Zu den Techniken, die in diesem Artikel verwendet werden, gehören Simulations- und Optimierungsmethoden. Das Prinzip der ersteren besteht darin, dass die zugrunde liegenden Gleichungen diskretisiert und numerisch mit der Finite-Volumen-Methode²¹ gelöst wurden. Die in diesem Artikel verwendete Optimierungsmethode wird als orthogonale Optimierung²⁴ bezeichnet. Der orthogonale Test ist eine typische Multifaktor- und Multilevel-Analysemethode. Die mit dieser Methode erstellte orthogonale Tabelle enthält repräsentative, gleichmäßig im Designraum verteilte Punkte, die den gesamten Designraum visuell beschreiben und untersuchen können. Das heißt, weniger Punkte stellen den vollständigen Faktortest dar, was Zeit, Arbeitskraft, Material und finanzielle Ressourcen erheblich spart. Der orthogonale Test ist bei der Versuchsplanung in den Bereichen Energiesysteme, Chemie, Bauingenieurwesen usw. weit verbreitet²⁵.

Das Ziel dieser Studie ist es, eine leistungsstarke belüftete Box zu entwerfen und zu optimieren. Eine belüftete Box kann als eine Originalbox definiert werden, die eine Gasregelvorrichtung enthält, die das Gas gleichmäßig in der Box verteilt. Die Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit bezieht sich darauf, wie gleichmäßig Luft durch den belüfteten Kasten strömt. Yun-De et ^al.26 haben bereits gezeigt, dass die Eigenschaft von mehrporigem Material einen wichtigen Einfluss auf die Geschwindigkeitsgleichmäßigkeit einer Frischgemüsekiste hat. In einigen Experimenten wurde sowohl am oberen als auch am unteren Rand der Testkammer ein Plenum oder eine modulierte Kammer belassen, um eine homogene Verteilung von erzwungener oder induzierter Luft^{zu gewährleisten 27}. Der in diesem Artikel entworfene belüftete Kasten enthält Anordnungen von Rohren mit Zickzacklöchern. Die Kontrolle der Luftstromverteilung in der belüfteten Box ist die wichtigste Konservierungsstrategie. An der linken und rechten Seite des belüfteten Kastens befinden sich zwei gleich große Lufteinlässe, und an der Oberseite des Kastens befindet sich ein Auslass. Die Gestaltung der inneren Struktur einer belüfteten Box ist der Schlüssel zu dieser Studie. Mit anderen Worten, die Anzahl der Rohre und Löcher ist ein wichtiger Parameter für die Änderung der inneren Struktur des belüfteten Kastens. Das Referenzmodell hat 10 Rohre. Die beiden Mittelrohre haben jeweils 10 Löcher, die über die Rohre versetzt sind. Die Anzahl der Löcher vom mittleren bis zum äußeren Rohr erhöht sich um jeweils zwei.

Mit anderen Worten, wenn wir frisches Gemüse, Obst und andere Produkte aufbewahren, kann ein kontinuierlicher und stabiler Luftstrom die Atmung von Produkten reduzieren, Ethylen und andere schädliche Substanzen für die Produktkonservierung reduzieren und die von den Produkten selbst erzeugte Temperatur senken. Aufgrund der unterschiedlichen Parameter des belüfteten Kastens ist es nicht einfach, den erforderlichen Luftstromzustand zu erreichen, was sich auf die Konservierungseigenschaften des belüfteten Kastens auswirkt. Daher nimmt das Projekt die Gleichmäßigkeit der internen Luftströmungsgeschwindigkeit des belüfteten Kastens als Kontrollziel. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse für die strukturellen Parameter des belüfteten Kastens durchgeführt. Die Proben wurden durch orthogonales Versuchsdesign ausgewählt. Mit Hilfe der Reichweitenanalyse haben wir die Kombination der drei Strukturparameter optimiert. Währenddessen überprüfen wir die Erwünschtheit der Optimierungsergebnisse.

Protocol

1. Verarbeitung vor der Simulation ANMERKUNG: Unter Berücksichtigung der Rohranordnungen, der dreidimensionalen unteren Hälfte und der oberen Hälfte der Modelle der belüfteten Kasten werden die dreidimensionale untere Hälfte und die Speicherung als X_T-Dateien erstellt, die Gesamtabmessungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Konfigurationen sind in der Materialtabelle aufgeführt. Führen Sie die Simulationssoftware aus und <stro…

Representative Results

Dem Protokoll folgend, waren die ersten drei Teile die wichtigsten, die Modellierung, Vernetzung und Simulation umfassen, um die Standardabweichung der Durchflussrate zu erhalten. Anschließend haben wir die Strukturoptimierung der belüfteten Box durch orthogonale Experimente und Entfernungsanalysen abgeschlossen. Das im Protokoll verwendete Modell ist das Modell mit belüfteter Referenzbox, bei dem es sich um das ursprüngliche Modell handelt, das aus der Referenz abgerufen wird. Abbildung 4</stron…

Discussion

Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und komplexen Struktur haben wir in dieser Studie eine belüftete Box auf Basis von Modellierungssoftware gebaut. Wir analysierten die interne Strömung mit Hilfe einer Simulationssoftware. Simulationssoftware ist bekannt für ihre fortschrittlichen physikalischen Modellierungsfunktionen, zu denen Turbulenzmodellierung, Ein- und Mehrphasenströmungen, Verbrennung, Batteriemodellierung, Fluid-Struktur-Interaktion und vieles mehr gehören. Die in dieser Arbeit verwendete Stichproben…

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