Progettazione e strategie di ottimizzazione di una scatola ventilata ad alte prestazioni
Summary
Qui, presentiamo il metodo di analisi della gamma per ottimizzare i punti di campionamento generati da un design sperimentale ortogonale per garantire che il cibo fresco possa essere conservato in una scatola ventilata per lungo tempo regolando il modello del flusso d’aria.
Abstract
Questo studio mira a risolvere i problemi di caos del flusso d’aria e scarse prestazioni in una scatola ventilata causati dalla distribuzione eterogenea del flusso d’aria attraverso la progettazione della struttura interna della scatola ventilata con consumo energetico costante. L’obiettivo finale è quello di distribuire uniformemente il flusso d’aria all’interno della scatola ventilata. L’analisi di sensibilità è stata eseguita per tre parametri strutturali: il numero di tubi, il numero di fori nel tubo centrale e il numero di ciascun incremento dall’interno al tubo esterno. Un totale di 16 array casuali di tre parametri strutturali con quattro livelli sono stati determinati utilizzando il disegno sperimentale ortogonale. Il software commerciale è stato utilizzato per la costruzione di un modello 3D per i punti sperimentali selezionati, e questi dati sono stati utilizzati per ottenere le velocità del flusso d’aria, che sono state poi utilizzate per ottenere la deviazione standard di ciascun punto sperimentale. Secondo l’analisi della gamma, la combinazione dei tre parametri strutturali è stata ottimizzata. In altre parole, è stato stabilito un metodo di ottimizzazione efficiente ed economico considerando le prestazioni della scatola ventilata e potrebbe essere ampiamente utilizzato per prolungare il tempo di conservazione degli alimenti freschi.
Introduction
Le verdure e la frutta fresche occupano un’alta percentuale del consumo alimentare umano, non solo perché hanno buon gusto e una forma attraente, ma anche perché sono di grande beneficio per le persone per ottenere nutrizione e mantenere la salute1. Molti studi hanno dimostrato che frutta e verdura fresca svolgono un ruolo unico nella prevenzione di molte malattie 2,3. Nel processo di conservazione di frutta e verdura fresca, funghi, luce, temperatura e umidità relativa sono le ragioni importanti del loro deterioramento 4,5,6,7,8. Queste condizioni esterne influenzano la qualità degli ortofrutticoli freschi immagazzinati influenzando il metabolismo interno o le reazioni chimiche9.
Le tecnologie di trattamento comuni per frutta e verdura includono la conservazione non termica e termica. Tra questi, il pretrattamento termico ha un effetto positivo sul processo di essiccazione, ma può anche avere effetti negativi sulla qualità del prodotto, come la perdita di sostanze nutritive, il cambiamento di sapore e odore e il cambiamento di colore10,11. Pertanto, negli ultimi anni, la conservazione non termica dei prodotti ha ricevuto attenzione dal punto di vista della ricerca per soddisfare la domanda dei consumatori di prodotti freschi. Attualmente, ci sono principalmente processi di radiazione, campo elettrico pulsato, lavorazione dell’ozono, rivestimenti commestibili, anidride carbonica in fase densa e altre tecnologie di conservazione non termica per conservare frutta e verdura, ma queste tecnologie hanno spesso carenze, come il requisito di attrezzature di grandi dimensioni, il prezzo elevato e il costo di utilizzo12. Pertanto, la progettazione di una struttura semplice, a basso costo e un comodo controllo delle attrezzature di conservazione è molto significativa per l’industria alimentare.
Nell’ambiente di stoccaggio di frutta e verdura, un corretto sistema di circolazione dell’aria aiuta ad eliminare il calore generato dal prodotto stesso, ridurre il gradiente di temperatura e mantenere la temperatura e l’umidità nello spazio in cui si trova. Una corretta circolazione dell’aria previene anche la perdita di peso dovuta alla respirazione e alle infezioni fungine13,14,15. Numerosi studi sono stati condotti sul flusso d’aria all’interno di diverse strutture. Praeger et al.16,17 hanno misurato la velocità del vento in diverse posizioni sotto diverse potenze operative della ventola in un magazzino attraverso sensori e hanno scoperto che potrebbe esserci una differenza di sette volte nella velocità dell’aria a causa delle diverse altezze verticali e la velocità dell’aria in ogni posizione era positivamente correlata con la potenza operativa della ventola. Inoltre, uno studio ha esaminato l’effetto della disposizione del carico e il numero di ventilatori sul flusso d’aria, e si è concluso che aumentare la distanza di alcune posizioni delle ventole e scegliere razionalmente il numero di ventole è stato utile per migliorare l’effetto. Berry et al.18 hanno studiato l’effetto del flusso d’aria in diversi ambienti di conservazione della frutta sulla distribuzione degli stomi nelle scatole di imballaggio. Utilizzando un software di simulazione, Dehghannya et al.19,20 hanno studiato lo stato del flusso d’aria dell’aria pre-fredda forzata nel pacchetto con diverse aree di sfiato, quantità e posizioni di distribuzione sulla parete dell’imballaggio e hanno ottenuto l’influenza non lineare di ciascun parametro sullo stato del flusso d’aria. Delele et al.21 hanno applicato un modello fluidodinamico computazionale per studiare l’influenza di prodotti distribuiti casualmente in diverse forme di scatole di ventilazione sul flusso d’aria. Hanno scoperto che le dimensioni del prodotto, la porosità e il rapporto dei fori della scatola hanno avuto un impatto maggiore sul flusso d’aria, mentre il riempimento casuale ha avuto un impatto minore. Ilangovan et al.22 hanno studiato i modelli di flusso d’aria e il comportamento termico tra le tre strutture di imballaggio e hanno confrontato i risultati con i modelli strutturali di riferimento. I risultati hanno mostrato che la distribuzione del calore nella scatola non era uniforme a causa delle diverse posizioni e design dello sfiato. Gong et al.23 hanno ottimizzato la larghezza dello spazio tra il bordo del vassoio e la parete del contenitore.
Le tecniche utilizzate in questo documento includono metodi di simulazione e ottimizzazione. Il principio del primo è che le equazioni che governano sono state discretizzate, e risolte numericamente usando il metodo del volume finito21. Il metodo di ottimizzazione utilizzato in questo documento è indicato come ottimizzazione ortogonale24. Il test ortogonale è un tipico metodo di analisi multifattoriale e multilivello. La tabella ortogonale costruita con questo metodo contiene punti rappresentativi distribuiti uniformemente nello spazio di progettazione, che possono descrivere visivamente l’intero spazio di progettazione ed essere esaminati. Cioè, meno punti rappresentano il test fattoriale completo, risparmiando notevolmente tempo, manodopera, materiale e risorse finanziarie. Il test ortogonale è stato ampiamente utilizzato nella progettazione di esperimenti nei settori dei sistemi di alimentazione, della chimica, dell’ingegneria civile, ecc.25.
L’obiettivo di questo studio è progettare e ottimizzare una scatola ventilata ad alte prestazioni. Una scatola ventilata può essere definita come una scatola originale che include un dispositivo di controllo del gas che disperde uniformemente il gas nella scatola. L’uniformità della velocità si riferisce al modo in cui l’aria scorre uniformemente attraverso la scatola ventilata. Yun-De et al.26 hanno precedentemente dimostrato che la proprietà del materiale multiporoso ha un effetto importante sull’uniformità della velocità di una scatola di verdure fresche. In alcuni esperimenti, un plenum o una camera modulata è stata lasciata sia nella parte superiore che in quella inferiore della camera di prova per garantire una distribuzione omogenea dell’aria forzata o indotta27. La scatola ventilata progettata in questo documento contiene matrici di tubi con fori a zigzag. Il controllo della distribuzione del flusso d’aria nella scatola ventilata è la principale strategia di conservazione. Ci sono due prese d’aria di uguali dimensioni poste parallelamente ai lati sinistro e destro della scatola ventilata, e una presa è impostata sul lato superiore della scatola. Progettare la struttura interna di una scatola ventilata è la chiave di questo studio. In altre parole, il numero di tubi e fori è un parametro importante per modificare la struttura interna della scatola ventilata. Il modello di riferimento ha 10 tubi. I due tubi centrali hanno 10 fori ciascuno, che sono sfalsati attraverso i tubi. Il numero di fori dal tubo centrale al tubo esterno aumenta di due alla volta.
In altre parole, quando conserviamo verdure fresche, frutta e altri prodotti, il flusso d’aria continuo e stabile può ridurre la respirazione dei prodotti, ridurre l’etilene e altre sostanze nocive per la conservazione del prodotto e ridurre la temperatura prodotta dai prodotti stessi. A causa dei diversi parametri della scatola ventilata, non è facile ottenere lo stato del flusso d’aria richiesto, che influenzerà la proprietà di conservazione della scatola ventilata. Pertanto, il progetto prende l’uniformità della velocità del flusso d’aria interno della scatola ventilata come obiettivo di controllo. È stata condotta un’analisi di sensibilità per i parametri strutturali della scatola ventilata. I campioni sono stati selezionati mediante disegno sperimentale ortogonale. Abbiamo utilizzato l’analisi della gamma per ottimizzare la combinazione dei tre parametri strutturali. Nel frattempo, verifichiamo l’opportunità dei risultati dell’ottimizzazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Grazie alle sue elevate prestazioni e alla sua struttura complessa, in questo studio abbiamo costruito una scatola ventilata basata su software di modellazione. Abbiamo analizzato il flusso interno mediante software di simulazione. Il software di simulazione è noto per le sue avanzate capacità di modellazione fisica, che includono modellazione della turbolenza, flussi monofase e multifase, combustione, modellazione della batteria, interazione fluido-struttura e molto altro. Il metodo di selezione del campione utilizzat…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è supportata dal Wenzhou Science and Technology Bureau of China (Wenzhou major scientific and technological innovation project under Grant No. ZG2020029). La ricerca è finanziata dalla Wenzhou Association for Science and Technology con Grant No. KJFW09. Questa ricerca è stata supportata dal Wenzhou Municipal Key Science and Research Program (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 |
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