استراتيجيات التصميم والتحسين لصندوق تنفيس عالي الأداء
Summary
هنا ، نقدم طريقة تحليل النطاق لتحسين نقاط العينة الناتجة عن تصميم تجريبي متعامد لضمان إمكانية تخزين الطعام الطازج في صندوق تهوية لفترة طويلة من خلال تنظيم نمط تدفق الهواء.
Abstract
تهدف هذه الدراسة إلى حل مشاكل فوضى تدفق الهواء وضعف الأداء في صندوق التهوية الناجم عن التوزيع غير المتجانس لتدفق الهواء من خلال تصميم الهيكل الداخلي للصندوق ذو التهوية مع استهلاك ثابت للطاقة. الهدف النهائي هو توزيع تدفق الهواء بالتساوي داخل الصندوق ذي التهوية. تم إجراء تحليل الحساسية لثلاثة معلمات هيكلية: عدد الأنابيب ، وعدد الثقوب في الأنبوب الأوسط ، وعدد كل زيادة من الداخل إلى الأنبوب الخارجي. تم تحديد ما مجموعه 16 مجموعة صفيف عشوائية من ثلاثة معلمات هيكلية مع أربعة مستويات باستخدام التصميم التجريبي المتعامد. تم استخدام البرمجيات التجارية لبناء نموذج 3D للنقاط التجريبية المختارة ، وتم استخدام هذه البيانات للحصول على سرعات تدفق الهواء ، والتي تم استخدامها بعد ذلك للحصول على الانحراف المعياري لكل نقطة تجريبية. وفقا لتحليل النطاق ، تم تحسين الجمع بين المعلمات الهيكلية الثلاثة. بمعنى آخر ، تم إنشاء طريقة تحسين فعالة واقتصادية مع مراعاة أداء الصندوق ذي التهوية ، ويمكن استخدامه على نطاق واسع لتمديد وقت تخزين الطعام الطازج.
Introduction
تحتل الخضروات والفواكه الطازجة نسبة عالية من استهلاك الغذاء البشري ، ليس فقط لأنها تتمتع بمذاق جيد وشكل جذاب ، ولكن أيضا لأنها ذات فائدة كبيرة للناس للحصول على التغذية والحفاظ على الصحة1. أظهرت العديد من الدراسات أن الفواكه والخضروات الطازجة تلعب دورا فريدا في الوقاية من العديد من الأمراض 2,3. في عملية تخزين الفواكه والخضروات الطازجة ، تعد الفطريات والضوء ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية من الأسباب المهمة لتدهورها4،5،6،7،8. تؤثر هذه الظروف الخارجية على جودة الفواكه والخضروات الطازجة المخزنة من خلال التأثير على التمثيل الغذائي الداخلي أو التفاعلات الكيميائية9.
تشمل تقنيات المعالجة الشائعة للفواكه والخضروات الحفظ غير الحراري والحراري. من بينها ، المعالجة الحرارية لها تأثير إيجابي على عملية التجفيف ، ولكن يمكن أن يكون لها أيضا آثار ضارة على جودة المنتج ، مثل فقدان العناصر الغذائية ، وتغيير النكهة والرائحة ، وتغيير اللون10,11. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، حظي الحفاظ على المنتجات غير الحرارية بالاهتمام من منظور البحث لتلبية طلب المستهلكين على المنتجات الطازجة. في الوقت الحاضر ، هناك بشكل أساسي معالجة الإشعاع ، والمجال الكهربائي النبضي ، ومعالجة الأوزون ، والطلاءات الصالحة للأكل ، وثاني أكسيد الكربون الكثيف الطور ، وغيرها من تقنيات الحفظ غير الحراري لتخزين الفواكه والخضروات ، ولكن هذه التقنيات غالبا ما يكون لها أوجه قصور ، مثل متطلبات المعدات الكبيرة ، والسعر المرتفع ، وتكلفة الاستخدام12. لذلك ، فإن تصميم هيكل بسيط وتكلفة منخفضة وتحكم مريح في معدات الحفظ له مغزى كبير لصناعة الأغذية.
في بيئة تخزين الفواكه والخضروات ، يساعد نظام تدوير الهواء المناسب على التخلص من الحرارة الناتجة عن المنتج نفسه ، وتقليل تدرج درجة الحرارة ، والحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة في المساحة التي يوجد بها. يمنع دوران الهواء السليم أيضا فقدان الوزن بسبب التنفس والالتهابات الفطرية13،14،15. أجريت العديد من الدراسات حول تدفق الهواء داخل الهياكل المختلفة. قام Praeger et al.16,17 بقياس سرعة الرياح في مواضع مختلفة تحت قوى تشغيل مروحة مختلفة في مستودع من خلال أجهزة استشعار ووجدوا أنه يمكن أن يكون هناك فرق كبير يصل إلى سبعة أضعاف في سرعة الهواء بسبب الارتفاعات الرأسية المختلفة ، وكانت سرعة الهواء في كل موضع مرتبطة بشكل إيجابي مع قوة تشغيل المروحة. علاوة على ذلك ، فحصت دراسة تأثير ترتيب الحمولة وعدد المراوح على تدفق الهواء ، وخلصت إلى أن زيادة مسافة بعض مواضع المروحة واختيار عدد المراوح بشكل عقلاني كان مفيدا في تحسين التأثير. درس بيري وآخرون تأثير تدفق الهواء في بيئات تخزين الفاكهة المختلفة على توزيع الثغور في صناديق التعبئة. باستخدام برنامج المحاكاة ، درس Dehghannya et al.19,20 حالة تدفق الهواء للهواء القسري قبل البارد في العبوة مع مناطق تنفيس وكميات ومواضع توزيع مختلفة على جدار العبوة ، وحصلوا على التأثير غير الخطي لكل معلمة على حالة تدفق الهواء. طبق Delele et al.21 نموذج ديناميكيات الموائع الحسابية لدراسة تأثير المنتجات الموزعة عشوائيا في أشكال مختلفة من صناديق التهوية على تدفق الهواء. ووجدوا أن حجم المنتج والمسامية ونسبة ثقب الصندوق كان لها تأثير أكبر على تدفق الهواء ، في حين أن التعبئة العشوائية كان لها تأثير أقل. درس Ilangovan et al.22 أنماط تدفق الهواء والسلوك الحراري بين هياكل التغليف الثلاثة وقارن النتائج مع النماذج الهيكلية المرجعية. أظهرت النتائج أن توزيع الحرارة في الصندوق لم يكن منتظما بسبب اختلاف مواقع وتصميمات الفتحة. قام Gong et al.23 بتحسين عرض الفجوة بين حافة الدرج وجدار الحاوية.
تشمل التقنيات المستخدمة في هذا البحث طرق المحاكاة والتحسين. مبدأ الأول هو أن المعادلات الحاكمة تم تمييزها وحلها عدديا باستخدام طريقة الحجم المحدود21. يشار إلى طريقة التحسين المستخدمة في هذا البحث باسم التحسين المتعامد24. الاختبار المتعامد هو طريقة تحليل نموذجية متعددة العوامل ومتعددة المستويات. يحتوي الجدول المتعامد الذي تم إنشاؤه باستخدام هذه الطريقة على نقاط تمثيلية موزعة بشكل موحد في مساحة التصميم ، والتي يمكن أن تصف بصريا مساحة التصميم بأكملها ويتم فحصها. أي أن عددا أقل من النقاط يمثل اختبار العامل الكامل ، مما يوفر الوقت والقوى العاملة والموارد المادية والمالية بشكل كبير. تم استخدام الاختبار المتعامد على نطاق واسع في تصميم التجارب في مجالات أنظمة الطاقة والكيمياء والهندسة المدنية وما إلى ذلك25.
الهدف من هذه الدراسة هو تصميم وتحسين صندوق تهوية عالي الأداء. يمكن تعريف الصندوق ذو التهوية على أنه صندوق أصلي بما في ذلك جهاز التحكم في الغاز الذي يشتت الغاز بشكل موحد في الصندوق. يشير توحيد السرعة إلى كيفية تدفق الهواء بالتساوي عبر الصندوق ذي التهوية. أظهر Yun-De et al.26 سابقا أن خاصية المواد متعددة المسام لها تأثير مهم على توحيد سرعة صندوق الخضروات الطازجة. في بعض التجارب ، تم ترك غرفة كاملة أو معدلة في كل من الجزء العلوي والسفلي من غرفة الاختبار لضمان توزيع متجانس للهواء القسري أو المستحث27. يحتوي الصندوق ذو التهوية المصمم في هذه الورقة على صفائف من الأنابيب ذات ثقوب متعرجة. التحكم في توزيع تدفق الهواء في الصندوق ذو التهوية هو استراتيجية الحفظ الرئيسية. يوجد مدخلان للهواء متساويان في الحجم مثبتان بالتوازي على الجانبين الأيسر والأيمن من الصندوق ذي التهوية ، ويتم ضبط مخرج في الجانب العلوي من الصندوق. تصميم الهيكل الداخلي لصندوق التهوية هو مفتاح هذه الدراسة. بمعنى آخر ، يعد عدد الأنابيب والثقوب معلمة مهمة لتغيير الهيكل الداخلي للصندوق ذي التهوية. يحتوي النموذج المرجعي على 10 أنابيب. يحتوي الأنبوبان الأوسطان على 10 ثقوب لكل منهما ، وهي متداخلة عبر الأنابيب. يزداد عدد الثقوب من الأنبوب الأوسط إلى الأنبوب الخارجي بمقدار اثنين في المرة الواحدة.
بمعنى آخر ، عندما نحتفظ بالخضروات والفواكه الطازجة وغيرها من المنتجات ، يمكن أن يقلل تدفق الهواء المستمر والمستقر من تنفس المنتجات ، ويقلل من الإيثيلين والمواد الضارة الأخرى للحفاظ على المنتج ، ويقلل درجة الحرارة التي تنتجها المنتجات نفسها. نظرا للمعلمات المختلفة للصندوق ذي التهوية ، ليس من السهل الحصول على حالة تدفق الهواء المطلوبة ، والتي ستؤثر على خاصية الحفاظ على الصندوق ذي التهوية. لذلك ، يأخذ المشروع توحيد سرعة تدفق الهواء الداخلي للصندوق المهواة كهدف للتحكم. تم إجراء تحليل حساسية للمعلمات الهيكلية للصندوق المهواة. تم اختيار العينات عن طريق التصميم التجريبي المتعامد. استخدمنا تحليل النطاق لتحسين الجمع بين المعلمات الهيكلية الثلاثة. وفي الوقت نفسه ، نتحقق من استصواب نتائج التحسين.
Protocol
Representative Results
Discussion
نظرا لأدائها العالي وهيكلها المعقد ، قمنا في هذه الدراسة ببناء صندوق جيد التهوية يعتمد على برامج النمذجة. قمنا بتحليل التدفق الداخلي بواسطة برنامج المحاكاة. يعرف برنامج المحاكاة بقدراته المتقدمة في النمذجة الفيزيائية ، والتي تشمل نمذجة الاضطرابات ، والتدفقات أحادية ومتعددة الأطوار ، وا…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتم دعم هذا البحث من قبل مكتب ونتشو للعلوم والتكنولوجيا في الصين (مشروع ونتشو الرئيسي للابتكار العلمي والتكنولوجي بموجب المنحة رقم ZG2020029). يتم تمويل البحث من قبل جمعية ونتشو للعلوم والتكنولوجيا مع منحة رقم KJFW09. تم دعم هذا البحث من قبل برنامج العلوم والبحوث الرئيسية لبلدية ونتشو (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 |
Referências
- 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).
