高性能ベントボックスの設計と最適化戦略
Summary
ここでは、直交実験計画によって生成されたサンプルポイントを最適化し、気流パターンを調整することで生鮮食品を通気ボックスに長期間保存できるようにする範囲分析手法を紹介します。
Abstract
本研究は,一定のエネルギー消費を伴う通気箱の内部構造の設計を通じて,気流の不均一分布に起因する通気箱における気流の混乱と性能低下の問題を解決することを目的とする。最終的な目標は、通気ボックス内の空気の流れを均等に分配することです。感度解析は、パイプの数、中央のパイプの穴の数、および内側から外側のパイプへの各増分の数の3つの構造パラメータに対して実行されました。4つの水準を持つ3つの構造パラメータの合計16のランダム配列セットが、直交実験計画を使用して決定されました。市販のソフトウェアを使用して、選択した実験ポイントの3Dモデルを構築し、このデータを使用して気流速度を取得し、それを使用して各実験ポイントの標準偏差を取得しました。範囲分析によると、3つの構造パラメータの組み合わせが最適化されました。すなわち、通気箱の性能を考慮した効率的かつ経済的な最適化手法が確立され、生鮮食品の保存期間の延長に広く利用できた。
Introduction
新鮮な野菜や果物は、味が良く魅力的な形をしているだけでなく、人々が栄養を得て健康を維持するのに非常に有益であるため、人間の食物消費量の高い割合を占めています1。多くの研究は、新鮮な果物や野菜が多くの病気の予防にユニークな役割を果たすことを示しています2,3。新鮮な果物や野菜の貯蔵過程では、真菌、光、温度、相対湿度がそれらの劣化の重要な理由です4,5,6,7,8。これらの外部条件は、内部代謝または化学反応に影響を与えることにより、保存された新鮮な果物や野菜の品質に影響を与えます9。
果物や野菜の一般的な処理技術には、非熱保存と保温が含まれます。その中で、熱前処理は乾燥プロセスにプラスの効果をもたらしますが、栄養素の損失、風味や臭いの変化、色の変化など、製品の品質にも悪影響を与える可能性があります10,11。そのため、近年、生鮮食品に対する消費者の需要に応えるために、製品の非保温性が研究の観点から注目されています。現在、主に放射線処理、パルス電界、オゾン処理、食用コーティング、高密度相二酸化炭素、および果物や野菜を保存するためのその他の非熱保存技術がありますが、これらの技術には、大型機器、高価格、使用コストなどの欠点があることがよくあります12。したがって、シンプルな構造、低コスト、および保存装置の便利な制御の設計は、食品業界にとって非常に意味があります。
果物や野菜の保管環境では、適切な空気循環システムは、製品自体から発生する熱を排除し、温度勾配を減らし、それが配置されている空間の温度と湿度を維持するのに役立ちます。適切な空気循環はまた、呼吸および真菌感染症による体重減少を防ぎます13,14,15。さまざまな構造内の気流について多くの研究が行われてきました。Praegerら16,17は、倉庫内の異なるファン動作電力の下で異なる位置での風速をセンサを介して測定し、異なる垂直高さのために風速に7倍もの大きな差がある可能性があり、各位置の風速はファン動作電力と正の相関があることを発見しました。さらに、貨物配置とファン数が気流に及ぼす影響を調べた研究があり、一部のファン位置の距離を長くし、ファンの数を合理的に選択することが効果の向上に役立つと結論付けられました。Berryら18は、さまざまな果物の貯蔵環境における気流が梱包箱内の気孔分布に及ぼす影響を研究しました。Dehghannyaらは、シミュレーションソフトウェアを使用して、パッケージ壁の通気面積、量、分布位置が異なるパッケージ内の強制予冷空気の空気の流れ状態を研究し、空気の流れ状態に対する各パラメータの非線形影響を得ました。Deleleら21は、数値流体力学モデルを適用して、さまざまな形態の換気ボックスにランダムに分布した製品が気流に与える影響を研究しました。その結果、製品のサイズ、気孔率、箱穴の比率が気流に与える影響が大きいのに対し、ランダム充填の影響は小さいことがわかりました。Ilangovan et al.22は、3つのパッケージ構造間の気流パターンと熱挙動を研究し、その結果を参照構造モデルと比較しました。結果は、通気口の位置と設計が異なるため、ボックス内の熱分布が均一ではないことを示しました。Gongら23は、トレイの端と容器の壁との間のギャップの幅を最適化した。
このホワイトペーパーで使用される手法には、シミュレーションと最適化の方法が含まれます。前者の原理は、支配方程式が有限体積法21を使用して離散化され、数値的に解かれたことです。この論文で用いた最適化手法を直交最適化24と呼ぶ。直交検定は、典型的な多因子および多水準分析法です。この手法を用いて構築された直交表は、設計空間に一様に分布した代表点を含み、設計空間全体を視覚的に記述し、検討することができる。つまり、全因子テストを表すポイントが少ないため、時間、人的資源、材料、および財源を大幅に節約できます。直交試験は、電力システム、化学、土木工学などの分野での実験の設計に広く使用されています25。
この研究の目的は、高性能の通気ボックスを設計および最適化することです。ベントボックスは、ガスをボックス内に均一に分散させるガス制御装置を含む元のボックスとして定義できます。速度均一性とは、通気ボックスを空気がどれだけ均等に流れるかを指します。Yun-Deら26 は、多孔性材料の特性が生鮮野菜箱の速度均一性に重要な影響を与えることを以前に示しました。いくつかの実験では、プレナムまたは変調チャンバを試験チャンバの上部および下部の両方に残し、強制空気または誘導空気27のいずれかの均質な分布を保証する。この論文で設計されたベントボックスには、ジグザグの穴のあるパイプの配列が含まれています。通気ボックス内の気流分布を制御することが主な保存戦略です。ベントボックスの左右に平行に設置された同じサイズの2つの吸気口があり、ボックスの上部に出口が設定されています。通気ボックスの内部構造を設計することは、この研究の鍵です。言い換えれば、パイプと穴の数は、通気ボックスの内部構造を変更するための重要なパラメータです。参照モデルには 10 本のパイプがあります。2つの中央のパイプにはそれぞれ10個の穴があり、パイプを横切って互い違いになっています。中央から外側のパイプまでの穴の数は一度に2つずつ増加します。
言い換えれば、新鮮な野菜、果物、その他の製品を保持する場合、継続的で安定した空気の流れは、製品の呼吸を減らし、製品の保存のためのエチレンやその他の有害物質を減らし、製品自体によって生成される温度を下げることができます。ベントボックスのパラメータが異なるため、必要な気流状態を取得することは容易ではなく、ベントボックスの保存特性に影響します。したがって、このプロジェクトは、ベントボックスの内部気流速度の均一性を制御目標としています。通気ボックスの構造パラメータについて感度分析を行った。サンプルは直交実験計画によって選択されました。範囲分析を使用して、3つの構造パラメータの組み合わせを最適化しました。一方、最適化結果の望ましさを検証します。
Protocol
Representative Results
Discussion
その高性能で複雑な構造のため、この研究では、モデリングソフトウェアに基づいて換気ボックスを構築しました。シミュレーションソフトによる内部流れの解析を行った。シミュレーションソフトウェアは、乱流モデリング、単相および混相流、燃焼、バッテリーモデリング、流体-構造相互作用など、高度な物理モデリング機能で知られています。この論文で使用されているサンプル選択…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国温州科学技術局(温州主要科学技術イノベーションプロジェクト、助成金番号ZG2020029)の支援を受けています。この研究は、温州科学技術協会(助成金番号KJFW09)から資金提供を受けています。この研究は、温州市重点科学研究プログラム(ZN2022001)の支援を受けました。
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
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