고성능 Vented Box의 설계 및 최적화 전략
Summary
여기에서는 공기 흐름 패턴을 조절하여 신선 식품을 통풍 상자에 장기간 보관할 수 있도록 직교 실험 설계에 의해 생성된 샘플 포인트를 최적화하는 범위 분석 방법을 제시합니다.
Abstract
본 연구는 일정한 에너지 소비를 갖는 통기박스의 내부구조 설계를 통해 기류의 이질적인 분포로 인한 통기박스의 기류 혼돈과 성능 저하 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 최종 목표는 통풍 상자 내부의 공기 흐름을 고르게 분배하는 것입니다. 민감도 분석은 파이프 수, 중간 파이프의 구멍 수, 파이프 내부에서 외부로의 각 증분 수의 세 가지 구조 매개변수에 대해 수행되었습니다. 직교 실험 설계를 사용하여 4개의 수준을 가진 3개의 구조 매개변수로 구성된 총 16개의 무작위 배열 세트를 결정했습니다. 상용 소프트웨어는 선택된 실험 지점에 대한 3D 모델 구성에 사용되었으며,이 데이터는 기류 속도를 얻는 데 사용되었으며, 그 다음 각 실험 지점의 표준 편차를 얻는 데 사용되었습니다. 범위 분석에 따르면 세 가지 구조 매개변수의 조합이 최적화되었습니다. 즉, 통기박스의 성능을 고려한 효율적이고 경제적인 최적화 방법을 확립하여 신선식품의 보관시간을 연장하는데 널리 활용될 수 있었다.
Introduction
신선한 채소와 과일은 맛이 좋고 형태가 매력적일 뿐만 아니라 영양을 섭취하고 건강을 유지하는 데 큰 도움이 되기 때문에 인간 식품 소비의 높은 비율을 차지합니다1. 많은 연구에 따르면 신선한 과일과 채소는 많은 질병을 예방하는 데 독특한 역할을 한다 2,3. 신선한 과일과 채소의 저장 과정에서, 곰팡이, 빛, 온도 및 상대 습도는 열화의 중요한 원인이다 4,5,6,7,8. 이러한 외부 조건은 내부 신진 대사 또는 화학 반응에 영향을 주어 저장된 신선한 과일과 채소의 품질에 영향을 미칩니다9.
과일과 채소에 대한 일반적인 처리 기술에는 비열 및 열 보존이 포함됩니다. 그 중 열처리는 건조 과정에 긍정적인 영향을 미치지만 영양소 손실, 맛과 냄새의 변화, 색상 변화와 같은 제품 품질에 악영향을 미칠 수도 있습니다10,11. 따라서 최근에는 신선한 제품에 대한 소비자의 요구를 충족시키기 위해 제품의 비열 보존이 연구 관점에서 주목을 받고 있습니다. 현재 과일과 채소를 저장하기위한 방사선 처리, 펄스 전기장, 오존 처리, 식용 코팅, 고밀도 상 이산화탄소 및 기타 비 열 보존 기술이 주로 있지만 이러한 기술은 종종 대형 장비의 요구 사항, 높은 가격 및 사용 비용과 같은 단점이 있습니다12. 따라서 간단한 구조, 저렴한 비용 및 보존 장비의 편리한 제어의 설계는 식품 산업에 매우 의미가 있습니다.
과일 및 채소의 보관 환경에서 적절한 공기 순환 시스템은 제품 자체에서 발생하는 열을 제거하고 온도 구배를 줄이며 제품이 위치한 공간의 온도와 습도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 적절한 공기 순환은 또한 호흡 및 곰팡이 감염으로 인한 체중 감소를 예방합니다13,14,15. 다양한 구조 내의 공기 흐름에 대한 수많은 연구가 수행되었습니다. Praeger et al.16,17은 센서를 통해 창고의 서로 다른 팬 작동 전력 하에서 서로 다른 위치에서 풍속을 측정한 결과, 수직 높이가 다르기 때문에 풍속의 차이가 7배까지 클 수 있으며 각 위치의 풍속은 팬 작동 전력과 양의 상관관계가 있음을 발견했습니다. 또한, 화물 배치와 팬 수가 공기 흐름에 미치는 영향을 조사한 결과, 일부 팬 위치의 거리를 늘리고 팬 수를 합리적으로 선택하는 것이 효과를 개선하는 데 도움이 된다는 결론을 내렸습니다. Berry et al.18은 포장 상자의 기공 분포에 대한 다양한 과일 저장 환경의 공기 흐름의 영향을 연구했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 Dehghannya et al.19,20은 포장 벽의 통풍 영역, 수량 및 분포 위치가 다른 패키지의 강제 냉기 전 공기의 공기 흐름 상태를 연구하고 공기 흐름 상태에 대한 각 매개변수의 비선형 영향을 얻었습니다. Delele et al.21은 전산 유체 역학 모델을 적용하여 다양한 형태의 환기 상자에 무작위로 분포된 제품이 공기 흐름에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 제품 크기, 다공성 및 상자 구멍 비율이 공기 흐름에 더 큰 영향을 미치는 반면 무작위 충전은 더 작은 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. Ilangovan et al.22는 세 가지 포장 구조 사이의 기류 패턴과 열 거동을 연구하고 그 결과를 참조 구조 모델과 비교했습니다. 그 결과 통풍구의 위치와 디자인이 다르기 때문에 상자의 열 분포가 균일하지 않은 것으로 나타났습니다. Gong et al.23은 트레이의 가장자리와 용기의 벽 사이의 간격의 너비를 최적화했습니다.
이 백서에 사용된 기술에는 시뮬레이션 및 최적화 방법이 포함됩니다. 전자의 원리는 지배 방정식이 이산화되고 유한 부피 방법21을 사용하여 수치적으로 풀렸다는 것입니다. 본 논문에서 사용된 최적화 방법을 직교 최적화(24)라고 한다. 직교 검정은 일반적인 다단계 및 다단계 분석 방법입니다. 이 방법을 사용하여 구축된 직교 테이블에는 디자인 영역에 균일하게 분포된 대표 점이 포함되어 있어 전체 디자인 영역을 시각적으로 설명하고 검사할 수 있습니다. 즉, 전체 요인 테스트를 나타내는 점수가 적을수록 시간, 인력, 재료 및 재정 자원이 크게 절약됩니다. 직교 시험은 전력 시스템, 화학, 토목 공학 등의 분야에서 실험 설계에 널리 사용되어 왔다25.
이 연구의 목적은 고성능 벤트 박스를 설계하고 최적화하는 것입니다. 벤티드 박스(vented box)는 박스 내에 가스를 균일하게 분산시키는 가스 제어 장치를 포함하는 오리지널 박스로 정의할 수 있다. 속도 균일성은 공기가 벤트 박스를 통해 얼마나 고르게 흐르는지를 나타냅니다. Yun-De et al.26 은 이전에 다공성 물질의 특성이 신선한 야채 상자의 속도 균일성에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 일부 실험에서, 플레넘 또는 변조된 챔버는 강제 또는 유도 공기 중 어느 하나의 균질한 분포를 보장하기 위해 시험 챔버의 상부 및 하부 둘 다에 남겨졌다(27). 이 문서에서 설계한 통풍 상자에는 지그재그 구멍이 있는 파이프 배열이 포함되어 있습니다. 통풍 상자의 공기 흐름 분포를 제어하는 것이 주요 보존 전략입니다. 통풍 상자의 왼쪽과 오른쪽에 평행하게 설정된 동일한 크기의 두 개의 공기 흡입구가 있으며 상자의 위쪽에 배출구가 설정됩니다. 통풍 상자의 내부 구조를 설계하는 것이 이 연구의 핵심입니다. 즉, 파이프와 구멍의 수는 벤트 박스의 내부 구조를 변경하는 중요한 매개 변수입니다. 참조 모델에는 10개의 파이프가 있습니다. 두 개의 중간 파이프에는 각각 10개의 구멍이 있으며 파이프를 가로질러 엇갈리게 배치되어 있습니다. 중간에서 외부 파이프까지의 구멍 수는 한 번에 두 개씩 증가합니다.
즉, 신선한 야채, 과일 및 기타 제품을 보관할 때 지속적이고 안정적인 공기 흐름은 제품의 호흡을 감소시키고 제품 보존을 위한 에틸렌 및 기타 유해 물질을 감소시키며 제품 자체에서 생성되는 온도를 낮출 수 있습니다. 통풍 상자의 매개변수가 다르기 때문에 필요한 공기 흐름 상태를 얻기가 쉽지 않아 통풍 상자의 보존 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 프로젝트는 통풍 상자의 내부 기류 속도 균일성을 제어 목표로 삼습니다. 벤티드 박스의 구조적 파라미터에 대한 민감도 분석이 수행되었습니다. 샘플은 직교 실험 설계에 의해 선택되었습니다. 우리는 세 가지 구조 매개변수의 조합을 최적화하기 위해 범위 분석을 사용했습니다. 한편, 최적화 결과의 바람직 함을 확인합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
고성능과 복잡한 구조로 인해 본 연구에서는 모델링 소프트웨어를 기반으로 통풍 박스를 구축했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어로 내부 흐름을 분석했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 난류 모델링, 단상 및 다상 흐름, 연소, 배터리 모델링, 유체 구조 상호 작용 등을 포함하는 고급 물리 모델링 기능으로 유명합니다. 본 논문에서 사용한 시료 선별 방법은 직교 실험 설계 방법으로 과학적 방법, ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국 원저우 과학 기술국(보조금 번호 ZG2020029에 따른 온주 주요 과학 기술 혁신 프로젝트)의 지원을 받습니다. 이 연구는 원저우 과학 기술 협회 (Wenzhou Association for Science and Technology)가 보조금 번호 KJFW09로 자금을 지원합니다. 이 연구는 온주시 핵심 과학 및 연구 프로그램(ZN2022001)의 지원을 받았습니다.
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).
