Стратегии проектирования и оптимизации высокопроизводительной вентилируемой коробки
Summary
Здесь мы представляем метод анализа диапазона для оптимизации точек выборки, генерируемых ортогональным экспериментальным дизайном, чтобы гарантировать, что свежие продукты могут храниться в вентилируемом ящике в течение длительного времени, регулируя схему воздушного потока.
Abstract
Данное исследование направлено на решение проблем хаоса воздушных потоков и низкой производительности в вентилируемой коробке, вызванной неоднородным распределением воздушного потока через конструкцию внутренней структуры вентилируемой коробки с постоянным потреблением энергии. Конечная цель состоит в том, чтобы равномерно распределить воздушный поток внутри вентилируемой коробки. Анализ чувствительности проводился по трем конструктивным параметрам: количеству труб, количеству отверстий в средней трубе и количеству каждого приращения от внутренней к внешней трубе. Всего с использованием ортогонального экспериментального дизайна было определено 16 случайных наборов массивов из трех структурных параметров с четырьмя уровнями. Коммерческое программное обеспечение использовалось для построения 3D-модели выбранных экспериментальных точек, и эти данные использовались для получения скоростей воздушного потока, которые затем использовались для получения стандартного отклонения каждой экспериментальной точки. По результатам анализа диапазона было оптимизировано сочетание трех конструктивных параметров. Другими словами, был создан эффективный и экономичный метод оптимизации, учитывающий производительность вентилируемого ящика, и его можно широко использовать для продления времени хранения свежих продуктов.
Introduction
Свежие овощи и фрукты занимают высокую долю потребления пищи человеком не только потому, что они имеют хороший вкус и привлекательную форму, но и потому, что они приносят большую пользу людям для получения питания и поддержания здоровья1. Многие исследования показали, что свежие фрукты и овощи играют уникальную роль в профилактике многих заболеваний 2,3. В процессе хранения свежих фруктов и овощей грибы, свет, температура и относительная влажность являются важными причинами их порчи 4,5,6,7,8. Эти внешние условия влияют на качество хранимых свежих фруктов и овощей, влияя на внутренний обмен веществ или химические реакции9.
Распространенные технологии обработки фруктов и овощей включают нетермическую и термическую консервацию. Среди них термическая предварительная обработка оказывает положительное влияние на процесс сушки, но она также может оказывать неблагоприятное воздействие на качество продукта, такое как потеря питательных веществ, изменение вкуса и запаха, изменение цвета10,11. Поэтому в последние годы нетермическая консервация продуктов привлекла внимание с точки зрения исследований, чтобы удовлетворить спрос потребителей на свежие продукты. В настоящее время существуют в основном радиационная обработка, импульсное электрическое поле, обработка озоном, съедобные покрытия, углекислый газ в плотной фазе и другие технологии нетермической консервации для хранения фруктов и овощей, но эти технологии часто имеют недостатки, такие как требование большого оборудования, высокая цена и стоимость использования12. Таким образом, конструкция простой конструкции, низкая стоимость и удобное управление оборудованием для консервации очень важны для пищевой промышленности.
В среде хранения фруктов и овощей надлежащая система циркуляции воздуха помогает устранить тепло, выделяемое самим продуктом, уменьшить температурный градиент и поддерживать температуру и влажность в помещении, где он находится. Правильная циркуляция воздуха также предотвращает потерю веса из-за дыхания и грибковых инфекций13,14,15. Были проведены многочисленные исследования воздушного потока в различных структурах. Praeger et al.16,17 измерили скорость ветра в разных положениях при разной рабочей мощности вентилятора на складе с помощью датчиков и обнаружили, что может быть семикратная разница в скорости воздуха из-за разной вертикальной высоты, и скорость воздуха в каждом положении положительно коррелирует с рабочей мощностью вентилятора. Кроме того, в исследовании изучалось влияние расположения груза и количества вентиляторов на воздушный поток, и был сделан вывод о том, что увеличение расстояния между некоторыми положениями вентиляторов и рациональный выбор количества вентиляторов были полезны для улучшения эффекта. Berry et al.18 изучили влияние воздушного потока в различных условиях хранения фруктов на распределение устьиц в упаковочных коробках. Используя программное обеспечение для моделирования, Dehghannya et al.19,20 изучили состояние воздушного потока принудительного предварительного холодного воздуха в упаковке с различными вентиляционными площадями, количеством и положением распределения на стенке упаковки и получили нелинейное влияние каждого параметра на состояние воздушного потока. Delele et al.21 применили вычислительную модель гидродинамики для изучения влияния продуктов, случайно распределенных в различных формах вентиляционных коробок, на воздушный поток. Они обнаружили, что размер продукта, пористость и соотношение отверстий в коробке оказывают большее влияние на воздушный поток, тогда как случайное заполнение оказывает меньшее влияние. Ilangovan et al.22 изучили модели воздушного потока и тепловое поведение между тремя упаковочными структурами и сравнили результаты с эталонными структурными моделями. Результаты показали, что распределение тепла в коробке не было равномерным из-за разного расположения и конструкции вентиляционного отверстия. Gong et al.23 оптимизировали ширину зазора между краем лотка и стенкой контейнера.
Методы, используемые в этой статье, включают методы моделирования и оптимизации. Принцип первого заключается в том, что управляющие уравнения были дискретизированы и численно решены с использованием метода конечного объема21. Метод оптимизации, используемый в данной работе, называется ортогональной оптимизацией24. Ортогональный критерий является типичным методом многофакторного и многоуровневого анализа. Ортогональная таблица, построенная с использованием этого метода, содержит репрезентативные точки, равномерно распределенные в пространстве проектирования, которые могут визуально описывать все пространство проектирования и быть исследованными. То есть, меньшее количество баллов представляет собой полный факторный тест, что значительно экономит время, рабочую силу, материальные и финансовые ресурсы. Ортогональный тест широко используется при планировании экспериментов в области энергетических систем, химии, гражданского строительства и т.д.25.
Целью данного исследования является проектирование и оптимизация высокопроизводительной вентилируемой коробки. Вентилируемая коробка может быть определена как оригинальная коробка, включающая устройство управления газом, которое равномерно рассеивает газ в коробке. Равномерность скорости относится к тому, насколько равномерно воздух проходит через вентилируемую коробку. Yun-De et al.26 ранее показали, что свойство многопористого материала оказывает важное влияние на равномерность скорости коробки со свежими овощами. В некоторых экспериментах камеру или модулированную камеру оставляли как в верхней, так и в нижней части испытательной камеры, чтобы гарантировать однородное распределение принудительного или индуцированного воздуха27. Вентилируемая коробка, разработанная в этой статье, содержит массивы труб с зигзагообразными отверстиями. Управление распределением воздушного потока в вентилируемой коробке является основной стратегией сохранения. Есть два воздухозаборника одинакового размера, установленные параллельно с левой и правой сторонами вентилируемой коробки, а выпускное отверстие установлено на верхней стороне коробки. Проектирование внутренней структуры вентилируемой коробки является ключом к этому исследованию. Другими словами, количество труб и отверстий является важным параметром для изменения внутренней структуры вентилируемого короба. Эталонная модель имеет 10 труб. Две средние трубы имеют по 10 отверстий каждая, которые расположены в шахматном порядке поперек труб. Количество отверстий от средней до внешней трубы увеличивайте на два за раз.
Другими словами, когда мы храним свежие овощи, фрукты и другие продукты, непрерывный и стабильный поток воздуха может уменьшить дыхание продуктов, уменьшить этилен и другие вредные вещества для сохранения продуктов и снизить температуру, производимую самими продуктами. Из-за различных параметров вентилируемой коробки нелегко получить требуемое состояние воздушного потока, что повлияет на сохранность вентилируемой коробки. Таким образом, в качестве цели управления в проекте используется равномерность скорости внутреннего воздушного потока вентилируемой коробки. Проведен анализ чувствительности конструктивных параметров вентилируемого короба. Отбор образцов проводился методом ортогонального экспериментального проектирования. Мы использовали анализ диапазона для оптимизации комбинации трех структурных параметров. Тем временем мы проверяем желательность результатов оптимизации.
Protocol
Representative Results
Discussion
Из-за его высокой производительности и сложной конструкции в этом исследовании мы построили вентилируемый бокс на основе программного обеспечения для моделирования. Мы проанализировали внутренний поток с помощью программного обеспечения для моделирования. Программное обеспечение ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование поддерживается Вэньчжоуским научно-техническим бюро Китая (крупный научно-технический инновационный проект в Вэньчжоу в рамках гранта No ZG2020029). Исследование финансируется Вэньчжоуской ассоциацией науки и техники с грантом No KJFW09. Это исследование было поддержано Муниципальной ключевой научно-исследовательской программой Вэньчжоу (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).
