Diseño y estrategias de optimización de una caja ventilada de alto rendimiento

Summary

Aquí, presentamos el método de análisis de rango para optimizar los puntos de muestra generados por un diseño experimental ortogonal para garantizar que los alimentos frescos se puedan almacenar en una caja ventilada durante mucho tiempo mediante la regulación del patrón de flujo de aire.

Abstract

Este estudio tiene como objetivo resolver los problemas de caos de flujo de aire y bajo rendimiento en una caja ventilada causada por la distribución heterogénea del flujo de aire a través del diseño de la estructura interna de la caja ventilada con consumo constante de energía. El objetivo final es distribuir uniformemente el flujo de aire dentro de la caja ventilada. El análisis de sensibilidad se realizó para tres parámetros estructurales: el número de tuberías, el número de agujeros en la tubería central y el número de cada incremento desde el interior hacia el exterior de la tubería. Se determinaron un total de 16 conjuntos de matrices aleatorias de tres parámetros estructurales con cuatro niveles utilizando el diseño experimental ortogonal. Se utilizó software comercial para la construcción de un modelo 3D para los puntos experimentales seleccionados, y estos datos se utilizaron para obtener las velocidades de flujo de aire, que luego se utilizaron para obtener la desviación estándar de cada punto experimental. De acuerdo con el análisis de rango, se optimizó la combinación de los tres parámetros estructurales. En otras palabras, se estableció un método de optimización eficiente y económico considerando el rendimiento de la caja ventilada, y podría ser ampliamente utilizado para extender el tiempo de almacenamiento de alimentos frescos.

Introduction

Las verduras y frutas frescas ocupan una alta proporción del consumo humano de alimentos, no solo porque tienen buen sabor y una forma atractiva, sino también porque son de gran beneficio para que las personas obtengan nutrición y mantengan la salud¹. Muchos estudios han demostrado que las frutas y verduras frescas desempeñan un papel único en la prevención de muchas enfermedades ^2,3. En el proceso de almacenamiento de frutas y verduras frescas, los hongos, la luz, la temperatura y la humedad relativa son las razones importantes de su deterioro 4,5,6,7,8. Estas condiciones externas afectan la calidad de las frutas y verduras frescas almacenadas al afectar el metabolismo interno o las reacciones químicas⁹.

Las tecnologías de tratamiento comunes para frutas y verduras incluyen la conservación térmica y no térmica. Entre ellos, el pretratamiento térmico tiene un efecto positivo en el proceso de secado, pero también puede tener efectos adversos en la calidad del producto, como pérdida de nutrientes, cambio de sabor y olor, y cambio de color^10,11. Por lo tanto, en los últimos años, la conservación no térmica de los productos ha recibido atención desde la perspectiva de la investigación para satisfacer la demanda de los consumidores de productos frescos. En la actualidad, existen principalmente procesamiento de radiación, campo eléctrico pulsado, procesamiento de ozono, recubrimientos comestibles, dióxido de carbono en fase densa y otras tecnologías de conservación no térmica para almacenar frutas y verduras, pero estas tecnologías a menudo tienen deficiencias, como el requisito de equipos grandes, el alto precio y el costo de uso¹². Por lo tanto, el diseño de una estructura simple, bajo costo y control conveniente del equipo de conservación es muy significativo para la industria alimentaria.

En el entorno de almacenamiento de frutas y verduras, un sistema adecuado de circulación de aire ayuda a eliminar el calor generado por el propio producto, reducir el gradiente de temperatura y mantener la temperatura y la humedad en el espacio donde se encuentra. La circulación adecuada del aire también previene la pérdida de peso debido a la respiración y las infecciones fúngicas^13,14,15. Se han realizado numerosos estudios sobre el flujo de aire dentro de diferentes estructuras. Praeger et ^al.16,17 midieron la velocidad del viento en diferentes posiciones bajo diferentes potencias operativas del ventilador en un almacén a través de sensores y encontraron que podría haber una diferencia tan grande como siete veces en la velocidad del aire debido a diferentes alturas verticales^, y la velocidad del aire en cada posición se correlacionó positivamente con la potencia operativa del ventilador. Además, un estudio examinó el efecto de la disposición de la carga y el número de ventiladores en el flujo de aire, y se concluyó que aumentar la distancia de algunas posiciones de los ventiladores y elegir racionalmente el número de ventiladores era útil para mejorar el efecto. Berry et ^al.18 estudiaron el efecto del flujo de aire en diferentes ambientes de almacenamiento de fruta sobre la distribución de los estomas en cajas de embalaje. Utilizando software de simulación, Dehghannya et ^al.19,20 estudiaron el estado del flujo de aire del aire prefrío forzado en el paquete con diferentes áreas de ventilación, cantidades y posiciones de distribución en la pared del embalaje^, y obtuvieron la influencia no lineal de cada parámetro en el estado del flujo de aire. Delele et ^al.21 aplicaron un modelo computacional de dinámica de fluidos para estudiar la influencia de productos distribuidos aleatoriamente en diferentes formas de cajas de ventilación sobre el flujo de aire. Descubrieron que el tamaño del producto, la porosidad y la relación de orificios de la caja tenían un mayor impacto en el flujo de aire, mientras que el llenado aleatorio tenía un impacto menor. Ilangovan et ^al.22 estudiaron los patrones de flujo de aire y el comportamiento térmico entre las tres estructuras de envasado y compararon los resultados con los modelos estructurales de referencia. Los resultados mostraron que la distribución del calor en la caja no era uniforme debido a las diferentes ubicaciones y diseños de la ventilación. Gong et ^al.23 optimizaron el ancho del espacio entre el borde de la bandeja y la pared del recipiente.

Las técnicas utilizadas en este trabajo incluyen métodos de simulación y optimización. El principio de la primera es que las ecuaciones gobernantes fueron discretizadas y resueltas numéricamente usando el método de volumen finito²¹. El método de optimización utilizado en este trabajo se conoce como optimización ortogonal²⁴. La prueba ortogonal es un método típico de análisis multifactorial y multinivel. La tabla ortogonal construida con este método contiene puntos representativos distribuidos uniformemente en el espacio de diseño, que pueden describir visualmente todo el espacio de diseño y ser examinados. Es decir, menos puntos representan la prueba del factor completo, ahorrando mucho tiempo, mano de obra, materiales y recursos financieros. La prueba ortogonal ha sido ampliamente utilizada en el diseño de experimentos en los campos de sistemas de potencia, química, ingeniería civil, etc.²⁵.

El objetivo de este estudio es diseñar y optimizar una caja ventilada de alto rendimiento. Una caja ventilada se puede definir como una caja original que incluye un dispositivo de control de gas que dispersa el gas uniformemente en la caja. La uniformidad de velocidad se refiere a la uniformidad con la que fluye el aire a través de la caja ventilada. Yun-De et ^al.26 han demostrado previamente que la propiedad del material multiporoso tiene un efecto importante en la uniformidad de velocidad de una caja de vegetales frescos. En algunos experimentos, se dejó un plenum o cámara modulada tanto en la parte superior como en la inferior de la cámara de prueba para garantizar una distribución homogénea del aire forzado o inducido²⁷. La caja ventilada diseñada en este documento contiene matrices de tuberías con agujeros en zigzag. El control de la distribución del flujo de aire en la caja ventilada es la principal estrategia de preservación. Hay dos entradas de aire de igual tamaño colocadas paralelamente en los lados izquierdo y derecho de la caja ventilada, y una salida se establece en la parte superior de la caja. Diseñar la estructura interna de una caja ventilada es la clave de este estudio. En otras palabras, el número de tuberías y agujeros es un parámetro importante para cambiar la estructura interna de la caja ventilada. El modelo de referencia tiene 10 tubos. Los dos tubos centrales tienen 10 agujeros cada uno, que se escalonan a través de los tubos. El número de orificios desde el medio hasta la tubería exterior aumenta en dos a la vez.

En otras palabras, cuando mantenemos verduras, frutas y otros productos frescos, el flujo de aire continuo y estable puede reducir la respiración de los productos, reducir el etileno y otras sustancias nocivas para la conservación del producto y reducir la temperatura producida por los propios productos. Debido a los diferentes parámetros de la caja ventilada, no es fácil obtener el estado de flujo de aire requerido, lo que afectará la propiedad de preservación de la caja ventilada. Por lo tanto, el proyecto toma la uniformidad de la velocidad del flujo de aire interno de la caja ventilada como objetivo de control. Se realizó un análisis de sensibilidad para los parámetros estructurales de la caja ventilada. Las muestras fueron seleccionadas por diseño experimental ortogonal. Utilizamos el análisis de rango para optimizar la combinación de los tres parámetros estructurales. Mientras tanto, verificamos la conveniencia de los resultados de optimización.

Protocol

1. Procesamiento previo a la simulación NOTA: Teniendo en cuenta las matrices de tuberías, la mitad inferior tridimensional y la mitad superior de los modelos de cajas ventiladas se establecen mediante el uso de software tridimensional y guardándolos como archivos X_T, las dimensiones generales se muestran en la Figura 1. Las configuraciones se muestran en la tabla de materiales. Ejecute el software de simulación y arrastre el compon…

Representative Results

Siguiendo el protocolo, las tres primeras partes fueron las más importantes, que incluyen modelado, mallado y simulación, todo con el fin de obtener la desviación estándar del caudal. Luego, completamos la optimización de la estructura de la caja ventilada a través de experimentos ortogonales y análisis de rango. El modelo utilizado en el protocolo es el modelo de caja ventilada de referencia, que es el modelo inicial obtenido de la referencia. La Figura 4 muestra el resultado del flu…

Discussion

Debido a su alto rendimiento y estructura compleja, en este estudio, construimos una caja ventilada basada en software de modelado. Se analizó el flujo interno mediante software de simulación. El software de simulación es conocido por sus capacidades avanzadas de modelado físico, que incluyen modelado de turbulencia, flujos monofásicos y multifásicos, combustión, modelado de baterías, interacción fluido-estructura y mucho más. El método de selección de muestras utilizado en este documento es el método de dis…

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