Yüksek Performanslı Havalandırmalı Bir Kutunun Tasarım ve Optimizasyon Stratejileri
Summary
Burada, hava akış modelini düzenleyerek taze gıdaların havalandırmalı bir kutuda uzun süre saklanabilmesini sağlamak için ortogonal bir deneysel tasarım tarafından üretilen numune noktalarını optimize etmek için aralık analizi yöntemini sunuyoruz.
Abstract
Bu çalışma, havalandırmalı kutunun iç yapısının sabit enerji tüketimi ile tasarlanması yoluyla hava akımının heterojen dağılımından kaynaklanan havalandırmalı bir kutuda hava akımı kaosu ve düşük performans problemlerini çözmeyi amaçlamaktadır. Nihai amaç, hava akışını havalandırmalı kutunun içine eşit olarak dağıtmaktır. Üç yapısal parametre için duyarlılık analizi yapıldı: boru sayısı, orta borudaki delik sayısı ve içeriden dış boruya her bir artışın sayısı. Ortogonal deneysel tasarım kullanılarak dört seviyeli üç yapısal parametreden oluşan toplam 16 rastgele dizi seti belirlenmiştir. Seçilen deney noktaları için bir 3D modelin oluşturulması için ticari yazılım kullanıldı ve bu veriler, daha sonra her deneysel noktanın standart sapmasını elde etmek için kullanılan hava akış hızlarını elde etmek için kullanıldı. Aralık analizine göre, üç yapısal parametrenin kombinasyonu optimize edildi. Başka bir deyişle, havalandırmalı kutunun performansını göz önünde bulundurarak verimli ve ekonomik bir optimizasyon yöntemi oluşturulmuş ve taze gıdaların depolama süresini uzatmak için yaygın olarak kullanılabilir.
Introduction
Taze sebze ve meyveler, sadece iyi bir tada ve çekici bir forma sahip oldukları için değil, aynı zamanda insanların beslenmeleri ve sağlıklarını korumaları için büyük fayda sağladıkları için insan gıda tüketiminin yüksek bir bölümünü kaplar1. Birçok çalışma, taze meyve ve sebzelerin birçok hastalığın önlenmesinde benzersiz bir rol oynadığını göstermiştir 2,3. Yaş meyve ve sebzelerin depolanması sürecinde mantarlar, ışık, sıcaklık ve bağıl nem bozulmalarının önemli nedenleridir 4,5,6,7,8. Bu dış koşullar, iç metabolizmayı veya kimyasal reaksiyonları etkileyerek depolanan taze meyve ve sebzelerin kalitesini etkiler9.
Meyve ve sebzeler için yaygın arıtma teknolojileri termal olmayan ve termal korumayı içerir. Bunlar arasında, ısıl ön işlemin kurutma prosesi üzerinde olumlu bir etkisi vardır, ancak besin maddelerinin kaybı, lezzet ve koku değişikliği ve renk değişikliği10,11 gibi ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkileri de olabilir. Bu nedenle, son yıllarda, ürünlerin termal olmayan korunması, tüketicilerin taze ürünlere olan talebini karşılamak için araştırma perspektifinden dikkat çekmiştir. Şu anda, meyve ve sebzeleri depolamak için esas olarak radyasyon işleme, darbeli elektrik alanı, ozon işleme, yenilebilir kaplamalar, yoğun faz karbondioksit ve diğer termal olmayan koruma teknolojileri vardır, ancak bu teknolojilerin genellikle büyük ekipman gereksinimi, yüksek fiyat ve kullanım maliyeti gibi eksiklikleri vardır12. Bu nedenle, basit bir yapının tasarımı, düşük maliyet ve koruma ekipmanının uygun kontrolü gıda endüstrisi için çok anlamlıdır.
Meyve ve sebzeler için depolama ortamında, uygun bir hava sirkülasyon sistemi, ürünün kendisi tarafından üretilen ısıyı ortadan kaldırmaya, sıcaklık gradyanını azaltmaya ve bulunduğu alandaki sıcaklık ve nemi korumaya yardımcı olur. Uygun hava sirkülasyonu, solunum ve mantar enfeksiyonlarına bağlı kilo kaybını da önler13,14,15. Farklı yapılardaki hava akımı üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Praeger ve ark.16,17, sensörler aracılığıyla bir depodaki farklı fan çalışma güçleri altında farklı konumlardaki rüzgar hızını ölçtüler ve farklı dikey yükseklikler nedeniyle hava hızında yedi kat kadar büyük bir fark olabileceğini ve her pozisyondaki hava hızının fan çalışma gücü ile pozitif olarak ilişkili olduğunu buldular. Ayrıca, kargo düzenlemesinin ve fan sayısının hava akımı üzerindeki etkisini inceleyen bir çalışmada, bazı fan konumlarının mesafesinin arttırılmasının ve fan sayısının rasyonel olarak seçilmesinin etkinin iyileştirilmesinde yardımcı olduğu sonucuna varılmıştır. Berry ve ark.18, farklı meyve depolama ortamlarındaki hava akışının ambalaj kutularındaki stoma dağılımı üzerindeki etkisini incelemiştir. Simülasyon yazılımı kullanarak, Dehghannya ve ark.19,20, paketteki zorla soğuk öncesi havanın hava akış durumunu, ambalaj duvarındaki farklı havalandırma alanları, miktarları ve dağıtım konumları ile inceledi ve her parametrenin hava akış durumu üzerindeki doğrusal olmayan etkisini elde etti. Delele ve ark.21, farklı havalandırma kutuları formlarında rastgele dağıtılan ürünlerin hava akışı üzerindeki etkisini incelemek için hesaplamalı bir akışkanlar dinamiği modeli uyguladılar. Ürün boyutunun, gözenekliliğin ve kutu deliği oranının hava akışı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu, rastgele dolumun ise daha küçük bir etkiye sahip olduğunu bulmuşlardır. Ilangovan ve ark.22, üç paketleme yapısı arasındaki hava akımı modellerini ve termal davranışı inceledi ve sonuçları referans yapısal modellerle karşılaştırdı. Sonuçlar, havalandırma deliğinin farklı yerleri ve tasarımları nedeniyle kutudaki ısı dağılımının eşit olmadığını gösterdi. Gong ve ark.23, tepsinin kenarı ile kabın duvarı arasındaki boşluğun genişliğini optimize etti.
Bu yazıda kullanılan teknikler simülasyon ve optimizasyon yöntemlerini içermektedir. İlkinin ilkesi, yönetim denklemlerinin ayrık hale getirilmesi ve sonlu hacim yöntemi21 kullanılarak sayısal olarak çözülmesidir. Bu makalede kullanılan optimizasyon yöntemi, ortogonal optimizasyon24 olarak adlandırılmaktadır. Ortogonal test, tipik bir çok faktörlü ve çok seviyeli analiz yöntemidir. Bu yöntem kullanılarak oluşturulan ortogonal tablo, tasarım alanında eşit olarak dağıtılmış, tüm tasarım alanını görsel olarak tanımlayabilen ve incelenebilen temsili noktalar içerir. Yani, daha az puan tam faktör testini temsil eder ve zaman, insan gücü, malzeme ve finansal kaynaklardan büyük ölçüde tasarruf sağlar. Ortogonal test, güç sistemleri, kimya, inşaat mühendisliği vb.25 alanlarındaki deneylerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, yüksek performanslı havalandırmalı bir kutu tasarlamak ve optimize etmektir. Havalandırmalı bir kutu, gazı kutu içinde eşit olarak dağıtan bir gaz kontrol cihazı içeren orijinal bir kutu olarak tanımlanabilir. Hız homojenliği, havanın havalandırmalı kutudan ne kadar eşit bir şekilde aktığını ifade eder. Yun-De ve ark.26 daha önce çok gözenekli malzemenin özelliğinin taze bir sebze kutusunun hız homojenliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bazı deneylerde, zorla veya indüklenen havanın homojen dağılımını garanti etmek için test odasının hem üstünde hem de altında bir plenum veya modüle edilmiş oda bırakılmıştır27. Bu kağıtta tasarlanan havalandırmalı kutu, zikzak delikli boru dizileri içerir. Havalandırmalı kutudaki hava akımı dağılımını kontrol etmek ana koruma stratejisidir. Havalandırmalı kutunun sol ve sağ taraflarında paralel olarak ayarlanmış eşit büyüklükte iki hava girişi vardır ve kutunun üst tarafına bir çıkış ayarlanmıştır. Havalandırmalı bir kutunun iç yapısını tasarlamak bu çalışmanın anahtarıdır. Başka bir deyişle, boru ve delik sayısı, havalandırmalı kutunun iç yapısını değiştirmek için önemli bir parametredir. Referans modelde 10 boru vardır. İki orta borunun her biri, borular boyunca kademeli olarak yerleştirilmiş 10 deliğe sahiptir. Ortadan dış boruya kadar olan deliklerin sayısı bir seferde iki artar.
Başka bir deyişle, taze sebzeleri, meyveleri ve diğer ürünleri tuttuğumuzda, sürekli ve istikrarlı hava akışı ürünlerin solunumunu azaltabilir, ürünün korunması için etilen ve diğer zararlı maddeleri azaltabilir ve ürünlerin kendileri tarafından üretilen sıcaklığı azaltabilir. Havalandırmalı kutunun farklı parametreleri nedeniyle, havalandırmalı kutunun koruma özelliğini etkileyecek gerekli hava akış durumunu elde etmek kolay değildir. Bu nedenle, proje havalandırmalı kutunun iç hava akış hızı homojenliğini kontrol hedefi olarak alır. Havalandırmalı kutunun yapısal parametreleri için duyarlılık analizi yapılmıştır. Örnekler ortogonal deneysel desenle seçilmiştir. Üç yapısal parametrenin kombinasyonunu optimize etmek için aralık analizini kullandık. Bu arada, optimizasyon sonuçlarının istenebilirliğini doğrularız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yüksek performansı ve karmaşık yapısı nedeniyle bu çalışmada modelleme yazılımına dayalı havalandırmalı bir kutu inşa ettik. İç akışı simülasyon yazılımı ile analiz ettik. Simülasyon yazılımı, türbülans modelleme, tek ve çok fazlı akışlar, yanma, pil modelleme, akışkan-yapı etkileşimi ve çok daha fazlasını içeren gelişmiş fizik modelleme yetenekleri ile bilinir. Bu makalede kullanılan örneklem seçim yöntemi, bilimsel yöntemi, basit kullanımı, maliyet tasarrufu sağlayan…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Çin Wenzhou Bilim ve Teknoloji Bürosu (Wenzhou büyük bilimsel ve teknolojik yenilik projesi Hibe No. ZG2020029) tarafından desteklenmektedir. Araştırma, Wenzhou Bilim ve Teknoloji Derneği tarafından Hibe No. KJFW09 ile finanse edilmektedir. Bu araştırma Wenzhou Belediyesi Anahtar Bilim ve Araştırma Programı (ZN2022001) tarafından desteklenmiştir.
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).
