Ontwerp- en optimalisatiestrategieën van een krachtige geventileerde doos
Summary
Hier presenteren we de bereikanalysemethode om de monsterpunten te optimaliseren die worden gegenereerd door een orthogonaal experimenteel ontwerp om ervoor te zorgen dat vers voedsel lange tijd in een geventileerde doos kan worden bewaard door het luchtstroompatroon te regelen.
Abstract
Deze studie heeft tot doel de problemen van luchtstroomchaos en slechte prestaties in een geventileerde doos op te lossen die worden veroorzaakt door de heterogene verdeling van de luchtstroom door het ontwerp van de interne structuur van de geventileerde doos met constant energieverbruik. Het uiteindelijke doel is om de luchtstroom in de geventileerde box gelijkmatig te verdelen. Gevoeligheidsanalyse werd uitgevoerd voor drie structurele parameters: het aantal buizen, het aantal gaten in de middelste pijp en het aantal van elke toename van de binnen- naar de buitenpijp. Een totaal van 16 willekeurige array sets van drie structurele parameters met vier niveaus werden bepaald met behulp van het orthogonale experimentele ontwerp. Commerciële software werd gebruikt voor de constructie van een 3D-model voor de geselecteerde experimentele punten, en deze gegevens werden gebruikt om de luchtstroomsnelheden te verkrijgen, die vervolgens werden gebruikt om de standaarddeviatie van elk experimenteel punt te verkrijgen. Volgens de bereikanalyse werd de combinatie van de drie structurele parameters geoptimaliseerd. Met andere woorden, er werd een efficiënte en economische optimalisatiemethode vastgesteld die rekening hield met de prestaties van de geventileerde doos en deze kon op grote schaal worden gebruikt om de opslagtijd van vers voedsel te verlengen.
Introduction
Verse groenten en fruit nemen een groot deel van de menselijke voedselconsumptie in beslag, niet alleen omdat ze een goede smaak en een aantrekkelijke vorm hebben, maar ook omdat ze van groot voordeel zijn voor mensen om voeding te verkrijgen en de gezondheid te behouden1. Veel studies hebben aangetoond dat verse groenten en fruit een unieke rol spelen bij het voorkomen van veel ziekten 2,3. In het opslagproces van verse groenten en fruit zijn schimmels, licht, temperatuur en relatieve vochtigheid de belangrijke redenen voor hun achteruitgang 4,5,6,7,8. Deze externe omstandigheden beïnvloeden de kwaliteit van opgeslagen verse groenten en fruit door het interne metabolisme of chemische reacties te beïnvloeden9.
Veel voorkomende behandelingstechnologieën voor groenten en fruit omvatten niet-thermische en thermische conservering. Onder hen heeft thermische voorbehandeling een positief effect op het droogproces, maar het kan ook nadelige effecten hebben op de productkwaliteit, zoals verlies van voedingsstoffen, verandering van smaak en geur en verandering van kleur10,11. Daarom heeft de afgelopen jaren de niet-thermische conservering van producten aandacht gekregen vanuit het onderzoeksperspectief om aan de vraag van consumenten naar verse producten te voldoen. Op dit moment zijn er voornamelijk stralingsverwerking, gepulseerd elektrisch veld, ozonverwerking, eetbare coatings, dichte fase koolstofdioxide en andere niet-thermische conserveringstechnologieën om groenten en fruit op te slaan, maar deze technologieën hebben vaak tekortkomingen, zoals de vereiste van grote apparatuur, hoge prijs en de gebruikskosten12. Daarom is het ontwerp van een eenvoudige structuur, lage kosten en handige bediening van de conserveringsapparatuur zeer betekenisvol voor de voedingsindustrie.
In de opslagomgeving voor groenten en fruit helpt een goed luchtcirculatiesysteem om de warmte die door het product zelf wordt gegenereerd te elimineren, de temperatuurgradiënt te verminderen en de temperatuur en vochtigheid in de ruimte waar het zich bevindt te handhaven. Een goede luchtcirculatie voorkomt ook gewichtsverlies als gevolg van ademhaling en schimmelinfecties13,14,15. Er zijn talloze studies uitgevoerd naar de luchtstroom binnen verschillende structuren. Praeger et al.16,17 maten de windsnelheid op verschillende posities onder verschillende werkingsvermogens van de ventilator in een magazijn via sensoren en ontdekten dat er een zevenvoudig verschil in luchtsnelheid kon zijn als gevolg van verschillende verticale hoogten, en de luchtsnelheid op elke positie was positief gecorreleerd met het bedrijfsvermogen van de ventilator. Bovendien onderzocht een studie het effect van de vrachtopstelling en het aantal ventilatoren op de luchtstroom, en er werd geconcludeerd dat het vergroten van de afstand van sommige ventilatorposities en het rationeel kiezen van het aantal ventilatoren nuttig was om het effect te verbeteren. Berry et al.18 bestudeerden het effect van luchtstroom in verschillende fruitopslagomgevingen op de verdeling van huidmondjes in verpakkingsdozen. Met behulp van simulatiesoftware bestudeerden Dehghannya et al.19,20 de luchtstroomtoestand van geforceerde voorkoude lucht in het pakket met verschillende ventilatiegebieden, hoeveelheden en distributieposities op de verpakkingswand en verkregen de niet-lineaire invloed van elke parameter op de luchtstroomtoestand. Delele et al.21 pasten een computationeel vloeistofdynamicamodel toe om de invloed van producten willekeurig verdeeld in verschillende vormen van ventilatieboxen op de luchtstroom te bestuderen. Ze ontdekten dat de productgrootte, porositeit en doosgatverhouding een grotere impact hadden op de luchtstroom, terwijl willekeurige vulling een kleinere impact had. Ilangovan et al.22 bestudeerden luchtstroompatronen en thermisch gedrag tussen de drie verpakkingsstructuren en vergeleken de resultaten met referentiestructuurmodellen. De resultaten toonden aan dat de warmteverdeling in de doos niet uniform was vanwege de verschillende locaties en ontwerpen van de ventilatieopening. Gong et al.23 optimaliseerden de breedte van de opening tussen de rand van de tray en de wand van de container.
De technieken die in dit artikel worden gebruikt, omvatten simulatie- en optimalisatiemethoden. Het principe van de eerste is dat de regerende vergelijkingen werden gediscretiseerd en numeriek opgelost met behulp van de eindige volumemethode21. De optimalisatiemethode die in dit artikel wordt gebruikt, wordt orthogonale optimalisatie24 genoemd. De orthogonale test is een typische multifactor- en multilevel-analysemethode. De orthogonale tafel die met behulp van deze methode is gebouwd, bevat representatieve punten die uniform in de ontwerpruimte zijn verdeeld, die de hele ontwerpruimte visueel kunnen beschrijven en kunnen worden onderzocht. Dat wil zeggen, minder punten vertegenwoordigen de volledige factortest, waardoor tijd, mankracht, materiaal en financiële middelen aanzienlijk worden bespaard. De orthogonale test is op grote schaal gebruikt bij het ontwerpen van experimenten op het gebied van energiesystemen, chemie, civiele techniek, enz.25.
Het doel van deze studie is het ontwerpen en optimaliseren van een hoogwaardige geventileerde box. Een geventileerde doos kan worden gedefinieerd als een originele doos met een gasregelapparaat dat het gas gelijkmatig in de doos verspreidt. Snelheidsuniformiteit verwijst naar hoe gelijkmatig lucht door de geventileerde doos stroomt. Yun-De et al.26 hebben eerder aangetoond dat de eigenschap van multiporeus materiaal een belangrijk effect heeft op de snelheidsuniformiteit van een verse groentebox. In sommige experimenten werd zowel aan de boven- als aan de onderkant van de testkamer een plenum of gemoduleerde kamer gelaten om een homogene verdeling van geforceerde of geïnduceerde lucht te garanderen27. De geventileerde doos die in dit artikel is ontworpen, bevat reeksen pijpen met zigzaggaten. Het regelen van de luchtstroomverdeling in de geventileerde box is de belangrijkste conserveringsstrategie. Er zijn twee luchtinlaten van gelijke grootte parallel geplaatst aan de linker- en rechterkant van de geventileerde doos en een uitlaat is ingesteld aan de bovenkant van de doos. Het ontwerpen van de interne structuur van een geventileerde doos is de sleutel tot deze studie. Met andere woorden, het aantal leidingen en gaten is een belangrijke parameter voor het veranderen van de interne structuur van de geventileerde doos. Het referentiemodel heeft 10 pijpen. De twee middelste pijpen hebben elk 10 gaten, die verspringend zijn over de leidingen. Het aantal gaten van het midden naar de buitenste buis neemt met twee tegelijk toe.
Met andere woorden, wanneer we verse groenten, fruit en andere producten bewaren, kan een continue en stabiele luchtstroom de ademhaling van producten verminderen, ethyleen en andere schadelijke stoffen voor productconservering verminderen en de temperatuur verlagen die door de producten zelf wordt geproduceerd. Vanwege de verschillende parameters van de geventileerde doos is het niet eenvoudig om de vereiste luchtstroomtoestand te verkrijgen, wat de conserveringseigenschap van de geventileerde doos zal beïnvloeden. Daarom neemt het project de uniformiteit van de interne luchtstroomsnelheid van de geventileerde box als besturingsdoelstelling. Er werd een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd voor de structurele parameters van de geventileerde box. De monsters werden geselecteerd door orthogonaal experimenteel ontwerp. We gebruikten bereikanalyse om de combinatie van de drie structurele parameters te optimaliseren. Ondertussen verifiëren we de wenselijkheid van de optimalisatieresultaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vanwege de hoge prestaties en complexe structuur hebben we in deze studie een geventileerde doos gebouwd op basis van modelleringssoftware. We analyseerden de interne stroom met simulatiesoftware. Simulatiesoftware staat bekend om zijn geavanceerde fysicamodelleringsmogelijkheden, waaronder turbulentiemodellering, een- en meerfasenstromen, verbranding, batterijmodellering, vloeistof-structuurinteractie en nog veel meer. De monsterselectiemethode die in dit artikel wordt gebruikt, is de orthogonale experimentele ontwerpme…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek wordt ondersteund door Wenzhou Science and Technology Bureau of China (Wenzhou groot wetenschappelijk en technologisch innovatieproject onder Grant No. ZG2020029). Het onderzoek wordt gefinancierd door de Wenzhou Association for Science and Technology met Grant No. KJFW09. Dit onderzoek werd ondersteund door het Wenzhou Municipal Key Science and Research Program (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).
