Design og optimaliseringsstrategier for en ventilert boks med høy ytelse

Summary

Her presenterer vi rekkeviddeanalysemetoden for å optimalisere prøvepunktene generert av en ortogonal eksperimentell design for å sikre at fersk mat kan lagres i en ventilert boks i lang tid ved å regulere luftstrømsmønsteret.

Abstract

Denne studien tar sikte på å løse problemene med luftstrømkaos og dårlig ytelse i en ventilert boks forårsaket av heterogen fordeling av luftstrømmen gjennom utformingen av den indre strukturen til den ventilerte boksen med konstant energiforbruk. Det endelige målet er å fordele luftstrømmen jevnt inne i den ventilerte boksen. Sensitivitetsanalyse ble utført for tre strukturelle parametere: antall rør, antall hull i midtrøret og antallet av hver økning fra innsiden til utsiden av røret. Totalt 16 tilfeldige matrisesett med tre strukturelle parametere med fire nivåer ble bestemt ved hjelp av ortogonal eksperimentell design. Kommersiell programvare ble brukt til konstruksjon av en 3D-modell for de valgte eksperimentelle punktene, og disse dataene ble brukt til å oppnå luftstrømhastighetene, som deretter ble brukt til å oppnå standardavviket til hvert eksperimentelt punkt. Ifølge rekkeviddeanalysen ble kombinasjonen av de tre strukturelle parametrene optimalisert. Med andre ord ble det etablert en effektiv og økonomisk optimaliseringsmetode med tanke på ytelsen til den ventilerte boksen, og den kan brukes mye til å forlenge lagringstiden for fersk mat.

Introduction

Friske grønnsaker og frukt opptar en høy andel av menneskelig matforbruk, ikke bare fordi de har god smak og en attraktiv form, men også fordi de har stor fordel for folk å skaffe ernæring og opprettholde helse¹. Mange studier har vist at frisk frukt og grønnsaker spiller en unik rolle i å forebygge mange sykdommer ^2,3. I lagringsprosessen av frisk frukt og grønnsaker er sopp, lys, temperatur og relativ fuktighet de viktigste årsakene til deres forverring 4,5,6,7,8. Disse ytre forholdene påvirker kvaliteten på lagret frisk frukt og grønnsaker ved å påvirke den interne metabolismen eller kjemiske reaksjoner⁹.

Vanlige behandlingsteknologier for frukt og grønnsaker inkluderer ikke-termisk og termisk konservering. Blant dem har termisk forbehandling en positiv effekt på tørkeprosessen, men det kan også ha negative effekter på produktkvaliteten, for eksempel tap av næringsstoffer, endring av smak og lukt og endring av farge^10,11. Derfor har de siste årene ikke-termisk bevaring av produkter fått oppmerksomhet fra forskningsperspektivet for å møte forbrukernes etterspørsel etter ferske produkter. For tiden er det hovedsakelig strålingsbehandling, pulserende elektrisk felt, ozonbehandling, spiselige belegg, tett fase karbondioksid og andre ikke-termiske bevaringsteknologier for å lagre frukt og grønnsaker, men disse teknologiene har ofte mangler, for eksempel kravet til stort utstyr, høy pris og brukskostnadene¹². Derfor er utformingen av en enkel struktur, lave kostnader og praktisk kontroll av bevaringsutstyret svært meningsfylt for næringsmiddelindustrien.

I lagringsmiljøet for frukt og grønnsaker bidrar et riktig luftsirkulasjonssystem til å eliminere varmen som genereres av selve produktet, redusere temperaturgradienten og opprettholde temperatur og fuktighet i rommet der den ligger. Riktig luftsirkulasjon forhindrer også vekttap på grunn av respirasjon og soppinfeksjoner^13,14,15. Tallrike studier har blitt utført på luftstrøm i forskjellige strukturer. Praeger et ^al.16,17 målte vindhastigheten i forskjellige posisjoner under forskjellige viftedriftskrefter i et lager gjennom sensorer og fant at det kunne være så stor som en syv ganger forskjell i lufthastighet på grunn av forskjellige vertikale høyder^, og lufthastigheten i hver posisjon var positivt korrelert med viftens driftseffekt. Videre undersøkte en studie effekten av lastarrangement og antall vifter på luftstrømmen, og det ble konkludert med at å øke avstanden til noen vifteposisjoner og rasjonelt velge antall vifter var nyttig for å forbedre effekten. Berry et ^al.18 studerte effekten av luftstrøm i forskjellige fruktlagringsmiljøer på stomatadistribusjon i pakkebokser. Ved hjelp av simuleringsprogramvare studerte Dehghannya et ^al.19,20 luftstrømstilstanden til tvungen forkald luft i pakken med forskjellige ventilasjonsområder, mengder og distribusjonsposisjoner på emballasjeveggen^, og oppnådde den ikke-lineære påvirkningen av hver parameter på luftstrømningstilstanden. Delele et ^al.21 anvendte en beregningsorientert fluiddynamikkmodell for å studere påvirkningen av produkter tilfeldig fordelt i forskjellige former for ventilasjonsbokser på luftstrøm. De fant at produktstørrelsen, porøsiteten og bokshullforholdet hadde større innvirkning på luftstrømmen, mens tilfeldig fylling hadde mindre innvirkning. Ilangovan et ^al.22 studerte luftstrømsmønstre og termisk oppførsel mellom de tre emballasjestrukturene og sammenlignet resultatene med referansestrukturmodeller. Resultatene viste at varmefordelingen i boksen ikke var jevn på grunn av ventilens forskjellige plasseringer og design. Gong et ^al.23 optimaliserte bredden på gapet mellom kanten av brettet og veggen på beholderen.

Teknikkene som brukes i denne artikkelen inkluderer simulerings- og optimaliseringsmetoder. Prinsippet for førstnevnte er at de styrende ligningene ble diskretisert og numerisk løst ved hjelp av den endelige volummetoden²¹. Optimaliseringsmetoden som brukes i denne artikkelen kalles ortogonal optimalisering²⁴. Den ortogonale testen er en typisk multifaktor- og multinivåanalysemetode. Det ortogonale bordet bygget ved hjelp av denne metoden inneholder representative punkter jevnt fordelt i designrommet, som visuelt kan beskrive hele designområdet og undersøkes. Det vil si at færre poeng representerer hele faktortesten, noe som sparer tid, arbeidskraft, materielle og økonomiske ressurser sterkt. Den ortogonale testen har blitt mye brukt i utformingen av eksperimenter innen kraftsystemer, kjemi, anleggsteknikk, etc²⁵.

Målet med denne studien er å designe og optimalisere en ventilert boks med høy ytelse. En ventilert boks kan defineres som en original boks, inkludert en gasskontrollenhet som sprer gassen jevnt i esken. Hastighetsuniformitet refererer til hvor jevnt luft strømmer gjennom den ventilerte boksen. Yun-De et ^al.26 har tidligere vist at egenskapen til multiporøst materiale har en viktig effekt på hastighetsuniformiteten til en fersk grønnsaksboks. I noen eksperimenter ble et plenum eller modulert kammer igjen både øverst og nederst i testkammeret for å garantere en homogen fordeling av enten tvungen eller indusert luft²⁷. Den ventilerte boksen designet i dette papiret inneholder arrays av rør med sikksakkhull. Kontroll av luftstrømfordelingen i den ventilerte boksen er den viktigste bevaringsstrategien. Det er to luftinntak av samme størrelse satt parallelt på venstre og høyre side av den ventilerte boksen, og et utløp er satt på oversiden av boksen. Å designe den indre strukturen til en ventilert boks er nøkkelen til denne studien. Med andre ord er antall rør og hull en viktig parameter for å endre den indre strukturen til den ventilerte boksen. Referansemodellen har 10 rør. De to midterste rørene har 10 hull hver, som er forskjøvet over rørene. Antall hull fra midten til det ytre røret øker med to om gangen.

Med andre ord, når vi holder friske grønnsaker, frukt og andre produkter, kan kontinuerlig og stabil luftstrøm redusere respirasjonen av produkter, redusere etylen og andre skadelige stoffer for produktkonservering, og redusere temperaturen som produseres av produktene selv. På grunn av de forskjellige parametrene til den ventilerte boksen, er det ikke lett å oppnå den nødvendige luftstrømstilstanden, noe som vil påvirke bevaringsegenskapen til den ventilerte boksen. Derfor tar prosjektet den interne luftstrømhastighetsensartetheten til den ventilerte boksen som kontrollmål. En følsomhetsanalyse ble utført for de strukturelle parametrene til den ventilerte boksen. Prøvene ble valgt ved ortogonal eksperimentell design. Vi brukte rekkeviddeanalyse for å optimalisere kombinasjonen av de tre strukturelle parametrene. I mellomtiden verifiserer vi ønskeligheten av optimaliseringsresultatene.

Protocol

1. Behandling før simulering MERK: Med tanke på rørets matriser, er den tredimensjonale nederste halvdelen og den øverste halvdelen av de ventilerte boksmodellene etablert ved å bruke tredimensjonal programvare og lagre dem som X_T filer, er de generelle dimensjonene vist i figur 1. Konfigurasjoner vises i materialfortegnelsen. Kjør simuleringsprogramvaren og dra Mesh-komponenten fra “Component Systems” til “Projec…

Representative Results

Etter protokollen var de tre første delene de viktigste, som inkluderer modellering, meshing og simulering, alt for å oppnå standardavviket til strømningshastigheten. Deretter fullførte vi strukturoptimaliseringen av den ventilerte boksen gjennom ortogonale eksperimenter og rekkeviddeanalyse. Modellen som brukes i protokollen er den referanseventilerte boksmodellen, som er den første modellen hentet fra referansen. Figur 4 viser resultatet av den strømlinjeformede strømningen av den …

Discussion

På grunn av sin høye ytelse og komplekse struktur, bygde vi i denne studien en ventilert boks basert på modelleringsprogramvare. Vi analyserte den interne flyten ved hjelp av simuleringsprogramvare. Simuleringsprogramvare er kjent for sine avanserte fysikkmodelleringsfunksjoner, som inkluderer turbulensmodellering, en- og flerfasestrømmer, forbrenning, batterimodellering, væskestrukturinteraksjon og mye mer. Prøvevalgsmetoden som brukes i dette papiret er den ortogonale eksperimentelle designmetoden, som er egnet f…

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