אסטרטגיות תכנון ואופטימיזציה של קופסה מאווררת בעלת ביצועים גבוהים

ירקות ופירות טריים תופסים שיעור גבוה של צריכת מזון אנושית, לא רק משום שיש להם טעם טוב וצורה אטרקטיבית, אלא גם משום שהם מועילים מאוד לאנשים להשיג תזונה ולשמור על הבריאות¹. מחקרים רבים הראו כי פירות וירקות טריים ממלאים תפקיד ייחודי במניעת מחלות רבות ^2,3. בתהליך האחסון של פירות וירקות טריים, פטריות, אור, טמפרטורה ולחות יחסית הם הסיבות החשובות להידרדרותם 4,5,6,7,8. תנאים חיצוניים אלה משפיעים על איכות הפירות והירקות הטריים המאוחסנים על ידי השפעה על חילוף החומרים הפנימי או תגובות כימיות⁹.

טכנולוגיות טיפול נפוצות בפירות וירקות כוללות שימור לא תרמי ותרמי. ביניהם, טיפול מקדים תרמי יש השפעה חיובית על תהליך הייבוש, אבל זה יכול להיות גם השפעות שליליות על איכות המוצר, כגון אובדן של חומרים מזינים, שינוי טעם וריח, ושינוי צבע^10,11. לכן, בשנים האחרונות, שימור לא תרמי של מוצרים קיבל תשומת לב מנקודת מבט מחקרית כדי לענות על הביקוש של הצרכנים למוצרים טריים. כיום, יש בעיקר עיבוד קרינה, שדה חשמלי פועם, עיבוד אוזון, ציפויים אכילים, פחמן דו חמצני פאזה צפופה, וטכנולוגיות שימור לא תרמיות אחרות לאחסון פירות וירקות, אך לטכנולוגיות אלה יש לעתים קרובות חסרונות, כגון דרישת ציוד גדול, מחיר גבוה ועלות השימוש¹². לכן, תכנון מבנה פשוט, עלות נמוכה, ושליטה נוחה על ציוד השימור הוא משמעותי מאוד לתעשיית המזון.

בסביבת האחסון של פירות וירקות, מערכת זרימת אוויר נכונה מסייעת לחסל את החום שנוצר על ידי המוצר עצמו, להפחית את שיפוע הטמפרטורה ולשמור על הטמפרטורה והלחות בחלל בו הוא נמצא. זרימת אוויר תקינה מונעת גם ירידה במשקל עקב נשימה וזיהומים פטרייתיים^13,14,15. מחקרים רבים נערכו על זרימת אוויר בתוך מבנים שונים. Praeger et ^al.16,17 מדדו את מהירות הרוח במיקומים שונים תחת עוצמות הפעלה שונות של מאווררים במחסן באמצעות חיישנים ומצאו שיכול להיות הבדל גדול עד פי שבעה במהירות האוויר עקב גבהים אנכיים שונים^, ומהירות האוויר בכל מיקום הייתה בקורלציה חיובית עם כוח הפעולה של המאוורר. יתר על כן, מחקר בחן את ההשפעה של סידור המטען ומספר המאווררים על זרימת האוויר, והגיע למסקנה כי הגדלת המרחק של חלק מעמדות המאווררים ובחירה מושכלת של מספר המאווררים סייעו בשיפור האפקט. ברי ועמיתיו ^{חקרו את} ההשפעה של זרימת אוויר בסביבות אחסון פירות שונות על פיזור הפיוניות בקופסאות אריזה. באמצעות תוכנת סימולציה, Dehghannya et ^al.19,20 חקרו את מצב זרימת האוויר של אוויר טרום קר כפוי באריזה עם אזורי אוורור, כמויות ומיקומי הפצה שונים על דופן האריזה^, והשיגו את ההשפעה הלא ליניארית של כל פרמטר על מצב זרימת האוויר. Delele et ^al.21 יישמו מודל חישובי של דינמיקת נוזלים כדי לחקור את ההשפעה של מוצרים המופצים באופן אקראי בצורות שונות של קופסאות אוורור על זרימת האוויר. הם מצאו שלגודל המוצר, לנקבוביות וליחס חורי הקופסה הייתה השפעה גדולה יותר על זרימת האוויר, בעוד שלמילוי אקראי הייתה השפעה קטנה יותר. Ilangovan et ^al.22 חקרו דפוסי זרימת אוויר והתנהגות תרמית בין שלושת מבני האריזה והשוו את התוצאות עם מודלים מבניים ייחוס. התוצאות הראו שפיזור החום בקופסה לא היה אחיד בגלל המיקומים והעיצובים השונים של פתח האוורור. Gong et ^al.23 ייעל את רוחב הרווח בין קצה המגש לדופן המיכל.

הטכניקות המשמשות במאמר זה כוללות שיטות סימולציה ואופטימיזציה. העיקרון של הראשון הוא שהמשוואות השולטות היו דיסקרטיות ונפתרו מספרית באמצעות שיטת הנפח הסופי²¹. שיטת האופטימיזציה המשמשת במאמר זה מכונה אופטימיזציה אורתוגונלית²⁴. הבדיקה האורתוגונלית היא שיטת ניתוח רב-גורמית ורב-שכבתית טיפוסית. הטבלה האורתוגונלית הבנויה בשיטה זו מכילה נקודות מייצגות המפוזרות באופן אחיד בחלל העיצובי, אשר יכולות לתאר ויזואלית את החלל העיצובי כולו ולהיבחן. כלומר, פחות נקודות מייצגות את מבחן הפקטור המלא, וחוסכות מאוד זמן, כוח אדם, חומר ומשאבים כספיים. המבחן האורתוגונלי נמצא בשימוש נרחב בתכנון ניסויים בתחומי מערכות כוח, כימיה, הנדסה אזרחית וכו ‘²⁵.

מטרת מחקר זה היא לתכנן ולמטב קופסת אוורור בעלת ביצועים גבוהים. קופסה מאווררת יכולה להיות מוגדרת כקופסה מקורית הכוללת מכשיר בקרת גז המפזר את הגז באופן אחיד בקופסה. אחידות מהירות מתייחסת לאופן שבו האוויר זורם באופן שווה דרך התיבה המאווררת. Yun-De et ^al.26 הראו בעבר כי לתכונה של חומר רב-נקבובי יש השפעה חשובה על אחידות המהירות של קופסת ירקות טריים. בחלק מהניסויים, מליאה או תא מווסת הושארו הן בחלק העליון והן בחלק התחתון של תא הבדיקה כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של אוויר מאולץ או מושרה²⁷. קופסת האוורור המעוצבת בנייר זה מכילה מערכים של צינורות עם חורי זיגזג. שליטה בפיזור זרימת האוויר בתיבה המאווררת היא אסטרטגיית השימור העיקרית. ישנם שני פתחי אוויר בגודל שווה הממוקמים במקביל בצד שמאל וימין של התיבה המאווררת, ושקע מוגדר בצד העליון של התיבה. תכנון המבנה הפנימי של קופסה מאווררת הוא המפתח למחקר זה. במילים אחרות, מספר הצינורות והחורים הוא פרמטר חשוב לשינוי המבנה הפנימי של התיבה המאווררת. מודל הייחוס כולל 10 צינורות. לשני הצינורות האמצעיים יש 10 חורים כל אחד, אשר מדורגים על פני הצינורות. מספר החורים מהצינור האמצעי לחיצוני גדל בשניים בכל פעם.

במילים אחרות, כאשר אנו שומרים על ירקות, פירות ומוצרים טריים אחרים, זרימת אוויר רציפה ויציבה יכולה להפחית את הנשימה של מוצרים, להפחית אתילן וחומרים מזיקים אחרים לשימור המוצר, ולהפחית את הטמפרטורה המיוצרת על ידי המוצרים עצמם. בשל הפרמטרים השונים של התיבה המאווררת, לא קל להשיג את מצב זרימת האוויר הנדרש, אשר ישפיע על תכונת השימור של התיבה המאווררת. לכן, הפרויקט לוקח את אחידות מהירות זרימת האוויר הפנימית של התיבה המאווררת כיעד הבקרה. בוצע ניתוח רגישות לפרמטרים המבניים של התיבה המאווררת. הדגימות נבחרו על ידי תכנון ניסויי אורתוגונלי. השתמשנו בניתוח טווח כדי לייעל את השילוב של שלושת הפרמטרים המבניים. בינתיים, אנו מאמתים את הכדאיות של תוצאות האופטימיזציה.