Стратегии проектирования и оптимизации высокопроизводительной вентилируемой коробки

Свежие овощи и фрукты занимают высокую долю потребления пищи человеком не только потому, что они имеют хороший вкус и привлекательную форму, но и потому, что они приносят большую пользу людям для получения питания и поддержания здоровья¹. Многие исследования показали, что свежие фрукты и овощи играют уникальную роль в профилактике многих заболеваний ^2,3. В процессе хранения свежих фруктов и овощей грибы, свет, температура и относительная влажность являются важными причинами их порчи 4,5,6,7,8. Эти внешние условия влияют на качество хранимых свежих фруктов и овощей, влияя на внутренний обмен веществ или химические реакции⁹.

Распространенные технологии обработки фруктов и овощей включают нетермическую и термическую консервацию. Среди них термическая предварительная обработка оказывает положительное влияние на процесс сушки, но она также может оказывать неблагоприятное воздействие на качество продукта, такое как потеря питательных веществ, изменение вкуса и запаха, изменение цвета^10,11. Поэтому в последние годы нетермическая консервация продуктов привлекла внимание с точки зрения исследований, чтобы удовлетворить спрос потребителей на свежие продукты. В настоящее время существуют в основном радиационная обработка, импульсное электрическое поле, обработка озоном, съедобные покрытия, углекислый газ в плотной фазе и другие технологии нетермической консервации для хранения фруктов и овощей, но эти технологии часто имеют недостатки, такие как требование большого оборудования, высокая цена и стоимость использования¹². Таким образом, конструкция простой конструкции, низкая стоимость и удобное управление оборудованием для консервации очень важны для пищевой промышленности.

В среде хранения фруктов и овощей надлежащая система циркуляции воздуха помогает устранить тепло, выделяемое самим продуктом, уменьшить температурный градиент и поддерживать температуру и влажность в помещении, где он находится. Правильная циркуляция воздуха также предотвращает потерю веса из-за дыхания и грибковых инфекций^13,14,15. Были проведены многочисленные исследования воздушного потока в различных структурах. Praeger et ^al.16,17 измерили скорость ветра в разных положениях при разной рабочей мощности вентилятора на складе с помощью датчиков и обнаружили, что может быть семикратная разница в скорости воздуха из-за разной вертикальной высоты^, и скорость воздуха в каждом положении положительно коррелирует с рабочей мощностью вентилятора. Кроме того, в исследовании изучалось влияние расположения груза и количества вентиляторов на воздушный поток, и был сделан вывод о том, что увеличение расстояния между некоторыми положениями вентиляторов и рациональный выбор количества вентиляторов были полезны для улучшения эффекта. Berry et ^al.18 изучили влияние воздушного потока в различных условиях хранения фруктов на распределение устьиц в упаковочных коробках. Используя программное обеспечение для моделирования, Dehghannya et ^al.19,20 изучили состояние воздушного потока принудительного предварительного холодного воздуха в упаковке с различными вентиляционными площадями^, количеством и положением распределения на стенке упаковки и получили нелинейное влияние каждого параметра на состояние воздушного потока. Delele et ^al.21 применили вычислительную модель гидродинамики для изучения влияния продуктов, случайно распределенных в различных формах вентиляционных коробок, на воздушный поток. Они обнаружили, что размер продукта, пористость и соотношение отверстий в коробке оказывают большее влияние на воздушный поток, тогда как случайное заполнение оказывает меньшее влияние. Ilangovan et ^al.22 изучили модели воздушного потока и тепловое поведение между тремя упаковочными структурами и сравнили результаты с эталонными структурными моделями. Результаты показали, что распределение тепла в коробке не было равномерным из-за разного расположения и конструкции вентиляционного отверстия. Gong et ^al.23 оптимизировали ширину зазора между краем лотка и стенкой контейнера.

Методы, используемые в этой статье, включают методы моделирования и оптимизации. Принцип первого заключается в том, что управляющие уравнения были дискретизированы и численно решены с использованием метода конечного объема²¹. Метод оптимизации, используемый в данной работе, называется ортогональной оптимизацией²⁴. Ортогональный критерий является типичным методом многофакторного и многоуровневого анализа. Ортогональная таблица, построенная с использованием этого метода, содержит репрезентативные точки, равномерно распределенные в пространстве проектирования, которые могут визуально описывать все пространство проектирования и быть исследованными. То есть, меньшее количество баллов представляет собой полный факторный тест, что значительно экономит время, рабочую силу, материальные и финансовые ресурсы. Ортогональный тест широко используется при планировании экспериментов в области энергетических систем, химии, гражданского строительства и т.д.²⁵.

Целью данного исследования является проектирование и оптимизация высокопроизводительной вентилируемой коробки. Вентилируемая коробка может быть определена как оригинальная коробка, включающая устройство управления газом, которое равномерно рассеивает газ в коробке. Равномерность скорости относится к тому, насколько равномерно воздух проходит через вентилируемую коробку. Yun-De et ^al.26 ранее показали, что свойство многопористого материала оказывает важное влияние на равномерность скорости коробки со свежими овощами. В некоторых экспериментах камеру или модулированную камеру оставляли как в верхней, так и в нижней части испытательной камеры, чтобы гарантировать однородное распределение принудительного или индуцированного воздуха²⁷. Вентилируемая коробка, разработанная в этой статье, содержит массивы труб с зигзагообразными отверстиями. Управление распределением воздушного потока в вентилируемой коробке является основной стратегией сохранения. Есть два воздухозаборника одинакового размера, установленные параллельно с левой и правой сторонами вентилируемой коробки, а выпускное отверстие установлено на верхней стороне коробки. Проектирование внутренней структуры вентилируемой коробки является ключом к этому исследованию. Другими словами, количество труб и отверстий является важным параметром для изменения внутренней структуры вентилируемого короба. Эталонная модель имеет 10 труб. Две средние трубы имеют по 10 отверстий каждая, которые расположены в шахматном порядке поперек труб. Количество отверстий от средней до внешней трубы увеличивайте на два за раз.

Другими словами, когда мы храним свежие овощи, фрукты и другие продукты, непрерывный и стабильный поток воздуха может уменьшить дыхание продуктов, уменьшить этилен и другие вредные вещества для сохранения продуктов и снизить температуру, производимую самими продуктами. Из-за различных параметров вентилируемой коробки нелегко получить требуемое состояние воздушного потока, что повлияет на сохранность вентилируемой коробки. Таким образом, в качестве цели управления в проекте используется равномерность скорости внутреннего воздушного потока вентилируемой коробки. Проведен анализ чувствительности конструктивных параметров вентилируемого короба. Отбор образцов проводился методом ортогонального экспериментального проектирования. Мы использовали анализ диапазона для оптимизации комбинации трех структурных параметров. Тем временем мы проверяем желательность результатов оптимизации.