Ontwerp- en optimalisatiestrategieën van een krachtige geventileerde doos

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 kleur^10,11. 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 schimmelinfecties^13,14,15. 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.