Yüksek Performanslı Havalandırmalı Bir Kutunun Tasarım ve Optimizasyon Stratejileri

Taze sebze ve meyveler, sadece iyi bir tada ve çekici bir forma sahip oldukları için değil, aynı zamanda insanların beslenmeleri ve sağlıklarını korumaları için büyük fayda sağladıkları için insan gıda tüketiminin yüksek bir bölümünü kaplar¹. Birçok çalışma, taze meyve ve sebzelerin birçok hastalığın önlenmesinde benzersiz bir rol oynadığını göstermiştir ^2,3. Yaş meyve ve sebzelerin depolanması sürecinde mantarlar, ışık, sıcaklık ve bağıl nem bozulmalarının önemli nedenleridir 4,5,6,7,8. Bu dış koşullar, iç metabolizmayı veya kimyasal reaksiyonları etkileyerek depolanan taze meyve ve sebzelerin kalitesini etkiler⁹.

Meyve ve sebzeler için yaygın arıtma teknolojileri termal olmayan ve termal korumayı içerir. Bunlar arasında, ısıl ön işlemin kurutma prosesi üzerinde olumlu bir etkisi vardır, ancak besin maddelerinin kaybı, lezzet ve koku değişikliği ve renk değişikliği^10,11 gibi ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkileri de olabilir. Bu nedenle, son yıllarda, ürünlerin termal olmayan korunması, tüketicilerin taze ürünlere olan talebini karşılamak için araştırma perspektifinden dikkat çekmiştir. Şu anda, meyve ve sebzeleri depolamak için esas olarak radyasyon işleme, darbeli elektrik alanı, ozon işleme, yenilebilir kaplamalar, yoğun faz karbondioksit ve diğer termal olmayan koruma teknolojileri vardır, ancak bu teknolojilerin genellikle büyük ekipman gereksinimi, yüksek fiyat ve kullanım maliyeti gibi eksiklikleri vardır¹². Bu nedenle, basit bir yapının tasarımı, düşük maliyet ve koruma ekipmanının uygun kontrolü gıda endüstrisi için çok anlamlıdır.

Meyve ve sebzeler için depolama ortamında, uygun bir hava sirkülasyon sistemi, ürünün kendisi tarafından üretilen ısıyı ortadan kaldırmaya, sıcaklık gradyanını azaltmaya ve bulunduğu alandaki sıcaklık ve nemi korumaya yardımcı olur. Uygun hava sirkülasyonu, solunum ve mantar enfeksiyonlarına bağlı kilo kaybını da önler^13,14,15. Farklı yapılardaki hava akımı üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Praeger ve ^ark.16,17, sensörler aracılığıyla bir depodaki farklı fan çalışma güçleri altında farklı konumlardaki rüzgar hızını ölçtüler ve farklı dikey yükseklikler nedeniyle hava hızında yedi kat kadar büyük bir fark olabileceğini ve her pozisyondaki hava hızının fan çalışma gücü ile pozitif olarak ilişkili olduğunu buldular. Ayrıca, kargo düzenlemesinin ve fan sayısının hava akımı üzerindeki etkisini inceleyen bir çalışmada, bazı fan konumlarının mesafesinin arttırılmasının ve fan sayısının rasyonel olarak seçilmesinin etkinin iyileştirilmesinde yardımcı olduğu sonucuna varılmıştır. Berry ve ^ark.18, farklı meyve depolama ortamlarındaki hava akışının ambalaj kutularındaki stoma dağılımı üzerindeki etkisini incelemiştir. Simülasyon yazılımı kullanarak, Dehghannya ve ^ark.19,20, paketteki zorla soğuk öncesi havanın hava akış durumunu^, ambalaj duvarındaki farklı havalandırma alanları, miktarları ve dağıtım konumları ile inceledi ve her parametrenin hava akış durumu üzerindeki doğrusal olmayan etkisini elde etti. Delele ve ^ark.21, farklı havalandırma kutuları formlarında rastgele dağıtılan ürünlerin hava akışı üzerindeki etkisini incelemek için hesaplamalı bir akışkanlar dinamiği modeli uyguladılar. Ürün boyutunun, gözenekliliğin ve kutu deliği oranının hava akışı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu, rastgele dolumun ise daha küçük bir etkiye sahip olduğunu bulmuşlardır. Ilangovan ve ^ark.22, üç paketleme yapısı arasındaki hava akımı modellerini ve termal davranışı inceledi ve sonuçları referans yapısal modellerle karşılaştırdı. Sonuçlar, havalandırma deliğinin farklı yerleri ve tasarımları nedeniyle kutudaki ısı dağılımının eşit olmadığını gösterdi. Gong ve ^ark.23, tepsinin kenarı ile kabın duvarı arasındaki boşluğun genişliğini optimize etti.

Bu yazıda kullanılan teknikler simülasyon ve optimizasyon yöntemlerini içermektedir. İlkinin ilkesi, yönetim denklemlerinin ayrık hale getirilmesi ve sonlu hacim yöntemi²¹ kullanılarak sayısal olarak çözülmesidir. Bu makalede kullanılan optimizasyon yöntemi, ortogonal optimizasyon²⁴ olarak adlandırılmaktadır. Ortogonal test, tipik bir çok faktörlü ve çok seviyeli analiz yöntemidir. Bu yöntem kullanılarak oluşturulan ortogonal tablo, tasarım alanında eşit olarak dağıtılmış, tüm tasarım alanını görsel olarak tanımlayabilen ve incelenebilen temsili noktalar içerir. Yani, daha az puan tam faktör testini temsil eder ve zaman, insan gücü, malzeme ve finansal kaynaklardan büyük ölçüde tasarruf sağlar. Ortogonal test, güç sistemleri, kimya, inşaat mühendisliği vb.²⁵ alanlarındaki deneylerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu çalışmanın amacı, yüksek performanslı havalandırmalı bir kutu tasarlamak ve optimize etmektir. Havalandırmalı bir kutu, gazı kutu içinde eşit olarak dağıtan bir gaz kontrol cihazı içeren orijinal bir kutu olarak tanımlanabilir. Hız homojenliği, havanın havalandırmalı kutudan ne kadar eşit bir şekilde aktığını ifade eder. Yun-De ve ^ark.26 daha önce çok gözenekli malzemenin özelliğinin taze bir sebze kutusunun hız homojenliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bazı deneylerde, zorla veya indüklenen havanın homojen dağılımını garanti etmek için test odasının hem üstünde hem de altında bir plenum veya modüle edilmiş oda bırakılmıştır²⁷. Bu kağıtta tasarlanan havalandırmalı kutu, zikzak delikli boru dizileri içerir. Havalandırmalı kutudaki hava akımı dağılımını kontrol etmek ana koruma stratejisidir. Havalandırmalı kutunun sol ve sağ taraflarında paralel olarak ayarlanmış eşit büyüklükte iki hava girişi vardır ve kutunun üst tarafına bir çıkış ayarlanmıştır. Havalandırmalı bir kutunun iç yapısını tasarlamak bu çalışmanın anahtarıdır. Başka bir deyişle, boru ve delik sayısı, havalandırmalı kutunun iç yapısını değiştirmek için önemli bir parametredir. Referans modelde 10 boru vardır. İki orta borunun her biri, borular boyunca kademeli olarak yerleştirilmiş 10 deliğe sahiptir. Ortadan dış boruya kadar olan deliklerin sayısı bir seferde iki artar.

Başka bir deyişle, taze sebzeleri, meyveleri ve diğer ürünleri tuttuğumuzda, sürekli ve istikrarlı hava akışı ürünlerin solunumunu azaltabilir, ürünün korunması için etilen ve diğer zararlı maddeleri azaltabilir ve ürünlerin kendileri tarafından üretilen sıcaklığı azaltabilir. Havalandırmalı kutunun farklı parametreleri nedeniyle, havalandırmalı kutunun koruma özelliğini etkileyecek gerekli hava akış durumunu elde etmek kolay değildir. Bu nedenle, proje havalandırmalı kutunun iç hava akış hızı homojenliğini kontrol hedefi olarak alır. Havalandırmalı kutunun yapısal parametreleri için duyarlılık analizi yapılmıştır. Örnekler ortogonal deneysel desenle seçilmiştir. Üç yapısal parametrenin kombinasyonunu optimize etmek için aralık analizini kullandık. Bu arada, optimizasyon sonuçlarının istenebilirliğini doğrularız.