Diseño y estrategias de optimización de una caja ventilada de alto rendimiento

Resumen

Aquí, presentamos el método de análisis de rango para optimizar los puntos de muestra generados por un diseño experimental ortogonal para garantizar que los alimentos frescos se puedan almacenar en una caja ventilada durante mucho tiempo mediante la regulación del patrón de flujo de aire.

Resumen

Este estudio tiene como objetivo resolver los problemas de caos de flujo de aire y bajo rendimiento en una caja ventilada causada por la distribución heterogénea del flujo de aire a través del diseño de la estructura interna de la caja ventilada con consumo constante de energía. El objetivo final es distribuir uniformemente el flujo de aire dentro de la caja ventilada. El análisis de sensibilidad se realizó para tres parámetros estructurales: el número de tuberías, el número de agujeros en la tubería central y el número de cada incremento desde el interior hacia el exterior de la tubería. Se determinaron un total de 16 conjuntos de matrices aleatorias de tres parámetros estructurales con cuatro niveles utilizando el diseño experimental ortogonal. Se utilizó software comercial para la construcción de un modelo 3D para los puntos experimentales seleccionados, y estos datos se utilizaron para obtener las velocidades de flujo de aire, que luego se utilizaron para obtener la desviación estándar de cada punto experimental. De acuerdo con el análisis de rango, se optimizó la combinación de los tres parámetros estructurales. En otras palabras, se estableció un método de optimización eficiente y económico considerando el rendimiento de la caja ventilada, y podría ser ampliamente utilizado para extender el tiempo de almacenamiento de alimentos frescos.

Introducción

Las verduras y frutas frescas ocupan una alta proporción del consumo humano de alimentos, no solo porque tienen buen sabor y una forma atractiva, sino también porque son de gran beneficio para que las personas obtengan nutrición y mantengan la salud¹. Muchos estudios han demostrado que las frutas y verduras frescas desempeñan un papel único en la prevención de muchas enfermedades ^2,3. En el proceso de almacenamiento de frutas y verduras frescas, los hongos, la luz, la temperatura y la humedad relativa son las razones importantes de su deterioro 4,5,6,7,8. Estas condiciones externas afectan la calidad de las frutas y verduras frescas almacenadas al afectar el metabolismo interno o las reacciones químicas⁹.

Las tecnologías de tratamiento comunes para frutas y verduras incluyen la conservación térmica y no térmica. Entre ellos, el pretratamiento térmico tiene un efecto positivo en el proceso de secado, pero también puede tener efectos adversos en la calidad del producto, como pérdida de nutrientes, cambio de sabor y olor, y cambio de color^10,11. Por lo tanto, en los últimos años, la conservación no térmica de los productos ha recibido atención desde la perspectiva de la investigación para satisfacer la demanda de los consumidores de productos frescos. En la actualidad, existen principalmente procesamiento de radiación, campo eléctrico pulsado, procesamiento de ozono, recubrimientos comestibles, dióxido de carbono en fase densa y otras tecnologías de conservación no térmica para almacenar frutas y verduras, pero estas tecnologías a menudo tienen deficiencias, como el requisito de equipos grandes, el alto precio y el costo de uso¹². Por lo tanto, el diseño de una estructura simple, bajo costo y control conveniente del equipo de conservación es muy significativo para la industria alimentaria.

En el entorno de almacenamiento de frutas y verduras, un sistema adecuado de circulación de aire ayuda a eliminar el calor generado por el propio producto, reducir el gradiente de temperatura y mantener la temperatura y la humedad en el espacio donde se encuentra. La circulación adecuada del aire también previene la pérdida de peso debido a la respiración y las infecciones fúngicas^13,14,15. Se han realizado numerosos estudios sobre el flujo de aire dentro de diferentes estructuras. Praeger et ^al.16,17 midieron la velocidad del viento en diferentes posiciones bajo diferentes potencias operativas del ventilador en un almacén a través de sensores y encontraron que podría haber una diferencia tan grande como siete veces en la velocidad del aire debido a diferentes alturas verticales^, y la velocidad del aire en cada posición se correlacionó positivamente con la potencia operativa del ventilador. Además, un estudio examinó el efecto de la disposición de la carga y el número de ventiladores en el flujo de aire, y se concluyó que aumentar la distancia de algunas posiciones de los ventiladores y elegir racionalmente el número de ventiladores era útil para mejorar el efecto. Berry et ^al.18 estudiaron el efecto del flujo de aire en diferentes ambientes de almacenamiento de fruta sobre la distribución de los estomas en cajas de embalaje. Utilizando software de simulación, Dehghannya et ^al.19,20 estudiaron el estado del flujo de aire del aire prefrío forzado en el paquete con diferentes áreas de ventilación, cantidades y posiciones de distribución en la pared del embalaje^, y obtuvieron la influencia no lineal de cada parámetro en el estado del flujo de aire. Delele et ^al.21 aplicaron un modelo computacional de dinámica de fluidos para estudiar la influencia de productos distribuidos aleatoriamente en diferentes formas de cajas de ventilación sobre el flujo de aire. Descubrieron que el tamaño del producto, la porosidad y la relación de orificios de la caja tenían un mayor impacto en el flujo de aire, mientras que el llenado aleatorio tenía un impacto menor. Ilangovan et ^al.22 estudiaron los patrones de flujo de aire y el comportamiento térmico entre las tres estructuras de envasado y compararon los resultados con los modelos estructurales de referencia. Los resultados mostraron que la distribución del calor en la caja no era uniforme debido a las diferentes ubicaciones y diseños de la ventilación. Gong et ^al.23 optimizaron el ancho del espacio entre el borde de la bandeja y la pared del recipiente.

Las técnicas utilizadas en este trabajo incluyen métodos de simulación y optimización. El principio de la primera es que las ecuaciones gobernantes fueron discretizadas y resueltas numéricamente usando el método de volumen finito²¹. El método de optimización utilizado en este trabajo se conoce como optimización ortogonal²⁴. La prueba ortogonal es un método típico de análisis multifactorial y multinivel. La tabla ortogonal construida con este método contiene puntos representativos distribuidos uniformemente en el espacio de diseño, que pueden describir visualmente todo el espacio de diseño y ser examinados. Es decir, menos puntos representan la prueba del factor completo, ahorrando mucho tiempo, mano de obra, materiales y recursos financieros. La prueba ortogonal ha sido ampliamente utilizada en el diseño de experimentos en los campos de sistemas de potencia, química, ingeniería civil, etc.²⁵.

El objetivo de este estudio es diseñar y optimizar una caja ventilada de alto rendimiento. Una caja ventilada se puede definir como una caja original que incluye un dispositivo de control de gas que dispersa el gas uniformemente en la caja. La uniformidad de velocidad se refiere a la uniformidad con la que fluye el aire a través de la caja ventilada. Yun-De et ^al.26 han demostrado previamente que la propiedad del material multiporoso tiene un efecto importante en la uniformidad de velocidad de una caja de vegetales frescos. En algunos experimentos, se dejó un plenum o cámara modulada tanto en la parte superior como en la inferior de la cámara de prueba para garantizar una distribución homogénea del aire forzado o inducido²⁷. La caja ventilada diseñada en este documento contiene matrices de tuberías con agujeros en zigzag. El control de la distribución del flujo de aire en la caja ventilada es la principal estrategia de preservación. Hay dos entradas de aire de igual tamaño colocadas paralelamente en los lados izquierdo y derecho de la caja ventilada, y una salida se establece en la parte superior de la caja. Diseñar la estructura interna de una caja ventilada es la clave de este estudio. En otras palabras, el número de tuberías y agujeros es un parámetro importante para cambiar la estructura interna de la caja ventilada. El modelo de referencia tiene 10 tubos. Los dos tubos centrales tienen 10 agujeros cada uno, que se escalonan a través de los tubos. El número de orificios desde el medio hasta la tubería exterior aumenta en dos a la vez.

En otras palabras, cuando mantenemos verduras, frutas y otros productos frescos, el flujo de aire continuo y estable puede reducir la respiración de los productos, reducir el etileno y otras sustancias nocivas para la conservación del producto y reducir la temperatura producida por los propios productos. Debido a los diferentes parámetros de la caja ventilada, no es fácil obtener el estado de flujo de aire requerido, lo que afectará la propiedad de preservación de la caja ventilada. Por lo tanto, el proyecto toma la uniformidad de la velocidad del flujo de aire interno de la caja ventilada como objetivo de control. Se realizó un análisis de sensibilidad para los parámetros estructurales de la caja ventilada. Las muestras fueron seleccionadas por diseño experimental ortogonal. Utilizamos el análisis de rango para optimizar la combinación de los tres parámetros estructurales. Mientras tanto, verificamos la conveniencia de los resultados de optimización.

Protocolo

1. Procesamiento previo a la simulación

NOTA: Teniendo en cuenta las matrices de tuberías, la mitad inferior tridimensional y la mitad superior de los modelos de cajas ventiladas se establecen mediante el uso de software tridimensional y guardándolos como archivos X_T, las dimensiones generales se muestran en la Figura 1. Las configuraciones se muestran en la tabla de materiales.

1. Ejecute el software de simulación y arrastre el componente Mesh desde "Sistemas de componentes" a la ventana "Esquema del proyecto". Llámalo "el fondo". Haga clic con el botón secundario en Geometría y haga clic en Examinar para importar el archivo X_T inferior.
2. Haga clic con el botón derecho en Geometría, haga clic en Nueva geometría DesignModeler para entrar en la ventana "Mesh-Designmodeler" y haga clic en Generar para mostrar el modelo inferior.
3. Haga clic con el botón derecho en la superficie superior y haga clic en Selección con nombre para cambiarle el nombre a "ventilado box_upper". Seleccione Filtro de selección: Cuerpos. Haga clic con el botón derecho en el modelo inferior para seleccionar la Selección con nombre y cámbiele el nombre a "la parte inferior".
4. Seleccione Filtro de selección : Caras y cambie el "Modo de selección" a Box Select. Seleccione todas las superficies internas, haga clic con el botón derecho para seleccionar la Selección con nombre y cámbiele el nombre a "surfaces_external interno", definido como interfaces mech más adelante. Vuelva a la ventana inicial.
5. Haga doble clic en la malla inferior. Ingrese a la ventana "Mallado". Cambie las "Preferencias físicas" de Mecánico a CFD. Haga clic en Actualizar para generar el modelo de malla. Vuelva a la ventana inicial.
6. Arrastre el componente Meshdesde "Sistemas de componentes" a la ventana "Esquema del proyecto". Llámalo "top". Haga clic con el botón secundario en Geometría y haga clic en Examinar para importar el archivo de X_T superior.
7. Haga clic con el botón derecho en Geometry y haga clic en New DesignModeler Geometry para entrar en la ventana "Mesh-Designmodeler". Haga clic en Generar para mostrar el modelo superior.
8. Haga clic con el botón derecho en la superficie inferior y haga clic en Selección con nombre para cambiarle el nombre a "box_lower ventilada". Seleccione Filtro de selección: Cuerpos. Haga clic con el botón derecho en el modelo superior para seleccionar la Selección con nombre y cámbiele el nombre a "superior".
9. Seleccione Filtro de selección: Caras. Haga clic con el botón secundario en la superficie superior y haga clic en Selección con nombre para cambiarle el nombre como salida. Vuelva a la ventana inicial.
10. Haga doble clic en la malla de la parte superior. Ingrese a la ventana "Mallado". Cambie las "Preferencias físicas" de Mecánico a CFD. Haga clic derecho en Malla para seleccionar el Tamaño en "Insertar". Seleccione Filtro de selección: Cuerpos. Seleccione el modelo superior y escriba 18 en "Tamaño del elemento". Haga clic en Actualizar. Vuelva a la ventana inicial.
11. Arrastre el componente Mesh desde "Sistemas de componentes" a la ventana "Esquema del proyecto". Nómbralo como la tubería. Importe el archivo de X_T de tubería haciendo clic en Geometría.
12. Ingrese a la ventana "Mesh-Designmodeler". Haga clic en Generar para volver a mostrar las pantallas del modelo de tubería.
13. Seleccione las dos caras finales de la tubería y etiquételas como "entrada1" y "entrada2", y la tubería por cuerpo seleccionando y etiquetando como tubería.
14. Todas las superficies internas mediante la selección de cajas se etiquetan como "surfaces_internal internas", definidas como interfaces de malla más adelante. Vuelva a la ventana inicial.
15. Haga doble clic en la malla de la tubería. Ingrese a la ventana "Mallado". Cambie las "Preferencias físicas" de Mecánico a CFD. El modelo de malla se puede generar haciendo clic en "Actualizar". Vuelva a la ventana inicial.
    NOTA: La Figura 2A muestra la cuadrícula de la mitad inferior de la caja ventilada, la Figura 2B muestra la cuadrícula de la mitad superior de la caja ventilada y la Figura 2C muestra la rejilla de la tubería. Como se muestra en la Figura 3, con el número de cuadrículas aumentando de 4.137.724 a 5.490.081, los cambios de desviación estándar son menores que 0,0008. Teniendo en cuenta la capacidad de cálculo y la precisión, el siguiente análisis se basa en un modelo de cuadrícula con 4.448.536 cuadrículas.

2. Análisis de simulación

NOTA: Las siguientes operaciones se describen en función de la secuencia general del análisis de simulación desde la configuración hasta la solución y el resultado.

1. Arrastre el componente Simulación a la ventana "Esquema del proyecto". Vincule tres componentes de malla al componente de simulación y actualice para entrar.
2. Arreglo
   NOTA: La "Configuración" consta de cinco pasos: General, Modelos, Materiales, Condiciones de zona de celda y Condiciones de contorno.
   1. General: Verifique la validez del modelo de malla. Compruebe si la malla tiene volumen negativo. Seleccione Estable. Para los factores de relajación, residuales y escala de tiempo, seleccione los valores predeterminados. Si hay algún problema con la cuadrícula dividida o la configuración del modelo, aparecerá un mensaje de error.
   2. Modelos: Ingrese a la interfaz de configuración de "Modelo viscoso" para seleccionar el Modelo K-epsilon.
   3. Materiales: Ajuste el material "aire".
   4. Condiciones de la zona celular: Cambie el tipo de zona celular a Fluido.
3. Condiciones de contorno
   1. Convierta el tipo de box_upper ventilado, box_lower ventilado, surfaces_external interno y surfaces_internal interno del "Muro" predeterminado a "Interfaz".
      NOTA: El software de simulación genera inmediatamente las "Interfaces de malla" después de finalizar el paso anterior.
   2. Abra Mesh Interfaces y entre en la ventana "Create/Edit Mesh Interfaces". Haga coincidir el surfaces_external interno con el surfaces_internal interno. Hacer coincidir la box_upper ventilada con la box_lower ventilada. Finalmente, las dos interfaces de malla se crean en la caja ventilada y se denominan interface1 e interface2, respectivamente.
   3. Ajuste las velocidades de flujo de aire de todas las entradas como 8,9525 m/s en la ventana "Velocidad de entrada" y la presión manométrica de la salida como cero en la ventana "Salida de presión".
4. Solución
   1. Establezca el estilo de inicialización de la solución como Inicialización estándar antes de inicializar.
   2. Establezca el número de iteraciones en 2.000.
   3. Haga clic en Calcular para iniciar la simulación y volver a la ventana inicial hasta que finalice la simulación.
5. Resultados
   1. Haga clic en Resultados. Ingrese a la ventana "CFD Post" y haga clic en el icono aerodinámico de en la caja de herramientas.
   2. Seleccione la salida en "Comenzar desde" y Retroceder en "Dirección". Haga clic en Aplicar para generar el diagrama de flujo interno de la caja ventilada.
   3. Haga clic en Plano en "Ubicación", seleccione ZX Plane en "Método" y seleccione el valor de entrada como 0.6. Haga clic en Aplicar para generar el plano a 0,6 m de la superficie inferior.
   4. Haga clic en el icono Contorno en la caja de herramientas, seleccione Plano 1 en "Ubicaciones", seleccione Velocidad en "Variable" y seleccione Local en "Rango". Haga clic en Aplicar para generar el contorno de velocidad.
   5. Exporte los datos de caudal para el plano generado anteriormente. Adquirir la desviación estándar del caudal en el software de hoja de cálculo (por ejemplo, Excel).
      NOTA: Se realizó un análisis de sensibilidad de tres variables estructurales de la caja ventilada. El número de tuberías tiene cuatro niveles: ocho, 10, 12 y 14. El número de agujeros en los tubos centrales tiene cuatro niveles: ocho, 10, 12 y 14. El número de cada incremento desde el interior hasta el exterior tiene cuatro niveles: cero, dos, cuatro y seis. Modificar el modelo base de acuerdo con los cambios en estos parámetros estructurales. Repita los pasos 1.1 a 2.5 10 veces para obtener los datos de la Tabla 1. Se puede ver en la tabla que los tres parámetros estructurales tienen ciertos efectos sobre la desviación estándar del caudal.

3. Diseño de experimentos ortogonales y análisis de rango

1. Ejecute el software de análisis estadístico. Haga clic en Datos y genere en "Diseño ortogonal".
2. Ingrese pipe_number en "Nombre del factor" y A en "Etiqueta del factor". Haga clic en Agregar y definir valores para establecer cuatro niveles para el número de tuberías. Haga clic en Continuar y vuelva a la ventana "Generar diseño ortogonal".
3. Ingrese whole_number en "Nombre del factor" y B en "Etiqueta del factor". Haga clic en Agregar y definir valores para definir cuatro niveles para el número de taladros. Haga clic en Continuar y vuelva a la ventana "Generar diseño ortogonal".
4. Ingrese cumulative_number en "Nombre del factor" y C en "Etiqueta del factor". Haga clic en Agregar y definir valores para establecer cuatro niveles para el número de incrementos. Haga clic en Continuar y vuelva a la ventana "Generar diseño ortogonal".
5. Haga clic en Crear nuevo archivo de datos para generar 16 muestras de matriz. Haga clic en Vista variable para seleccionar Nominal en "Medir" y Entrada en "Rol". Cámbiele el nombre a "standard_deviation×100000".
6. Repita los pasos 1.1 a 2.5 con los puntos de muestra anteriores; Las 16 desviaciones estándar resultantes multiplicadas por 100.000 se rellenan en la lista de muestras para su posterior optimización.
7. Haga clic en Analizar y Univariante en "Modelo lineal general". Rellene standard_deviation×100000 en "Variable dependiente" y pipe_number, hole_number, cumulative_number en "Factor(es) fijo(s)". Haga clic en Términos de modelo y compilación. Cambie Interacción a Efectos principales. Rellene A, B, C en "Modelo". Haga clic en Continuar y vuelva a la ventana "Univariado".
8. Haga clic en EM Means y rellene A, B, C en "Display Means For". Haga clic en Continuar y vuelva a la ventana "Univariado".
9. Haga clic en Aceptar y obtenga el resultado de optimización; El valor mínimo de la columna "Media" en la tabla corresponde a la variable óptima. Haga doble clic en la tabla, ingrese a la ventana "Tabla dinámica", haga clic en Editar y haga clic en Barra en "Crear gráfico" para generar el histograma.

Resultados

Siguiendo el protocolo, las tres primeras partes fueron las más importantes, que incluyen modelado, mallado y simulación, todo con el fin de obtener la desviación estándar del caudal. Luego, completamos la optimización de la estructura de la caja ventilada a través de experimentos ortogonales y análisis de rango. El modelo utilizado en el protocolo es el modelo de caja ventilada de referencia, que es el modelo inicial obtenido de la referencia. La Figura 4 muestra el resultado del flu...

Discusión

Debido a su alto rendimiento y estructura compleja, en este estudio, construimos una caja ventilada basada en software de modelado. Se analizó el flujo interno mediante software de simulación. El software de simulación es conocido por sus capacidades avanzadas de modelado físico, que incluyen modelado de turbulencia, flujos monofásicos y multifásicos, combustión, modelado de baterías, interacción fluido-estructura y mucho más. El método de selección de muestras utilizado en este documento es el método de dis...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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