یک مطالعه محاسباتی در مورد تعادل جریان هوا در یک محفظه خشک کن باغبانی

شبیه سازی ها برای مطالعه جریان هوا در سراسر اسکیت های انگور در یک محفظه خشک کن انگور باغبانی به منظور متعادل کردن جریان هوا برای تولید یک محیط خشک کن یکنواخت انجام شد. تمرکز این مطالعه بر رویکردی که برای تأمین جریان هوای متعادل با استفاده از یک ابزار دینامیک سیال محاسباتی (CFD) همراه با داده های تجربی انجام شده است. این فرآیند برای اولین بار در مقایسه با شبیه سازی جریان هوا در یک پشته جعبه منفرد با داده های تجربی برای ایجاد ضرایب مقاومت مشخص می شود. مرحله بعدی استفاده از این ضرایب برای شبیه سازی یک ردیف از اسکیدهای انباشته شده برای ایجاد اصلاحات از نظر مقاومت اضافی (متغیر) بود که منجر به جریان هوای متعادل می شود. سپس از مدل اصلاح شده برای شبیه سازی جریان در کل محفظه باغبانی استفاده شد تا تأیید کند که در شرایط عملکرد فن ، تعادل جریان هوا همچنان ادامه دارد. این مطالعه نشان می دهد که در حالی که پشته های اصلاح نشده تقریباً 20 ٪ عدم تعادل از اولین تا آخرین پشته داشتند ، پشته با اصلاح کننده های مقاومت این عدم تعادل را در 5 ٪ اصلاح می کند ، که برای عملکرد محفظه مناسب است.

از سرگیری

شبیه سازی هایی برای بررسی جریان هوا از طریق بالشتک های انگور در یک محفظه خشک کن انگور باغبانی برای متعادل کردن جریان هوا برای ایجاد یک محیط خشک کردن یکنواخت انجام شد. این مطالعه رویکرد اتخاذ شده برای ارائه جریان هوای متعادل را با استفاده از ابزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) همراه با داده های تجربی بررسی کرد. این فرآیند ابتدا شامل توصیف پشته های جعبه ها با مقایسه شبیه سازی های جریان هوا در پشته ای از جعبه ها با داده های تجربی به منظور ایجاد ضرایب مقاومت بود. گام بعدی استفاده از این ضرایب برای شبیه سازی ردیفی از لنت های روی هم قرار گرفته بود تا اصلاحاتی برای مقاومت اضافی (متغیر) برای دستیابی به جریان هوای متعادل انجام شود. سپس مدل تصحیح شده برای شبیه سازی جریان در سرتاسر محفظه باغبانی استفاده شد تا تأیید شود که در شرایط کارکرد فن، تعادل جریان هوا ادامه دارد. این مطالعه نشان می دهد که در حالی که پشته های اصلاح نشده تقریباً 20 درصد عدم تعادل بین اولین و آخرین پشته داشتند، پشته های حاوی اصلاح کننده های مقاومت این عدم تعادل را تا 5 درصد اصلاح کردند که برای عملیات محفظه مناسب در نظر گرفته می شود.[ترجمه توسط ویراستار]

1. معرفی

مهندسی مواد غذایی یک منطقه مطالعه به طور فزاینده ای است. فرآیندهای برداشت ، حمل و نقل و ذخیره سازی محصولات ، گوشت و محصولات غذایی مختلف از نظر حداکثر رساندن کارآیی استفاده از مواد غذایی و افزایش ماندگاری مواد غذایی مختلف ، مباحث مهم تحقیق هستند. از نظر پردازش و ذخیره سازی ، ابزارهای مهندسی مانند دینامیک سیال محاسباتی (CFD) وسیله ای برای شبیه سازی هستند که می توانند اطلاعات مورد نیاز برای طراحی و بهینه سازی را ارائه دهند. استفاده از چنین ابزارهایی در تمرین مدرن مهندسی مواد غذایی از نظر هزینه و زمان مهم است. توسعه و طراحی سیستم های پردازش کنترل شده با آب و هوا و انبارها صرفاً با آزمایش و آزمایش و خطا عملی نیست. به این ترتیب ، CFD بسیار ارزشمند است زیرا هزینه های محاسباتی بسیار پایین تر از هزینه انجام آزمایشات است. CFD می تواند پارامترهای مختلف متعددی را مطالعه کند به گونه ای که آزمایشات فقط در چند مورد کلیدی مورد نیاز است. از CFD می توان برای ارائه اطلاعات دقیق مورد نیاز برای پیش بینی الگوهای جریان در اطراف تولید/مواد غذایی ، تعادل جریان هوا برای ذخیره سازی و تبرید استفاده کرد و بارهای گرمایشی/سرمایش را برای حمل و نقل محاسبه کرد. یا اطلاعات مفصلی مربوط به انتقال گرما و جرم را برای پیش بینی افزایش رطوبت/از دست دادن ، خشک کردن یا تنفس و فرآیندهای متابولیک ارائه دهید. کار حاضر مربوط به پردازش و ذخیره انگور است.

مطالعات مختلف CFD در ادبیات برای پیش بینی جریان در داخل اتاق های باغبانی ، وسایل نقلیه و امکانات ذخیره سازی گزارش شده است. یک گروه به طور کامل/بخشی از تمرکز خود را برای پیش بینی الگوهای هوا در اطراف مواد غذایی برای کاربردهای مختلف ارائه داد. از این مطالعات ، Tassou و Xiang (1998) با هدف تقویت توانایی مدل سازی با مدل سازی اثرات شناور در داخل ظروف ذخیره سازی. مطالعات دیگر اثرات خنک کننده اجباری ، بسته بندی ، قرارگیری و انباشت بر تنفس ، گرما و انتقال انبوه در هنگام ذخیره تخت های سیب زمینی (Xu و Burfoot 1999) ، فروشگاه های سرد (Chourasia and Goswami 2007) ، بسته های توت فرنگی (Ferrua و Singh2009) ، و بسته های انگور و انباشت (Delele et al. 2013). هونگ و همکاران.(2000) بر انتخاب یک مدل آشفتگی مناسب برای بهینه سازی گردش هوا در سیستمی که شامل یک فن/دمنده است ، متمرکز شده است. اثرات موضعی از رطوبت زدایی در هنگام خنک کننده و تشکیل یخ توسط دلو و همکاران در نظر گرفته شد.(2009) ، در حالی که ایجاد نرخ بهینه جریان برای خنک کننده کارآمد با حداقل طبقه بندی دما در Defraeye و همکاران در نظر گرفته شد.(2015) و Ambaw و همکاران.(2016). مطالعه باقیمانده الگوهای هوا را به منظور پیش بینی توزیع محلی در برنامه هایی مانند تأخیر در رسیدن با استفاده از 1-MCP در نظر گرفته است (Ambaw et al. 2014).

عنصر دیگری که مورد توجه محققان قرار گرفت، استفاده از مفاهیم مدل سازی رسانه متخلخل برای توصیف پشته ها یا پالت های محصولات و مواد غذایی است. این رویکرد در چنین شبیه سازی هایی کارآمد است زیرا اغلب دشوار یا غیرضروری است که هر بخش یا عنصر غذایی را به صورت عددی در یک شبیه سازی CFD توصیف کنیم. سطح تفکیک بستگی به این دارد که آیا صرفاً مشخص کردن مقاومت در برابر جریان و (یا) انتقال گرما و جرم به دلیل وجود بدنه مواد غذایی کافی است یا اینکه لازم است شکل دقیق و اثرات انباشتگی در نظر گرفته شود. به عبارت دیگر، اغلب کافی است که جریان را بر روی عناصر غذایی جداگانه با میانگین گیری در حجم زیادی از دامنه (یا کل دامنه) افزایش دهیم. یک میانگین ریاضی معادلات حمل و نقل در این موارد برای میانگین حجمی دامنه "متخلخل" استفاده می شود. فرآیند میانگین گیری اصطلاحات دیگری را تولید می کند که تأثیر عناصر غذایی بر جریان متوسط و انتقال گرما/جرم را مشخص می کند. ضرایب در شرایط بسته شدن یا با آزمایش یا شبیه سازی سطح منفذ تعیین می شوند تا شبیه سازی را با استفاده از رویکرد میانگین حجم تسهیل کند. با شبیه سازی، یک حوزه کوچک نماینده مواد غذایی (یک حجم عنصری معرف (REV)) باید توسعه داده شود و سپس شبیه سازی شود که از آن نتایج می توان میانگین گرفت تا ضرایب بسته شدن را به دست آورد (Dyck and Straatman 2015؛ Khan and Straatman 2016; Elhalwagy et al. 2017). روش دیگر، ضرایب بسته شدن را می توان از آزمایشات روی پشته های کوچک محصولات و با استفاده از تجزیه و تحلیل حساسیت و شواهد تجربی نهایی برای تأیید به دست آورد (آلوارز و فلیک 2007؛ آمباو و همکاران 2013). در حالی که رویکرد اول سیستماتیک و کلی است، در کاربرد چالش هایی دارد. توصیف واقعی شکل های هندسی محصول (مانند خوشه های انگور، توت فرنگی های ناهموار)، بسته بندی های اضافی (مانند جعبه های کارتی و چوب های چوبی)، و جلوه های انباشتگی برجسته ترین هستند و انتخاب دوم را در بیشتر موارد قابل دوام تر می کنند. همچنین تعیین یک REV عمومی برای تجزیه و تحلیل در بسیاری از موارد دشوار است، زیرا یک REV باید همسانگرد و در عین حال نماینده فیزیکی باشد (Elhalwagy et al. 2017).

در کار حاضر ، از یک روش CFD مزدوج برای شبیه سازی جریان هوا از طریق پشته های جعبه های پر از انگور در یک محفظه خشک کن باغبانی به منظور مطالعه جریان هوا در محفظه و از طریق پشته های انگور استفاده می شود. هدف از این مطالعه تعادل جریان هوا در ردیف های پشته های عمودی به گونه ای است که در عملیات محفظه یک محیط خشک کردن یکنواخت را فراهم می کند. تکنیک ارائه شده منحصر به فرد است و از مدل سازی رسانه متخلخل برای توصیف پشته های جعبه های پر شده و برای پوشش های سوراخ دار استفاده شده برای دستیابی به جریان متعادل از طریق پشته ها استفاده می کند. ابزار شبیه سازی مورد استفاده ANSYS CFX (2015) است.

2. مدل هندسی

این اتاق مورد نظر توسط مرکز تحقیقات و نوآوری وینلند ، آبشار نیاگارا ، انتاریو ، کانادا ، طراحی و ثبت اختراع شد (Goyette 2016). محفظه (شکل 1 را ببینید) از یک ظرف مستطیل بزرگ تشکیل شده است ، که هر دو بخش تهویه هوا (فیلتر ، سرمازدگی ، گرمایش ، کاهش نورپردازی ، فن ها) را در قسمت پایین سمت چپ و یک محفظه خشک کن بزرگ قرار می دهد. محفظه خشک کردن دارای دو ردیف بلند است که حاوی جعبه های انباشته شده از انگور است که به صورت متقارن در مورد راهرو مرکز واقع شده است. هر ردیف شامل شش پشته عمودی است ، و هر پشته شامل 15 سطح پنج جعبه است که در الگوی نشان داده شده در شکل 2 قرار داده شده است. به همین ترتیب ، پشته ها از نظر جریان هوا به صورت مستقل رفتار می شوند ، یعنی هوا از پشته به پشته جریان نمی یابد. ارتباط بین بخش تهویه هوا و محفظه خشک کردن شامل دو ورودی هوای دایره ای است که هوا توسط فن های محوری در زیر راهرو مرکز محفظه دمیده می شود و از طریق دو دهانه مستطیل شکل واقع در کف باز می گردد. پشته های عمودی انگورها به گونه ای مرتب شده اند که اسکیدها یک "مجرای" مستطیل شکل را در امتداد کف تشکیل می دهند که در یک انتهای (از طریق دهانه های مستطیل) به بخش تهویه هوا باز می شود و در انتهای دیگر بسته می شود که تنها ورودی برایهوا از سطح فوقانی پشته های انگور است. در حال بهره برداری ، سیستم فن هوا را از طریق ورودی های هوای دایره ای از راهرو مرکزی می کشد ، که مکش را در بخش تهویه هوا تنظیم می کند و از این طریق هوا را از دهانه های مستطیل متصل به پشته های انگور می کشاند. بنابراین ، هوا از محفظه به سمت پایین از طریق پشته های انگور ، در امتداد کف از طریق مجرای تشکیل شده توسط ردیف اسکیت ها ، و در قسمت تهویه هوا که در آن برای دما و رطوبت شرط می شود ، مخلوط می شود ، با مقداری هوای تازه مخلوط می شود و سپس. از طریق دهانه های دایره ای به محفظه بزرگ بازیافت شد.

عکس. 1.

شکل 2.

کار فعلی بر تجزیه و تحلیل CFD از جریان هوا در سراسر محفظه برای مطالعه توزیع هوای خشک کن متمرکز است. جریان هوا از طریق بخش تهویه مطبوع سیستم در این مطالعه در نظر گرفته نشده است. به همین ترتیب ، دو ورودی هوای دایره ای و بازده مستطیل شکل سطوح مرزی هستند و اتصال بین بخش تهویه هوا و محفظه خشک کردن با تحمیل شرایط مرزی مناسب بر روی این سطوح انجام می شود.

از آنجا که مشکل کلی پیچیده است و از چندین ویژگی دقیق مختلف تشکیل شده است ، مطالعه در مورد تعادل جریان هوا در سه مرحله انجام می شود. در مرحله اول ، اندازه گیری های تجربی جریان هوا از طریق پشته ای از جعبه های پر از انگور در نظر گرفته می شود که ضرایب را ایجاد می کنند که از آن برای کاهش هندسه پیچیده پشته های جعبه انگور به منشور مستطیل ساده رسانه های متخلخل استفاده می شود. در مرحله دوم ، شبیه سازی های محاسباتی برای یک ردیف از شش پشته عمودی انجام می شود تا ابتدا سطح عدم تعادل را تعیین کرده و سپس برای ایجاد روشی برای تعادل جریان هوا در ردیف ایجاد شود. در مرحله آخر ، کل محفظه برای نشان دادن جریان هوا در محفظه خشک کردن از جمله محلول برای تعادل جریان مدل شده است.

3. مدل سازی عددی

CFD برای شبیه سازی جریان هوا در مطالعه حاضر استفاده شد. همانطور که متعادل کننده جریان هوا است که مورد جستجو قرار می گیرد ، اثرات دما نادیده گرفته می شود و با حل معادلات تداوم ، حرکت و تلاطم (K - ε) در هر دو منطقه سیال و متخلخل برای جریان پایدار ، غیر قابل فشرده سازی ، جریان هوا ، که یعنی ، محلولها به دست می آیند. به عنوان یک گاز ایده آل درمان می شود. در صورت عدم وجود منابع خارجی ، معادلات تداوم ، حرکت و تلاطم به ترتیب ، به ترتیب ، به شکل بردار به عنوان (Elhalwagy and Straatman 2017 ؛ Elhalwagy 2018) ساده می شود.