Geavanceerde Computational Fluid Dynamics modellen voor een meer duurzame en energie-efficiënte koudeketen van hard fruit na de oogst

De vraag naar vers fruit is groot en men verwacht dat zij in de toekomst nog zal toenemen. De consument streeft immers meer en meer een gezond voedingspatroon na. Om aan deze vraag te voldoen, moet er het hele jaar hoogwaardig, vers fruit beschikbaar zijn. Pas geoogst fruit is vanaf dat moment echter volledig afhankelijk van zijn interne reserves om zijn respiratiemetabolisme te onderhouden. Door de temperatuur van het fruit te verlagen, kan het respiratiemetabolisme vertraagd worden. Op deze manier wordt het fruitverouderingsproces uitgesteld en kan de houdbaarheid ervan verlengd worden. Dit gebeurt meestal in combinatie met specifiek gecontroleerde gascondities of andere naoogst-behandelingen. Om enerzijds flexibel te kunnen reageren op de marktvraag en anderzijds het aanbod van hoogwaardig, vers fruit aan de consument het jaar rond te kunnen garanderen, dienen de huidige koelings- en bewaarstrategieën verbeterd te worden. De mogelijkheden om daartoe experimentele proeven uit te voeren zijn echter beperkt door onder andere de hoge kostprijs, de seizoensgebonden beschikbaarheid van het fruit en het grote aantal ontwerpparameters van de koudeketen. Een kost-effectief alternatief voor dergelijke experimenten zijn computersimulaties met modellen voor vloeistofdynamica, beter bekend als computational fluid dynamics (CFD). 

Het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek was daarom het ontwikkelen, toepassen en analyseren van CFD-modellen om koelprocessen tijdens verschillende stappen in de naoogst-koudeketen van hardfruit te simuleren en te verbeteren. In bijzonder werd er getracht om de voorspelling van koelprocessen zowel in de tijd als in de ruimte te verbeteren en dit op verschillende ruimtelijke schalen; van een individuele vrucht tot grote industriële koelcellen. Om dit doel te bereiken werden verschillende geavanceerde en nieuwe numerieke benaderingen voor het modelleren van de fruitstapelingen verkend en, waar mogelijk, gevalideerd met experimenten. Tenslotte werden deze modellen gebruiken om enkele praktische naoogst-koelapplicaties te evalueren. 

De grootste kost tijdens de langdurige bewaring van appels is verbonden met het energieverbruik van het koelproces. In het eerste onderzoekshoofdstuk werd een CFD-model ontwikkeld dat de kwantitatieve evaluatie van energiebesparende maatregelen tijdens de langdurige bewaring van appels in industriële koelcellen toelaat terwijl rekening werd gehouden met het effect op de fruitkwaliteit. De grote palloxen, gevuld met appels in een industriële koelcel werden benaderd als een poreus medium. Een transiënt CFD-model werd gebruikt om drie koelscenario’s met een verschillend temperatuur-differentieel rond de optimale bewaartemperatuur van appels te onderzoeken. Door het CFD-model uit te breiden met een model voor dynamische regelacties werd rekening gehouden met het dynamisch gedrag van de koelcel. Daarnaast werd dit model gekoppeld aan een kinetisch kwaliteitsmodel voor de beschrijving van appelhardheid om zo het kwaliteitsverloop van appels in functie van de positie in de koelcel en de langdurige bewaartijd te voorspellen. Over het algemeen gaf de implementatie van een klein temperatuurdifferentieel betere resultaten in termen van uniformiteit, de uiteindelijke kwaliteit van de producten én het energieverbruik. 

De koelsnelheid en –uniformiteit en het energieverbruik van het prekoelen met gedwongen convectie zijn allen erg afhankelijk van het aerodynamisch ontwerp en de configuratie van de fruitverpakkingen. In het tweede onderzoekshoofdstuk werd een CFD model ontwikkeld en toegepast om het koelgedrag van appels in een kartonnen doos (‘corrugated fibreboard cardboard’, CFC) te vergelijken met een alternatieve, herbruikbare plastieken kist (‘reusable plastic container’, RPC). Daar het poreus medium model, toegepast in het vorige hoofdstuk, enkel geschikt is voor configuraties waar de doos-tot-fruit afmeting voldoende groot is, werd er voor een expliciete modelleer-benadering gekozen. In dit model werden de individuele appels benaderd als regelmatige bollen met vaste diameter. De berekeningen werden geverifieerd met koelexperimenten waarmee trade-offs tussen koelsnelheden en energieverbruik gevonden werden. Doordat de positie van de luchtgaten in de doos niet waren afgestemd op het gebruik van pakbladen waarop de appels lagen, ontstonden er geïsoleerde zones voor de luchtstroming. Dit resulteerde in een grote temperatuur-heterogeniteit in de standaard CFC doos. Hoewel de koeluniformiteit en het energieverbruik voor de RPC het meest geschikt werden bevonden, moet er opgepast worden voor koelschade aan de appels, veroorzaakt door hoge luchtstroomsnelheden bij een lage temperatuur. 

De vorm en grootte van het fruit kan aanzienlijk variëren en zal een beduidend effect hebben op het koelproces. In het derde onderzoekshoofdstuk werd een nieuwe expliciete CFD- modelleerbenadering ontwikkeld die rekening houdt met zowel de willekeurige stapeling in de doos als de variabele vorm van het fruit. Dit werd vervolgens vergeleken met de vereenvoudigde bolvormbenadering. Verschillende 3D modellen voor appels en peren werden aangemaakt met behulp van een gevalideerde geometrische modelgenerator dat gebaseerd is op beelden van x-stralentomografie van individuele vruchten. De vruchten werden door middel van de Discrete Elementen Methode willekeurig in een geometrisch model van een CFC doos geplaatst. Vervolgens werd er met CFD een horizontaal koelproces met geforceerde lucht voor drie zulke appelstapelingen gesimuleerd. De resultaten hiervan werden vergeleken met deze van de vereenvoudigde bolvormbenadering. Geen significante verschillen in de gemiddelde aerodynamische weerstand werden er gevonden tussen de realistische appelvormen en zijn sferische benadering. Toch werd de mate waarin er een zekere koeluniformiteit optrad, overschat: deze daalde namelijk wanneer de realistische fruitvormen werden gebruikt. Dit verschil tussen realistische en vereenvoudigde productvormen was zelfs groter voor een doos gevuld met peren waarvan de vorm nog meer afwijkt van een sfeer. 

Voor de validatie van expliciete CFD-modellen is een één-op-één vergelijking tussen de voorspelde en gemeten temperatuurprofielen in specifieke fruitstapelingen vereist. In het laatste onderzoekshoofdstuk werden er CFD-modellen ontwikkeld op basis van X-stralen tomografiebeelden van fruitdozen gevuld met peren. Dit liet een directe vergelijking met experimentele metingen in dezelfde stapelgeometrie toe om zo verschillen in koelprestatie, veroorzaakt door de variabiliteit in fruitvorm te onderzoeken. Het effectieve stapelpatroon van diverse peercultivars met specifieke vormverschillen, in een standaard kartonnen doos werd gereconstrueerd en vervolgens geïmplementeerd in een expliciet CFD model van een horizontaal koelproces met geforceerde lucht. De voorspelde koelprofielen konden succesvol vergeleken worden met experimenten en dit met een maximaal verschil van 9 % in koeltijd. De bijdrage van de fruitstapel tot de totale drukval over de gevulde doos was slechts 3 % en de intercultivar-verschillen waren verwaarloosbaar. Het specifieke stapelpatroon van de meer gestrekte ‘Conference’ peren blokkeerde de verticale luchtstroming in de doos wat resulteerde in een grotere heterogeniteit van de vruchttemperatuur tijdens koelen dan dozen gevuld met de meer bolvorige ‘Durondeau’ of ‘Doyenné’ peren. De variabele grootte en vorm van de peercultivars leidde tot andere stapelingen wat duidelijk invloed had op koeluniformiteit, maar niet op gemiddelde koelsnelheid. 

Met de continue toename en verbetering in computerrekenkracht, kan er verwacht worden dat expliciet CFD-modelleren eerder de regel dan de uitzondering zal worden. Met dit aspect voor ogen, hebben de methodes voor expliciet CFD-modelleren, besproken in dit doctoraatsproefwerk, de fundamenten gelegd voor de ontwikkeling van meer gedetailleerde, realistische en nauwkeurige CFD-modellen van applicaties in de naoogsttechnologie. Hoewel de focus in dit werk op hardfruit lag, kan het gemakkelijk uitgebreid worden naar andere fruitsoorten waar gerichte maatregelen voor temperatuurcontrole tijdens de naoogst-periode van cruciaal belang zijn. Ook andere aspecten van bewaring (o.a. gasconditionering, naoogstbehandelingen) kunnen met de ontwikkelde modellen beter geoptimaliseerd worden.