Библиографическое описание:

Хужакулов С. М., Узаков Г. Н., Вардияшвили А. Б. Теплотехнический расчет углубленного плодоовощехранилища с регулируемой газовой средой // Молодой ученый. — 2010. — №8. Т. 1. — С. 136-140.

Перевозка плодов и овощей на большие расстояния приводят к частичной потери продуктов и повышении транспортные расходы. Эту проблему можно решить сооружая небольшие углубленные плодоовощехранилища на полях вблизи мест выращивания плодов и овощей. Однако большинство полевых овощехранилищ будут расположены вдали от линий электропередач и централизованного теплохладоснабжения. Поэтому нами создана полевая углубленная плодоовощехранилища с автономным энергоснабжением и регулируемой газовой средой [1].

В углубленных плодоовощехранилищах значительно уменьшаются теплопотери через стены, а грунт зимой отдает тепло в хранилище, вследствие чего в таких хранилищах наблюдается ровная температура и обеспечивается достаточно устойчивый теплотехнический режим зимой и в теплое время года. Отопление углубленных хранилищ требуется только в суровых зимних условиях. Использования овощехранилищ с автономным нетрадиционным энергоснабжением и регулируемой газовой средой (РГС) позволяет выполнять задачи энергоэффективности, экологичности и экономичности реализации конкретных разработок. План и поперечный разрез опытной углубленной плодоовощехранилище со строительным объемом 180 м3 представлен на рис. 1.

Рис.1. План (А) и поперечный разрез (Б) опытной углубленной плодоовощехранилище ХК – 180.

I - поверхность земли; II - грунтовой массив;  III - пол, бетон тольщиной d=50 мм; IV – кровли, содержит из: а) ж/б плита (6х1,2)-8 штук, d=360 мм; б) керамзитный слой d=140 мм; в) 2 слоя рубероида d=2 мм на битумной мастике. V - приточный вентиляционный канал; VI - наружная ограждения d=400 мм, пенобетон; VII - охлаждаемое помещение; VIII - штабель овощей; IX - вытяжной канал.

Необходимый тепловлажностный и газовый режим в хранилище создается системами теплохладоснабжения, вентиляции, генераторами газовых сред и теплотехническими характеристиками ограждений. Рассматривая плодоовощехранилище как единое энергетическое целое можно решать все задачи, связанные с теплотехническим проектированием зданий этого типа, на основе решения уравнений баланса тепла, влаги и газа.

Теплотехнический расчет хранилищ с РГС проводятся для определения требуемого термического сопротивления ограждений и мощности систем вентиляции, отопления, охлаждения и генератора газовых сред [2,3].

Для холодильной камеры с РГС характерны следующие че­тыре основных режима работы:

I режим – холодильная обработка (охлаждение) продук­ции после загрузки камеры;

II режим – формирование газовой среды заданного состава после охлаждения продукции и герметического закрытия ка­меры;

III   режим (установившийся) – хранение продукции с поддержанием (корректировкой) заданного состава газовой среды
при необходимости охлаждения камеры (осенний и весенне-летний режимы хранения);

IV   режим (установившийся) – хранение продукции с поддержанием (корректировкой) заданного состава газовой среды
при необходимости обогрева камеры (зимний режим хранения).

Определяющим для расчета максимальной потребной холодопроизводительности и подбора оборудования холодильной ус­тановки является I режим. На основании II режима определяют требуемую производительность установки регулирования газо­вых сред. По III режиму выявляют наиболее эффективные ме­тоды обработки газовых сред, обеспечивающие поддержание в камерах оптимальных температурно-влажностных и газовых условий хранения фруктов и овощей в теплое время года. На основании IV режима рассматривают вопрос о необ­ходимости обогрева камер в холодное время года и определяют потребную мощность обогревающих устройств.

Общее уравнение теплового баланса холодильной камеры с РГС имеет следующий вид:

Q0=Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6,                       (1)

где Q0 — количество теплоты, подлежащей отводу воздухоохладителями ка­меры, Вт; Q1 – теплоприток через ограждающие конструкции, Вт; Q2 – теплота, отводимая от продукции, Вт; Q3 — теплоприток, обусловленный об­меном газовой среды камеры с наружным воздухом через неплотности в ограждениях, гидроклапан и оборудование для регулирования состава газо­вой среды, Вт; Q4 — эксплуатационный теплоприток, Вт; Q5 – теплопри­ток, связанный с искусственным увлажнением газовой среды в камере, Вт; Q6 – теплоприток, связанный с работой установки регулирования состава газовой среды, Вт.

Отрицательное значение величины Q0, которое может быть получено для расчетного зимнего режима работы камеры, ука­зывает на необходимость применения обогрева и определяет по­требную мощность отопительных устройств.

Теплоприток через ограждающие конструк­ции камеры

Q1=Q1`+ Q1``+ Q1```,                          (2)

где Q1` — теплоприток через стены, перегородки и покрытие камеры, Вт; Q1`` — теплоприток. через полы, Вт; Q1``` - дополнительный теплоприток от солнечной радиации в случае, если наружные ограждения подвергаются об­лучению солнцем, Вт.

Теплота,   отводимая   от   продуктов,

Q2=Q2`+ Q2``+ Q2```,               (3)

где Q2` — теплота, аккумулированная фруктами и овощами и отводимая при охлаждении продукции, Вт; Q2`` - теплота, аккумулированная тарой и отводимая при охлаждении продукции, Вт; Q2``` — теплота, выделяемая фрук­тами и овощами в процессе дыхания, Вт.

Теплоприток Q3 вычисляют только для III и IV режимов работы камеры по формуле

Q3=a·V·ρ·(iн – ik)/(24·3600),               (4)

где а — расчетная кратность газообмена через неплотности в ограждения камеры, гидроклапан и пр.; V – объем камеры в незагруженном cocтоянии, м3; ρ — плотность газовой среды при расчетной температуре и относительной влажности в камере, кг/м3; iн и ik — удельные энтальпии соответственно наружного воздуха и газовой среды в камере, Дж/кг.

Эксплуатационный   теплоприток определяется по формуле:

Q4=Q4`+ Q4``+ Q4```+ Q4````,              (5)

где Q4` - тепловыделения людей, работающих в камере, Вт; Q4`` - теплопритоки, связанные с открыванием дверей, Вт; Q4``` - теплопритоки от осве­щения, Вт; Q4```` — теплоприток от работающих вентиляторов воздухоохладителей, Вт.

Для холодильных камер с РГС первые три составляющие эксплуатационных теплопритоков можно не учитывать из-за, незначительности, кратковременности действия и несовпадений с максимумом основных теплопритоков.

Тогда, для камеры с РГС

Q4 ≈  Q4````= 1000 Nen/ηэл,                             (6)

где Ne — эффективная мощность на валу вентилятора, кВт; n — количество вентиляторов воздухоохладителей в камере; ηэл — КПД электродвигателей вентиляторов.

В холодильной камере принято водяное увлажнение, поэтому из-за незначительной величины энталь­пии газовой среды теплоприток Q5 равно нулю, т. е. энтальпия и температура газовой среды в камере практически не изменя­ются.

Теплоприток связанный с работой установки регулирования газовой среды, Q6 надо учитывать при подаче в камеру искусственно приготавливаемых газовых смесей температурой на 5 °С выше температуры газовой среды в каме­ре.

Значение теплопритока Q6 определяется по формуле [2]:

Q6 = Mг·Сг·(tг–tк),                               (7)

где Мг – массовый расход газовой смеси, направляемой из установки регу­лирования газового состава в холодильную камеру, кг/с; Сг — удельная теплоемкость приготовляемой газовой смеси, Дж/(кг·°С); tг –  температура приготовляемой газовой смеси на входе в камеру, ºС; tк – расчетная температура газовой среды в камере, ºС.

При значительной разности температур tг – tк > 15 °С газовую смесь из установки следует подавать в камеру через воздухоохладители для дополнительного подохлаждения.

Поддержанию оптимальной относительной влажности газо­вой среды в холодильных камерах с РГС имеет особое значение по сравнению с камерами обычного хранения плодов и овощей. Это объясняется тем, что в герметично закрытой каме­ре практически отсутствуют внешние притоки влаги и на отно­сительную влажность внутренней газовой среды оказывают вли­яние в основном два фактора: влаговыделение плодов и конден­сация влаги на охлаждающей поверхности воздухоохладителей. Интенсивность двух этих взаимосвязанных процессов определя­ет установившийся уровень равновесной относительной влажности газовой среды в камере с РГС.

Влажностной баланс холодильной камеры ХК – 180 с РГС имеет следующий вид:

W0=W1+ W2+ W3+ W4+ W5+ W6,                  (8)

где W1 - влагоприток, вызванный диффузией водяных паров через ог­раждения, кг/ч; W2 — влаговыделение от продуктов, кг/ч; W3 — влагоприток, обусловленный обменом газовой среды камеры с наружным воздухом через неплотности в ограждениях, гидроклапан и установку регулирования газовой среды, кг/ч; W4 — эксплуатационный влагоприток, включающий влаговыделение людьми, находящимися в камере, W4`, и влагоприток при воз­духообмене во время открывания дверей W4``, кг/ч; W5 – влагопрнток от увлажняющей установки, кг/ч; W6 – влагоприток от установки регулирова­ния газовой среды, кг/ч.

В связи с герметизацией ограждающих конструкций и специ­фикой эксплуатации камер с РГС составляющие общего урав­нения влажностного баланса W1, W3 и W4 относительно малы и можно не учитывать. Тогда уравнение влажностного баланса принимает вид

W0=W2+ W5+ W6,                               (9)

Откуда количество влаги (в кг/ч), требуемое для увлажнения газовой среды в камере,

W5=W0 – W2 – W6,                              (10)

При W5 = 0 увлажнять или осушать газовую среду камеры не требуется, так как в этом случае параметры ее на выходе на воздухоохладителя удовлетворяют условиям влажностного ба­ланса камеры. При W5 > 0 газовую среду необходимо искусст­венно увлажнять, а при W5 < 0 осушать.

На практике основное внимание уделяют толь­ко регулированию температуры воздуха в камере, причем не всегда с учетом особенностей конкретного сорта и качества за­ложенной на хранение продукции. Такой параметр, как влаж­ность, практически непосредственно не регулируется из-за большей сложности и меньшей изученности процессов, а также отсутствия серийно изготовляемых увлажнительных устройств для холодильных камер. Этим обстоятельством в определенной мере объясняются довольно значительные потери плодоовощной продукции при хранении в холодильных камерах.

Процесс газообмена холодильной камеры с РГС с окружаю­щей средой при формировании в ней газовой среды заданного состава (II режим) является нестационарным. На следующем этапе (III или IV режимы) газообмен становится стационар­ным.

Для холодильной камеры с РГС с естественным формирова­нием газовых сред общая формула изменения концентрации кислорода в камере в зависимости от ее технологических параметров II интенсивности дыхания продукции имеет вид [2]:

              (11)

где  - объемная концентрация кислорода в среде камеры (в долях от суммарной концентрация, принимаемой за единицу) в начале - и конце расчетного периода вывода камеры на режим или его корректировки в процессе хранения; tв.к — продолжительность вывода камеры на требуе­мый газовый режим по кислороду или корректировки режима в период хра­нения, ч.

В практических расчетах для упрощения используют параметры наиболее распространенного расчетного газового режи­ма, характеризуемого концентрациями углекислого газа и кис­лорода, соответственно 5 и 3%. Тогда при подстановке соот­ветствующих значений «постоянной камеры» Кz для субнор­мальных газовых сред расчетные формулы изменения концент­рации кислорода принимают вид:

для герметичных камер с ограждениями высокой плотности:

в период формирования режима при    = 0,21 (воздух)

                           (12)

в период хранения — корректировки режима

                   (13)

для герметичных камор с ограждениями пониженной плот­ности в период корректировки режима

                     (14)

Из полученных расчетных формул газового баланса по кис­лороду легко определяется продолжительность (в ч) вывода камеры на заданный режим tв естественным путем, а также продолжительность изменения концентрации кислорода в ка­мере в заданных пределах tк. т.е. промежуток времени между выключением и включением оборудования для корректировки режима (скрубберов, генераторов и пр.):

для герметичных камер с ограждениями высокой плотности:

в период формирования режима

                                (15)

в период хранения — корректировки режима

                                  (16)

Расчет продолжительности изменения концентрации кислорода в камере в установившемся режиме хранения в заданных пределах tк позволяет выявлять и задавать оптимальный режим работы оборудования, используемого для корректировки газовых сред.

Нами исследован тепловой баланс холодильной камеры ХК – 180 размером 6000´10000 мм при охлаждение яблок. Средняя температура воздуха в камере за цикл охлаждения tс = +0 °С. Яблоки поступающие с температурой t1 = 25°С ох­лаждаются перед хранением до температуры t2 = 6°С.

Строительная площадь пола камеры Fстр = Lк × Bк,                                   (17)

где Lк — длина камеры, м (Lк = 10 м); Вк — ширина камеры, м (Вк = 6 м),

Емкость камеры G = Fстр×gF = 60 × 400 = 24000 кг = 24,0 т.

Продолжительность охлаждения упакованных в тару (деревянных ящи­ках) яблок t можно найти из зависимости

где τ — темп охлаждения яблок, с-1 (для яблок в таре т = 0,0000197 ¸ 0,0000161 с-1); t1, t2 — температура яблок соответственно начальная (t1=25°С) и конечная (t2 = 6 °С). Согласно   технологическим нормам и правилам   принимаем   tс = ±0°С.

На основе полученных расчетных и экспериментальных данных определены теплопритоки в камеру хранения по месяцам (рис.2).

Рис.2. График изменений теплопритоков в периоде хранения в холодильную камеру.

1 – суммарные теплопритоки с учетом изменения теплоты дыхания; 2 – теплопритоки через ограждения камеры; 3 – теплоприток от охлаждаемых продуктов с учетом теплота дыхания.

Как видно из рисунка, тепловыделения процесса хранения зимних сортов яблок составляет 51 – 82 % от суммы всех теплопритоков в холодильную камеру и изменяются 2,5 – 3,0 раза.

Анализ влажностного баланса опытной холодильной камеры показывает, что влаговыделение от хранимых продуктов, т.е. потерь влаги продукцией (W2) сильно влияет на потребную производительность увлажнительных устройств для компенсации дефицита влаги в газовой среде и обеспечения оптимального влажностного режима хранения.

Для оценки значение W2 в влажностном балансе и количество влаги, требуемое для увлажнение газовой среды в камере можно использовать выражение [4]:

W2 = (Q/εt)·τ                                (18)

где Q – общий теплоприток к холодильную камеру, кВт; εt – тепловлажностная характеристика процесса охлаждения, кДж/кг; τ – период хранения, сек.

Для температуры t = 0 – 15 °С можно использовать следующие уравнение [4]:

εt = 6385 – 147 t,                               (19)

где t – средняя температура охлаждающего воздуха в хранилище (холодильной камере).

В нашем случае при хранении зимних сортов (t = 0–2 °С) εt = 6385 ¸ 6238 кДж/кг.

Как видно из уравнение (18) потери влаги продуктом при данном температуре прямо пропорционален теплопритоку к охлаждающему воздуху.

Обоснование величины теплопритоков к охлаждающему воздуху не представляет трудностей. При первичной обработке холодом эта величина представляет собой физическое тепло, выделяемое продукцией. В период хранения все тепло, воспринимаемое воздухом хранилища, в поле гравитационных сил воздействует на продукцию и вызывает ее усушку. Оно складывается из теплоты дыхания продуктов, трансмиссионных теплопритоков, поступающих к воздуху хранилища, и тепла выделяемого оборудованиями. Для исследования тепловлажностного режима хранилища расчетно–экспериментальным путем определены потери влаги продукцией в период хранения яблок зимних сортов, и результаты представлены на рис.3.

 

Рис.3. Сопоставление потери влаги продукцией (яблок) в углубленных хранилищах.

1 – обычная надземная хранилища; 2 – углубленная хранилища с РГС.

Необходимый газовый режим в плодоовощехранилище с РГС может быть достигнут естественным биологическим путем (в результате дыхания хранимой плодоовощной продукции) или создан искусственном путем введения в камеру специально приготовленных газовых смесей или отдельных компонентов их.

Полезный объем (грузовой объем) камеры Vп = 135 м3, удельный объем опытной камеры:

Интенсивность дыхания плодов в воздушной среде определяем по формуле:

Rt = R0 (1+bt),                         (20)

Для яблок R0 = 2,24×10-3 м3 СО2/(т×ч); тогда, в нашем случае Rt=2,24×10-3 м3 СО2/(т×ч), (при t = 0 °C).

Определяем продолжительность естественного формирования газового режима в камеры по формуле (15) τв = 400 ч. Значить в холодильной камере необходимый газовый режим устанавливается естественным путем через 16,7 суток. По уравнение (12) находим изменения концентрации кислорода в камере с РГС в зависимости продолжительности хранения яблок.

Используя, выше приведенные формулы были построены теоретические и опытные кривые вывода камеры на заданный режим по кислороду (концентрация его 10 %) естественным путем (без включения генераторов газовых сред) (рис.4).

tв сутки

Концентрация О2, в %

Рис. 4. Продолжительность формирования газового режима естественным способом в холодильной камеры с РГС.

1 – теоретические кривые; 2 – опытные кривые.

Установлено, что расчетное время вывода камеры на требуемый режим по кислороду (10 %) естественным способом, т.е. за счет «дыхания» плодов (яблок зимних сортов) составляет 17 суток. Расхождение расчетных данных и данных полученных при натурных экспериментах составило около 5 %. Таким образом, можно сделать вывод, что продолжительность создания в камере газовой среды заданного состава имеет большое практическое значение, так как от этого параметра непосредственно зависит сохранность плодоовощной продукции.

 

Литература:

  1. Г. Н. Узаков, С. М. Хужакулов. Исследование углубленной холодильной камеры в регулируемой газовой среде с использованием нетрадиционных источников энергии. // Молодой ученый. — 2010. №5. с. 81-83.
  2. Янюк В.Я., Бондарев В.И. Холодильные камеры для хранения фруктов и овощей в регулируемой газовой среде. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 128 с.
  3. Расчет тепломассообмена в промышленных установках, системах и сооружениях: уч.пособие /Л.И. Архипов и др., под. ред. А.Л. Ефимова. – М.: МЭИ, 2001. – 52 с.
  4. Жадан В.З. Влагообмен в плодоовощехранилищах. М.: Агропромиздат, 1985, - 197 с.

 

Основные термины (генерируются автоматически): газовой среды, холодильной камеры, состава газовой среды, газовой среды камеры, вывода камеры, регулируемой газовой, регулируемой газовой средой, газовых сред, холодильной камере, холодильной камеры ХК, регулирования газовой среды, баланс холодильной камеры, температура газовой среды, газовый режим, газовой смеси, камере газовой среды, холодильную камеру, ограждения камеры, газовой среде, газовой среды теплоприток.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос