Моделирование и исследование тепломассообменных процессов в холодильной камере при естественной и вынужденной конвекции

Теплообменные процессы протекающие, в штабелях плодов и овощей сопровождается процессами переноса массы влаги. Объекты хранения являются коллоидными капиллярно – пористыми телами, которые в ходе технологических и тепловлажностных процессов подвергаются увлажнению, охлаждению и нагреванию. Выбор рациональных режимов хранения продуктов в холодильных камерах, обеспечивающие уменьшение потери продуктов зависит от тепло- и массообменных процессов, происходящие в массе продукции [1,2].

Современные плодоовощехранилища состоят из большого количества взаимосвязанных элементов и установок, в каждом из которых протекают сложные теплофизические процессы. Особенно, тепломассообменные процессы, происходящие при хранение плодов и овощей сложны и с трудом поддаются математическому описанию. Эти трудности значительно возрастают при комплексном исследовании всей системы с учетом влияние внешних природно-климатических условий местности.

Исследование тепло- и массообменных процессов может быть проведено экспериментальными методами, методами физического и математического моделирования. Экспериментальные способы исследования имеет большое значение, как основа для построения теории процесса и являются критерием для оценки точности знаний об объекте хранения.

Достоинством экспериментального метода исследования является достоверность получаемых результатов. Подготовку и проведение исследований можно осуществлять таким образом, чтобы непосредственно из эксперимента получить те количественные соотношения, которые необходимы для практических расчетов.

При экспериментальном методе исследования каждое конкретное явление является самостоятельным объектом изучения. Этот недостаток экспериментального метода исследования приводит к существенным практическим затруднениям при создании новых процессов, машин и аппаратов. Метод математической физики лишен этого недостатка. Математическая физика является вторым методом нахождения количественных зависимостей, и в настоящее время он широко применяется. Поэтому, для исследования тепло – и массообменных процессов применяется метод физико-математического моделирования.

В [1] исследован теплообмен в насыпном слое (шарообразном слое) плодов и овощей в лабораторных условиях при активном вентилирование. Для этого изготовлена модель холодильной камеры со штабелем, заполненного плодами и овощами и создан «плотный шарообразной слой» (рис.1). Модель холодильной камеры имеет следующие размеры: длина 100 см, ширина 60 см, высота 30 см, имитирует натурного объекта с размерами длиной 10 м, шириной 6 м и высотой 3 м (масштаб 1:10). Экспериментальная установка для исследования тепло – и массообмена в плодоовощном слое при охлаждении воздухом состоит из воздуховодов, вентилятора с электродвигателем, штабели продуктов и измерительного комплекса для определения теплотехнических параметров воздуха и продукта. Измерительный комплекс для определения температур воздуха и продукта состоит из хромелькопелевых термопар ТХК, переключателя, сосуд Дюара, лабораторного термометра с ценой деления 0,1 ^оС и автоматического многоточечного электронного потенциометра КСП – 4. Применение электронного потенциометра КСП – 4 позволяет быстро снимать температуру и легко ее обрабатывать. Относительная влажность воздуха измеряли психрометрами Асмана и Августа.

Рис 1. Схема экспериментальной установки для исследования тепломассообмена в плодоовощном слое при охлаждении в условиях активного вентилирования:

I – шибер; II – всасывающий воздуховод с вентилятором; III – электродвигатель вентилятора; IV – основной воздуховод; V – суживающееся сопло; VI – трубопровод – распределитель с расходомером и дросселирующими шайбами; VII – U – образный манометр; VIII – холодильная камера; IX – штабель продукции; X – вытяжной канал холодильной камеры; XI – проволоки измерителя; XII – психрометр Августа; XIII – микроманометр; XIV – переключатель измерителя; XV – компенсационный самопищущий прибор КСП – 4; XVI – манометр;

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12 – точки измерения температуры с хромель-копелевыми термопарами ТХК.

Аэродинамическое сопротивление потока воздуха в воздуховодах определяется пневмометрическими трубками, которые соединены с микроманометром. Скорость воздушного потока измеряли крыльчатыми и чашечными анемометрами.

Через штабель продували охлаждающий воздух с заданными параметрами. В экспериментах измеряли температуру и относительную влажность воздуха в канале перед штабелю, в трех сечениях по высоте слоя, вес насыпи, ее высоту. В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

В работе исследован конвективный теплообмен между окружающим воздухом и штабелем плодоовощной продукции в условиях свободной конвекции. Опытный штабель с картофелем в холодильной камере охлаждался в условиях свободной конвекции (т.е. отключены системы вентиляции и воздухоохладители, при батарейном охлаждении).

На основе обработки опытных данных методом теория подобия и размерностей нами установлено критериальное уравнение, описывающее теплообмен при свободном движении воздуха в холодильной камере:

(1)

Полученное уравнение справедливо в пределах 35^.10³≤(Gr,Pr)_ж≤ 35,4^.10⁴.

При условиях вынужденной конвекции установлена следующая критериальная зависимость:

Nu = 0,027 Re^0,98 , (при ) (2)

Анализ исследований показывает, что коэффициент теплоотдачи с поверхности картофеля в условиях свободной конвекции в основном зависит от температурного напора между поверхностью продукта и омывающим воздухом, от геометрических размеров продукта и пористостью (скважистостью) поверхности картофельной насыпи. В рассматриваемом случае коэффициент теплоотдачи с поверхности картофельной насыпи при свободной конвекции изменяется в пределах α = 2,2 – 7,92 Вт/(м^2.К).

Опыты показывают, что теплообмен в холодильной камере при свободной и вынужденной конвекции происходит в ламинарном движении охлаждающего воздуха. Полученные уравнения подобия (1) и (2) полностью учитывают влияние естественной и вынужденной конвекции на конвективный теплообмен между охлаждающим воздухом и продуктом.

При охлаждении продуктов воздух удаляет накопившуюся на поверхности объектов хранения и выделяющуюся в процессе вентилирование влагу. Для определения плотности потока массы испаряющейся жидкости важным параметром является коэффициент массообмена.

А.В. Нестеренко предложил следующие критериальные зависимости для определения коэффициента массообмена β_р, отнесенный к размерности парциального давления пара, кг/(м²·с·Па) [2]:

для условий свободной конвекции

(3)

для условий вынужденной конвекции

(4)

при Re=2,2·10⁴÷3,15·10⁵,

где Nu_m и Pr_m – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при данной температуре и барометрическом давлении, м²/с.

Массообменные критерии Нуссельта и Прандтля определяются по выражениям:

(5)

(6)

где β – коэффициент массообмена, м/с; l – характерный размер, м.

Основным недостатком эмпирических зависимостей (3) – (4) является невозможность учета физических условий на поверхности испарения. Способ определения коэффициента массообмена по формуле (4) учитывает только процесс испарения жидкости с плоской поверхности.

В [3] на основе концепции о единстве механизмов переноса теплоты и количество движения и по условие аналогии Рейнольдса предложено соотношение Льюиса.

(7)

где α_п – коэффициент теплоотдачи от поверхность продукта к воздуху, Вт/(м²·^оС); с_р – удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·^оС); ρ – плотность воздуха, кг/м³.

В [4,5] учитывая, аналогии между процессами тепломасообмена получена зависимость для определения величины коэффициента массообмена с поверхности продуктов, отнесенный к размерности парциального давления пара, кг/(м²·с·Па):

(8)

Коэффициенты массообмена β и β_р связаны соотношением

β = β_рRT (9)

где R – газовая постоянная охлаждающего воздуха, Дж/(кг·^оС); T – температура воздуха, К.

Для уточнения значений коэффициента массообмена эксперименты проводились при охлаждении опытного штабеля картофеля естественным холодным воздухом температурой t_в=0^оС. Параметры подаваемого воздуха изменяли в пределах часто встречающихся в производственных условиях (скорость 0,1÷2,5 м/с; относительная влажность воздуха 80÷90 %). Критерий , как показали эксперименты, в пределах изменение температуры 0÷15 ^оС Pr_m является постоянной величиной. Поэтому при обработке экспериментальных данных влияние этого параметра не учитывали. Результаты экспериментальных данных и расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характерные экспериментальные данные по массообмена при вынужденной конвекции в холодильной камере

Рис 2. Зависимость Nu_m=f(Re)

На основе рис.2. и обработки опытных данных методом теория подобия получена следующая критериальная зависимость:

Nu_m=0,0238 Re^0,93, (10)

при Re=3,65·10²÷9,12·10³.

Анализ экспериментальных данных показывает, что коэффициент массообмена от поверхности продукта при охлаждении воздухом существенно зависит от скорости потока воздуха. В случае постоянной относительной влажности при росте скорости подаваемого воздуха от 0,1÷2,0 м/с коэффициент массообмена увеличивается примерно в 23,6 раз. Требуемая относительная влажность подаваемого воздуха поддерживалась увлажнением водой. Полученные результаты экспериментальных исследований по тепло –и массообмену хорошо согласуется с экспериментальными данными А.В. Нестеренко.

Литература:

1. Узаков Г.Н., Хужакулов С.М., Вардияшвили А.Б. Исследование теплообменных процессов холодильной камере с применением метода теории подобия и моделирования //Инновационные технологии, 2011 г., № 1. – с. 24 – 28.

2. Волков М.А. Тепло- и массообменные процессы при хранении пищевых продуктов. – М.: Легкая пищевая промышленность, 1982. – 272 с.

3. Теплотехника: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин и др.; Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 2003. – 671 с.

4. Волкинд И.Л. Комплексы для хранения картофеля, овощей и фруктов. – М.: Колос, 1981. – 223 с.

5. Солодов А.П., Цветков Ф.Ф., Елисеев А.В., Осипова В.А. Практикум по теплопередаче. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 296 с.