Расчет температурно-влажностного режима ограждений овощехранилища с учетом климатических условий

Ограждающие конструкции овощехранилищ и холодильников являются основным элементом в создании требуемого температурно-влажностного и газового режима хранения продуктов, и работают в тяжелых климатических условиях. Внешние природно-климатические условия оказывают влияние на температурно-влажностный режим хранилищ и на состоянии теплоизоляции ограждающих конструкций.

Первый внешний климатический фактор, который должен учитываться при проектировании ограждений овощехранилищ и холодильников –температура наружного воздуха в холодный и теплый периоды года. Учитывая, что в зданиях холодильников проектируются помещения с температурой в довольно широком диапазоне (от +12 до –40 ^оС), вопрос длительного обеспечения требуемых температурных режимов имеет решающее значение.

Теплотехнические расчеты хранилищ по летним условиям имеют цель определить величину теплопритоков, установить степень колебания внутренних температур и действия солнечной радиации с тем, чтобы добиться их минимальное влияние на температуру и влажность камер.

Без выполнения научно обоснованных теплотехнических расчетов ограждений хранилищ и учета солнечной радиации невозможно создать требуемые температурно-влажностные условия.

Для расчетов ограждений и правильного их решения необходимо знать среднесуточные и среднегодовые температуры наружного воздуха, амплитуду колебаний ее в течение суток и интенсивность солнечной радиации. В течение дня обычно происходит колебание температуры, непосредственное облучение и прогрев наружных поверхностей конструкций. Степень прогрева зависит не только от величины температуры наружного воздуха, но и от ориентации здания по странам света. Она может не совпадать с тем периодом дня, в который температура воздуха достигает максимального значения. Такое явление наблюдается в ограждениях, обращенных на запад, и особенно на юго-запад. В южных районах прогрев стен такой ориентации намного выше, чем в ограждениях, обращенных на другие стороны света, и поэтому в стенах овощехранилищей и холодильников изоляция должна усиливаться.

Второй, не менее важный фактор, требующий учета при расчетах и проектировании, – влажность наружного воздуха. Степень влажностного состояния воздуха характеризует относительная влажность. Как известно, относительная влажность воздуха – это отношение количества влаги, фактически содержащейся в данном объеме воздуха, к тому количеству, при котором достигается 100 % - ное насыщение воздуха водяными парами при той же температуре. Относительная влажность воздуха в теплый период года принимается при расчетах увлажнения ограждающих конструкций холодильников.

В основном она зависит от общего характера и распределения осадков по территории Республики, от количества солнечной радиации, повторяемости вторжения сухого континентального и влажного воздуха.

Средние значения относительной влажности за период с мая по сентябрь по Кашкадарьинской области колеблется в пределах φ=30–45% [1]. Важнейшим показателем при проектировании ограждающих конструкций овощехранилищ является температура и влажность внутреннего воздуха, которые устанавливаются в процессе эксплуатации.

Коэффициент теплопередачи многослойной стенки в общем виде определяется формулой [2]

(1)

Зная значение коэффициента теплопередачи k, можно легко установить теплотехническую характеристику ограждения и выбрать такую ограждающую конструкцию, которая была бы эффективной и удовлетворяла всем техническим требованиям, предъявляемым к ограждениям хранилища. Величина теплового потока, проходящего через 1 м² плоской ограждающей стены определяется по следующему уравнению:

(2)

где - расчетная разность температур внутреннего и наружного воздуха, ^оС; - общее сопротивление ограждающей конструкции теплопередачи, (м²·^оС)/Вт.

Сопротивление теплопередачи является величиной, обратной коэффициенту теплопередачи. Этот показатель также нормируется и характеризует степень сопротивления ограждения теплопередачи, выражающуюся разностью температур воздуха с одной и с другой стороны ограждения, при которых тепловой поток через 1 м² ограждения будет составлять 1 Вт. Величина сопротивления теплопередачи характеризует теплозащитные свойства ограждения и связана с коэффициентом теплопередачи зависимостью

(3)

Для расчета наружных ограждений проще определять величину , к тому же и формулы при определении сопротивлений теплопередачи имеют более простой вид. Однако в холодильной технике при теплотехнических расчетах используется уравнение коэффициента теплопередачи.

Зная математическую связь обоих значений, можно легко перейти к определению значения k и значения .

Сопротивление теплопередаче многослойных ограждений вычисляется по формуле

(4)

где

(5)

Следовательно, количество входящих в формулу R будет соответствовать количеству слоев, входящих в общую конструкцию стены. Таким образом, общее сопротивление теплопередачи получается как сумма термических сопротивлений всех слоев ограждения.

Тепловой поток проходящий через 1 м² поверхности ограждения выражается формулой:

(6)

Пользуясь указанными формулами, легко определить изменение температур в толще стены в любом ее месте и показать эти изменение графически.

Известно, что при повышении влажности изоляционных материалов ухудшаются их теплозащитные свойства, увеличивается общий коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций и ухудшаются эксплуатационные показатели овощехранилища. Поэтому меры против попадания парообразной и капельной влаги в толщу ограждающих конструкций имеют большое практическое значение.

Всякий строительный материал в упрощенном виде представляет собой трехфазную систему: «твердое тело – вода – воздух». Соотношения фаз в единице объема определяет физико-технические свойства материала.

Содержания воздуха зависит от пористости теплоизоляционного материала. Чтобы решить конструкцию с эффективными теплотехническими показателями и правильно защитить ее от увлажнения, необходимо знать способы расчета увлажнения. Содержание влаги в атмосферном воздухе характеризуется абсолютной влажностью воздуха. Однако для расчетов, связанных с конденсацией влаги, лучше знать парциальное давление водяного пара е мм рт. ст. Величина упругости водяного пара зависит от температуры и барометрического давления и не может увеличиваться беспредельно, а достигает такого значения, выше которого упругость не может быть увеличена. Максимальное значение упругости водяного пара соответствует максимальному насыщению воздуха водяным паром и обозначается буквой Е мм рт. ст.

Абсолютная влажность воздуха при наличии значений упругости водяного пара определяется по формуле:

, (7)

где t–температура воздуха, ^оС; е–упругость водяного пара в воздухе, мм рт. ст.

Относительная влажность воздуха (в %) при известных величинах е и Е, соответствующих заданной температуре, определяется по формуле:

(8)

Анализируя формулу с точки зрения изменения величин е и Е, можно установить, что при определенной температуре значения е и Е станут равными. Тогда относительная влажность воздуха будет φ=100 %, т.е. воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Температура, при которой достигнуто такое влажностное состояние воздуха (ниже точки росы) излишняя влага в воздухе будет конденсироваться, и образуется жидкая фаза.

Влажностный режим ограждений тесно связан с метеорологическими условиями охлаждаемых помещений. От степени влажности материалов зависит коэффициент теплопередачи ограждения, который повышается с увеличением влажности материалов.

Влажностное состояние ограждений особенно важный показатель в холодильных камерах хранилищ, так как повышение влажности теплоизоляционных материалов влечет за собой порчу дорогостоящей теплоизоляции и преждевременный ее износ.

В работе рассматриваются температурно-влажностные режимы различных вариантов ограждений хранилищ.

В первом варианте пенобетонная стена холодильной камеры толщиной 42 см разделяет две воздушные среды с разными температурами и одинаковыми барометрическими давлениями, но с различными упругостями водяного пара и парциальными давлениями. В результате этого через ограждающую стену овощехранилища будет проходить поток паров от наружной стороны (теплой) к внутренней (холодной), т.е. произойдет диффузии водяного пара.

Рассмотрим влажное состояние стены, считая, что температурный режим камеры остается неизменным. Соответственно температурам диффузия паров будет, происходит из сред с более высокими температурами и большим парциальным давлением к средам с более низкими значениями этих показателей. Интенсивность диффузии паров будет зависеть не только от разности упругостей водяного пара, но и от материала, который оказывает сопротивление потоку паров.

Сопротивление ограждающей конструкции паровым потокам называют сопротивлением паропроницанию, величину которого определяют по формуле

(9)

где, R_п–сопротивление паропроницанию слоя; δ–толщина слоя; μ–коэффициент паропроницаемости материала, г/(м·ч·мм рт.ст).

Вследствие различного сопротивления паропроницанию отдельных слоев ограждения упругость водяных паров на границе каждого слоя будет меняться.

Полное сопротивление стены из пенобетона толщиной 42 см при коэффициенте паропроницаемости μ=0,026 имеет величину

Удельная паропроницаемость всей стены составит

Для установления влажностного состояния рассматриваемой пенобетонной стены определим упругость водяных паров на границах слоев.

В этом случае полное сопротивление стены Н находится как сумма послойных сопротивлений по формуле

(10)

Коэффициент паропроницаемости пенобетона μ=0,0267 (г/м·ч·мм рт.ст). следовательно, величина сопротивления паропроницанию отдельных слоев будет

или

Величину упругости водяных паров на грани каждого слоя определяют по формуле

(11)

где - упругость водяного пара на внутренней поверхности некоторого слоя; - упругость водяного пара внутреннего воздуха; - упругость водяного пара наружного воздуха; - полное сопротивление паропроницанию всего ограждения; - сумма сопротивления паропроницанию паровых n–1 слоев ограждения.

Определим влажностное состояние каждого слоя пенобетонной стены. Упругости водяных паров на границах слоев вычисляются следующим образом:

для наружного слоя при и влажности величина

для внутреннего слоя и влажности величина

На рис. 1. приведен график температурно-влажностного состояния пенобетонной стены.

Рис. 1. График температурно-влажностного режима стены хранилища из пенобетона.

Для сравнения температурно-влажностного режима и выбора оптимальных конструкций ограждений произведем аналогичные теплотехнические расчеты для следующих конструкций ограждений с учетом климатических условий местности.

1. Кирпичная стена с теплоизоляцией из пенобетона;

2. Железобетонная стена теплоизолированной пенобетоном;

3. Кирпичная стена теплоизолированной минеральной пробкой.

Теплотехнические расчеты рассматриваемых стен произведены при одинаковых внешних и внутренних расчетных температурах и влажностных условиях. Полученные результаты представлены в виде графиков температурно-влажностного режима стен (рис.2 – 4).

Рис. 2. График температурно–влажностного режима стены хранилища из кирпича, изолированной пенобетоном.

Рис. 3. График температурно–влажностного режима стены хранилища из железобетона, изолированной пенобетоном.

Рис. 4. График температурно–влажностного режима стены хранилища из кирпича, с изоляцией минеральной пробкой.

Таким образом, результаты расчетов можно использовать для разработки и выбора оптимальных конструкций ограждений плодоовощехранилищ с учетом климатических условий местности. Использование пенобетонных стен и стен, теплоизолированных пенобетоном позволяют экономить энергоресурсов для создания оптимального микроклимата.

Литература:

1. Климатические характеристики аэродрома г. Карши. Под.ред. С.Г. Чанышевой. Ташкент.: 2005. – 134 с.

2. Луканин В.Н. Теплотехника. – М.: Высшая шк., 2003. – 671 с.