автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Обеспечение параметров микроклимата в помещениях для хранения сочной растительной продукции в условиях резкоконтинентального климата

130

Для учёта этой поверхности ширину промежутка между планками условно увеличиваем на 20%. Тогда поверхность конвективного теплообмена в расчёте на одну планку, один промежуток и единицу высоты контейнера и6 определяется по выражению: ^овб К = [Впл +28 +(Впр + 0,28Впл) - 1,78] 1 1. Если принять Впл =1,5; Впр; 5 = 0,45 Впр , ^овб К = 4,45 Вир, то коэффициент К равен:

При увеличении условно ширины промежутка между планками не на 20%, как принято в расчёте, а на 15% или 25%, коэффициент К соответственно уменьшился бы или увеличился менее, чем на 3,5%, что находится в пределах точности расчёта. Таким образом, как для боковой, так и для горизонтальной поверхностей штабеля, коэффициент К = 1,78.

Коэффициент ак находим из критериального уравнения полученного М.В. Кирничевым, М.А. Михеевым [152,186,213]: N11 = С (Ог Рг)п. Для условий хранилища величина (Ог Рг) находится в пределах (1013 > Ог Рг >2 • 107), а коэффициенты С = 0,135ип=1/3 .

Тогда расчётная формула для ак, полученная из критериального уравнения, для хранилища с плодоовощной продукцией, где разность температур воздуха и поверхностей ограждения не превышает 0...5 °С, будет иметь вид:

где ш - коэффициент, зависящий от расположения поверхностей теплообмена: для вертикальной поверхности ш = 1; для горизонтальной поверхности, обращенной греющей стороной вверх т = 1,3 ; для горизонтальной поверхности, обращенной греющей стороной вниз т = 0,7 ; для верхней горизонтальной поверхности штабеля (охлажденной и обращенной вверх) т = 1,01; для внутренней поверхности перекрытия (охлаждённой и обращённой вниз) ш = 1,89 [300].

К = 4,45 В™/ 2,5 ВПр =1,78;

(2.24)

ак= 1,69т

(2.25)

131

В плодоовощехранилищах 1:в > Т2 , а интенсивность теплообмена между воздухом и поверхностью, обращенной греющей стороной вверх и поверхностью, холодной стороной обращенной вниз, можно предполагать одинаковыми, исходя из физического смысла процессов теплообмена. Для расчёта конвективного теплообмена с поверхности насыпи, так же можно принять ш =1,3, так как ц > 1В [68].

Выражение (2.25) можно аппроксимировать приближённой функцией. С помощью метода Чебышева наилучших приближений для диапазона 1; - т величину ак можно представить в виде :

оск = 1,69 т /-0,2 + 1,43 (I - т)/, (2.26)

Проведя необходимые подстановки, запишем формулы конвективных составляющих тепловых потоков на поверхностях, входящих в систему уравнений (2.5)... (2.17).

Конвективные теплопотоки на внутренней поверхности наружных стен :

0*4= 1,691[- 0,2 + 1,43(/в-т2)]^}., (2.27)

Конвективные потоки на внутренней поверхности перекрытия :

0к2 = 1,89 {[- 0,2 + 1,43(*в ~ } > (2-28)

Конвективные теплопотоки на боковой поверхности штабеля продукции:

Окз = 1,69 {[- 0,2 + 1,43(/в - Т3)]^3}, (2.29)

Конвективные теплопотоки на верхней горизонтальной поверхности штабеля продукции:

Ой = 1,71 {[-0,2 +1,43(/в(2.30)

Благодаря наличию вихревых конвективных потоков у поверхностей штабеля температура воздуха непосредственно у поверхности штабеля в формулах (2.28) и (2.29) не отличается от температуры воздуха в помещении.

133

В связи с тем, что штабель картофеля занимает практически весь грузовой объём хранилища и расстояние от него до внутренней поверхности ограждающих конструкций значительно меньше размеров поверхностей штабеля контейнеров, то достаточно учитывать теплообмен излучением между перекрытием и верхней горизонтальной поверхностью штабеля, а так же между стенами и боковой поверхностью штабеля.

4. Теплота аккумуляции.

Исследования И.Л. Волкинда, Г.М. Позина [67,230], В.М. Турова [300] и результаты натурных наблюдений выполненные нами, [340] показали, что в основной части насыпи и штабеля с СРП тепловыделения при отсутствии теплообмена с окружающей средой расходуются на разогрев этой массы продукции. При этом температура СРП в основном объёме штабеля изменяется линейно во времени и повышается достаточно медленно для

картофеля величина / Спр И 0,01...0,02 ис /час). Поэтому количество

теплоты, необходимое для разогрева основной массы продукции объёма III в расчёте на 1 час, можно определить по формуле :

где Ь - время между включениями системы активной вентиляции, ч (время разогрева продукции), величину которого можно определить по формуле [230]:

11 = --^-ехр(-Ь ик) - ехр (-Ь Vй), (2.36)

По аналогичной зависимости можно определить количество теплоты, аккумулированное в верхнем горизонтальном слое продукции [230].

Так как распределение температуры по высоте верхнего слоя штабеля продукции имеет линейный характер, то можно начальную и конечную температуру основного и верхнего слоя определить по следующей зависимости:

Оак сн МоМ (1;ом - 10мн) / Ь,

(2.35)

Оа/^СнМ^^-^/Ь,

(2.37)

135

Значение влагосодержания влажного воздуха может быть выражено через давление влажного воздуха (Рб, Па) , его составляющих и относительную влажность [27] :

<\ =0,622( Фв Рв^ / (РБ - фв Рв") , (2.45)

При выполнении расчётов по формулам (2.41), (2.43) и (2.44) следует принимать температуру верхней зоны постоянной, а относительную

влажность воздуха средней фв = (фвк + фвн) / 2.

Полученные значения выражений для потоков через параметры (2.20)... (2.44) подставляем в основную систему уравнений (2.5)...(2.17) и после некоторых преобразований (исключения вспомогательной величины потока С)пр из уравнений (2.5) , (2.8) , (2. 10) и (2.12) получаем систему уравнений тепло- и массообмена в расчётной форме.

Уравнение теплового баланса верхнего слоя штабеля продукции:

(¿ОМ ~~ Iом)

Мв.с% = СнМв.с К'"м2кам' + 1,69 т (Т1 -дргов.к +

4"

+5,778пр

( ^+273" ^г2 +273"

1 ЮО ) 1 юо J

5,7781 вн

<р/н+Ф (Рт]н - фв Ргви)

Уравнение теплового баланса верхней зоны хранилища :

" tв)Fпoв.K " 1,69 т 3(7^77 (т2-да +

•,1/4

( хн +273^ 4

1 100 J 1 100 ]

(2.46)

А2

Пв-тн!

(Тн - № = О,

(2.47)

195

относительной влажностью воздуха в насыпи, в то время как влажность воздуха возле контейнера была 79%.

Для описания температурного поля в насыпи "дышащих" продуктов используется решение дифференциального уравнения теплопроводности для неограниченной пластины с равномерно распределенным, непрерывно действующим постоянным источником теплоты [184,226]. Для установившегося состояния, когда т—» оо выражение для определения температуры имеет вид:

і = к +

ЧіР^

2Х

эф

(2.261)

Мефферт [364,365] показал, что распределение температуры в насыпи "дышащих" продуктов можно рассматривать как одномерную задачу, если насыпь имеет форму параллепипеда, у которого размеры двух сторон £ \ и £ 2 не менее чем в 3 раза больше размера третьей £ з.

И.Г.Чумак [322] получил простое выражение избыточной температуры центра насыпи (1;ц - ^ ) тепловыделяющей продукции, если насыпь имеет форму параллепипеда с размерами -£\> £г> £з'

і і = ЗірЦ

ИТ ~ 1к - .

2Х

к,

(2.262)

эф

где К - коэффициент, зависящий ОТ соотношения сторон, а именно -!]/<2И

£■$/ £ \

Выражение (2.262) получено в результате решения дифференциального уравнения теплопроводности в установившемся состоянии (т-> оо) при условии постоянства температуры поверхностей на гранях параллепипеда. Автор отмечает, что особую трудность в расчетах представляет определение эффективного коэффициента теплопроводности Хэф.

Вопросами теплообмена в насыпи растительной продукции (картофель, морковь, столовая свекла, лук и капуста) занимался В.И.Бодров [35]. Им решена задача тепломассопереноса в насыпях СРС с учетом теплофизических

210

и скрытым путем. Ввиду того, что температурно-влажностное состояние воздуха по высоте штабеля изменяется, то изменяется и соотношение между скрытым и явным отводом теплоты от плодоовощной продукции. По этой же причине интенсивность влаговыделений по высоте штабеля также неодинакова, что приводит к нелинейному изменению влагосодержания воздуха по высоте штабеля.

Вывод зависимостей, характеризующих температурно-влажностное поле штабеля при активном вентилировании, следует из теплового баланса между штабелем с продукцией и воздухом в элементарном объеме №. Ось Ъ совпадает по направлению с вектором скорости V в слое и с началом координат в плоскости входа воздуха в количестве Ьв.0 (рис.2,22). В элементарном объеме выделяется теплота дыхания продукции в количестве С)б = Мг^ и испаряется влага в количестве = Р Р еи (Рпн - Рв11) т.

Уравнение теплового баланса для элементарного объема:

м^ Сир 'М"Р-'*»Р _ [ р Р 8и (Рпн. РВН)] г = и осв (ъ - ь) (2.290)

где Ь - время между включениями системы активной вентиляции, час, определяемое по выражению (2.81).

Из уравнения (2.290) можно определить повышение температуры на Дt градусов по высоте штабеля:

Оа - го =-&- / - , (2.291)

Уравнение баланса влаги для элементарного объема:

Р Б еи (Рпн - Рв11) = Ц.о (<Ь - (!, ), (2,292)

Из уравнения (2.292) можно определить изменение влагосодержания по высоте штабеля:

М = (¿2 - й ) = р Б 8и (Рпн - Рв11) / Ьв.о, (2.293)

На основании зависимостей тепло- и влаговыделений плодоовощной продукции от состояния вентилирующего воздуха можно путем

256

холодом с помощью автономных холодильных установок с автоматическим регулированием температуры от -2°С до +7°С и относительной влажностью воздуха 70...95%, а также наружным холодным воздухом, подаваемым в плодоовощехранилище осевым вентилятором 06 - 300 №8. Охлаждающими приборами служили воздухоохладители холодильных машин ФХ-100.

В системе воздухораспредления, основанной на принципе активного вентилирования продукции, предусматриваются нагнетательные воздуховоды постоянных статических давлений с крупногабаритными приточными отверстиями, размещенные в межднищевом пространстве. Днище с крупногабаритными отверстиями обеспечивали равномерную подачу воздуха в штабель продукции. В период охлаждения осуществлялось комбинированное использование естественного и искусственного холода. Обработанный в воздухоохладителе холодильной установки воздух через воздуховоды равномерной подачи поступал в штабель продукции. Сюда же осевым вентилятором нагнетался наружный холодный воздух. Часть его направлялась на рециркуляцию, а другая - удалялась через воздуховод равномерного всасывания из хранилища.. Для уменьшения потерь влаги продукции в период активного вентилирования предусматривалось периодическое увлажнение вентиляционного воздуха.

При выполнении данной работы была разработана и исследована в промышленных условиях другая комбинированная система воздухораспределения, конструкция которой защищена патентом [А17]. По сравнению с другими системами, найдено более экономичное конструктивное решение изоляции плодоовощной продукции от воздействия внешних теплопритоков, приводящих к повышению температуры в периферийных ее зонах. Отличительными особенностями предлагаемой системы воздухораспределения являются: использование снятия наружных теплопритоков за счет подачи воздуха в пограничную область теплоотдающих поверхностей; направленная подача воздуха в

269

рекомендуемых технологами и характерные виды и причины потерь различны при хранении картофеля, моркови и репчатого лука.

Усиленная циркуляция воздуха в целом в холодильных секциях, в межконтейнерном пространстве и в контейнерах с продукцией обеспечивает выравнивание полей температур в штабеле, уменьшает неравномерность температуры в контейнерах с картофелем и морковью и практически не оказывает влияние на неравномерность температурных полей в контейнерах, заполненных луком. Последнее объясняется тем, что пространство между отдельными луковицами заполняется сухими чешуйками, которые затрудняют доступ воздуха в массу лука.

Повышение движения вентиляционного воздуха в межконтейнерном пространстве способствует увеличению убыли массы картофеля. Вместе с тем при этом выравнивается температурное поле в насыпи картофеля и значительно уменьшаются потери от загнивания (таблица 3.4).

Несколько иная картина наблюдается при хранении моркови в контейнерах. Из-за разности температур в центре контейнера и у поверхности подвижность воздуха в насыпи СРП определяется конвективными потоками. Воздух с повышенной температурой и влажностью поднимается из центральной части контейнера к поверхности. При этом он охлаждается, омывая корнеплоды верхних слоев, имеющих более высокую температуру. Последнее вызывает отпотевание и загнивание корнеплодов в верхнем слое толщиной 0,25...0,4м.

При хранении лука в контейнерах в массе продукта движение воздуха практически отсутствует, из-за чего затруднен отвод теплоты и влаги из центральной зоны контейнера. Повышенные температура и относительная влажность воздуха вызывают образование корневой мочки и прорастание лука. Увеличение интенсивности вентилирования межконтейнерного пространства не приводит к заметному улучшению условий в насыпи продукции.

Д1ПР, °С

4,0

3,0

2,0

1,0

_2___

1

0,2

0,4

0,6

0,8 ЬХ=ЬХШП

Рис. 3.8. Изменение избыточной температуры по высоте продукции (картофеля) при удельном расходе наружного воздуха 95 м3/(т.ч):

1-при продолжительности периода охлаждения 8 суток;

2-при продолжительности периода охлаждения 4 суток.

А^р, °С

1,6 1,2 0,8 0,4

1

2

1

0,2

0,4

0,6

0,8ВХ=ЬХ/ВПР

Рис. 3.9. Изменение избыточной температуры продукции (картофеля) при удельном расходе наружного воздуха 95 м3/(т.ч):

1-при продолжительности периода охлаждения 8 суток;

2-при продолжительности периода охлаждения 4 суток.

318

Продолжительность хранения составила 149 дней, разгрузка хранилища осуществлена 14 марта 1996г. Результаты опытного и контрольного хранения в процентах приведены в таблице 3.10.

Таблица 3.10

Результаты технического анализа опытных и контрольных проб моркови

№ Показатели Среднесуточные значения по вариантам хранения

Контрольная Опытная

1 Потери массы, т 0,063 0,052

2 Гниль - абсолютный

отход, т 0,31 0,084

Анализ результатов технологических исследований показал, что в хранилище, оборудованном типовой системой активной вентиляции с искусственным холодом, среднесуточные потери массы продукта на 29% больше, а среднесуточные потери от болезней в 2,7 раза выше, чем в экспериментальном овощехранилище.

Проведенные исследования подтвердили достаточно высокую эффективность плодоовощехранилищ с новой комбинированной системой воздухораспределения.

Выводы по главе 3

1. Разработанные и оборудованные необходимой контрольно-измерительной аппаратурой промышленные и лабораторные стенды позволили выполнить весь комплекс исследований по определению аэродинамических и теплофизических характеристик штабелей СРП и динамики процессов тепло и массопереноса при работе комбинированных систем воздухораспределения.

2. Экспериментально полученные зависимости по определению доли расходов воздуха входящего в штабель из вертикальных наружных каналов в зависимости от интенсивности обдува внутренней поверхности стены, позволили рассчитывать дополнительный теплосъем от продукции.

331

штабельного воздуха в наружные байпасы равномерно возрастает по мере увеличения высоты штабеля.

Учитывая особенности данной задачи, была составлена расчетная схема для определения термического сопротивления наружного ограждения при раздаче воздуха в штабель и в вертикальные наружные байпасы (воздушные прослойки) (рис.4.2). В данном случае приняты заданными величины плотности теплового потока для каждой точки поверхностей ограждения и штабеля в любой момент времени, Т.е. СЬ = { (хп, уп, Ъп, т) - граничные условия второго рода.

Для решения задачи выделим на расстоянии X от места поступления воздушного потока элементарный участок с1х, представляющий собой плоский канал, ограниченный с одной стороны наружной стеной хранилища (4), а с другой - боковой поверхностью штабеля 6 из контейнеров.

Уравнение теплового баланса для элементарного участка воздушного прослойка имеет вид:

(Кй + сКЗз = сК}2 + сКЗз + сК^, (4.8)

Отдельные составляющие в уравнении (4.8) могут быть определены по следующим зависимостям:

Количество теплоты, уходящей через наружную стену ¿СЬ = {ак [Ц(х) - ц(х)] + 0Сл [т2(х) - ц(х)]}с1х, (4.9)

где Ц(х) - температура воздуха в вентилируемом воздушном прослойке на расстоянии X от места истечения, °С; Т1(х) - температура внутренней поверхности ограждения °С; тг(х) - температура боковой поверхности штабеля °С. Согласно [27,221] и с учетом полученных нами экспериментальных

данных коэффициент теплоотдачи конвекцией ак определится по формуле:

-¿¡Я

/

ак = 0,464

1Р*1

УПр°'Й(Х) Рг^ 5;

0,43

-0,2

'пр

(4.10)

336

поддержания распределения воздуха в штабеле оптимальных микроклиматических условий на всех стадиях хранения, раздачу воздуха в холодильной секции (камере) рекомендуется осуществлять сообразно с тем, как показано на рисунке 4.3.

Для ассимиляции внешних теплопоступлений и предотвращения потерь тепла через вертикальные наружные ограждения плодоовощехранилища, предусматривается два воздуховода равномерной раздачи (3), которые расположены вдоль внутренней поверхности стен. Воздуховоды снабжены направляющим аппаратом, чем обеспечивается равномерность истечения и обдувание воздушным потоком внутренней поверхности ограждения.

С целью ассимиляции избыточной теплоты, поступающей от продукции в режиме ускоренного охлаждения, поддержания нормируемог