Теплотехнический расчет углубленного плодоовощехранилища с регулируемой газовой средой

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·(i_н – i_k)/(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; i_н и i_k — 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 N_en/η_эл,                             (6)

где N_e — эффективная мощность на валу вентилятора, кВт; n — количество вентиляторов воздухоохладителей в камере; η_эл — 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 = M_г·С_г·(t_г–t_к),                               (7)

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

При значительной разности температур t_г – t_к > 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; t_в.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 t_в естественным путем, а также продолжительность изменения концентрации кислорода в ка­мере в заданных пределах t_к. 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 t_к 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 t_с = +0 °С. Яблоки поступающие с температурой t₁ = 25°С ох­лаждаются перед хранением до температуры t₂ = 6°С.

Строительная площадь пола камеры F_стр = L_к × B_к,                                   (17)

где L_к — длина камеры, м (L_к = 10 м); В_к — ширина камеры, м (В_к = 6 м),

Емкость камеры G = F_стр×g_F = 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   t_с = ±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/ε_t)·τ                                (18)

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

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

ε_t = 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) ε_t = 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 V_п = 135 м³, удельный объем опытной камеры:

Интенсивность дыхания плодов в воздушной среде определяем по формуле:

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

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

Определяем продолжительность естественного формирования газового режима в камеры по формуле (15) τ_в = 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.