Методика исследования тепловлажностных процессов в холодильных камерах с теплонасосной установкой

При разработке энергосберегающей технологии хранения плодов и овощей, рациональных способов снижения потерь продуктов и для исследования тепломассообменных процессов, происходящие в хранилищах используются теплофизические методы. Пользуясь теплофизическими методами, можно объективно судить об оптимальных условиях хранения каждого из продуктов, выбирать рациональные технические средства для их поддержания в плодоовощехранилищах. Теплофизические методы позволяют построить математические модели для изучения конкретных процессов в исследуемом объекте [1].

Однако, в отечественной и зарубежной практике не имеется общепринятой стандартной методики для изучения тепловлажностных процессов в холодильных камерах. Исходя из этого, на основе комплексных теоретическо-экспериментальных исследований, нами сделана попытка дать рекомендации по методике исследования тепловлажностных процессов, снижению потерь плодов и овощей при хранении. Выявлены резервы экономии энергии в углубленных плодоовощехранилищах в условиях жаркого и сухого климата. Для исследования тепловлажностного режима нами создана опытная холодильная камера ХК-180 со строительным объемом V_стр = 180 м³.

Температурно-влажностные и газовые режимы хранения продуктов в опытном объекте изучались экспериментальным путем.

Основные показатели режима хранения плодов и овощей – температура и относительная влажность воздуха. В хранилище с активным вентилированием необходимо учитывать, кроме того, скорость движения воздуха в вентиляционных каналах, в штабеле продукции, в хранилище с регулируемой газовой средой (РГС) – содержание диоксида углерода и кислорода.

Для исследования тепловлажностного режима и измерения температуры грунта в углубленной хранилище нами разработан теплофизический измерительный стенд, который представлен на рис. 1.

Рис. 1. Теплотехническая измерительная схема для исследования температурного поля в углубленном овощехранилище.

а) поперечный разрез овощехранилища и точки измерений температуры в грунте (1,2,3), хранилище (4,5), насыпи овощей (6,7,8), наружный воздух (9) и внутренняя поверхност ограждения (10); б) электрическая схема измерения температуры. I – потенциометр, II – переключатель; III – термопары; IV – сборная коробка; V – сосуд Дьюара; VI – холодильная камера; VII – грунтовой массив; VIII – психрометр Августа.

В хранилище температуру определяли в насыпи продукции (штабеле), проходах и вентиляционных магистральных каналах. Для решения вопроса о целесообразности активного вентилирования определяем температуру атмосферного воздуха. Если она выше, чем в хранилище, а продукцию необходимо охладить, то вентилировать нельзя, и наоборот. Определение температуры атмосферного воздуха дает возможность судить об одной из причин изменения температуры в холодильных камерах и хранилищах.

Наблюдения за режимом проводили в течение всего периода хранения (октябрь-март). Осенью температуру измеряли ежедневно, а иногда два раза в день (утром и вечером), зимой – один-два раза в неделю.

Относительную влажность воздуха в хранилище измеряли психрометрами Августа, и гигрографами. Психрометры установлены в средней части хранилища на высоте 1,5 – 1,7 м.

Скорость движения воздуха в помещении хранилища и вентиляционных каналах измеряли при помощи кататермометров и анемометров.

Состав РГС контролировали химическими газоанализаторам ГПХ-3М и установкой САГ-1. Последняя обеспечивает автоматическую проверку содержания кислорода от 0 до 21 % и диоксида углерода от 0 до 20 % с точностью ±0,2 %.

Результаты измерений и контроля тепловлажностного режима хранения плодов и овощей в опытном хранилище записывали в журнал (протокол наблюдений). Один из фрагментов наблюдений представлен в табл. 1.

Таблица – 1.

Результаты измерений тепловлажностного режима хранения плодов и овощей в опытном хранилище ХК-180 (в условиях г. Карши)

за Декабрь 2009 г.

При охлаждении и тепловлажностной обработки воздуха в холодильных камерах, а также для экономии расходов энергии на теплохладоснабжение важно знать основные теплотехнические параметры воздуха (влагосодержание, относительную влажность, температуру точки росы, энтальпию, парциальное давление и т.д.) [2].

В расчетах процессов охлаждения, связанных с влажным воздухом, широкое распространение получила i - d диаграмма, которая учитывает баланс теплоты и влаги в процессах, позволяет наглядно представить соотношение между их измерением, а также легко определить параметры и характеристики его в процессе охлаждения.

Инженерные методы расчета режимов работы холодильных установок основаны на использовании i - d диаграммы влажного воздуха, для построения которой используются следующие термодинамические уравнения [3].

, (г/(кг сух. в.))                         (1)

,                                   (2)

,                                                           (3)

,

,                                               (4)

где d - влагосодержание воздуха, г/кг; m_п=18,016×10^-3 молярная масса водяного пара кг/моль; m_св=28,97×10^-3 молярная масса воздуха кг/моль; j - относительная влажность воздуха, выраженная в долях единицы (0£j£1); Р_н – давление насыщенного пара, Па; В – давление влажного воздуха, Па; i – энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; С_рв – удельная изобарная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×к); t – температура воздуха, °С; r_o – удельная теплота парообразования при 0 °С кДж/кг; С_рп – удельная изобарная теплоемкость водяного пара кДж/(кг×к).

Парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе является необходимым исходным данным для определения влагосодержания. Давление водяного пара в насыщенном воздухе является функцией только температуры и определяется по таблицам, полученным различными исследователями в результате лабораторных исследований [4].

Нами проведено исследование охлаждения картофеля и яблок в холодильной камере, где внутренний воздух с параметрами t = 33 °С, j = 35 % охлаждается до температуры t = 5 °С. Барометрическое давление воздуха для условий г. Карши            В = 981×10² Па, требуемая относительная влажность внутрикамерного воздуха j = 90 %.

Рис. 2. i - d диаграмма изменения состояния влажного воздуха при охлаждении

На диаграмме i – d находим точку В с параметрами t = 5 °С, j = 90 % и определяем остальные параметры: i = 17,5 кДж/кг, d = 5,0 г/кг. Параметры начального состояния воздуха: i = 62,1 кДж/кг, d = 11,3 г/кг. Следовательно , при охлаждение воздуха в камере происходит понижение температуры, энтальпии (Di = 62,1 – 17,5 = 44,6 кДж/кг) и влагосодержания, т.е. выпадение влаги Dd = 11,3 – 5,0 = 6,3 г/кг.

По расчетным значениям теплотехнических параметров холодильной камеры, для хранения картофеля, при атмосферном барометрическом давлении В = 981×10² Па согласно приведенной методики, построена i - d диаграмма влажного воздуха.

По полученным результатам исследований тепловлажностного режима холодильной камеры можно определить количество тепла (Q_в, Вт), удаляемое из штабеля продуктов, воздухом при активном вентилировании:

Q_в=G_в×с_р×r_в×(t_m-t_в)×M,                                     (5)

Потери влаги продукции (W, кг/с) зависит от теплопритоков в холодильную камеру, расхода вентилируемого воздуха и теплотехнических параметров влажного воздуха. В практических расчетах потери влаги продукцией при активном вентилировании определяются по [5]:

W=7,8×10^-6×G_в×(P_t-P_в)×M,                               (6)

где: G_в – количество воздуха, подаваемого на единицу массы продукции, м³/(кг×с); t_m, t_в – соответственно температура продукции воздуха, °С; Р_t, Р_в – парциальное насыщающее давление водяных паров в воздухе соответственно при температуре продукции и воздуха, Па; М – масса продукции, кг; с_р – теплоемкость воздуха, Дж/(кг×°С); r_в – плотность воздуха, кг/м³.

Исследования проведены в опытном плодооовщехранилище ХК – 180 вместимостью 24 тонн, для хранения яблок зимних сортов. При G_в = 50 м³/(т×ч) теплота удаляемая из штабеля продуктов (яблок) воздухом составляет Q_в = 8,54 кВт. Потери влаги продукции в этих условиях равна W= 0,83 кг/ч.

Литература:

1.      Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. – М.: Пищевая промышленность, 1979. – 270 с.

2.      Узаков Г.Н. Исследование тепломассообменных процессов и теплохладоснабжения в плодоовощехранилищах, Краснодар, 2006. – 152 с.

3.      Кудинов В.А. Техническая термодинамика. – М.: Высш.шк., 2003. – 261 с.

4.      Ривкин С.А. Термодинамические свойства газов. Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

5.      Волкинд И.Л. Комплексы для хранения картофеля, овощей и продуктов. – М.: Агропромиздат, 1989.