Теплообмен в насыпном слое растительного сырья в условиях активного вентилирования

В В Е Д Е Н И Е На майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС была одобрена Продовольственная программа СССР на период до 1990 года, разработанная в соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС. Продовольственная программа СССР предусматривает осуществить в кратчайпше сроки мероприятия по значительному улучшению снабжения населения плодоовощной продукцией и картофелем за счет дальнейшего увеличения производства и повышения качества, а также резкого сокращения потерь продукции на всем пути ее следования от поля до потребителя. Одобренная ЦК КПСС территориально-отраслевая программа интенсификации экономики на основе ускорения внедрения научнотехнических достижений в народном хозяйстве Ленинграда и области («Р1нтенсификация-90″) включает все основные задачи Продовольственной программы и требует комплексной перестройки работы овощехранилищ на базе последних научных достижений. Плодоовощная продукция и картофель обеспечивают потребности населения в витаминах, минеральных веществах, микроэлементах, органических кислотах, а также часть потребности в углеводах. Среднегодовое производство овощей и бахчевых культур в одиннадцатой пятилетке намечено довести до 334−34 ш ш т в двенадцатой пятилетке до 37-i-39 мпн. т, плодов и ягод соответственно до IIi-I2 млн. т и 1415 мян.т. Особое значение имеет увеличение ресурсов плодоовощной продукции и картофеля за счет сокращения потерь. В нашей стране и по данным Международной организации по продовольствию и сельскому хозяйству (ФАО) потери картофеля, овощей и плодов (сочного растительного сЕфья) при хранении ежегодно составляют 20i-30 и более. Основные пути сокращения потерь при хранении: увеличение объемов хранения овощей и картофеля в условиях активного вентилированиярасширение масштабов хранения и перевозок овощей в контейнерахувеличение емкости охлаждаемых зфанилищ и объемов хранения продукции с применением искусственного охяаадения с использованием автоматизированных систем регулирования температуры и влажности воздуха. Длительное хранение продукции с минимальными потерями и с сохранением качества возможно при содержании ее в оптимальных микроклиматических условиях. Создание и поддержание устойчивого постоянства и равномерности параметров продукции при хранении ее насыпным слоем производится с помощью систем активного вентилирования. В связи с этим большое значение имеет обоснованное решение вопроса о назначении режимов работы систем активного вентилирования. Однако недостаточная изученность процессов охяаадения насыпного слоя сочного растительного сырья, а также процессов физического взаимодействия охяаадающего воздуха с продукцией при активном вентилировании являются препятствием для разработки новых и совершенствования существующих систем вентиляции. Цель данной работы состоит в создании научно обоснованных рекомендаций по расчету процессов охлаздения насыпного слоя сочного растительного сырья в условиях активного вентилирования. Диссертация включает теоретическое описание и экспериментальное исследование изучаемых процессов, методику расчета процессов нестационарного теплообмена в слое сырья и данные по внедрению результатов работы в овощехранилищах.I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ I.I. Условия хранения сочного растительного сырья в хранилищах Картофель, овощи, плоды содержат от 60 (в чесноке) до 96% (в огурцах) воды. По этому признаку их объединяют в группу сочных растительных продуктов или сочного растительного сырья. Хранение продукции с минимальными потерями и с сохранением качества возможно при содержании ее в оптимальных условиях. Изучение этих условий, разработка режимов и способов хранения важнейшая задача теории и практики хранения. Ее решают исходя из свойств продукта как объекта хранения. На основании этого определяют режимы и способы, обеспечивающие сохранность и питательную ценность продукции. С биологической точки зрения хранение плодов и овощей является продолжением их жизнедеятельности в условиях, существенно отличающихся от условий выращивания и уборки. Непрерывное выделение заложенными на хранение плодами и овощами части энергии в виде тепловой связано с потерями ими массы за счет расхода сухих веществ и испарения воды в процессе жизнедеятельности. Сильное обезвоживание продуктов при хранении нарушает оптимальные процессы их жизнедеятельности и приводит к резкому усилению гидролитических процессов, в результате которых сначала снижается защитная реакция тканей к действию повреждающих факторов, после чего они быстро отмирают. Потеря 57% воды приводит большинство плодов к необратимому увяданию и полной неспособности к хранению [34, 90, 104]. Главным условием созфанности сочного растительного сырья следует считать поддержание его при температуре, необходимой движения воздуха в насыпи. Чем ниже относительная влажность и выше скорость. движения воздуха, тем больше разность давлений пара и интенсивность потери влаги из продукции. И наоборот, потери влаги минимальны при высокой влажности воздуха и малых скоростях потока. Следовательно, 100 влажность и неподвижный воздух являются идеальными условиями для предотвращения усушки продукции при хранении. Так, например, Ю. Г. Скорикова рекомендует поддерживать влажность близкую к lOQ [97]. Действительно, потери от испарения воды при таких условиях невелики. Но при этом важно не допустить увлажнения продукции. На сухой и здоровой поверхности плодов и овощей развитие возбудителей болезней затруднено, а капельно-жидкая влага способствует прорастанию патогенных микроорганизмов и их проникновению в ткани. Массовое развитие болезней вызывает потери, намного цревышающие убыль массы от испарения (табл.1,3). Для большинства видов плодов и овощей оптимальная относительная влажность воздуха 90*-95. При таких условиях потери массы продукции от испарения невелики [34, 36, 50, 6lJ. Скорость движения воздуха при фиксированных параметрах оказывает влияние на продолжительность охлаждения продукции и величину потерь влаги (естественную убыль массы). Обычно рекомендуется нижний предел 0,10 м/с и верхний 0,40 и/с [34, 48, 90J. В этом случае раневая перидерма образуется очень интенсивно, а споры грибов на механически поврежденных клубнях картофеля и корнеплодах прорастают медленно. В мировой практике проектирования хранилищ приняты удельные нормы расхода воздуха на I тонну продукции (табл. 1.4). При этом рекомендуемые значения различаются в десятки раз. Таблица 1.3 Сохраняемость моркови Нантская (высота слоя 2 м, продолжительность хранения 5 месяцев), [53] Интенсивкаличие (да), СохраЕшемость, Относительная влажность ность венотсутствие воздуха, тилирования, (нет) влаги ЗдоУбыль Больровые массы ные на корнеMV4£ плодах 40 60 7090 80 100 40 60 854−95 80 100 40 60 98*-100 80 100 Контроль (в ящиках) да нет нет нет да нет нет нет да да да да 73,0 77,2 76,6 76,4 64,7 76,8 79,5 77,4 70,5 65,1 43,8 45,7 6,1 7,1 7,0 7,3 7,0 6,0 6,2 6,4 2,6 2,7 2,8 2,8 20,9 15,7 16,4 16,3 27,3 17,2 14,3 16,2 26,9 32,2 53,1 51,5 82,0 5,7 16,3 Очевидно, что интервал скоростей (0,1,4 м/с) должен обеспечиваться в лечебный период, В то время как для периода охлаждения и основного периода хранения скорость воздуха должна определяться условиями протекания процессов теплои массообмена в насыпи продукции. Таблица 1.4 Удельные нормы расхода воздуха при активном вентилировании насыпи картофеля в период хранения Нормы расхода воздуха Страна США Англия ГДР Голландия Франция ФРГ Чехословакия Швеция Швейцария СССР Насыпь 3 м 4 м 5 м до 1 м 1−2 м единица измерения м/чт м/чт м/чт м/чт м/чт MV4T средние максимальные 15 34 40 100 Литературный источник [75, 95] [75, 95] [75, 95] [75, 95] [75] [5 75] [75] [5 95] [95] [5 34] [5] [5] [5] [18] [18] [18] [18] [18] 100 160 100 100 100 140 150 100 50 м/чт м/чт м/чт м/чт MVT 12 50 60 75*300 50*300 300 НО 145 215 360 Более 500 250 м/чт м/чт м/чм м/чм 2,5 м м/чм 4−4,5 м м/чм Более 5 м м/чм Каждый вид плодоовощной продуЕсции требует определенных параметров хранения: температуры, относительной влажности и скорости воздушного потока, которые дифференцируются по периодам хранения с учетом сортовых особенностей, физиологического состояния, условий выращивания, способов уборки и других факторов, влияющих на исходное качество сьфья. Например, в работе [36 определены обобщенные оптимальные параметры температурновлажностного режима хранения картофеля (табл.1.5). Таблица 1.5 Оптимальные параметры температурно-влажностного режима хранения картофеля Период хранения Продолжительность сут. Температура, Ос Относительная влажность воздуха, Лечебный: здоровые клубни поврежденные Охлаждения Основного хранения: здоровые клубни поврежденные 1,1 II 7*-15 20т<30 304−45 1820 I3rf4 3−5 854−95 85i-95 854−95 180 240 180*.240 1 1 2,54−5,0 2*4 1 1 854−95 854−95 II .11 Из сказанного выше следует, что снижение качества и основные потери сочной растительной продукции при хранении в большой степени зависят от точности и устойчивости поддержания микроклиматических условий в хранилищах.2. Анализ способов отвода теплопоступлений в слой продуЕСЦИИ В настоящее время различают хранение цродукции в хранилищах в таре и россыпью (табл.1.6). Таблица 1.6 Способы хранения продукции [87] Вид продукции Картофель семенной, фуражный, продовольственный Корнеплоды: свекла, брюква (продовольственные, маточники) морковь, репа, редька (продовольственные маточники) петрушка, сельдерей Капуста продовольственная и маточники Лук (севок, матка, репка) Россыпью, в таре Россыпью, в таре В таре Россыпью, в таре Россыпью, в таре Россыпью, в таре В таре Способ хранения Россыпью, в таре Чеснок Бахчевые Выбор способа хранения определяется следующими основными факторами: технологической линией: поле транспорт и хранилищетребованиями технологиисохранностью продукции, закладываемой на хранение. Остановимся на последнем требовании и проанализируем способы хранения с позиций сохранности продукции. В соответствии со способами хранения различают и хранилища: контейнерные и навальные (с закромами и без закромов). Потери продукции при длительном хранении зависят от способа хранения и способа отвода теплопоступлений в продукцию. В таблице 1.7 приведены обобщенные данные из литературных источников [34, 55, 114] по распределению потерь продукции. Таблица 1.7 Распределение потерь продукции при различных способах хранения и отвода теплопоступлений Способ хранения Способ отвода теплопо отуплений Естественная конвекция Россыпью Активная вентиляция Активная вентиляция с воздушно-тепловой защитой В таре (в контейнерах) Общеобменная вентиляция Активная вентиляция каждого контейнера 35,8 14,6*-21 35 Потери ПрОДУЕЩИИ, 26*в5 15−18 Эффективность хранения характеризуется не только степенью сохранности плодоовощной продукции, но и сохранением питательной ценности (табл.1.8, 1.9). Данные таблиц (1.6, 1.7, 1.8) наглядно показывают, что с точки зрения сохранности и сохранения питательных веществ лучшими являются навальные (с закромами и без закромов) хранилища с активной вентиляцией продукции и воздушно-тепловой защитой ограждающих конструкций и контейнерные хранилища с активТаблица 1.8 Изменение химического состава картофеля сорта Бородянский при хранении в закромах и различных способах вентилирования [v?] Основные питательные вещества При закладке на хранение После хранения с вентилированием активным Сухие вещества: к массе к исходному количеству потери в среднем за сутки 21,77 100,00 естественным 21,12 97,00 0,004 20,45 93,90 0,007 Крахмал: к массе к исходному количеству потери в среднем за сутки 15,90 100,00 13,66 85,90 0,012 13,56 85,30 0,013 Сахара: общее количество монозы сахароза 0,40 0,25 0,15 0,51 1,08 0,43 1,48 0,93 0,55 Таблица 1.9 Изменение химического состава картофеля сорта Смачный при различных способах хранения [77J, Основные питательные вещества Сухие вещества: к массе к исходному количеству потери в среднем за сутки Крахмал: к массе к исходному количеству потери в среднем за сутки Сахара: общее количество монозы сахароза 0,83 0,57 0,26 1,24 1,00 0,24 0,96 0,77 0,19 15,00 100,00 При закладке на зфанение После хранения с активным вентилированием в контейнерах в закромах 22,30 100,00 20,68 92,70 0,009 20,19 90,50 0,012 13,52 90,10 0,008 13,28 88,50 0,010 ной вентиляцией каждого контейнера. Система воздушно-тепловой защиты выполняется как в контейнерных, так и в навальных зфанилищах [55, 56, 114]. Предназначена для „перехвата“ внешних теплопоступлений на пути в хранилище. В навальных хранилищах выполняется в виде двух ступеней: первая дая защиты наружных стен хранилища и продукции возле нихвторая для защиты покрытия и верхнего слоя продукции от увлажнения конденсатом и подмерзания. Система активной вентиляции предназначена для создания микроклиматических условий для протекания процессов теплои массообмена в насыпном слое продукции путем периодической подачи воздуха с определенными параметрами (температурой, влажностью и скоростью). При этом движение воздуха в насыпи обеспечивается в результате искусственно создаваемого градиента давления путем нагнетания или отсоса воздуха. Приточный воздух, проходя через насыпь, активно удаляет теплоту, аккумулированную насыпью в режиме естественной конвекции. Активное вентилирование позволяет: создать условия для обсушки продукции и эффективного залечивания механических повреждений продуктов в лечебный периодпроизвести охлаждение продукции до температуры хранения в период охлаждениясоздать оптимальные условия хранения во всей массе продукции и подать ростингибирующие вещества в основной период хранения и по окончании хранения произвести подогрев. Существующие системы активной вентиляции в хранилищах можно классифицировать по нескольким признакам: I) по назначению для хранениядля охлаждения. способу подвода и распределения воздушного потока в продукции централизованныедецентрализованные- 3) типу воздухораспределительных устройств с коробами или каналамис перфорированным полом- 4) конструктивному исполнению закрома со сплошными стенкамис решетчатыми стенкамибез ограждений (навальные). Однако, несмотря на многообразие конструктивного исполнения систем активной вентиляции и вариантов организации воздухообмена в слое, можно выделить лишь два способа подачи воздуха в насыпь: первый с образованием линейного и второй радиального воздушных потоков в слое. Линейный воздушный поток образуется при подаче воздуха по всей площади насыпного слоя через решетчатые или перфорированные полы с подпольем (pncl.l). Способ подачи воздуха с образованием линейного воздушного потока не учитывает теплового состояния насыпи продукции, складывающегося в результате действия естественной конвекции (при неработающей активной вентиляции): периферийные области охлаждаются интенсивнее, чем основная массаверхний слой насыпи охлаждается в результате радиационного теплообмена с покрытием зфанилищаза счет свободного подтекания холодного воздуха продукция охлаждается и у пола хранилища.Рис.I.I. Организация воздухообмена в слое продукции с образованием линейного воздушного потока: а планб разрезI ограждение- 2 стенка закрома- 3 магистральный воздуховод- 4 решетчатый пол- 5 распределительный клапан- 6 подполье. Совместное действие перечисленных факторов приводит к образованию зоны повышенных температур в средней части хранилища (рис. 1.2). Аналогичное явление отмечается и при хранении продукции в контейнерах 42J. Результаты исследований насыпных слоев свидетельствуют, что при случайной засыпке продукции в слое образуются неоднородности в структуре (локальные уплотнения, каналы) [37, 55, 56, 9l]. Причем неоднородности распространяются на большее расстояние от стенок ограждений насыпи, чем расстояния пристенного нарушения структуры слоя. Это ведет к понижению аэродинамического сопротивления воздушному потоку насыпного слоя продукции у стенок и, соответственно, перетеканию приточного воздуха к ограждениям. Таким образом, при работе систем активной вентиляции с линейным воздушным потоком наиболее интенсивно охлаждаются периферийные зоны. Кроме этого система воздухораспределения с решетчатыми и перфорированными полами обладает значительными недостатками: устройство двойных полов черного и чистого решетчатого на лагах экономически невыгоднозначительна утечка вентиляционного воздухаустройство подполья уменьшает полезный объем хранилищазатруднена механизация загрузки и выгрузки продукциисложна в эксплуатации каждый год вскрывается решетчатый пол для дезинфекции и очистки и необходим частый ремонт. Радиальный воздушный поток образуется при подаче воздуха через приточные отверстия по системе подпольных или напольных каналов с решетчатым покрытием (рис. 1.3). При радиальном воздушном потоке создается начальная неравномерность потока в системе активного вентилирования продукции (в дальнейшем упота) 2оо ос о Esa от а: ?L 00 8- I I Ч 2? ЗН 3.5 3.6 57 3.6 3.5 5: i 2. /1 оО О О 20 4o6o8>o-ioo8oeoAo2oo Расстояние от ЗЪкоЬыу стенок Закрома (см) Зона по&ышенноС! телпердтуры Рис. 1.2. Тепловое состояние насыпи продукции в закроме с решетчатым полом (с линейным воздушным потоком): а-Мб -[56]. Рис. 1.3. Организация воздухообмена в слое продукции с образованием радиального воздушного потока: а планб разрезI магистральный воздзгховод- 2 распределительный воздуховод- 3 решетчатые каналы- 4 ограждение- 5 воздухораспределители (шатровые или плоские) — 6 зона, обслуживаемая одним воздухораспределителем- 7 первая ступень воздушно-тепловой защиты. ребляется таЕСже равнозначный термин сосредоточенная подача), В этом случае обеспечивается направленное перераспределение теплоты из центральной части насыпного слоя к ограждениям насыпи, что способствует созданию равномерного температурного поля по объему насыпи и эффективному отводу теплоты. Следует отметить, что напольная система с воздухораспределителями в виде прямоугольных, трапециевидных и треугольных каналов, возвышающихся над плоскостью основания насыпи, наиболее проста в изготовлении и регулировке воздухорасцределения. Однако применение ее снижает емкость хранилища и усложняет погрузочно-разгрузочные работы. Данная система наиболее приемлема при реконструкции хранилищ, в которых экономически невыгодно устраивать новые подпольные каналы. Таким образом, наиболее рациональной является подача охлаждающего воздуха в центральное приточное отверстие через воздухораспределитель, лежащий в плоскости основания насыпи. Подобные системы эффективно используются в хранилищах Орловского горплодоовощторга и в хранилище 16 Краснопресненской плодоовощной конторы г. Москвы (рис. 1.4). В то же время при эксплуатации систем с сосредоточенной подачей воздуха выявлено наличие зон между приточными отверстиями и у стенок с недостаточной интенсивностью вентилирования, которые являются очагами порчи цродукции [34, 90, 10?]. Назовем условно эти зоны „застойными“. Очевидно, что „застойные зоны“ будут возникать вследствие отставания их охлаждения во времени от поверхности слоя.Рис.1.4. Организация воздухообмена в слое продукции с образованием радиаяьного потока при подаче воздуха в центральное приточное отверстие: а планб разрезI стенка закрома- 2 магистр-альный воздуховод- 3 распределительный клапан- 4 расщэеделительный воздуховод- 5 воздухораспределитель (плостшй, решетчатый>.в этом случае достигается направленное перераспределение теплоты из центральной наиболее нагретой области к ограждениям насыпи. Применение сосредоточенной подачи через воздухораспределители, лежащие в основании насыпи, имеет также ряд экономических и эксплуатационных достоинств. Однако, при сосредоточенной подаче воздуха отмечено наличие „застойных зон“. Таким образом, в практике хранения продукции при активной вентиляции возникла проблема: при сосредоточенной подаче воздуха образуются „застойные зоны“ у ограждения насыпи и между приточными отверстиямипри равномерной подаче зоны повышенных температур в центре. Одной из причин этого является недостаточная изученность процессов теплообмена в насыпном слое продукции при наличии начальной неравномерности истечения воздушного потока. Современные теоретические модели процесса теплообмена рассматривают только одномерную вынужденную конвекцию в слое. Следовательно, проведение исследований в этой области актуально и имеет важное народнохозяйственное значение. Основной целью настоящей диссертационной работы является создание научно обоснованных рекомендаций по расчету процессов охлаждения сочного растительного сырья в системах активного вентилирования на основе исследования процессов формирования температурного поля при сосредоточенной подаче воздуха в слой. В соответствии с вышеизложенным сформулированы задачи диссертационной работы. I. Обоснование и разработка теоретической модели процессов формирования температурного поля в насыпном слое при начальной неравномерности вентиляционного потока в системах ак.3. Современное состояние теории процессов теплообмена при хранении сочного растительного сырья в насыпном слое Схема сосредоточенной подачи воздуха в слой при охлаждении сочного растительного сырья получила широкое распространение. В последнее время показана перспективность подачи воздуха через одно центральное приточное отверстие. Следовательно, определение длительности охлаждения, а также грациента температур в объеме слоя в зависимости от параметров процесса и высоты насыпи актуально и необходимо для определения оптимальных режимов и совершенствования конструктивных элементов ограждений насыпного слоя. Процесс теплообмена насыпного слоя сочного растительного сырья с охлаждающим воздухом характеризуется большим многообразием явлений теплообмена, массообмена и механики воздушного потока. Состояние теории этих явлений достигло такого уровня, который позволяет дать им достаточно полное теоретическое описание. Современные взгляды на процесс теплообмена между газом и слоем твердых кусковых материалов изложены в работах А. В. Лыкова, Б. И. Китаева, Г. И. Иванцова и Б. Я. Любова, Э. М. Гольдфарба, В. Н. Тимофеева и Б. А. Боковикова, М. Э. Аэрова, СМ. Тодеса, А. Ф. Чудновского, Г. Нуссельта, А. Анцелиуса, Т. Шумана и многих других. Для насыпи сочной растительной продукции задача нестационарного теплообмена рассматривалась П. И. Листовым и Ю. П. Калугиной [7з], И. Г. Алямовским [4, б Н. Л. Гирныком [39, 40], Г. М. Позиным [29, бэ], В. И. Бурцевым [29, Зо] Й. С. Шуевым [29, 119], В.й.Бодровым и В. Г. Трошиным [l9, 20, Ю б П. И. Дячеком [54 М. А. Волковым [35, 74], В. С. Мурашовым 83J, В. З. Жаданом [58 Е. П. Широковым [и?] И. Л. Волкиндом [34J, А. С. Гинзбургом [38]. Основные теоретические исследования процессов фильтрации в пористых средах при сосредоточенном выпуске воздуха для условий, когда радиус приточного отверстия намного меньше радиуса вентилируемого аппарата, выполнены Ю.А.-Буевичем и Г. А. Минаевым [27, 28]. Обобщение экспериментальных данных по аэродинамическому сопротивлению пористых сред произведено в работе ю Анализ принятой технологии хранения сочной растительной продукции в современных хранилищах с активной вентиляцией позволил сформулировать основные требования к теоретической модели теплообмена в насыпном слое. Модель должна: быть оформлена в виде краевой задачи с заданными граничными условиямиотражать как можно полнее все процессы теплообмен, массообмен, движение воздушного потока сквозь насыпной слой продукции с учетом их взаимосвязииметь уравнения в дифференциальной формебыть нестационарнойбыть единой для расчета теплообмена при активной вентиляции в период охлаждения и основной период хранения продукции. Существующие теоретические модели [5, 18, 19, 20, 29, 30, 35, 36, 39, 59, 63, 73, 83, 89] в основном соответствуют изложенным требованиям. В общем случае их можно выразить следующей системой дифференциальных уравнений в частных производных t B 8"—» «Н т= 0 1 [20] (1.7) Однако все работы по теплообмену в насыпном слое проведены в условиях постоянной скорости фильтрации воздушного потока по высоте. Данных по процессу охлаждения слоя продукции при переменной скорости воздушного потока в объеме насыпи в литературе не приводится. Между тем в некоторых работах указывается на тот факт, что учет распределения скоростей и давле ния воздуха по объему насыпного слоя продукции совместно с закономерностями теплои массообмена значительно приблизил бы расчетные характеристики процесса к реальным условиям, существующим в насыпи [34, 54]. В связи с этим необходимо дополнительно изучить особенности процесса охлаждения насыпного слоя вентиляционным воздухом при сосредоточенной подаче его в слой с целью разработки методов расчета режимных и конструктивных параметров аппаратов (закромов, контейнеров и др.) активного вентилирования. 1.4. Задачи исследования Условием успешного хранения сочной растительной продукции является создание и поддержание требуемых по технологии хранения микроклиматических условий в слое. Рассредоточенная подача воздуха под насыпной слой не обеспечивает равномерного температурного поля после окончания охлаждения в объеме насыпи. При этом возникают зоны повышенных температур. Для выравнивания температурного поля применяют сосредоточенный выпуск воздуха, т. е. подачу его в центральное приточное отверстие. В этом тивного вентилирования сочной растительной продукции. Теоретическая модель представляется в виде краевой задачи нестационарного теплообмена с заданием граничных условий на входе и выходе воздушного потока. 2. Теоретический анаяиз исследуемой модели изучение внутренних детерминированных связей, т. е. связей между входными и выходными параметрами через коэффициенты и характеристики процесса. 3. Экспериментальное исследование формирования температурных полей в насыпном слое с проверкой соответствия теоретической модели реальному процессу теплообмена. Для проверки выбрана задача определения времени охлаждения насыпного слоя при сосредоточенной подаче воздуха. 4. Разработка методики инженерного расчета процессов охлаждения сочного растительного сырья в системах активного вентилирования на основе теоретических и экспериментальных исследований. Для практики проектирования, реконструкции и эксплуатации зфанилищ представляют интерес методики расчета продолжительности охлаждения слоя продукции при сосредоточенной подаче вентиляционного воздуха и определение производительности и параметров (размеров насыпи и приточных отверстий, высоты насыпи, размеров „застойных зон“ и т. д.) системы воздухораспределения. 5. Практическая апробация результатов исследований и технико-экономическая оценка внедрения. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ТЕПЛООВЯЕНА В НАСЫПНОМ CIOE СЫРЬЯ ПРИ СОСРЩОТОЧЕННОЙ ПОДАЧЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА 2.1. Основные предпосылки к теоретическому решению задачи теплообмена в насыпном слое Построению всякой теоретической модели предшествует выяснение существа моделируемого объекта и абстрагирование от его второстепенных деталей. При этом в зависимости от целей теоретического описания второстепенными могут считаться различные черты объекта. Процесс теплообмена в насыпном слое сочного растительного сырья характеризуется многообразием процессов теплои массообмена, динамики воздушного потока, их взаимосвязанностью и взаимообусловленностью. Поэтому при разработке методов расчета следует оценивать в какой мере принятые допущения могут исказить действительные условия. 2.I.I. Учет температурного градиента внутри отдельных элементов загрузки Вопросам теплообмена в неподвижном пористом слое термически массивных (реальных) частиц посвящено довольно много работ, подробный анализ которых приведен в 67 Б. И. Китаев ввел в расчет „коэффициент массивности“, учитывающий внутреннее тепловое сопротивление охлаждаемого или нагреваемого тела. Коэффициент теплоотдачи с учетом коэффициента массивности рассчитывается по зависимости V оС-оСтС[- <:ЛгЛ1) где т ет/мЧ (2.1) коэффициент массивности частиц насыпи. Дяя условий охлаждения насыпного слоя безразмерное термическое сопротивление определяется по формуле [ij: Y T 0,2 7 где сивности 7ГГС i еХР j Fo)3 -Wn (2.2) /U корень трансцендентного уравнения tO jUnJMn Оценка погрешности расчета при введении коэффициента масГП показывает, что при oLiO ошибка расчета Qt (так, не превышает Ъ% и она уменьшается при уменьшении ния картофеля и овощей не превышает 0,5). 2.1.2. Учет источников и стоков теплоты при охлаждении насыпи сырья например, максимальное значение числа Био дая условий охлаждеТемпературное поле насыпи сочного растительного сырья формируется под влиянием внутренних теплои влаговыделений, теплообмена насыпи с окружающей средой, конвективных потоков воздуха. Общая модель нестационарного теплои массообмена в слое сочной растительной продукции должна прогнозировать динамику температурного поля дая любых краевых условий. По ряду причин синтез такой модели в настоящее время невозможен, да и не всегда целесообразен. Так лишь один временной прогноз температурного и влажностного полей требует совместного решения уравнений теплопроводности, диффузии и движения влаги, что кроме вычислительных трудностей, требует большого объема исходной информации. Достаточно сложно решается задача взаимосвязанного теплои массообмена дая слоя продукции при переменной во времени и по координатам температуре продукции. Поэтому в рамках данной работы мы уходим от решения задачи взаимосвязанного теплои массообмена, учитывая влияние массообмена введением стока теплоты, т. е. теплоты, затраченной на испарение влаги. Тогда получаем следующую формулировку задачи. В режиме естественной конвекции в процессе дыхания сочной растительной продукции при окислении кислородом одной грамм-молекулы глюкозы образуется углекислый газ, вода и выделяется 2820 кДж/моль теплоты. Это количество теплоты является полной теплотой, образующейся при дыхании. Часть ее расходуется на испарение образовавшейся влаги. Остаток аккумулируется продукцией. В режиме активной вентиляции продукции отводится теплота, аккумулированная насыпью в режиме естественной конвекции. При этом в насыпи имеется источник теплоты теплота дыхания и сток теплоты теплота, затраченная на испарение влаги. Расчетная схема неизотермического процесса теплои массообмена на поверхности продукта описывается в следующем виде. Поток явной теплоты направлен от поверхности продукта к охлаждающему воздуху. Вследствие разности концентраций водяного пара на поверхности жидкости и в воздухе (ь L-t с поверхности продукта испаряется влага. При этом принимается модель обновления поверхности элемента с постоянной скоростью ввиду малой величины коэффициента испарительной способности сочного растительного сырья. Рассмотрим соотношение меаду количество теплоты дыхания и количеством теплоты для испарения выделяющейся влаги и выявим суммарную мощность источников и стоков теплоты. Количество теплоты, выделяющейся в процессе дыхания продукции, определяется по зависимости [sj: с|д-(], еур (60) Ьт/кг (2.3) 40 Интегрируя (2.14) от начальной концентрации водяного пара на входе в слой чаем (2.15) ИЛИ переходя к влажности, (2.16) Воспользуемся некоторыми литературными данными и определим значения .» 6 Сн конечной на выходе полудля насыпи картофеля с исходными паЬт/пК [ss] раметрами: od= 5,81? 3,95 1г) S-M=B8,5 ИУ. 0,0525 £ц 0,012 -[35] -[21] Результаты расчета по (2.16) для рекомендуемых скоростей фильтрации воздуха при различной высоте насыпи дены в таблице 2.1. Таблица 2.1 Изменение относительной влажности воздуха по высоте насыпи картофеля при различных скоростях фильтрации [is] привел I 2 2,5 5,5 mm. A 0,075 0,10 0,15 0,25 0,95 0,92 0,93 0,91 41 Используя данные тас5лицы 2.1, получаем Точность измерения влажности психрометром 2*<3 т. е. изменение влажности приточного вентиляционного воздуха по высоте насыпи находится в пределах точности измерительных приборов. Следовательно, допустимо принять для режима активного вентилирования насыпи сочного растительного сьфья U?*= Ф=СОП$Х. Тогда и в уравнении (2.13) p=COnst На основании зависимостей (2.3), (2.4), (2.5), (2.13) получим общую мощность источников и стоков теплоты: с tj, exp (69) гЛ-эе,(, ехр (&В) — Величина CL в уравнении (2.17) близка к нулю для DT/Ur [22] большинства видов сельскохозяйственной продукции. Покажем это на примере картофеля: П d6,9 Ю у?= 0,8 5 S 68,5 м/Г1% р,= 700 yv/П. о 2,5 do Аж/к 32= 0,0365−10% е,-о, 01а? Б 0, ОШ. оС =(5,815 3,95 a j h/w4 Результаты расчета представлены на рис. 2.I. Оценим приближенно допущение, что скорости воздуха о. 0. По результатам [l8J время охлаждения насыпи картофеля высотой 4 м при 0 3 м/с составляет 30 часов, т. е. отВОДИТСЯ 65,910″ Вт/кг. Тогда погрешность приближения равна 7,9. Учитывая, что в период-ханешя ряд факторов влияет То 1 с 6j=OH /и/с сЛo.2i/, а>£ о. З/й/ «Jo /кг Рис, 2.I. Суммарная мощность источников и стоков теплоты в насыпи картофеля на величину внутренних тепловыделений (травмированность, загрязненность, прорастание, отклонение от оптимальных режимов хранения и др.), вызывая их увеличение, достаточно обоснованно считаем: мощность источников теплоты равна мощности стоков теплоты в насыпи. 2.1.3. Начальное тепловое состояние насыпи Конечное распределение температуры в насыпи продукции в режиме естественной конвекции является начальным для режима активной вентиляции. Для нахождения нестационарного теплового поля в режиме естественной конвешщи нужно решить дифференциальное уравнение переноса теплоты в слое. Решение этого уравнения представляет значительные трудности, так как коэффициент теплоотдачи изменяется во времени (с изменением температуры и скорости воздушного потока и температуры продукции). При этом процессы переноса теплоты будут описываться системой нелинейных дифференциальных уравнений. Поэтому для решения практических задач целесообразно принять допущение об установившемся цроцессе теплообмена в режиме естественной конвекции. Это тем более представляется верным и допустимым, т.к. между расходом воздуха через слой и температурным перепадом внутри и вне насыпи выявлена прямо пропорциональная зависимость [2l] Рассмотрим случай установившегося режима естественной конвекции при равномерной подаче вентиляционного воздуха под слой. Боковые ограждения насыпи теплои гидроизолированы. При этом также принимаем, что теплофизические свойства продукции неизменны по высоте и ввиду малой значимости пренебрегаем теплопроводностью насыпи и теплообменом за счет излучения. В режиме естественной конвекции движение воздуха в насыпи J возникает под действием теплового напора. Массовый расход воздуха равен [j, кг/с, через I м высоты насыпи. Воздух поступаТ» и, проходя через него, ПЙР поток воздуха приХ с зависящую от ет в слой продукции с температурой изменяет свою температуру. На высоте V обретает некоторую неизменную температуру условий теплообмена воздуха с продукцией. Дифференциальное уравнение изменения температуры воздуха по высоте насыпи 2 имеет вид: Решение этого уравнения после.

— 123 -ВЫВОДЫ.

1. Разработано теоретическое описание нестационарного теплообмена в насыпном слое сочного растительного сырья при начальной неравномерности истечения воздушного потока в слой в условиях активного вентилирования.

2. Полученное решение задачи нестационарного теплообмена в слое продукции в виде уравнений (2.48), (2.49), (2.76), (2.78) — (2.80) позволяет определить температурное поле насыпного слоя продукции в любой момент времени с начала процесса вентилирования.

3. Получены значения коэффициента теплоотдачи при фильтрации воздушного потока через насыпной слой бесконечно большой теплопроводности в виде зависимости между числами Нус-сельта и Рейнольдса, позволяющей перейти к расчету значений коэффициента теплоотдачи конкретного вида сырья.

4. Проведенные экспериментальные исследования показали справедливость теоретического решения поставленной задачи нестационарного теплообмена. Расчетное значение критерия Фишера при количественной оценке адекватности теоретического описания (2.29) — (2.32) и полученного решения (2.48), (2.49), (2,76), (2.78) — (2.80) реальному процессу теплообмена в насыпном слое при сосредоточенной подаче вентиляционного воздуха меньше табулированного для уровня значимости 0,05.

5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики расчета:

— продолжительности охлаждения насыпного слоя сочного растительного сырья в системах активного вентилирования;

— высоты насыпи продукции;

— производительности системы воздухораспределения;

— параметров аппаратов (закромов, контейнеров и т. д.) активного вентилирования (количества и размеров приточных отверстийвысоты насыпи сырья цри заданной высоте «застойных зон» и др.).

6. Предложена конструкция контейнера активного вентилирования для хранения плодоовощной продукции и картофеля с сосредоточенным выпуском вентиляционного воздуха в слой.

7. Использование предлагаемых методик инженерного расчета цроцессов охлаждения сочного растительного сырья в практике проектирования, реконструкции и эксплуатации систем активного вентилирования позволяет обеспечить требуемые по технологии хранения микроклиматические условия и 'снизить потери продукции. Реальный экономический эффект по результатам внедрения составил 4,28 руб. на тонну заложенного на хранение картофеля в год.

Результаты исследований включены в руководящий документ «Проектирование систем технического кондиционирования воздуха трюмов для хранения рыбной муки и консервов. Правила и нормы проектирования», разработанный ЦКБ «Восток» .