Реверсивные системы активной вентиляции овощекартофелехранилищ

В. И. Бодров, доктор техн. наук, профессор, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Себестоимость продукции отечественного сельского хозяйства в связи с резким подорожанием энергии повысилась, стала неконкурентоспособной на мировом рынке, что заставляет более тщательно обосновывать принимаемые инженерные решения при выборе технологий сельскохозяйственного производства. Одним из таких новых технологических решений является применение реверсивных систем активной вентиляции (РСАВ) в овощекартофелехранилищах. В статье дается аналитическое и практическое обоснование снижения энергозатрат такими системами практически в 2 раза по сравнению с существующими.

По действующим нормам технологического проектирования допускается продувка насыпей картофеля и овощей только по схеме «снизу-вверх» [1]. Этот тезис основан на разработанной профессором В. З. Жаданом теплофизической модели тепломассообмена между продукцией и продуваемым воздухом [2], указывающей на возможность возникновения зоны конденсации в верхних слоях насыпей при продувке по схеме «сверху-вниз».

Необходимым элементом физической достоверности модели тепломассопереноса в насыпи сочного растительного сырья (СРС) является предварительная оценка распределения температурных полей в насыпях при вынужденной и естественной конвекции. Согласно исследованиям [3], близкие к равномерным по высоте насыпей температурные поля наблюдаются перед периодом охлаждения (t_к(х) = const). Охлаждение сопровождается формированием градиентов температур с минимумом внизу и максимумом вверху насыпей при продувке «снизу-вверх». Аналогичное распределение устанавливается при естественной конвекции. На рис. 1 приведены обобщенные результаты натурных исследований для насыпей клубней и кочанов.

Рисунок 1. Распределение температур по высоте насыпи: –––––– клубней; – – – – кочанов; 1, 2, 3 – в период охлаждения начальное, через 10 суток, конечное; в основной период хранения начальное для циклов естественной (3) и вынужденной конвекции (4)

В основной период цикличные процессы вынужденной и естественной конвекции взаимосвязаны начальными условиями типа:

t_к(x) = t_к.о + bx,

где b – коэффициент неравномерности температурных полей по высоте насыпи, °С/м.

Полученные в тех же исследованиях аналитические решения динамики температурных полей в насыпи СРС при работе систем активной вентиляции выявили основные особенности теплосъема: в период охлаждения – послойное; в основной период хранения – равномерное фронтальное по всей высоте насыпей.

В связи с послойным охлаждением продукции в период охлаждения направления продувок «снизу-вверх» или «сверху-вниз» не влияют на темп охлаждения насыпей и на возможность появления конденсата в верхних или ниж-них слоях, т. к. следующие по ходу движения воздуха слои продукции имеют более высокую температуру, чем предыдущие. Причины возникновения зон конденсации отсутствуют.

Проанализируем основные причины и условия возникновения возможных зон конденсации в верхних слоях насыпей, высказанные профессором В. З. Жаданом, при движении воздуха против градиента температур продукции в насыпи (b = –∆t_к.о / h), на основе которых им не рекомендован способ продувки «сверху-вниз».

Когда b = ∆t_к.о / h (продувка «снизу-вверх»), охлаждение, например, до относительной температуры Y_к = 0,5 наступает при прохождении середины теплового фронта всей высоты насыпи h. Продувку «сверху-вниз» можно закончить, сняв теплоту только наиболее нагретого верхнего слоя, сэкономив 50 % времени работы САВ. Соответственно, при охлаждении до Y_к = 0,7 время работы САВ снижается на 30 %, при охлаждении до Y_к = 0,3 – на 70 %.

Нагретый в верхнем слое воздух при контакте с более холодной продукцией нижних слоев при продувке «сверху-вниз» может охладиться до температуры точки росы t_т.р (процесс 1–2’, рис. 2) и ниже ее (процесс 1–2”). С учетом аналитических закономерностей, подтвержденных экспериментальными и натурными исследованиями [3], конденсация не будет наблюдаться при выполнении неравенства (рис. 3):

t_к.max – t_к.min ≤ (q_vh / Пc_вr_вu + q_v / a_tv) + (t_в.о – t_т.р).

В правой части неравенства первая скобка показывает перегрев каркаса по отношению к воздуху за счет биологических тепловыделений q_v, вторая скобка – начальное состояние воздуха. Вероятность возникновения очагов конденсации в насыпях картофеля и овощей снижается при следующих условиях:

• c уменьшением интенсивности биологических тепловыделений q_v (значения q_v определяются сортовыми особенностями продукции, ее качеством, технологией уборки);

• с уменьшением высоты насыпи h (противоречит технико-экономическим требованиям);

• с увеличением скорости воздуха в слое u (ограничивается биологическим показателями);

• с увеличением коэффициента теплоотдачи a_tv (многопараметрический фактор);

• с уменьшением равновесной относительной влажности воздуха в насыпи j_p (зависит от сортовых особенностей продукции).

Рисунок 2. Условия возникновения возможных зон конденсации в верхних слоях насыпей

В последнем случае параметры приточного воздуха смещаются вправо (точка 3, рис. 2) и температура t¹_т.р несколько понижается (точка 4).

Результаты расчетов разностей температур t_к.max – t_к.min, при которых при продувке насыпи картофеля по схеме «сверху-вниз» будут отсутствовать условия для возникновения зон возможной конденсации в объеме насыпи, в том числе в верхней зоне, приведены в табл. 1.

Аналогичные данные для насыпей кочанов капусты даны в табл. 2.

Приведенные в табл. 1, 2 значения допустимой разности температур продукции для предотвращения образования конденсата в насыпях клубней картофеля и кочанов являются исходными данными для расчета производительности и режимов работы систем активной вентиляции. Если учесть, что при продувке «сверху-вниз» воздух забирается из верхней (свободной от продукции) части хранилищ, то начальная относительная влажность приточного воздуха j_в.о близка к равновесной относительной влажности картофелехранилищ и хранилищ овощей j^x_р.

Следует учитывать также наблюдаемый на практике эффект испарительного охлаждения в насыпи кочанов и стремление температуры продукции или к температуре мокрого термометра t_м.т, или к криоскопической температуре t_з. Поэтому даже теоретически трудно представить вероятность конденсации в насыпи кочанов в период охлаждения и основной период хранения при продувке как «сверху-вниз», так и «снизу-вверх».

Рисунок 3. Распределение температур в насыпи СРС: 1 – конечное распределение после цикла естественной конвекции; 2 – конечное распределение после цикла вынужденной конвекции при продувке «сверху-вниз»

Полученные значения разности температур нагретого (верхнего) и охлажденного (нижнего) слоев насыпей лежат в рекомендуемых биологами диапазонах температур. Таким образом, при хранении сочного растительного сырья в оптимальных условиях возможных зон образования конденсации не будет наблюдаться.

Имеющая место аналогичность формирования динамики температурных полей в насыпях СРС в циклах естественной и вынужденной конвекции дает основание для вывода о невозможности формирования зон конденсации при реверсивной механической вентиляции (режимы поочередной смены продувок по схемам «сверху-вниз» и «снизу-вверх») насыпей СРС при соблюдении обоснованных выше ограничениях.

Принципиальная схема реверсивной системы активной вентиляции овощекартофелехранилищ приведена на рис. 4.

Рисунок 4 (подробнее)   Принципиальная схема реверсивной системы активной вентиляции овощекартофелехранилищ. Направления движения воздуха: сплошная стрелка - при продувке «снизу-вверх»; пунктирная стрелка - при продувке «сверху-вниз»

Продувка «снизу-вверх». В насыпь СРС (1) вентилятором (2) по приточному воздуховоду (3) подается охлаждающий продукцию воздух. В период охлаждения происходит прямоточная (без рециркуляции) подача наружного воздуха в насыпь с расходом L_об, который полностью удаляется в атмосферу через вытяжную шахту (4).

При этом регулирующая арматура (дроссели, шиберы) на приточных воздуховодах (15), (8) (10) открыты, на остальных воздуховодах (11), (13), (14) закрыты. Происходит прямоточная (без рециркуляции) подача приточного воздуха в насыпь.

В основной период хранения приготовление приточного воздуха осуществляется путем смешивания минимально необходимого количества наружного воздуха L_н с рециркуляционным L_р, забираемым из хранилища по рециркуляционному воздуховоду (5). В данном режиме эксплуатации РСАВ работает вентилятор (2), регулирующая арматура (15), (8), (10), (11) открыта для прохода воздуха, задвижки (шиберы) (13), (14) за-крыты. Прошедший через насыпь воздух в количестве L_н через вытяжную шахту (4) удаляется в атмосферу. Остальная часть L_р = (L_об – L_н) направляется по рециркуляционному воздуховоду (5) для повторного использования.

Продувка «сверху-вниз». В период охлаждения (в насыпь поступает только наружный воздух в количестве L_об) при работающем вентиляторе (2) атмосферный воздух забирается через вытяжную шахту (4), проходит через насыпь (1) по воздуховодам – байпасам и удаляется в атмосферу. Открыта следующая запорная арматура: (15), (14), (13); закрыта – (8), (10), (11).

Основной период хранения характеризуется смешиванием наружного (L_н) и рециркуляционного (L_р) воздуха перед поступлением его в насыпь в свободной от продукции верхней части объема хранилища. Открыты дроссели (шиберы) (15), (14), (13), (11), закрыты – (8), (10).

При наличии двух вентиляторов (отдельно для продувок «снизу-вверх» и «сверху-вниз») эксплуатация систем реверсивной вентиляции упрощается, но усложняется их конструктивное исполнение, которое необходимо решать в каждом конкретном случае по местным условиям.

Заключение

Аналитически и практически обоснованная и рекомендуемая к практическому внедрению реверсивная система активной вентиляции овощекартофелехранилищ позволяет снизить энергоемкость систем активной вентиляции на 30–70 % в зависимости от конечных целей хранения.

Литература

1. ОНТП–6–86. Общесоюзные нормы технологического проектирования зданий и сооружений для хранения и переработки картофеля и плодоовощной продукции. – М. : Минплодоовощхоз СССР, 1985.

2. Жадан В. З. Теоретические основы кондиционирования воздуха при хранении сочного растительного сырья. – М. : Пищевая промышленность, 1972.

3. Бодров В. И. Хранение картофеля и овощей: Инженерные методы создания и поддержания технологического микроклимата. – Горький : Волго-Вятское кн. изд-во, 1985.