3795

БОДРОВ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОДУКТО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПАРАМЕТРОВМИКРОКЛИМАТАОВОЩЕКАРТОФЕЛЕХРАНИЛИЩ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2000

Работа выполнена в Нижегородском государственном архитектурно - строительном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Дыскин Л.М.

Ведущая организация «Волговятагропромпроект», г. Нижний Новгород

онного совета Д 064. 09.04 в Нижегородском государственном архитектурно -

строительном университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65. в 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно - строительного университета.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Научное обоснование путей снижения потерь сочного растительного сырья (СРС) с учетом минимизации энергозатрат достигается путем выявления и комплексного учета теплофизических явлении и закономерностей, обусловленных биологической активностью продукции, и климатических характеристик регионов при обосновании и разработке способов расчета и инженерных методов и средств по созданию, поддержанию и управлению режимами функционирования систем кондиционирования микроклимата (СКМ) овощекартофелехранилиш. Известные рекомендации по использованию искусственного холода для повышения надежности поддержания нормируемых параметров микроклимата хранилищ являются слишком унифицированными и прямолинейными, не учитывающими технологию, энергоемкость и региональные аспекты рассматриваемой области производства. Одновременно требуют решения практические задачи по разработке на стадиях проектирования и эксплуатации СКМ способов прогнозирования сохранности количества сельскохозяйственного сырья, что. помимо экономического, имеет важное социальное значение как для государственных коллективных, так и фермерских хозяйств.

Работа выполнялась в рамках: межвузовской НТП «Архитектура и строительство» (номер ГР 01950005746): темыединого заказа - наряда Минобразования РФ (номер ГР01970004537);грантаМинобразования РФ 1999...2000 г. № 98-21-3.4-55.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в повышении эффективности хранения сочного растительного сырья путем и развития научно - практических основ проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации систем кондиционированиямикроклиматаовощекартофелехранилищсуправляемыми технологическими параметрами микроклимата для различных климатических регионов страны.

Для достижения поставленной цели был решен комплекс взаимосвязанных ЗАДАЧ, основными из которых являются: уточнение физико - математической модели хранилищ, как единой биоэнергетической системы, с получением необходимых аналитических решений; разработка алгоритма расчетов температурного и влажностного режимов хранилищ как особого класса зданий по нормированию теплотехнических характеристик наружных ограждений с выявлением обеспеченности естественным и искусственным холодом; разработка технических рекомендаций по обеспеченности минимально необходимым инженерным оборудованием для создания технологического микроклимата хранилищ при заданных коэффициентах сохранности СРС; исследования вихревых труб для использования в качестве холодильных установок хранилищ с обосно-

энергетической и экономической эффективности; научное обоснование и разработка с учетом тенденций развития техники хранения рекомендаций

поуточнениюнормативно-методическихдокументовпопроектированию, строительству, реконструкции и эксплуатации овошекартофелехранилиш для

хозяйств,различныхформсобственности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в уточнении физико - математической модели тепломассопереноса в хранилище, как едином биоэнергетическом комплексе, с получением конкретных аналитических решений, в разработке метода нормирования сопротивлений теплопередаче наружных ограждений, взаимоувязывающего биологическую активность СРО с энергоемкостью и объемно — планировочными решениями хранилищ; в дифференцировании алгоритмовоптимальногофункционирования систем кондиционирования микроклимата с выявлением допустимых расходов воздуха при минимуме энергозатрат, в построении на основе анализа параметров микроклимата хранилищ обобщенной качественной и количественной модели прогнозирования значений коэффициентов сохранности продукции; в исследовании вихревых труб для использования в качестве холодильных установок хранилищ с обоснованием их энергетической и экономической эффективности

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ представляют; комплекс апробированных практикой инженерных методик проектирования и эксплуатации систем кондиционирования микроклимата хранилищ в различных климатических зонах страны; алгоритмы оптимального функционирования С КМ по минимуму потерь СРС и энергозатрат; количественная оценка коэффициентов сохранности СРС; выводы по обеспеченности естественным холодом процессов хранения продукции в различных регионах страны: результаты экспериментальных исследований холодо - и теплопроизводительности вихревой трубы; методика расчета и принципы проектирования холодильных установок овощекартофелехранилиш на основе вихревых энергоразделителей; инженерные рекомендации по обеспечению минимально необходимым инженерным оборудованием хранилищ в хозяйствах различных видов собственности в климатических регионах страны с t„ = -20 °С, -30 °С. -40 °С.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, предназначенных для практики проектирования, реконструкции, эксплуатации и управления СКМ хранилищ, проводилась под руководством автора в хозяйствах агропромышленного комплекса РФ с подтвержденным экономическим эффектом при хранении картофеля до 140 руб. / (т год) и снижением затрат ручного труда на 10...17%. Конкретно методические положения по оптимизации продукто- и энергосберегающих путей создания и поддержания технологических параметров микроклимата внедрены в картофелехранилищах четырех хозяйств Нижегородской области.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований докладывались на ежегодных научно - технических конференциях профессорско - преподавательского состава, аспирантов и студентов ННГАСУ «Строительный комплекс» 1996. 1997. 1998 г.г.. «Архитектура и строительство» 2000г., на научной конференции аспирантов . 1998г.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие научные результаты: аналитические зависимости по уточненной физико - математической модели тепломассопереноса в хранилище СРС, как едином биоэнергетическом комплексе; уточненный метод нормирования сопротивления тепломассопередаче наружных ограждающих конструкций хранилищ; алгоритмы оптимального функционирова-

ния микроклимата хранилищ; методика прогнозирования значений сохранности продукции , базирующаяся на дифференцированном анализе параметров микроклимата хранилищ: результаты экспериментального исследования вихревой трубы: обоснование энергетической и экономической эффективности применения вихревых труб в хранилищах в качестве холодильных установок.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения проведенной работы изложены в 6 публикациях.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 207 наименований. 10 приложений, включающих акты внедрения результатов научно - исследовательской работы Работа изложена на 262 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и 41 страницу приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Требования к оптимальным параметрам микроклимата хранения сочного

растительного сырья в современной биологической и технической литературе изложены достаточно полно Существенный вклад в разработку и совершенствование теории систем кондиционирования микроклимата гражданских и промышленных зданий и сооружений, к числу которых относятся и овощекартофелехранилища, внесли отечественные ученые В.Н. Богословский. В.И. Бодров. И.Л. Волкинд. М.А. Волков. А.Г. Егиазаров, П.И. Дячек, В.З. Жадан. М.К. Калашников. О.Я. Кокорин. Ю.Я Кувшинов, Л.В Петров. Г.М Позин.. Н.Н. Рослов, Ю.А. Табунщиков, Е.П. Широков и другие. В диссертации также проведен анализ зарубежных исследований по формированию микроклимата хранения При анализе исследований по применению искусственного холода в хранилищах, расположенных в различных климатических регионах страны, нами выявлены и доказаны экономические и эксплуатационные преимущества применения вихревых труб в качестве холодильных установок. Большой вклад в развитие теории и практики энергоразделения в вихревых аппаратах внесли В.П. Алексеев, В.М. Бродянский. Л.М. Дыскин, В.И Кузнецов, А.А. Кузьмин, А.В Мартынов, А П. Меркулов и ряд зарубежных ученых.

Эффективность процесса хранения СРС оценивается по сохранности потребительской стоимости продукции и социальным результатам хозяйственной деятельности. Анализ литературных данных показал, что комплекс вопросов по проектированию, расчету обеспеченности и оптимизации СКМ исследован недостаточно полно. Следствием является наличие ряда противоречивых практических рекомендаций, затрудняющих выявление перспективных путей развития техники хранения СРС.

Для преодоления этих недостатков реализован подход к решению проблемы, сформулированный в перечисленных задачах настоящего исследования. который комплексно увязывает требования к обеспеченности параметров микроклимата в насыпях продукции с интенсивностью её жизнедеятельности и наличием инженерного оборудования систем кондиционирования микроклимата, что позволяет повысить эффективность хранения как в специализированных, так и временных сооружениях.

6

Обслуживаемой зоной хранилищ является насыпь или штабель контейнеров CPC с равномерно распределенными по объему источниками теплоты q1 и влаги jV. На рисунке 1 приведена графическая теплофизическая модель процессов тепломассопереноса в объеме хранилищ. Условные обозначения частично приведены в конце текста автореферата и частично раскрыты по мере рассмотрения конкретных процессов переноса теплоты и влаги. На рисунке также изображен фрагмент насыпи с направлениями потоков теплоты в корректирующем, основном и поверхностном слоях. Однонаправленность переноса явной и скрытой теплоты - основная особенность процессов в слое биологически активной продукции.

Испарение влаги - неизбежное отрицательное явление при хранении CPC. Охлаждающая способность воздуха определяется приращением энтальпии, осушающая - приращением влагосодержания. Из этого можно сделать важный практический вывод, позволяющий прогнозировать и рассчитывать убыль массы CPC в процессе хранения: вся явная теплота, поступающая в хранилища через ограждения, от инженерного оборудования или иным другим путем, после воздействия на продукцию трансформируется в скрытую, увеличивая потери.

Изменение параметров охлаждающего воздуха на I - d - диаграмме влажного воздуха по всей высоте насыпи изображено на рисунке 2. Рассматривая процессы тепломассообмена в насыпи как процессы нагревания и увлажнения воздуха, приходим к выводу, что в первом по ходу движения воздуха слое насыпи (корректирующем) воздух повышает относительную влажность от φBO

до фВО и увлажняется от dBO до dtkmin, одновременно нагреваясь от tBO до tkmin (процесс AB). Тепловлажностная обработка в основном слое происходит по лучу

BC, эквидистантному пограничной кривой (φB φp = const). Количественное обоснование потерь влаги в насыпи при φp = const подчиняется зависимости (В.З Жадан): w = Q / ε1 == В (1 - φ) = const. Из насыпи воздух удаляется с параметрами точки С. При прохождении через более холодный поверхностный слой, воздух может охлаждаться до насыщения (процесс CD) или выпадения конденсата (процесс CD1).

Количество наружного воздуха в основной период хранения для ассимиляции выделяемой в хранилищах влаги от дыхания wд и гниения wгн, общее количество и доля рециркуляционного воздуха соответственно равны (рис. 3):

LHd = (WД + wгн) / (dtkmax - dH) рB; Lod =(WД +WГН,)/ (dtkmax - dH) рB;

Lpd = Lod - LHd

Расход наружного воздуха для удаления явной теплоты из неотапливаемого хранилища, общее количество воздуха для снятия теплоизбытков из насыпи и доля рециркуляционного воздуха соответственно составляют:

LHt= (QБ + QГН + QТЕХ - QH) / рH сВ (tkmaх -tH + ΔtBeHT);

LOI = (QБ + QГН) / рH СВ(tkmax - tkmax): Lpt =LOT - LHt

Рис. 1 Принципиальная схема процессов тепломассопереноса в хранилище:

I - насыпь: 2, 3, 4 - соответственно приточный, рециркуляционный и вытяжной воздуховоды систем активной вентиляции; 5 - приточный вентилятор; 6 - устройство для увлажнения приточного воздуха; 7 - оборудования для охлаждения или нагрева воздуха; 8 - воздухораспределяющее устройство: 9 - воздушная прослойка: 10 - отопи-

тельно - рециркуляционный агрегат: 11 - направления тепло - массопереноса в локальных объемах насыпи; 12 - автоматизированнпая воздушная заслонка.

Рис. 2. Изменение состояния воздуха в Рис. 3. К определению расхода насыпи СРС воздуха, подаваемого в насыпь

СРС

Минимальная естественная убыль (количество испарившейся влаги) наблюдается при совмещении точек А и В (процесс АВ отсутствует, рис. 2), что возможно при строго определенных соотношениях наружного Lн и рециркуляционного Lр воздуха, при его нагреве или охлаждении. Последнее сопровождается повышением энергоемкости СКМ. При общеобменной механической и естественной вентиляции хранилищ и буртов добиться таких параметров воздуха часто вообще невозможно.

Способы обработки приточного воздуха проанализированы с помощью I- d-диаграммы, на которую нанесена область изменения среднемесячных параметров наружного воздуха. Полученная область разбита на несколько характерных по алгоритмам обработки воздуха участков, в пределах которых возможно обрабатывать наружный воздух по единым алгоритмам при минимуме энергозатрат. В пределах участка I (рис. 4а) предварительной обработки наружного воздуха не требуется, если его параметры лежат на линии К1С. Смешанный в пропорции LНd / Lр = СВ /В1 воздух с параметрами точки В поступает в насыпь. Во всех других случаях перед смешением с рециркуляционным нагревается минимальное количество наружного воздуха Qв1= св рв Lнd (tk1 - tн1). Дополнительное испарение влаги из СРС в пределах параметров наружного воздуха участка Л (рис. 4б) предотвращается при искусственном (процесс Н2К2) или адиабатном (процесс Н2К2') охлаждении приточного воздуха: Qx2 = Рв Lнd (Iн2 - Iк2) Довести потери СРС до биологически неизбежных Дdк Lod (участок III) возможно только или при предварительном охлаждении части наружного воздуха с использованием холодильных машин (процесс Н3Кз) или путем адиабатного охлаждения (Н3Кз') с последующим смешением с рециркуляционным воздухом (рис 4в)

Рис. 4. Режимы обработки приточного воздуха при круглогодичном хранении

10

Расход холода определяется по разности энтальпий (Iн3 - Iкз). В зоне участка I I I , лежащей выше луча Iв = const (например, точка Н3'), при адиабатном увлажнении воздуха не удается добиться необходимых для минимизации потерь СРС параметров приточного воздуха (tkmin, фр). В области IV участка наружного климата (рис. 4г) подача в насыпь необработанного наружного воздуха (tнч, фнч) влечет за собой её разогрев Для стабилизации и поддержания температурно — влажностного режима насыпи СРС требуется искусственный холод Qх4 = рB Lнd (IH4 - Ik4)- Применение искусственного холода на участке I' обязательно (рис. 4д). Для экономии холода возможна первая рециркуляция, при которой воздух с параметрами точки С5 поступает в воздухоохладитель. Доля наружного воздуха LHd = (ВС5 / ВН5) Lod). Если параметры приточного воздуха не соответствуют параметрам точки В, то необходима вторая рециркуляция. Количество воздуха второй рециркуляции равно Lр2 = (ВС5 / ВН5) Lod. Необходимые параметры поступающего в насыпь воздуха (участок VI, рис. 4е) достигаются только при машинном охлаждении с температурой поверхности воздухоохладителей ниже температуры точки росы tтр. Построение процессов обработки воздуха и расчет их энергоемкости аналогично участку V.

Общий ход изменения температуры наружного воздуха в течение года приведен на рисунке 5.

Важной задачей по созданию параметров микроклимата в хранилищах в осенний период является анализ обеспеченности естественным холодом, поступающим с наружным воздухом. Соотношения текущих температур наружного воздуха и хранимой продукции даны на рисунке 6. В первом случае (рис. 6а) не требуется охлаждения воздуха при tH <tK, во втором случае (рис. 6б)

Необходимая производительность холодильных машин для различных видов СРС равна: QХ1 = сB рBLH ДtBO. При отличии температуры наружного воздуха от -20°С, -30°С и -40°С значения ДtBO следует принимать по приведенным в диссертации графическим зависимостям или интерполяцией, в некоторых случаях экстраполяцией.