Введение к работе
/9 в 7
АКТУАЛЬНОСТЬ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ. Для современных технологий, применяемых в странах с развитым производством сельхозпродукции, характерна высокая рентабельность получения овощной продукции за счет низких потерь при хранении, а следовательно и снижения затрат на воспроизводство некачественной продукции. Считается, что развитию индустрии хранения должно уделяться особое внимание, так как затраты на воспроизводство некачественной продукции в несколько раз превышают капитальные вложения.
При климатических динамично-изменяющихся условиях, характерных для большей части РФ, требуется длительное хранение выращенного урожая биологически активной (овощной) продукции (БАЛ). Значительная часть (до 30% и более) этой продукции массового спроса из-за низкого качества после хранения не доходит до потребителя. В результате рентабельность производства БАЛ резко снижается, расход энергоресурсов возрастает.
Проблема обеспечения микроклимата в помещениях хранения различной скоропортящейся продукции является комплексной. На современном этапе её разработки практически решена задача по защите микроклимата хранилища от воздействия наружного климата. Однако остается неизученной основная задача, которая должна решаться вентиляцией в расчетном режиме охлаждения насыпи или штабеля контейнеров - определение ожидаемой обеспеченности микроклиматических параметров хранения и требуемого для этого сочетания взаимосвязанных расчетных параметров системы «вентиляция - насыпь (штабель)». Это позволит не только обоснованно выбрать решение вентиляции из числа применяемых, но и приступить к разработке высокоэффективных технологий.
Основная причина отставания в этой области вентиляции состоит в неизученности протекания многомерных нестационарных процессов тепло- и влагопереноса при охлаждении продукции потоками, широко использующихся в современных системах вентиляции хранилищ. Накопление научно-исследовательских материалов, касающихся вентиляции насыпей БАЛ, за последние десятилетия происходило при изучении таких процессов в одномерных потоках.
Закономерности формирования параметров хранения в сложной структуре штабеля решетчатых контейнеров при охлаждении в них БАЛ к настоящему времени все еще не изучены.
Работа выполнена на кафедре «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» СП6ТАСУ (1975-2002 гг.) в рамках важнейших исследс-
^
С.СГ
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью исследования является научное обоснование и создание основ расчета обеспеченности микроклимата хранения овощной продукции, разработка способов и инженерных средств вентиляции, позволяющих управлять микроклиматом и получить качественное охлаждение продукции.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие взаимосвязанные проблемные задачи:
обоснование теплофизической модели для достоверного воспроизведения сложных теплообменных процессов в слоях овощной продукции при решении плоской и объемной задач;
теоретическое и экспериментальное обоснование физико-математических моделей нестационарного теплообмена в слоях овощной продукции при её охлаждении двухмерными потоками в насыпи и трехмерными потоками в планчатых (решетчатых) контейнерах;
изучение и обобщение закономерностей развития двухмерных потоков в насыпи, характерных для активной вентиляции и сложного движения потоков в штабеле контейнеров;
установление определяющих факторов и расчетных параметров системы «вентиляция - насыпь (штабель)», влияющих на закономерности формирования полей скоростей и температур при расположении хранимой продукции в насыпи и в планчатых контейнерах;
выявление возможностей современных систем вентиляции в картофеле- и овощехранилищах по показателям обеспеченности температуры хранения и интенсивности охлаждения продукции, расположенной в насыпи и в контейнерах;
разработка высокотехнологичных систем вентиляции с высокими показателями качества охлаждения картофеля и овощей, обоснование методики их расчета и коммерческая оценка ожидаемых результатов реализации предложений.
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ основана на: - физико-математическом моделировании многомерных аэродинамических и теплообменных процессов, учитывающих влагоперенос в слоях БАЛ (насыпи, штабеля); -создании методических основ постановки и проведения эксперимента с прямым
измерением скорости юе в слоях; - использовании математической статистики
при экспериментальном исследования и обработке полученных результатов, при их сопоставлении с расчетом и известными сведениями. Широкое использование ЭВМ ШМ PC в аналитических многофакторных исследованиях.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующих полученных результатах, решающих проблему расчета показателей обеспеченности параметров микроклимата хранения картофеля и овощей в насыпи и планча-
тых контейнерах при оборудовании хранилищ современными или вновь проектируемыми системами вентиляции:
впервые получено и обосновано решение задачи аналитического описания нестационарного двухмерного процесса охлаждения насыпи овощной продукции для современных способов активной вентиляции и при охлаждении продукции трехмерным потоком в планчатых контейнерах;
аналитически исследованы, обобщены и экспериментально обоснованы (прямыми измерениями) поля локальных скоростей в насыпных слоях продукции, вентилируемой двухмерными потоками; доказано, что при расчете поля скоростей движение плоских потоков, развивающихся в плотных слоях картофеля и овощей, можно считать безвихревым;
впервые выявлены закономерности движения восходящих потоков в пористой структуре штабеля и получено общее уравнение, описывающее изменение скорости по высоте слоя в планчатых контейнерах каждого яруса;
разработана методика постановки эксперимента на физической модели для изучения закономерностей движения потоков и формирования поля локальных скоростей в вентилируемых объемах хранимой продукции (навалом, штабелем) с количественной оценкой поярусного затекания воздуха в контейнеры;
установлены закономерности формирования полей температур (продукции, воздуха) в двухмерных потоках, развивающихся в насыпи охлаждаемой продукции, учитывающие влияние конструктивных и режимных параметров системы «вентиляция - насыпь», а также способ подачи воздуха в грузовой объем;
впервые разработана методика расчета температур воздуха и продукции в сложной структуре штабеля, сформированного из планчатых контейнеров, установлены факторы и параметры оказывающие определяющее влияние на показатели эффективности процесса охлаждения продукции при восходящем потоке;
установлены параметры и условия оптимальной реализации процессов вентиляции для существующих современных, предлагаемых и разрабатываемых способов организации вентиляции в картофеле- и овощехранилищах на основе показателей качества охлаждения продукции.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Общая практическая и экономическая значимость работы заключаются в кардинальном повышении научно-технического уровня техники хранения овощных культур и другой скоропортящейся продукции за счет: -создания основ расчета, проектирования и совершенствования вентиляции в помещениях хранения продукции с прогнозированием обеспеченности условий хранения; - методики расчета реальных процессов вентиляции, учитывающей неодномерность потока и начальные условия его истечения; - приме-
нения предлагаемых высокотехнологичных способов и устройства вентиляции; - определения для каждого случая оптимального сочетания геометрических, конструктивных и режимных параметров с высокими показателями обеспеченности микроклимата хранения; - применения в исследованиях новой техники для измерения параметров потока в пористом слое, впервые разработанного способа определения скорости воздуха ( соє ) при обтекании составляющих слоя (а.св. №728088).
Направление исследовательских работ в области вентиляции помещений хранения скоропортящейся продукции разрабатывалось автором в СПбГАСУ. В период 1975-1988 гг. - по хоздоговорным темам, в рамках выполнения важнейших комплексных научно-технических программ «Продовольствие», «Наука-90», «Интенсификация» - по Нечерноземной зоне РСФСР.
Разработано и успешно прошло внедрение нетрадиционное решение вентиляции - бесканальной, исключающей применение каких-либо воздухораспределителей в основании помещения. Это преимущество было использовано в проекте 12911 при постройке новой серии из 40 судов (1982-1991 гг.) для хранения скоропортящейся продукции (овощей, пресервов). Были улучшены не только условия хранения, но и сокращено время (на 2-3 суток) зачистки грузовых помещений, что дало большой реальный экономический эффект. Рекомендации по выбору схем и проектированию вентиляции в грузовых помещениях в трюмах хранения скоропортящейся продукции вошли в руководящий документ РД5.098-85. Правила и нормы проектирования. Введен впервые с 1.01.1986 г., с. 11-38.
Выполнен заказ Госагропрома СССР №24/88 (х/д №311/86) по разработке и исследованию нового способа хранения овощной продукции, активизирующего воздухообмен в планчатых контейнерах. Новизна и высокотехно-логичность последних разработок автора, воплощающих новые идеи при совершенствовании вентиляции в картофеле- и овощехранилищах подтверждены патентами (№ 2035133,2039423) и результатами определения показателей эффективности вентиляции, которые превышают имеющиеся достижения в этой области.
Материалы диссертации используются кафедрой «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в специальном курсе лекций и лабораторных работах, дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности «теплогазоснабжение и вентиляция».
Результаты разработки проблемы (до 1984 г.) отражены в пяти кандидатских диссертациях по которым автор являлся также научным руководителем.
физико-математическая модель воспроизведения и описания нестационарного переноса теплоты в насыпных слоях (насыпи, в контейнерах),
учитывающая влияние влагопереноса, многомерность потока, биологическую активность и другие свойства продукта, связанные также с условиями выращивания и хранения;
обобщающие аналитические зависимости, описывающие двухмерные поля локальных скоростей в насыпи продукции (картофеля и овощей), полученные для современных и перспективных способов подачи воздуха;
расчетные чяяигимости, характеризующие влияние основных факторов и параметров на динамику температур продукта и воздуха при охлаждении насыпи;
впервые разработанная методика постановки эксперимента на физической модели, позволяющая изучать закономерности движения восходящего потока в штабеле и формирование поля скоростей в планчатых контейнерах, определять коэффициенты затекания в них подаваемого воздуха;
впервые полученные результаты исследования аэродинамических и нестационарных теплообменных процессов в структуре штабеля и в охлаждаемых слоях продукции в контейнерах, размещенных в помещении, устанавливающие факторы, влияющие на ускорение процесса охлаждения продукции, а также правила формирования штабеля;
инженерные методы расчета оптимальных конструктивных и режимных параметров с максимально возможными для каждого случая показателями обеспеченности параметров хранения продукции в насыпи и планчатых контейнерах, ориентированных на использование современных ШМ PC;
способы и решения высокотехнологичной вентиляции помещений хранения продукции новизна и эффективность которых подтверждены патентами и сопоставительной оценкой с лучшими зарубежными аналогами, а также результатами внедрения варианта бесканальной системы.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ. Разработка проблемы с постановкой целевых задач; формирование научных и практических идей; конкретизация задач исследований и методология их выполнения; разработка экспериментальных установок и методик (моделей) для проведения исследований; участие в создании технического оснащения экспериментальной базы; теоретические и экспериментальные обоснования воспроизведения процессов вентиляции на моделях; обработка и обобщение полученных результатов; создание высокотехнологичной вентиляции (идеи, решения) на уровне изобретений. В совместно созданных изобретениях соавторы выполнили конструкторскую проработку или экспериментальную проверку.
Автор выносит благодарность к.т.н., профессору В.В.Дерюгину и к.т.н., доценту В.В.Севастьянову за консультации по отдельным вопросам построения содержания диссертации и отработки модели процессов на ЭВМ ШМРС.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты и материалы работы представлялись, докладывались и обсуждались на VIII Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» Миннауки и технологий РФ, С.-Петербург, 2003; ежегодных научно-технических конференциях СПбГАСУ (ЛИСИ), 1977-2003 гг.; международных научно-практических конференциях: «Совершенствование хранилищ для картофеля, овошей и плодов и их инженерного оборудования на основе современных достижений техники и технологий» РАСН, АВОК, Орел, 1993 г., международной юбилейной - «Реконструкция Санкт-Петербурга 2003», 300 лет С.-Петербургу, 170 лет СПбГАСУ, ч. II, С.-Петербург 2002; научно-технических конференциях: международной юбилейной «Достижения в теории и практике теплогазоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна», С.-Петербург, 1997, «Современные проблемы вентиляции, кондиционирования воздуха и экологической безопасности», региональный центр АВОК, С.-Петербург, 1994; конференциях: региональной УзНИИ градостроительства, Ташкент, 1981, Всемирной ярмарки «Российский Фер-мер-97», С.-Петербург, 1997, «Вычислительная техника в управлении производственными процессами в АПК», Минсельхоз и продовольствия РФ, ОГАУ, Орел, 1999; семинарах: «Современные системы и элементы инженерного оборудования сельскохозяйственных производственных зданий», АВОК, ОСИ, «Гипронисельпром», Орел, 1994, «Инженерное оборудование и прогрессивные технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции», Минсельхоз и продовольствия РФ, ОГСА, Орел, 1998; технических совещаниях ЦКБ «Восток», 1978, 1982, 1983.
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований изложены в 52 публикациях, в том числе в 41 печатной работе, включающих 5 авторских свидетельств и 2 патента, а также в 11 научно-технических отчетах по хоз./договорной тематике. В автореферате приведен список печатных работ автора.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 312 стр., в том числе 257 стр. основного текста, 70 рис. и 11 табл., 6 стр. списка опубликованных автором работ по теме диссертации, 24 стр. библиографии (252 наименований) и 14 приложений на 25 стр.
