Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 17
1.1. Краткое описание технологии и режимов хранения сочной сельскохозяйственной продукции 17
1.2. Обзор работ о способах хранения продукции, типах овощекартофелехранилищ и задач теплотехнического расчета хранилищ 21
1.3. Обзор работ о математических моделях тепловлажностного состояния овощекартофелехранилищ 53
1.3.1. Тепломассообмен в пористых средах и взаимосвязанный тепло- и массоперенос при фазовых превращения 53
1.3.2. Математические модели тепло - и массопереноса в гетерогенных средах 64
1.3.3. Аналитическое решение одномерной задачи тепло - и массопереноса в насыпи сочной сельскохозяйственной продукции 71
1.3.4 Конечно-элементный анализ термодинамики хранения 75
1.4. Постановка задач исследования 79
1.5. Выводы по главе 1 83
2. Исследование теплоустойчивости ограждающих конструкций хранилищ сочного сельскохозяйственного сырья 87
2.1. Аналитическое решение задачи методом преобразования Лапласа 92
2.2 Численное решение задачи теплоустойчивости ограждающих конструкций 100
2.3. Проведение экспериментальных исследований и сравнение полученных данных с результатами расчета 108
Выводы по главе 2 114
3. Тепловой режим в хранилище при отключении системы энергоснабжения 115
3.1. Математическая модель процесса тепловлагообмена при отключении системы энергоснабжения 118
3.2. Численная реализация и проверка модели 120
3.3. Расчет теплоустойчивости наружных стен хранилищ для зимнего периода их эксплуатации при отключении источников электроэнергии 127
3.4. Примеры проверки на теплоустойчивость ограждающих конструкций хранилищ при отключении источников энергоснабжения в период расчетных зимних температур наружного воздуха 131
1. Расчет покрытия 131
2. Расчет наружной стены, отделенной проездом от хранимой продукции 132
3. Расчет наружной стены с воздушной прослойкой 133
4. Расчет покрытия для картофелехранилищ из ЛМК 134
Выводы по главе 3 136
4. Теоретическое исследование тепловлажностного режима насыпи продукции при ее активном вентилировании 137
4.1. Решение задачи конвективного теплообмена в экзотермическом пористом теле аналитическим методом 143
4.2. Алгоритм численного решения задачи 148
4.3. Тепловлагообмен в насыпи продуваемой продукции 156
Выводы по главе 4 161
5. Исследование тепловлагообмена насыпи продукции полузаглубленных в грунт хранилищ 163
5.1. Постановка задачи и определение температуры по глубине грунта 163
5.2. Постановка задачи и расчет тепловлажностного режима насыпи продукции полузаглубленного в грунт хранилища 166
5.3. Выводы по главе 5 181
6. Расчет тепломассообмена овощекартофелехранилищ с вентилируемой воздушной прослойкой 183
6.1 Математическая модель тепломассопереноса в овощекартофелехранилищах с воздушной тепловой защитой внешних ограждений 184
6.2. Приближенное решение краевой задачи и анализ полученных результатов 187
6.3. Выводы по главе 6 221
7. Оценка эффективности мероприятий по обеспечению сохранности продукции и практические рекомендации по проектированию овощекартофелехранилищ 224
7.1. Методика технико-экономической оценки эффективности мероприятий по обеспечению сохранности продукции 224
7.2. Практические рекомендации по проектированию овощекартофелехранилищ 228
Основные выводы 231
Список литературы 236
Приложения 256
- Обзор работ о способах хранения продукции, типах овощекартофелехранилищ и задач теплотехнического расчета хранилищ
- Численная реализация и проверка модели
- Приближенное решение краевой задачи и анализ полученных результатов
- Методика технико-экономической оценки эффективности мероприятий по обеспечению сохранности продукции
Введение к работе
з
Актуальность темы. Улучшение качества хранения сочной сельскохозяйственной продукции (картофеля, овощей, плодов, фруктов) связано с поддержанием благоприятных условий в хранилищах, обеспечением теплозащитных требований к наружным ограждающим конструкциям зданий и сооружений для хранения сельскохозяйственного сырья. Увеличение объемов производства сельскохозяйственной продукции влечет за собой проблему надежного хранения ее, необходимость строительства большого числа крупных хранилищ.
Особые сложности возникают при хранении картофеля и овощей в крупных хранилищах навального типа: вблизи стен в зимний (основной) период хранения возможно промерзание продукта, тогда как в центральной части появляются зоны самосогревания, что приводит к большим потерям продукции.
При эксплуатации систем отопления и вентиляции рассматриваемых сооружений возможны остановки подачи тепла и воздуха, необходимые для ремонта электрооборудования. При этом температура в массе продукции возрастает за счет внутренних тепловыделений сочного сельскохозяйственного сырья, в то время как в верхних слоях продукции, соприкасающихся с воздухом в верхней зоне, температура постепенно снижается, что приводит к порче продукции и потерям. Поэтому нужно знать время (с учетом наружных температур и тепловыделений сочного растительного сырья), на которое возможно отключение системы для ремонта, а также изменение температур в хранилище при отключенной системы энергоснабжения.
Причинами высоких потерь продукции являются недостаточная изученность процессов тепло - и влагообмена в хранилищах и насыпи сырья, неумение регулировать их, несовершенство методов обеспечения требуемых температурно-влажностных режимов, а также методов теплотехнического расчета хранилищ. Таким образом, в настоящее время при строительстве современных овощекартофелехранилищ с минимальными затратами и высокой степенью обеспечения надежного хранения продукции вопрос совершенствования расчета температурно-влажностных режимов, построение математи-
PGC. НАЦИОНАЛЬНАЯ ЄИБЛ НОТИСА
ческих моделей процессов тепломассообмена в хранилищах приобрел особую актуальность.
Цель и основные задачи исследования. Целью данной работы является разработка методов теплотехнического расчета овощекартофелехрани-лищ путем решения сопряженных задач нестационарного тепло - и влагооб-мена, выяснение возможностей активного воздействия на тепловлажностные процессы в насыпи продукции с тем, чтобы уменьшить потери сырья за период хранения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс следующих взаимосвязанных задач:
разработать математическую модель нестационарного тепловлажно-стного режима овощекартофелехранилищ;
разработать методику расчета тепловых режимов ограждающих конструкций хранилищ и насыпи активно вентилируемого сырья;
- провести исследование термодинамической системы «наружный
воздух - ограждение - внутренний воздух хранилища - насыпь сырья» в раз
личных режимах эксплуатации хранилищ и сопоставить результаты расчета с
экспериментом;
в зимнее время для проверки теплоустойчивости наружных ограждений хранилищ при отключении системы энергоснабжения оценить эффективность применения математического моделирования с использованием ПЭВМ для определения допустимого времени на ремонт оборудования, в течение которого обеспечивается сохранность продукции;
исследовать тепловое взаимодействие заглубленных в грунт стен хранилищ и хранимой сочной сельскохозяйственной продукции;
разработать методику, алгоритмы и программы для решения задач исследования процессов тепловлагообмена в овощекартофелехранилищах с вентилируемой воздушной прослойкой у внутренней поверхности наружных стен.
Научная новизна работы:
- разработана математическая модель процессов тепловлагообмена в
хранилищах сочной сельскохозяйственной продукции на основе постановки
сопряженной задачи.
получены численные решения задачи конвективного теплообмена в насыпи экзотермической продукции при ее активном вентилировании;
предложена методика расчета теплового режима насыпи сырья вблизи стен заглубленных в грунт хранилищ;
- разработана методика расчета теплоустойчивости ограждающих
конструкций овощекартофелехранилищ, позволяющая исследовать темпера
турный режим помещений хранения в аварийных ситуациях;
- предложена методика расчета микроклимата хранилищ с вентили
руемой воздушной прослойкой у внутренней поверхности наружных стен.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением современных методов исследований, основанных на адекватных математических моделях с привлечением соответствующих разделов теории тепломассообмена и высшей математики (теории уравнений математической физики, теории приближения и численного анализа), апробированных методов обработки экспериментальных данных. Достоверность результатов подтверждена сравнительным анализом расчетных и экспериментальных данных, полученных в эксплуатируемых зданиях для хранения сочного растительного сырья, а также сравнением результатов аналитического и численного решений.
Практическая ценность работы:
разработана методика расчета процессов тепло - и влагообмена в хранилищах наземного и заглубленного типа для сочного сельскохозяйственного сырья, позволяющая существенно сократить количество отходов продукции. Снижение потерь продукции может достигать 15-20%. Это позволит получить дополнительно до 5-6% продукции на каждое хранилище. При этом затраты энергии снижаются за счет более эффективного использования инженерного оборудования на 5-10%;
определены оптимальные режимы вентилирования продукции и размеры непродуваемых участков насыпи при погрядном способе ее хранения;
установлена зависимость допустимого времени на ремонт электрооборудования, в течение которого обеспечивается сохранность продукции, от
температуры наружного воздуха для разных климатических зон строительства хранилищ;
разработаны методики и компьютерные программы для расчета термодинамической системы «наружный воздух - ограждающие конструкции -внутренний воздух хранилища - насыпь продукции, вентилируемой воздухом». Невысокие требования к оперативной памяти позволяют применять программы практически для любых ПЭВМ. Простота задания исходных данных, быстрота вычисления и удобное представление результатов расчетов дают возможность применять программы как средство математического моделирования тепловых режимов в хранилищах инженерам, не знакомым с программированием;
предложены алгоритмы и компьютерные программы для расчета насыпи сырья вблизи стен полузаглубленных хранилищ, которые позволяют более обоснованно проектировать овощекартофелехранилища с вентилируемой воздушной прослойкой у внутренней поверхности наружных стен.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в «Пособии по теплотехническому расчету зданий для хранения картофеля и овощей», разработанному ФГУП «Гипронисельпром»; внедрены в овощехранилище экспериментального тепличного хозяйства «Орловское», в ОАО «Орловский агрокомбинат», в Орловском комплексе по приему, подработке, хранению и реализации картофеля с хранилищем вместимостью 10 000 тонн, а также используются при проектировании картофелехранилищ различной вместимости.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Орловского филиала Всесоюзного заочного машиностроительного института (1980-1982 г.г.), Тульского политехнического института (Тула, 1982 г.), ВЗМИ (Москва, 1984 г.), Орловского государственного технического университета (1991-1996 г.г.) и Орловского государственного аграрного университета (1997-2001 г.г.); на научно-практической конференции «Проблема экономии энергетических ресурсов в сельскохозяйственных сооружениях» (Орел, 1981 г.); на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов НИИСФ «Актуальные вопросы строитель-
7 ной физики» (Москва, 1983 г.); на всесоюзной конференции «Измерительная и вычислительная техника в управлении производственными процессами в АПК» (Санкт-Петербург, 1988 г.); на всесоюзной конференции «Энергоснабжение в сельском хозяйстве» (Киев, 1990 г.); на международных научно-практических семинарах «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции» (Орел, 1998, 2000, 2002, 2004 г.г.); на 8-ой научно - практической конференции (Академические чтения) «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики» (Москва, 2003 г.); на международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 33 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы (244 наименований) и приложений. Общий объем работы 336 страниц, включая 10 таблиц и 87 иллюстраций.
Обзор работ о способах хранения продукции, типах овощекартофелехранилищ и задач теплотехнического расчета хранилищ
Следует различать три основные группы способов хранения картофеля, плодов и овощей [57]:
а) способы, основанные на отводе физиологического тепла сырья главным образом теплопроводностью;
б) способы, основанные на отводе тепла к вентилирующему воздуху конвекцией;
в) смешанные способы хранения, рассчитанные на комбинированный отвод тепла конвекцией и теплопроводностью.
К первой группе, отличающейся высокой эффективностью, относятся следующие способы: хранение корнеплодов в грунте на корню, хранение капусты в бороздах, применение мелких траншей с переслойкой сырья землей или песком, хранение овощей в ящиках с переслойкой землей или песком.
Эти способы, особенно первые два, имеют ограниченное применение и не могут быть отнесены к числу промышленных способов, но они представляют большой теоретический интерес, так как элементы их могут быть использованы при разработке новых способов хранения сырья. Так, М.В. Антонов [5] подчеркнул необходимость имитировать в промышленных хранилищах условия траншейного хранения с переслойкой сырья умеренно влажным теплопроводным материалом. Только таким образом в схеме отвода тепла от плодов можно исключить такой неподходящий теплоноситель, каким является воздух.
Конвективный теплообмен на границе поверхность сырья — воздух неизбежно сопровождается теплообменом. В естественной убыли на долю потерь влаги приходится около 80% [57]. Заменив конвективный теплообмен теплопроводностью, в принципе можно снизить естественную убыль сырья в 4-5 раз. При хранении моркови в запескованных штабелях, по данным Н.Ф. Шепс [186], выход стандартной продукции больше, чем при хранении в ящиках без применения песка. К такому же выводу пришли и другие исследователи [22].
П.Ф. Сокол [90] отмечает, что в постоянных хранилищах морковь успешно хранят в штабелях с переслойкой песком. При этом корнеплоды остаются твердыми, свежими.
Известны успешные опыты хранения яблок в траншеях с пересыпкой влажным песком. Яблоки хорошо сохранялись [186].
Большое распространение получили способы хранения, основанные на отводе тепла конвекцией при непосредственном контакте сырья с воздухом. Они легко реализуются, так как порозность плодов и овощей составляет 35-45% по объему, вентилирование насыпи сырья не вызывает больших гидравлических сопротивлений.
Следует различать естественную и механическую вентиляцию. Организованная (интенсифицированная) естественная вентиляция носит название аэрации. Механическую вентиляцию делят на активное и принудительное вентилирование. Активное вентилирование принципиально отличается от естественной и принудительной вентиляции, так как подаваемый вентиляторами воздух не просто направляется в хранилище, минуя штабеля продукции, а проходит через них. Воздух в массе продукции сменяется не за счет конвективных потоков (как при естественной и принудительной вентиляции), то есть постепенно и медленно, а быстро, за счет давления, развиваемого вентиляторами.
Ко второй группе относятся способы хранения, основанные на использовании естественной вентиляции, улучшенной естественной вентиляции, принудительного и активного вентилирования. Естественная вентиляция не дает положительных результатов вследствие образования застойных зон самосогревания, большой неравномерности температурного поля по высоте и массовых зон отпотевания. Чем крупнее хранилище, тем больше слой сырья, тем выше потери при естественной вентиляции, поэтому она находит применение, главным образом, в малых хранилищах (до 300 тонн) при небольшой высоте штабелей, а также в буртах и траншеях.
Однако буртовое и траншейное хранение имеет много недостатков: осмотр и выгрузка продукции зимой затруднены; анаэробиоз (удушье) картофеля и овощей при гнилостных почвах; трудность механизации погрузоч-но-разгрузочных работ; необходимость сортировки сырья при закладке; больше, чем в наземных хранилищах, расходы на единицу массы сырья.
Несмотря на указанные недостатки, бурты и траншеи в местах сбора урожая занимают еще довольно значительное место. Так, например, по данным Я. Верменко [22], более 80% семенного картофеля на Украине, хранят в буртах с естественной вентиляцией.
Хранение сырья с естественной вентиляцией сопровождается большими потерями. В лучшем случае естественная вентиляция обеспечивает 10% требуемого воздухообмена. Наибольшие потери часто бывают в средней по высоте части буртов.
К группе хранилищ с улучшенной естественной вентиляцией можно отнести траншеи с охлаждаемым дном. В траншеях с охлаждаемым дном, разработанных А.И. Мальсковским [184], обеспечено направленное движение охлаждающего воздуха снизу вверх. Приточный воздух поступает в массу сырья, расположенного на решетке.
По данным В. Колтунова [83], при охлаждении капусты в траншеях высотой 0,8 м, которые имели охлаждаемое дно (на дне котлована устанавливался щит высотой 0,2 м), были получены хорошие результаты в условиях Крыма: отходы колебались в пределах от 7,7 до 10,9%.
Принудительное вентилирование, основанное на конвективном отводе тепла, рассчитано главным образом на воздухообмен в незаполненном пространстве хранилища. Тара с сырьем омывается снаружи, причем воздух, как правило, не пронизывает насыпь сырья. Воздухораспределение редко бывает равномерным. В отдельных местах хранилища образуются застойные зоны. Все это приводит к неравномерности температурного поля и преобладанию в самой насыпи сырья составляющих свободного движения, то есть значительна роль естественной вентиляции (со свойственными ей недостатками) при отводе тепла дыхания.
Подача воздуха в хранилище с принудительной вентиляцией производится обычно сверху. Наиболее холодными оказываются верхние части штабелей сырья. После остановки вентиляторов возникают восходящие потоки воздуха, в результате чего происходит отпотевание ранее охлажденного сырья. Е.П. Широков отмечает, что при контейнерном хранении очень трудно (а вернее, невозможно) выровнять температуру в массе клубней. По его данным [189], контейнеры не обеспечивают поддержание оптимального режима хранения. В них наблюдается самосогревание сырья в верхних слоях, что приводит к возрастанию потерь.
Принудительная вентиляция не может быть рекомендована для пло-доовощехранилищ при использовании как искусственного, так и естественного холода.
Значительным шагом в деле совершенствования техники хранения сочного растительного сырья оказалась система активного вентилирования. Ее целесообразно применять в сочетании с навальным способом загрузки сырья (с целью улучшения воздухораспределения, уменьшения площади фильтрации и увеличения коэффициента использования емкости хранилищ), когда аэродинамические сопротивления в вертикальном направлении по всей площади основания штабеля оказываются примерно одинаковыми.
Активным вентилированием называется такая система воздухорас пределения, при которой внутри штабеля по мере необходимости отвод тепла под влиянием гравитационных, обусловленных энергией дыхания, или механических сил возникают однонаправленные токи охлажденного воздуха. Основные преимущества активного вентилирования [58]:
1) снижение вредного влияния на сырье внешних теплопритоков за счет:
а) уменьшения удельной площади поверхности наружных ограждений, благодаря более полному использованию площади пола и высоты хранилищ (высота насыпи достигает, например, для картофеля 6 м и более [51]);
б) почти полного исключения ассимиляции вентилирующим воздухом на пути к штабелю теплопритоков через покрытие, составляющее около 60% всей площади наружных ограждений хранилищ;
2) возможность равномерной аэрации почти каждого элемента сырья, что особенно важно в лечебный период;
3) благоприятные условия просушки сырья, убранного в дождливую погоду;
4) предупреждение образования устойчивых зон отпотевания, благодаря периодическому включению вентиляторов в процессе хранения.
К третьей группе способов хранения отнесены способы, основанные на использовании теплопроводности и конвективного теплообмена при отводе тепла в мелких траншеях среднего размера. Существенную роль здесь играет теплопроводность, поэтому потери влаги небольшие и результаты хранения удовлетворительные. Мелкие траншеи обычно применяются без прослойки сырья землей или песком.
При хранении больших масс сырья траншеи непригодны из-за высокой трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ, необходимости наличия больших, ежегодно обновляемых участков земли. Сложным является регулирование температуры в траншеях.
Численная реализация и проверка модели
Для решения сформулированной в п. 3.1 краевой задачи построена неявная разностная схема, аппроксимирующая исходные уравнения в частных производных системой алгебраических уравнений. Полученная система решается методом прогонки. Разностная схема и решение данной задачи приведено в работе [121]. Программа, реализующая этот алгоритм, написана на языке Фортран для ПЭВМ, текст которой приведен в приложении, а блок-схема - на рис. 3.1. Построенная математическая модель позволяет рассчитывать время, необходимое на ремонт системы энергоснабжения на фоне заданных погодных условий, а также дает возможность проследить за ходом температур в хранилище во время аварийной ситуации как для 3, так и для произвольного количества слоев ограждающих конструкций. Это делает возможным «проигрывать» на ПЭВМ различные варианты в случае отключения источников энергоснабжения в хранилище и получать обоснованные решения многих практических задач.
На рис. 3.2 представлены графики изменения температур на внутренней поверхности покрытия, на поверхности слоя продукции и внутреннего воздуха в зависимости от времени в летний и зимний периоды эксплуатации хранилищ.
Исходя из графиков, полученных при хранении картофеля при tm=to=2C,tcp=-25C в период расчетных зимних температур наружного воздуха (средняя температура наиболее холодной пятидневки) и условиях п. 2.2 (весенний период эксплуатации хранилища), можно сделать анализ результатов счета:
1) начальные условия задачи оказывают влияние на формирование температурного режима верхней зоны хранилища лишь на определенный промежуток времени, после чего наступает регулярный режим теплообмена;
2) время, в течение которого температура поверхности слоя продукции достигает своего максимума (минимума), допустимых нормами технологического проектирования, для данной конструкции превышает время допустимого отключения системы энергоснабжения, соответствующего второй категории надежности (гд0„=3,5ч). Следовательно, данное покрытие обеспечивает вторую категорию тепловой надежности хранилища.
ПРИМЕЧАНИЕ. Категории тепловой надежности хранилища соответствуют категориям обеспечения его надежности электроэнергией [143];
а) в летний период эксплуатации; б) в зимний период эксплуатации хранилища.
1- температура t3 \хшв} внутренней поверхности покрытия;
2- температура te внутреннего воздуха;
3- температура t\XmS поверхности слоя продукции.
3) переход на третью категорию надежности хранилища (тдоп =24ч) [143] потребует прежде всего увеличения термического сопротивления покрытия и принятия ряда конструктивных мер, уменьшающих количество тепла, поступающего из верхней зоны хранилища или уходящего из нее.
Приведенные результаты иллюстрируют возможности математической модели как инструмента познания процессов, формирования микроклимата хранилищ. При этом, естественно, возникает вопрос: насколько адекватно описывает данная модель оригинал? Для ответа на этот вопрос сопоставим данные расчетов с экспериментальными материалами.
Для определения температурного поля в покрытии, в продукции, в верхней зоне (пространство между покрытием и продукцией) в начале февраля 1984 года коллективом НИИСФ были проведены повторные натурные исследования в картофелехранилище в совхозе «Куликовский» Орловской области [128]. Установка термопар была идентична схеме, изображенной на рисунке 2.5, только термопара в массе картофеля находилась на глубине 1 м.
В ходе экспериментов измерялась температура в ограждении хранилища, в массе картофеля и на поверхности насыпи, а также температура воздуха внутри хранилища и снаружи. По материалам этих исследований были построены графики температур воздуха внутри хранилища в03д, поверхности насыпи картофеля tKapT и в массе tm , представленные на рисунке 3.3.
Аварийное отключение системы энергоснабжения картофелехранилища происходило 5 февраля в 24 часа, а включение - 6 февраля в 6 часов. Как следует из графиков, температура воздуха внутри хранилища и на поверхности продукции понижается, а в массе картофеля увеличивается. Возрастание температуры tm объясняется самосогреванием картофеля в глубине насыпи при неработающей системе вентилирования.
Рассмотренная выше прикладная модель была использована для выполнения численных экспериментов. Цель этих исследований заключалась в изучении элементов микроклимата хранилища в зимних условиях при отключении системы отопления и вентиляции для различных климатических зон и в определении времени, необходимого на ремонт оборудования.
Расчеты проводились для разных вариантов температур наружного воздуха: -30, -25, -20, -15С. Причем температура наружного воздуха принималась постоянной в течение нескольких суток. Температура массы продукции (картофеля) на глубине 2 м равна +2"С. В верхней зоне хранилища температура воздуха в начальный момент времени равнялась +2С. Покрытие хранилища изготовлено из рубероида толщиной 0,02м, утеплителя из жестких минераловатных плит, толщиной 0,12 м и железобетонных плит, толщиной 0,03 м. Высота, незаполненной продукцией, верхней зоны хранилища равна 1 м.
В результате исследований получены по четырем режимам изменения температур в течение нескольких часов. Численный счет на ПЭВМ прекращался в случае, когда температура на поверхности насыпи картофеля снижалась ниже+0,5 С.
По данным результатам построен график, представленный на рисунке 3.4, по которому можно определить время, допустимое на ремонт оборудования в зависимости от температуры наружного воздуха.
Из этого графика следует, что теплозащитные свойства покрытия данного картофелехранилища удовлетворяют условиям третьей категории надежности электроснабжения для климатической зоны с расчетной зимней температурой наружного воздуха -15С, а для остальных зон - второй категории.
Приближенное решение краевой задачи и анализ полученных результатов
Получение точного решения краевой задачи, представленной в предыдущем пункте, какими-нибудь аналитическими методами не представляется возможным.
Для решения задачи (6.1) - (6.16) использовался численный метод решения по неявным разностным схемам с различными модификациями и организацией быстро сходящихся итерационных процессов. При этом использовался локально-одномерный метод [150], позволяющий проводить расщепление двумерных уравнений (6.1) - (6.7) на последовательность одномерных.
По данному методу можно решить все дифференциальные уравнения (6.1)-(6.7).
Разработанный метод решения апробирован для расчета тепловлагообменных процессов в реальных хранилищах различных типов.
Расчеты и экспериментальные исследования для идентификации модели проводились нами для хранилищ с активной вентиляцией навального типа объемом от 1000 до 10000 т в Орловской обл., г.г. Чебоксарах, Курске. Периоды эксплуатации - осенний (режимы - лечебный и охлаждение) и зимний (хранение) [87, 54].
Основной режим вентилирования воздушной прослойки - турбулентный. Поэтому остановимся на этом более подробно.
Для турбулентного движения потока решение задачи о теплообмене имеется в работе Лацко [223]. По характеру своего изложения и взятым предпосылкам она напоминает работы Нуссельта. Профиль распределения скоростей (6.20) соответствует числам Рейнольдса, не превосходящим 105, пригодным в области действия закона сопротивления Блазиуса. Опытные данные дают согласование предельного параметра Нуссельта, взятого по формуле (6.22), и заметное расхождение с формулой (6.21), которые приведены в [147].
Опыты Никурадзе [76] установили, что уравнение (6.23) хорошо согласуется с кривой распределения скоростей, полученной из наблюдений при к = 0.4. Моделирование тепловой эффективности воздушной прослойки шириной от 0,02 м до 0,04 м проводилось для разных значений скорости и температуры воздуха на входе в прослойку. Рассматривался режим хранения картофеля в средней полосе России (г. Орел) для хранилища навального типа шириной 26 м, высотой штабеля 5 м, [87] в зимний период со среднесуточной температурой - 25С.
Моделирование тепломассобменных процессов проводится для кирпичного хранилища, хранимая продукция - картофель, способ хранения - навальный.
Насыпь картофеля вентилируется воздухом, подаваемым снизу через решетчатые полы. Режим вентилирования - непрерывный. Расход воздуха на 1 тонну хранимой продукции принимается равным 20 м /час. Физико-механические и теплофизические характеристики плодоовощной продукции и картофеля, а также конструкций и оборудования хранилищ содержатся в СНиП 2.10.02-84 и [25,56].
По результатам моделирования (рис. 6.2, 6.3) можно сделать вывод о том, что простым увеличением расхода воздуха в прослойке не удается повысить ее эффективность, если при этом происходит турбулизация потока, а, следовательно, улучшаются его теплопроводные свойства. С учетом этого факта можно с помощью компьютерного моделирования температур и влажности путем вычислительного эксперимента выбрать оптимальный режим вентилирования воздушной прослойки для хранилищ рассматриваемых типов в выбранный период их эксплуатации [90]. Критерием оптимальности служит максимизация объема насыпи (как видно, например, из рис. 6.2, 6.3), в котором температура и влажность плодоовощной продукции соответствуют нормам хранения [25, 56].
Методика технико-экономической оценки эффективности мероприятий по обеспечению сохранности продукции
Решение вопросов инженерного оборудования картофелехранилищ связано с технико-экономической целесообразностью. При оценке эффективности осуществляемых мероприятий необходимо применять комплексный показатель, учитывающий сметную стоимость, текущие расходы и сохранность продукции. Этим показателем являются приведенные затраты, рассчитываемые согласно [72].
Годовой экономический эффект рассчитывается путем сопоставления приведенных затрат по базовой и новой технике. Приведенные затраты П представляют собой сумму себестоимости С и нормативных отчислений от капитальных вложений К в производственные фонды.
В качестве проекта для базисных основных технико-экономических показателей принят рабочий проект «Хранилище семенного картофеля из ЛМК вместимостью 1054 тонны в колхозе им. Ленина Орловской области». Данный проект 813-2/15-85 с дублирующей системой подачи электроэнергии разработан институтом «Гипронисельпром».
Стоимость строительства или капитальные вложения по сводной смете К =10621,91 тыс. руб., куда включаются строительно-монтажные работы (СМР) - 8142,03 тыс. руб., стоимость оборудования - 1367,87 тыс. руб., прочие затраты - 1112,01 тыс. руб. В том числе стоимость картофелехранилища -5130,02 тыс. руб., куда включены СМР - 4072,67 тыс. руб., стоимость оборудования - 1057,36 тыс. руб. Себестоимость хранения С=1331,05 тыс. руб. Тогда согласно (7.1) приведенные затраты П базисного варианта 77=1331,05+0,15 10621,91=2924,34 (тыс. руб.) (7.2) или из расчета на 1 тонну единовременной вместимости П =2774,5 руб.
Рассмотрим первый вариант расчета технико-экономических показателей. По этому варианту исключается из базисного дублирующая система подачи электроэнергии, но добавляется расход электроэнергии на увеличение температуры массы продукции перед понижением температуры наружного воздуха t„ на случай временного отключения системы энергоснабжения картофелехранилища. Как показали теплотехнические расчеты для хранилищ из ЛМК, дополнительное количество электроэнергии требуется для случая, когда становится меньше -15С.
Найдем Kj сметную стоимость строительства картофелехранилища по первому варианту. Из базисной стоимости строительства исключаются: комплектная трансформаторная подстанция наружной установки стоимостью 76,88 тыс. руб.; 50% стоимости вне площадочных и внутриплощадочных сетей электроснабжения - 76,28 тыс. руб. Тогда исключаются прямые затраты на сумму 76,88+76,28=153,16 (тыс. руб.).
С учетом начислений по сводной смете - 167,57 тыс. руб., в том числе; СМР - 110,21 тыс. руб. оборудование - 51,95 тыс. руб., прочие затраты -5,41 тыс. руб.
Итого, сметная стоимость строительства по первому варианту #,=10621,91-167,57=10454,34 (тыс. руб.), в том числе: СМР - 8031,82 тыс. руб., оборудование - 1315,91 тыс. руб., прочие затраты — 1106,6 тыс. руб.
Рассмотрим себестоимость хранения Су по первому варианту. Из базисной себестоимости исключаются амортизационные отчисления и затраты на текущий ремонт на величину, исключаемую из базисной сметной стоимости строительства по рассматриваемому варианту: (98,0 0,064+97,3 0,057)+(98,0 0,064+97,3 0,057) 0,15=13,57 (тыс. руб.)
Шифр по принятым действующим нормам амортизационных отчислений; 6,4% - «40701»; 5,7% - «30008».
К базисной себестоимости добавляется стоимость дополнительного количества электроэнергии с учетом увеличения ее годового расхода на 6%: 0,88 тыс. руб. 0,06 0,05 тыс. руб.
Итого, себестоимость хранения по первому варианту С] = 1331,05-13,57+0,05=1317,53 (тыс. руб.) Находим приведенные затраты П\. По первому варианту согласно (7.1) 77;=С/+„ #/=2885,68 (тыс. руб.) (7.3)
Приведенные затраты из расчета на 1 тонну единовременной вместимости П\ =2737,8 руб. Второй вариант расчета технико-экономических показателей предполагает включение в состав сооружений резервной дизельной электростанции мощностью 200 кВт вместо дублирующей системы подачи электроэнергии.
В соответствии с паспортом типового проекта 407-3-404,86 сметная стоимость рассматриваемой дизельной электростанции составляет 865,76 тыс. руб., в том числе; СМР - 288,89 тыс. руб., оборудование - 576,88 тыс. руб. Общая сметная стоимость строительства по второму варианту #2=10454,34+865,76=11320,1 (тыс. руб.), в том числе; СМР - 8320,71 тыс. руб., оборудование - 1892,79 тыс. руб., прочие затраты — 1106,61 тыс. руб.
Найдем себестоимость хранения С2 по второму варианту. Из величины годовых эксплуатационных затрат исключается стоимость дополнительного количества электроэнергии 0,05 тыс. руб., учитывая по первому варианту, но добавляются амортизационные отчисления и затраты на текущий ремонт дизельной электростанции. C2= 1317,53 - 0,05+865,76 0,102 = 1405,79 (тыс. руб.). Шифр по принятым действующим нормам амортизационных отчислений; 10,2%-«40203».
Тогда приведенные затраты П2 по второму варианту #2 = С2+Ен -К2 = 3103,81 тыс. руб., а приведенные затраты из расчета на 1 тонну единовременной вместимости Пт2 = 2944,8 руб. Полученные результаты были сведены в таблицу 7.1, из которой следует, что наиболее экономичным является первый вариант мероприятий, согласно которому вместо дублирующей системы подачи электроэнергии используется дополнительный расход тепла на увеличение температуры насыпи продукции перед понижением температуры наружного воздуха на случай временного отключения системы энергоснабжения картофелехранилища.
