Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния теории и практикh хранения картофеля 12
1.1. Биологические основы хранения 12
1.2. Методы хранения и способы обеспечения технологического микроклимата хранилищ 15
1.3. Состояние вопроса исследований процессов обеспечения технологического микроклимата хранения в хранилищах с активной вентиляцией 21
1.3.1. Физико-механические свойства клубней 21
1.3.2. Гидравлическое сопротивление насыпи 21
1.3.3. Теплофизические характеристики клубней 25
1.3.4. Обзор результатов анализа процессов формирования и поддержания микроклимата хранения насыпи клубней системами активной вентиляции ,.,... 31
1.3.5. Режимы работы систем активной вентиляции 39
1.4. Цели и задачи исследований 44
2. Обоснование и теорегический анализ тешгофизической модели процессов формирования и поддержания микро климатических условий хранения картофеля системами активной вентиляции
2.1. Обоснование модели 46
2.2. Формирование температурных полей при вынужденной конвекции 53
2.3. Формирования температурных полей при естественной конвекции 64
2.4. Анализ элементов взаимосвязи вынужденной и естественной конвекции в насыпи клубней 69
3. Экспериментальная база, методика и бланирование экспериментальных исслещований 73
3.1. Задачи и особенности планирования исследований, 73
3.2. Экспериментальная база исследований 74
3.3. Методика исследований 79
4. Анализ результатов экспериментальных исслвдовавий на полупромышпенном стенде 87
4.1. Определение физико-механических свойств и гидравлического сопроивления насыпи клубней 87
4.2. Закономерности и характеристики динамики формирования температурных полей в насыпи клубней при активной вентиляции 92
4.2.1. Вынувденная конвекция в период охлаждения 92
4.2.2. Определение коэффициента теплоотдачи насыпи клубней 93
4.2.3. Влияние внутренних биологических телловы делений на процессы охлаждения клубней в насыпи ... 98
4.2.4. Вынужденная конвекция в основной период хранения ... 102
4.2.5. Естественная конвекция 105
4.3. Формирование влажностных полей в насыпи клубней при активной вентиляции 109
5. Разработка методики расчёта резшгов работы систем активной вентиляции. результаты натурных исследований и практического внедрения 114
5.1. Разработка методики 114
5.2. Результаты натурных исследований 126
5.3. Практическое внедрение результатов исследований . 129
5.4. Технико-экономические аспекты повшения надёжности хранения картофеля 132
Выводы по диссертации, 137
Список литературы.
- Состояние вопроса исследований процессов обеспечения технологического микроклимата хранения в хранилищах с активной вентиляцией
- Формирование температурных полей при вынужденной конвекции
- Экспериментальная база исследований
- Определение коэффициента теплоотдачи насыпи клубней
Состояние вопроса исследований процессов обеспечения технологического микроклимата хранения в хранилищах с активной вентиляцией
Клубни картофеля образуют при хранении сложную полидисперсную пористую структуру, к основным физико-механическим свойствам которой следует отнести: характерные геометрические размеры и фракционный состав элементов (клубней), наличие механических примесей; пористость "ІГ; удельную Рк и насыпную Рн плотности клубней; удельную поверхность клубней насыпи S» .
Практическим критерием к размерам и фракционному составу закладываемых на хранение клубней и их механической загрязненности является выполнение требований ГОСТа 7176-68. Размеры и форма клубней в насыпи изменяются в довольно широком диапазоне и их характеристика возможна лишь статистическими методами. В технической литературе, как правило, при такой статистической характеристике ограничиваются указанием среднего размера клубней пи, не приводя параллельно данных по ее фракционному составу. Среднереализуемая в практике хранения величина среднего размера клубней ao=:0,05 м [11,35,36] и может колебаться от 0,04 м до 0,09 м [13,I6j . Степень пожди спер снос ти реальных насыпей значительна. Усредненные по годам и сортам диаметры клубней, поступающие на хранение в основных картофелепроизводящих районах страны, имеют размер: до 0,04 м - 30 ; 0,04 ... 0,08 м -- 63 % (размер d ) [I6J ; 0,05 ... 0,09 м около 80 % [37] .
Пористость насыпи клубней определяется отношением объема пор к общему объему насыпи. Пористость, величины удельной и насыпной плотностей взаимосвязаны соотношением; Удельная плотность клубней рк изменяется довольно незначительно, от 1060 до 1160 кг/м и для расчетов может быть принята средняя величина 11OO кг/м [11,36] . Пористость и насыпная плотность зависят от формы, размеров клубней, фракционного состава насыпи и способа ее укладки. Величина рн изменяется в пределах 650 ... 700 кг/м [11,36] . Пористость насыпи с мелкими клубнями равна П = 0,3 ... 0,4 [8] , со средними и крупными /7 = 0,4 ... 0,5 [8,16] . Результаты замеров дают следующую зависимость пористости от среднего размера клубней и0 : 0,047 м - /7 = 0,38; 0,06 м - /7 = 0,42; 0,075 м - /7 = 0,45 [39] .
Удельную поверхность клубней в насыпи 5« вводят при расчете интенсивности процессов тепло- и массообмена. Точность определения величины SH вследствие сложности формы клубней и дисперсии их размеров в большинстве случаев неудовлетворительна. Введение ее в какой-то мере целесообразно лишь для монофракционяой насыпи. В специальной литературе величина SH принимается как для плотной упаковки шаров 5н = 20 м2/м3 [13,36]
Гидравлическое сопротивление дисперсной среды является функцией ее структурных характеристик и скорости фильтрующегося потока. При небольших числах Re 1 движение жидкой фазы подчиняется линейному закону фильтрации Дарси: 4 - Jrr Ucp , V1.2)
Эмпирическая величина коэффициента проницаемости / зависит от структуры пористой среды, в общем подчиняется соотношению Кармана - Козени: я = Ія пш(і-л)гіі\ где величина У определяется формой элементов структуры (для шаров /qb = I/I80). Для объема клубней этот режим может иметь место при естественной конвекции, однако соответствующие количественные зависимости для гидравлического сопротивления отсутствуют.
Режиму вынужденной конвекции при активной вентиляции насыпи клубней соответствуют значения Re порядка десятков и сотен и режимы течения от ламинарного до турбулентного. На величину потерь давления может значительно влиять наличие механических примесей в насыпи. Проанализируем основные результаты исследований, в которых загрязненность клубней удовлетворяет требованиям ГОСТа 7176-68.
Формирование температурных полей при вынужденной конвекции
Постановка задачи. В рамках принятых в разделе 2.1 физических положений и допущений вывод исходных уравнений процесса следует из условий теплового баланса конвективного теплообмена на поверхности клубней. Графическая схема приведена на рис.2.2. Записывая условия баланса тепла для воздуха и клубней в элементарном слое высотой д ее и делая последующий предельный переход АХ- О , имеем в системе координат с осью X , совпадающей по направлению с вектором скорости и с началом в плоскости входа воздуха, исходные дифференциальные уравнения: для воздуха: CsA( + u$)= -SH(t-e), (2.4) для клубней картофеля cK/ $ fi-A-s(t-e), (2.5) где 6 и д - температуры клубней (каркаса) и воздуха соответственно, U - скорость воздуха в порах, Qv - интенсивность внутренних (биологических) тепловыделений клубней с единицы объема насыпи.
Из уравнений (2.4, 2.5) следует, что для рассмотрения процессов теплоотдачи нет необходимости определять удельную поверхность клубней в насыпи SH а использовать коэффициент теплоотдачи oCv С единицы объема насыпи c/v=5c . Физически величина oCv характеризует количество тепла, ассимилированного воздухоМ за единицу времени с единицы объема насыпи. Определение именно величия dCv , а не с/, предлагают и соответствующие методики [58] .
Приведем уравнения (2.4, 2.5) к более удобному для анализа виду: -A-KJt-Є) , (2.6) где: Начальным условием задачи, общим для обоих периодов хранения (для периода охлаждения =0) имеем: t(x,0) = t.+6x , (2.8) граничным условием: в(0,г)=во . (2.9)
Отсутствие в постановке задачи начальных условий для температуры в(ХyО) объясняется тем фактом, что учет в системе (2.6) производной по времени от температуры воздуха приводит к появлению в решении членов, пропорциональных exp (-Ki U -Т) , экспоненциально спадающих в течение начальных нескольких секунд, что пренебрежимо мало в длительности процесса [72 ] . Аналогичные результаты получены, например, в работе [73] , где поставлены точные граничные условия, учитывающие особенности теплообмена в плоскости входа воздуха X = 0.
Решение задачи. Систему нестационарных уравнений (2.6) решаем методом преобразования Лапласа по временной координате, в пренебрежении производной - = &. Вводя коэффициент К К/и-1 , имеем в изображениях с параметром преобразования О систему: =/( (tX-d ) $Х (2.10) [st -(t. + bx)=f -кгах-в ) eX(0,Z)=f , (2.П) Выражая из второго уравнения системы (2.10) значение t и подставляя его в первое, получим для в дифференциальное уравнение типа: по/-)
Решая его методом интегрирования произвольной постоянной и учитывая граничное условие (2.II), имеем для 0 :
Оригинал первого из двух слагаемых (2.12), выделенный в квадратные скобки, вычисляется по таблицам обратных преобразований Лапласа [74] и равен: К . (2.13)
Оригинал второго слагаемого (2.12) определим по теореме о свертке [74] , прибегнув в начале к искусственному приему. Домножим линейную часть произведения на ( S + К ), а экспоненту разделим на (о + К2)и найдем изображения каждого из получившихся сомножите - 56 лей. Оригинал первого тг будет содержать импульсную функцию f+ (Т): Л, + 2 Л, Лг (2.14)
Оригинал второго сомножителя определится вычетом функции (5+Ка)е р(-МХ)ехр (5т) в точке 5 = -Л2-Прове для некоторые преобразования, а также домножая и деля функцию на ехр (К2 Т) , запишем ее в виде:
Разлагая экспоненты в ряды по членам 5 + К2 и перемножая, вычислим коэффициент при члене (S + К ) » который по определению и будет искомым вычетом. Соответственно оригинал равен: (2.25) Здесь L (Х,Т) модифицированная функция Бесселя мнимого аргумента первого рода нулевого порядка.
Экспериментальная база исследований
В решении вопросов планирования проведения, необходимого объема решаемых задач экспериментальных исследований модно выделить три ОСновныХ элемента: 1. Решение задач разработки теплофизической модели процесса активной вентиляции. 2. Решение вопросов практической обеспеченности результатов исследований. 3. Выполнение биологических и технологических требований к проведению исследований.
Разработанная в соответствии с современными концппциями теории процессов тепломассообмена в дисперсных средах модель активной вентиляции является теоретико-экспериментальной. С теплофизических позиций планирование проведения и необходимый объем экспериментальных исследований определялись двумя основными задачами: - определение основных динамических характеристик процессов: коэффициента теплоотдачи насыпи с учетом биологической активности клубней и интенсивности естественной конвекции для расчета процесса по предлагаемым теоретическим зависимостям; - анализ закономерностей реальных процессов формирования температурных и влажностных полей в насыпи при активной вентиляции с учетом биологической активности, особенностей технологических периодов хранения для экспериментального подтверждения достоверности положений и допущений модели процесса.
Решение этих задач потребовало разработки и создания экспериментальной базы исследований, выбора и обоснования методики проведения экспериментов.
Решение вопросов практической обеспеченности результатов исследований заключалось в следующем. Физико-механические параметры насыпи: размеры клубней, степень полидисперсности, пористость, гидравлическое сопротивление могут изменяться в довольно широких пределах. Наибольшую степень обеспечения точности практических решений вопросов эксплуатации, типового и экспериментального проектирования при этом будут иметь результаты, полученные на средне-статистической по составу (средне-реализуемой в практике хранения) насыпи клубней. Соответственно, одной из задач и условий исследований являлось определение параметров такой насыпи и использование ее в качестве экспериментальной.
Требованием к планированию исследований вопросов качества хранения растительной продукции с биологических позиций является трехкратная (трехгодичная) повторяемость опытов [68] . При выполнении работы была проведена апробация результатов исследований в хранилищах г.Горького и Горьковской области в сезоны 78 ... 79, 79 ... 80, 80 ... 81 годов, т.е. в течение 3-х лет.
Особенности формирования температурных и влажностных полей при работе систем активной вентиляции в реальных хранилищах с биологически активной продукцией накладывают специфичес Принципиальная схема полупромышленного стенда для исследований режимов работы систем активной вентиляции: I - камера с продукцией; 2 - камеры воздухораздачи; 3 - вентилятор; 4 - воздухоохладитель; 5 - насадок Вен-тури; 6 - электронный мост ЭМП-209 М2; 7 - магазин сопротивлений; 8,9 - линии для замера статического давления; 10 - электрическая разводка термометров сопротивления, кие требования к выбору экспериментальной базы исследований. Решение вопросов определения коэффициентов теплоотдачи насыпи, интенсивности естественной конвекции;- анализ закономерностей формирования температурных и влажно с тных полей в насыпи, рож биологических тепловыделений вызывают необходимость исследований по всей высоте слоя клубней. Бозмокность изучения процессов в таком объеме на небольших лабораторных стендах, аналогичных предлагаемым, например, [15] , практически исключена.
Для решения задач экспериментальных исследований работы в лаборатории кафедры теплогазосдабжения и вентиляции Горьковско-го инженерно-строительного института был спроектирован и смонтирован полупромышленный стенд, показанный на рис. 3.1, 3.2.
Определение коэффициента теплоотдачи насыпи клубней
Общие особенности и схема определения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции в пористых средах изложены в п. 1.3.4. Конкретные методики расчета численных значений для сред без внутренних тепловыделений разработаны и приведены, например, в работах [47,58] . Биологические тепловыделения клубней изменяют характер теплообмена в насыпи при активной вентиляции. Проведенный теоретический анализ (п. 2.2) показал, что внутренние тепловыделения практически не влияют на динамику изменения кривых \(х Т) на основном участке 0,3 УСЕД 0,7. ЭТО дает возможность использовааь длл япределении объемного коэффициента теплоотдачи методику, разработанную Б.Н.Ветровым и О.М.Тодесом Г58] . Значения oCv находятся по параметрал кривых Y(x,T) на участке 0,3 Y(x,T)=ss 0,7, в частности, по разности времен л Т = Т з - Тд7 . Соответствующая аналитическая зависимость для определения ьСу имеет вид [58J :
Уравнение (4.4) и результаты теоретического анализа показывают, что для расчета процессов охлаждения насыпи нет необходимости определения коэффициента теплоотдачи с единицы площади поверхности клубней и соответственно удельной поверхности SH насыпи. Характеристикой процесса является коэффициент теплоотдачи с единицы объема насыпи оСv
Исходные данные, последовательность и результаты обработки экспериментальных данных по определению численных значений сведены в таблицу приложения 2.
Погрешность измерений по величине среднеквадратического разброса значений коэффициентов теплоотдачи лекит в интервале 5,2 ... 9,3 %. Наибольшая погрешность, равная 11,2 %, наблюдалась при вентиляции с минимальным расходом Z = 100 M3/(м«ч), что связано с увеличением относительной погрешности измерения расхода воздуха.
Экспериментальный анализ результатов определения коэффициента теплоотдачи при различных направлениях продувки (разброс данных в пределах погрешности 9,3 ... 9,8) показывает, что при отсутствии в насыпи начальных градиентов температур направление вентилирующего воздушного потока не влияет на характер теплообмена.
Результаты расчета коэффициентов теплоотдачи с единицы объема насыпи представлены графически на рисунках 4.3, 4.4. На рисунке 4.3 показаны конкретные значения oCv в зависимости от расхода воздуха и аппроксимирующая кривая. На рисунке 4.4 показаны результаты сопоставления с данными других авторов.
Обработка результатов по методу наименьших отклонений определила аналитические зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости воздуха в порах U м/с и расхода Z м3/(м2-ч) Соотношение (4.6) введено для целей практических расчетов, поскольку в нормативных документах [22] используются часовые расходы воздуха, размерность оС тм2-ч-ю (м2/м3).
Качественно полученные зависимости согласуются с общими результатами исследований теплообмена в пористых средах [42, 43,47,55] . Существенна общность характера основной функциональной зависимости oC, = f (и) : величина коэффициента теплоотдачи растет с увеличением скорости воздушного потока. Аналогичный (4.5) линейный характер функции ov=f(u) для картофеля предлагают работы [13,14] .
Конкретные значения коэффициентов теплоотдачи, используе мые другили авторами, как это уже отмечалось в обзоре, п. 1.3.3 и показано на рисунке 4.4, имеют существенный разброс. Зависи мость (4.5) дает более низкие значения aCv , чем полученные для картофеля в работах [14,15] . Основной причиной отличия от данных. [15] является справедливость последних лишь для мо нофракционного состава насыпи. Согласно общим результатам теп лообмена в пористых средах полидисперсность, имеющая место в нашем случае, приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи. Приводимые данные по величине уменьшения, до 2-х раз, качест венно согласуются с расхождениями кривых (I) и (3) на рис. 4.4 [47] . Дополнительной причиной расхождения может быть исполь зование Б Ц5] иной методики измерения температур насыпи внедрение термопар под кожуру клубня. Это приводит к разруше нию структуры клубня, изменению нормального хода биологических и, как следствие, тепловых процессов в нем. Значения, приводи мые в [14] , имеют очень ВЫСОКИй тем изменения функции otv = - f (U-) Так, при L, =150 ОНИ бОЛЬШЄ COO ТР.Р ТО ТТТУТП щих величин для монофракционной насыпи картофеля, при L = 250 -больше, чем для слоя идеальных шаров [51] . Б целом это противоречит общим результатам анализа влияния полидисперсности на теплообмен в пористом слое. Шжно указать конкретно на одну из причин этого. Автор [14] использовал введение в расчетные формулы для учета биологических тепловлаговыделении так называемой "расчетной" теплоемкости С =С + С$тгп р ГТ„Э/& tm . Подстановка значений Сс , приведенных в [14] , в формулу расчета o(.v (4.4) дает систематическое завышение коэффициентов теплоотдачи, достигающее 20 %. В целом проведение исчерпывающего анализа причин расхождения существенно затруднено, поскольку отсутствует "привязка" данных [14] к структурным характеристикам исследованной насыпи. Зависимость A,-f (d, П) не исследовалась и использование соотношения А/и 0,05 Re для характеристики отличной по составу насыпи не аргументировано.
Результаты графического сопоставления показывают на наибольшее .совпадение полученных нами данных с рекомендуемыми В.З.Жаданом [10J . Расхождения в характере изменения функции могут быть отнесены к тому, что данные [10] , л!шь частично проверенные экспериментально, используют результаты обобщения исследований теплообмена в небиологических пористых средах. На необходимость конкретных экспериментальных исследований явным образом указывают их значительное расхождение с результааами Б.Опхюза, использовавшего значения коэффициентов теплоотдачи слоя песка [13] .
