Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние исслщуемого вопроса
1.1. Микрокпиматические условия качественного хранения скоропортящейся продукции 11
1.2. Организация воздухораспределения в помещениях цри хранении скоропортящейся продукции 21
1.3. Цель и задачи исследования 33
Глава II. Совершенствование распріщеления воздуха в загруженном помещении при истечении потока "снизу-вверх" в штабель продукции 58
2.1. Технические и методологические предпосылки к решению задачи по повышению эффективности системы воздухораспределения .
2.1.1. Разработка и обоснование цринятых к исследованию вариантов конструктивно-технологического оформления внутренней поверхности вертикальных наружных тепло-отдающих ограждений 58
2.1.2. Обоснование выбора метода исследования. Постановка задачи к методике оценки эффективности воздухораспределения и определения воздухообмена
2.2. Экспериментальные исследования 56
2.2.1. Программа исследования 56
2.2.2. Особенности физического моделирования аэродинамических и тепловых процессов применительно к исследуемому объекту. Описание экспериментальной установки 58
2.2.3. Методика постановки модельного эксперимента. Оценка погрешностей результатов экспериментов 71
2.2.4. Результаты экспериментальных исследований 81
Глава III. Исследование влияния условий истечения на формирование потока в слое продукции с насыпной структурой 115
3.1. Постановка задачи 113
3.2. Экспериментальная аэродинамическая установка. Методика исследования 116
3.3. Закономерности развития струйных выпусков воздуха в слое продукции 1И
3.3.1, Истечение из крупногабаритных отверстий (решеток) 124
3.3.2. Влияние конструктивного оформления при точного отверстия 155
Глава IV. Внедрение результатов исследованйй 148
4.1. Методика определения проектного воздухо обмена и расчет системы воздухораспределешя 148
4.1.1 Вертикальная система воздухораспределения 148
4.1.2. Горизонтальная система воздухораспределения 152
4.2. Технико-экономическое обоснование внедрения результатов исследований в трюмах промысловых
судов 161
4.2.1. Вертикальная система воздухорасцределения 163
4.2.2. Горизонтальная система воздухораспределения вывода 171
Литература
- Организация воздухораспределения в помещениях цри хранении скоропортящейся продукции
- Разработка и обоснование цринятых к исследованию вариантов конструктивно-технологического оформления внутренней поверхности вертикальных наружных тепло-отдающих ограждений
- Особенности физического моделирования аэродинамических и тепловых процессов применительно к исследуемому объекту. Описание экспериментальной установки
- Вертикальная система воздухораспределения
Организация воздухораспределения в помещениях цри хранении скоропортящейся продукции
Интенсивность этого дыхания различна для разных видов плодоовощей и может служить биологическим показателем, указывающим на пригодность их для цродолжительного хранения. С увеличением интенсивности дыхания сроки хранения уменьшаются [49 j .
В процессе дыхания в плодах происходит распад углеводов, органических кислот и других органических веществ. Окисление органических соединений сопровождается поглощением кислорода, выделением углекислого газа, воды и тепла и уменьшением веса продукта. Таким образом, представляется, что при хранении необходимо, прежде всего, обеспечивать условия, наиболее полно соот-нормальному течению процессов дыхания.
Температура окружающей среды является одним из важных факторов, активно влияющих на характер и интенсивность дыхания плодоовощей при хранении. Поддержание ее на низком уровне замедляет биохимические процессы, подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и в большинстве случаев повышает устойчивость к заболеваниям. Именно поэтому применение низких температур стало одним из основных методов воздействия на лежкость плодов и овощей при длительном хранении. Нижний предел нормируемых температур, однакоо ограничен в связи с опасностью подмерзания тканей, прилегающих к кожице. Установлено, что температуры замерзания фруктов и овощей зависят от их химического состава и колеблются в пределах минус I - плюс 4С. Так, для яблок и груш она равна плюс 1,5С, для винограда - минус 1С [б] . В связи с изложенным, при хранении "дышащей" продукции температурный режим поддерживается строго ограниченным. По данным Международного института холода, рекомендуемый интервал температуры хранения назначается в достаточно узких пределах - от минус 1,0 до плюс 4,0С, в зависимости от вида, сорта, района произрастания продукта [106] .
Дяя успешного хранения плодоовощей, так же, как и для хранения рыбопродукции, важным условием является стабильный температурный режим. Имеются данные биохимических исследований, свидетельствующие о том, что при колебаниях температуры даже на 1-2 С интенсивность дыхания плодоовощей повышается почти в 1,5 раза [іЗО] , снижается также устойчивость их к заболеваниям, сокращаются сроки хранения [б8] .
Как важный фактор успешного хранения плодов и овощей,следует считать влажностный режим в хранилище, который оказывает решающее влияние на испарение влаги с продукта и тем самым на его качество. Несмотря на относительно большое содержание в плодоовощах воды (свыше 80 ), потеря ее на 5-7 у большинства видов исключает возможность длительного хранения [50] .
Пониженная относительная влажность воздуха во время хранения приводит к нарушению биохимических процессов, уменьшению устойчивости к заболеваниям, к увеличению естественной убыли (усушки) продукта. В то же время повышенная относительная влажность (95-100 ) приводит к увеличению потерь от загнивания вследствие усиленного развития плесени и поражения цродукта микроорганизмами.
По мнению большинства исследователей, относительная влажность воздуха для режима хранения растительной продукции должна поддерживаться в пределах 85-92 [ 109, 133, 155] .
Американские ученые считают оптимальной относительную влажность воздуха в хранилище 90-95 [l22, 158, 159] . Однако,, кроме опасности развития плесени и микроорганизмов, поддержание высокой относительной влажности увеличивает угрозу выпадения конденсата на поверхности продукта, тары, строительных конструкциях даже при незначительных колебаниях температуры, которые всегда имеют место в практике хранения. Например, допустимо считать, что при температуре воздуха 0С и влажности 95 достаточно понизить его температуру на 0,5С, чтобы достигнуть состояния насыщения. Поэтому в хранилищах необходима довольно высокая точность подцержания не только заданной температуры, но и влажности воздуха. Допустимые отклонения температуры воздуха не должны превышать ±о,5С, а относительной влажности - 2 « 3 [іЗЗ].
В итоге представляется, что для подцержания постоянного и равномерного по всему объему помещения температурно-влажност-ного режима необходимо обеспечивать хорошую циркуляцию воздуха в массе продукции.
Вместе с тем, чрезмерная подвижность воздуха может увеличить потерю плодами ароматических веществ и вызвать повышенное испарение влаги, что должно отрицательно сказаться на качестве их хранения. Можно также подчеркнуть, что интенсивность вентилирования продукции существенно влияет и на такие процессы, как протекание раневых реакций во время лечебного периода в картофеле и корнеплодах. Например, наиболее интенсивное заживление механических повреждений картофеля происходит при скорости омывающего воздушного потока от 0,2 до 0,4 м/сек [25] , а менее интенсивное - от 0,1 до 0,3 м/сек.
Разработка и обоснование цринятых к исследованию вариантов конструктивно-технологического оформления внутренней поверхности вертикальных наружных тепло-отдающих ограждений
Экспериментальные исследования, направленные на дальнейшее совершенствование вертикальной системы воздухорасцределения с раздачей воздуха "снизу-вверх" и наличием конструктивно-тех- -нологического оформления внутренней поверхности наружных тепло-отдающих ограждений проводились по следующей общей программе. 1. Обосновывались основные принципы моделирования аэродинамических и тепловых процессов применительно к исследуемой вертикальной системе воздухораспределения грузового помещения (трюма) с вариантами конструктивно-технологического оформления термоизолирующих байпасов горизонтальными элементами. 2. Разрабатывалась и рассчитывалась объемная модель грузового помещения (трюма) с моделированием наружных теплопоступлений для экспериментальных исследований вариантов вертикальной системы воздухораспределения, согласно п.1. 3. Проводились исследования по отработке предложенных вариантов конструктивно-технологического оформления термоизоли - 57 рующих байпасов. При этом: - определялась необходимая относительная площадь живого сечения для прохода воздуха по байпасу; - изучался характер формирования температурных и скоростных полей в байпасах и штабеле продукции; - по изменениям скорости воздуха в байпасах и температуры в штабеле оценивалась степень утепления груза в пограничной области; - устанавливался оптимальный расход воздуха, который необходимо подавать для вентилирования слоя загрузки при различных вариантах конструктивного оформления. 4. Устанавливалась эффективность и надежность вариантов системы воздухораспределения, согласно п.1, на основе обобщения полученных экспериментальных данных методами теории вероятности и математической статистики. 5. Выявлялись тепловые и аэродинамические характеристики вертикальной системы воздухораспределения с вариантными решениями конструктивного оформления. 6. Оценивалась погрешность модельного эксперимента для проведения объективного анализа опытных данных. 7. Общей целью экспериментальных исследований предусматривалась разработка рекомендаций по цроектированию и методике определения воздухообмена для предлагаемого варианта воздухораспределения с гарантированным хранением продукции в установленные сроки. - 58 2,2.2, Особенности физического моделирования аэродинамических и тепловых процессов применительно к исследуемому объекту. Описание экспериментальной установки Физическое моделирование, в основе которого лежит разработанная советскими учеными теория подобия [44, 65, 71, 76] , позволяет: - изучать явления в целом при отсутствии реального объекта (на стадии цроектирования); - устанавливать влияние на процесс каждого из факторов (например, конструктивных особенностей, интенсивности вентилирования и т.п.) отдельно и в любом сочетании; - выполнять логические обобщения на основании отдельных экспериментов.
В настоящее время существует достаточно много методик неполного моделирования тепловых и аэродинамических процессов, изложенных, например, в работах [l2, 20, 45, 46, 71, 76]] Большинство из них имеют строго определенную область применения. Выбор той или иной методики в основном зависит от характера и сложности решаемой задачи, а также требований к степени точности конечного результата.
При изучении тепловых и аэродинамических процессов, применительно к поставленной задаче, необходимо было оценить формирование температурных и скоростных полей в байпасах и штабеле хранимой продукции при вертикальной системе воздухораспределения. Указанные параметры зависят в основном от теплотехнических свойств наружных ограждений, распространения и взаимодействия приточных и конвективных струй, от величины воздухообмена.
В основу моделируемого объекта быяо взято типовое помеще - 59 ние - трюм рефрижераторного судна, перевозящего мороженую рыбопродукцию. Рассматривался основной режим изотермического хранения, когда внутренние тепловыделения от продукции практически отсутствуют.
Дяя моделирования внешних теплопоступлений через вертикальные наружные ограждения были использованы их специальные конструктивные решения. Они представляли собой деревянные рамы с двойным остеклением (рис.2.6). Между стеклами была натянута теплоотдающая нихромовая спираль диаметром 0,3 мм и шагом между нитями, равным 0,36-Н, где Н - высота воздушной прослойки, Передача тепла к внутренней поверхности вертикального ограждения осуществляжась в данном случае за счет теплопроводности. При этом в воздушном прослойке исключалось возникновение конвективных токов. Это способствовало значительному снижению перепада температуры по высоте внутренней поверхности ограждения.
Особенности физического моделирования аэродинамических и тепловых процессов применительно к исследуемому объекту. Описание экспериментальной установки
Графическая интерпретация этой зависимости при /ж.с. тг и переменной величине воздухообмена показана на рис.227. Наряду с влиянием геометрического параметра (Jокc.) конструктивно-технологического оформления термойзолирующих байпасов отмечается возрастание величины ё с увеличением воздухообмена. Минимаяьное значение параметра э + наблюдается при конструктивном
Окончательное заключение о выборе рационального варианта конструктивно-технологического оформления термоизолирующих байпасов было сделано по величине расхода воздуха (2.29), который обеспечивает нормированный перепад температур в штабеле продукции, и показателям качества Ккзч и эффективности КЭФ .
Таким образом, в условиях сопоставимой эффективности наилучшие технико-экономические показатели имеет вертикальная система с конструктивно-технологическим оформлением термоизолирующих байпасов горизонтальными элементами ( J = 0,25 и J = 0,28)L Рациональный из вариантов конструктивного оформления горизонтальными элементами, имеющими {ж& - 0,25, дает экономию по воздухообмену в сравнении с традиционным оформлением вертикальными элементами ( тЖг = 0,75) на 36$ , что в энергетическом смысле имеет существенное значение, и сопоставлением
Их зави - 108 симость от заданной вероятности нарушения нормируемой величины избыточной температуры в штабеле продукции at т = 4С представлена на рис.2.28 при расходах воздуха & в диапазоне: 0,7-1,1 кг/с для оформления горизонтальными элементами с жс= 0,025; и 0,8 -1,4 кг/с для оформления вертикальными элементами с
Воздухообмен, необходимый для обеспечения нормируемой вели чины избыточной температуры в штабеле продукции At , с задан ной степенью надежности можно определить подста вив выражения (2.82) и (2.85) в (2.29). В этом случае G- нахо дится методом последующих приближений. В целях упрощения расчета предлагается определять необходимый воздухообмен по номограмме
Поскольку при хранении рыбы изменение нормируемого перепада температуры в слое загрузки не должно превышать 4С для мороженой продукции и 2С для пресервов, то сравнение вертикальных систем воздухораспределения, отличающихся конструктивно-технологическим оформлением ( жс = 0,75 и f ж.с = 0,25), по требуемому воздухообмену производилось при йї т = 40 и при /\t m = 2С.
Нормируемый перепад температур в слое продукции At m = 2С, в исследованном диапазоне расходов, обеспечивает только система воздухораспределения с конструктивно-технологическим оформлением термоизолирующих байпасов горизонтальными элементами с{ = 0,25 при вероятности нарушения параметра P(Atwm. arj =0,1 и расходе воздуха & = 2,15 кг/с (рис.2.29,а).
Для обеспечения нормируемого перепада температур в штабеле продукции для системы воз духораспределения с конструктивным оформлением горизонтальными элементами - f ж.с =0,25 требуется меньший воздухообмен(fc0,9 чем при: оформлением вертикальными элементами - .е. = 0,75 =1 .
Зависимость показателей эффективности и качества вертикальной системы воздухораспределения с конструктивно-технологическим оформлением термоизолирующих байпасов: I - горизонтальными элементами 1 J ок.0. =0,25; 2 - вертикальными элементами с Тжь 0,75 от вероятности нарушения нормируемых температур в штабале ііродукции
Таким образом, возможность обеспечения нормируемых параметров воздуха в слое продукции с большой надежностью и при меньших эксплуатационных затратах (а следовательно и капитальных) позволяет из всех исследованных вариантов вертикальной системы возду-хораспределения с конструктивно-технологическим оформлением термоизолирующих байпасов рекомендовать к проектированию и внедрению систему воздухораспределения с конструктивным оформлением байпасов горизонтальными элементами, имеющими -ж с =0,25.
Использование методов математической статистики и теории вероятностей 4, 47, 29 позволило установить ожидаемые погреш -m . Номограмма для определения требуемого воздухообмена в зависимости от нормируемой величины избыточной температуры в слое продукции и вероятности нарушения параметров для вертикальной системы воздухо-распределения с конструктивно-технологическим оформлением термоизолирующих байпасов: ности fr и О , которые оказались одного порядка и составили б& = 0,12-0,15 ; 6Q =0,17-0,19 при доверительной вероятности d =0,95. Анализируя опытные данные (см.приложение I), можно сделать вывод, что расхождения между тепловыделениями существенно меньше ожидаемых погрешностей для Q(17% и 19/о) . Это позволяет считать результаты модельного эксперимента вполне достоверными. Полученные величины предельных погрешностей результатов экспериментов приведены в табл.2.7.
Аэродинамическое сопротивление вертикальной системы воздухо-распределения с подачей воздуха в слой продукции по схеме "снизу-вверх" и конструктивно-технологическим оформлением термоизолирута-щих байпасов горизонтальными элементами, имеющими f g = 0,25, оценивалось приведенным коэффициентом КВ Г в зависимости от ин-тенсивности вентилирования (&Ът). С увеличением интенсивности вентилирования в диапазоне чисел &Ъшт от 120 до 240 (V 18 36 мЗ/ч м2) коэффициент аэродинамического сопротивления изменяется соответственно от ч=2422до с = 1466 . При этом потери давления в пересчете на натурные условия соответственно равны 1,06т 2,4 Па . Для практического использования экспериментальных данных предлагается зависимость потерь давления в системе воздухо-распределения от интенсивности вентилирования (рис.2.30).
Изучение течения разнообразных капельных жидкостей и газов через слои зернистого материала является предметом целого ряда экспериментальных и теоретических исследований в гидротехнике, конструировании химических аппаратов и др.областях. Несмотря на достигнутые успехи в изучении этой проблемы, имеется еще много нерешенных вопросов. Последнее объясняется как сложностью процесса фильтрации потока через пористый слой, так и большим количеством факторов, влияющих на процессы течения.
Уже можно считать установленным, что в целом на процесс фильтрации потока через зернистые слои влияют следующие факторы [79, III]: плотность, вязкость и скорость движущейся среды (отражают физические и динамические свойства потока), размер, форма и состояние поверхности элементов загрузки, пористость слоя и геометрический симплекс /сідсл ГДе эи Ugсл - №аметр или эквивалентный диаметр аппарата и элемента слоя соответственно. Последние факторы характеризуют слой в целом.
Закономерность влияния отдельных факторов на процесс течения жидкости (газа) через зернистые слои теоретически строго описать не представляется возможным. Поэтому их влияние учитывается опытным путем для исследуемого вида зернистого материала и определенной области течения [l4, 17, 64, 100,115].
Вертикальная система воздухораспределения
Результаты исследований влияния начальных условий истечения потока в слой продукции с насыпной структурой на равномерность распределения воздуха позволяют более обоснованно подойти к выбору конструктивного оформления и размеров приточного отверстия, а также шага между ними (при параллельном выпуске воздуха) в зависимости от размеров элементов загрузки. Это дает возможность уже при. проектировании получить достоверные сведения по качественному хранению продукции насыпью (плодоовощной, рыбной) с учетом неравномерности формирования скоростных и температурных полей вблизи воздуховыпускных отверстий как в вертикальных, так и в горизонтальных системах воздухораспределения [9l].
Ниже предлагается методика расчета горизонтальной системы воздухораспределения с образованием струйных выпусков в слое насыпной продукции ("дышащей" и "недышащей"),
В задачу расчета горизонтальной системы воздухораспределения с раздачей воздуха через крупногабаритные отверстия боковых панелей (рис.4.2) входит: определение проектного воздухообмена для основного режима изотермического хранения, обоснование необходимости конструктивного оформления, числа, размеров и взаимного расположения приточных отверстий, а также определение общего аэродинамического сопротивления системы.
Расчет ведется в следующей последовательности.
Определяется воздухообмен, необходимый для отвода тепловыделений от продукции в режиме изотермического хранения и внешних теплопоступлений через горизонтальные (нижнее и верхнее) на 153
Вычисляется относительный размер элементов пористого слоя: диаметр или эквивалентный по площади диаметр (dp = 1 13 f ) воздуховыпускного отверстия, м, Если 39 сл 0,6, то выпуск во_здуха реализуется через простое отверстие, затянутое сеткой."Если of3G/ 0,6, то в отверстии необходимо устанавливать воздухораспределитель с направленным распределением расхода воздуха (рис.3.13 ). Принтом следует учиты-_ вать, что за счет выбора значения параметра j Q можно изменить d M.
Выявляется влияние начальной неравномерности воздушного потока на сохранность продукции. В зависимости от способа хранения продукции (насыпью или в таре), ее лежкоспособности и конструктивных особенностей тары возможны два варианта расчета [ 153].
Когда зоны с неблагоприятными условиями для сохранности продукции выявляются из сопоставления фактической подвижности с нижним и верхним нормируемыми пределами подвижности (хранение іфодукции насыпью или в негерметичной таре).
П. Когда зоны с неблагоприятными условиями для сохранности продукции выявляются из сопоставления фактической подвижности только с нижним нормируемым пределом подвижности (зоны 2, рис.3.1), так как верхний предел не ограничивается (хранение продукции в герметичной таре, например, рыбопродукции).
В качестве безразмерного параметра скорости фильтрационного потока в расчетах принимается отношение скорости (фактической или нормируемой W ) обтекания потоком элемента, образующего пористый слой, к скорости выравненного потока Wco . Скорость выравненного потока в слое W определяется из условия потребного воздухообмена по известной формуле: (фактическая скорость меньше нижнего предела нормируемой величины). Для выявления границ этих зон необходимо знать, как изменяется безразмерная величина локальной скорости W/Wco в зависимости от безразмерных координат y=y/cfp и Л =X/cfF (рис.3.1), где СДр - эквивалентный диаметр поперечного сечения пористого слоя в расчете на один выпуск.
Для црактических расчетов связь меаду параметрами W/W , X и у в диапазоне изменения 0 = 0,001 0,02 и RBQ = 30-I03_f- 200-Ю3 может быть представлена в виде уравнений (3.5) для d 0,6 и (3.6 ) для ?эс 0,6. Зная сочетания параметров J , X на границах зон, с помощью графическо - 156 го построения выявляются области, где скорости не соответствуют нормируемым значениям. При этом определяется и доля объема продукции, находящейся в неблагоприятных условиях хранения: продукции, находящейся в зонах с неблагоприятными условиями хранения; 1 - общий объем продукции. Шаг S между центрами приточных отверстий определяется из выражения: бил быт-" ри д7ешя в возлухораздающей панели до входа воздуха в сло продукции и в вытяжных отверстиях над слоем, соответственно, . Определяются по аэродинамическому расчету конкретно для принятой схемы организации выпуска воздуха в слой и его удаления. бх ых ог потери давления на истечение воздуха в слой продукции, выход из него и потери в слое, П И бых сл " приведенные коэффициенты аэродинамического сопротивления на истечение воздуха в слой продукции, выход из него и в слое. Определяются по графическим зависимостям, полученным экспериментальным путем [ 153] и представленным на рис.4.3.
Пример расчета 2 Для обеспечения сохранности картофеля насыпью ( Нсл = 3 м) принята горизонтальная схема вентилирования с і струйным выпуском в слой. Вытяжка воздуха из картофелехранилища, имеющего размеры LC B J1= (12 4) м, предусмотрена из верхней зоны. Проектный расход вентиляционного воздуха составляет 12400 м /г. Требуется определить необходимое число воздуховыпускных отверстий, их размеры и расстояние между ними.
