CC BY
0М.П. Калашников, д-р техн. наук, проф., e-mail: kmp02@rambler.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 628.8: 564. 631.2
ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УДАЛЯЕМОГО ВОЗДУХА
ИЗ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Приведены результаты натурных исследований системы активной вентиляции в загруженном хранилище в основной период при хранении плодоовощной продукции в контейнерах. Установлены требуемое количество приточного воздуха при утилизации теплоты удаляемого воздуха и параметры микроклимата в массе плодоовощной продукции, что позволяет обеспечить поддержание температурно-влажностных условий в достаточно жестких пределах в течение основного периода и минимизировать их потери. Выявлено уменьшение потребления тепловой энергии на нагревание приточного воздуха, подаваемого в плодоовощехранилище. Доказана энергоэффективность системы активной вентиляции с роторным теплоутилизатором при хранении плодов и овощей в условиях резко континентального климата в Восточной Сибири.
Ключевые слова: утилизация теплоты, параметры микроклимата, система, активная вентиляция, плодоовощная продукция, хранение, воздух, контейнеры
M.P. Kalashnikov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
UTILIZATION EFFICIENCY OF HEAT REMOVED FROM THE AIR FROM LOADED VEGETABLE STOREHOUSE
The article provides the results of the full-scale investigation of the system of active air distribution in the loaded storehouse during the main period of fruits and vegetables storage in containers. The required amount of intake air when utilizing the waste air heat and the microclimate parameters in bulk of agricultural products were determined. This guarantees the maintenance of temperature and moisture conditions in rather rigid limits for the major storage period and minimization of their loss. The reduction of energy consumption for heating intake air in a storehouse was revealed. Power consumption efficiency of the active ventilation system with the rotor heat utilizer for agricultural products storage in the conditions of sharply continental climate of East Siberia was proved.
Key words: heat utilization, microclimate parameters, active ventilation system, agricultural products, storage, air, containers.
Недостаточное внимание к вопросам обеспечения параметров микроклимата в помещениях для хранения плодов и овощей приводит к негативным последствиям в процессе их эксплуатации, таким как:
- активное образование конденсата водяных паров на ограждающих конструкциях и сбор его в нижней части штабеля продукции;
- образование грибковой плесени;
- коррозия металлических конструкций и гниение деревянных;
- несоблюдение санитарно-гигиенических условий по температуре, влажности и подвижности приточного воздуха в зоне нахождения плодоовощной продукции;
- значительные затраты тепловой и электрической энергии на термодинамическую обработку наружного воздуха;
- увеличение интенсивности воздухообмена, что приводит к значительному росту количества приточного воздуха (Ьпр) в традиционных системах воздухораспределения по схеме «сверху вниз» (рис.1) [1].
Рисунок 1 - Традиционная система воздухораспределения по схеме «сверху вниз» в загруженном помещении при хранении плодоовощной продукции
Применяемые в системах активной вентиляции устройства утилизации теплоты при сходных массо-габаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80...95 %), далее следуют рекуперативные (65...75 %) и на последнем месте - теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45.55 %).
Здесь необходимо отметить основную особенность при выборе принципиальной технологической схемы приточно-вытяжной вентиляции плодоовощехранилища.
Дело в том, что воздухообмен для различных периодов хранения плодов и овощей подвержен значительному изменению из-за:
- резкого увеличения интенсивности вентилирования в период охлаждения (до 150 тыс. м3/ч);
- повышения перепада влагосодержания (до 35 ... 50 %) внутреннего и наружного воздуха в холодный период года в сравнении с теплым периодом;
- уменьшения подвижности воздуха в основной период хранения.
Естественно, подавать такое количество наружного воздуха в холодный период года нерационально, так как это приводит к значительному перерасходу тепла на его нагрев и резкому снижению влажности внутреннего воздуха.
Для обеспечения в основной период хранения нормируемых условий микроклимата в хранилище и экономии топливно-энергетических ресурсов активная приточно-вытяжная система вентиляции проектируется с:
- переменным расходом приточного воздуха;
- рециркуляцией (частичной и полной);
- с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.
Система активного воздухораспределения в загруженных помещениях для сохранности плодоовощной продукции имеет большое значение при хранении картофеля и овощей в условиях, учитывающих продолжение процессов жизнедеятельности, таких как испарение, выделение тепла, дыхание в процессе их хранения.
Дыхание плодов и овощей сопровождается образованием энергии, часть которой расходуется на процессы жизнедеятельности, а оставшаяся довольно значительная ее доля выделяется в окружающую атмосферу в виде тепла. Выделяемое при интенсивном дыхании тепло является одним из негативных факторов, влияющих на эффективность хранения, поскольку может приводить к самосогреванию овощной продукции или ее запариванию.
Если дыхание овощей можно назвать своего рода внутренним фактором, влияющим на процесс хранения, то температура окружающего воздуха - это наиболее сильный внешний
фактор. Повышение температуры воздуха в хранилище стимулирует процессы дыхания в овощной продукции и приводит тем самым к незапланированным потерям питательных веществ, что сказывается на потребительских свойствах овощей.
Следует иметь в виду, что интенсивность тепловыделения в период основного хранения снижается. В качестве примера можно привести значения тепловыделения картофеля в период охлаждения и в основной период. Так, если в период охлаждения картофель с исходной трав-мированностью клубней до 20 % выделяет 90 кДж тепла, то в основной период хранения эта цифра снижается до 43,5 кДж.
Минимальная интенсивность дыхания картофеля обеспечивается при температуре хранения + 2°С [2].
Применение системы активного вентилирования позволяет в разы увеличить сохраняемость овощной продукции за счет:
- более высокой скорости ее охлаждения и осушения;
- «адресной» направленности воздушного потока;
- равномерного обдувания каждого экземпляра продукции.
При использовании системы активной вентиляции во всех точках штабеля поддерживаются одинаковая температура, влажность и газовый состав, без скачков и резких перепадов. Объем хранилища используется более экономично и рационально, поскольку высота штабелей с плодоовощной продукцией значительно увеличивается.
Разработана приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха. При ее использовании в загруженных помещениях распределение термодинамически обработанного воздуха осуществляется по схеме «снизу вверх» вертикально установленными секционными воздуховодами - распределителями с равномерной раздачей воздуха, которые соединены с тремя продольными приточными воздуховодами - ответвлениями нагнетающего магистрального приточного воздуховода с раздачей воздуха в межконтейнерное пространство и контейнеры с продукцией через плоские приточные отверстия с четырех сторон по периметру (рис. 2).
Это наиболее эффективная схема утилизации тепла отработанного воздуха регенеративным роторным теплообменником, однако следует иметь в виду, что в ней возможны перетоки воздуха в ту или другую сторону в зависимости от перепада давлений приточного и вытяжного воздуха. Ротор теплообменника заполнен попеременно уложенными по кругу листами гладкой и волнообразной алюминиевой фольги. Ротор укреплен в корпусе из алюминиевых профилей и закрыт панелями [3].
В период хранения, когда устанавливается температура наружного воздуха ниже -10 °С, подача наружного атмосферного воздуха осуществляется через воздухозаборную шахту с применением утилизации теплоты удаляемого внутреннего вытяжного воздуха. Наружный воздух поступает во вращающийся регенеративный роторный теплообменник - теплоутилизатор, теплоаккумулирующая масса которого выполнена в виде плоского цилиндра - насадки ротора, нагревается до расчетной температуры + 2 ... + 4 °С в воздухонагревателе затем радиальным приточным вентилятором подается в нагнетающий магистральный приточный воздуховод и в три параллельно установленные продольные приточные воздуховоды - ответвления.
Для сокращения энергоемкости система воздухораспределения в загруженных помещениях позволяет применять автоматически регулируемый режим вентилирования с комбинированным использованием естественного холода, подаваемого радиальным приточным вентилятором, с утилизацией теплоты удаляемого внутреннего воздуха из объема продукции хранилища [4].
Если система работает на обогрев, то вытяжной воздух отдает теплоту тому сектору ротора, через который он проходит. Когда этот нагревшийся сектор ротора попадает в поток холодного приточного воздуха, приточный воздух нагревается, а ротор, соответственно, охлаждается.
27
У.........................
12 13
Рисунок 2 - Система активной вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха: 1 - воздухозаборная шахта; 2 - приточная вентиляционная камера; 3 - равновеликие приточные отверстия; 4 - штампованная жалюзийная решетка; 5 - воздушный утепленный клапан; 6 - приточный радиальный вентилятор; 7 - воздушные клапаны; 8 - воздушные фильтры;
9 - вращающийся регенеративный роторный теплообменник - теплоутилизатор;
10 - воздухонагреватель наружного воздуха; 11 - адиабатный воздухоохладитель наружного воздуха; 12, 13, 14 - нагнетающие воздуховоды; 15 - радиальный вытяжной вентилятор; 16 - магистральный вытяжной воздуховод; 17 - деревянный пол хранилища; 18 - плоские приточные отверстия; 19 - всасывающие секции; 20 - рециркуляционный вытяжной воздуховод;
21 - всасывающие равновеликие отверстия; 22 - контейнер; 23 - клапан рециркуляционный;
24 - приточная секция; 25 - металлическая стенка; 26 - нагнетающий вытяжной воздуховод;
27 - зонт - колпак; 28 - вытяжная шахта; 29 - дефлектор
Если система работает на охлаждение, то теплота передается от теплого приточного холодному вытяжному воздуху.
Основные преимущества таких теплоутилизаторов по сравнению с другими - возможность управления процессом переноса теплоты при изменении числа оборотов, эффект самоочищения, незначительные размеры и высокая степень эффективности [5].
На основании выполненных экспериментальных исследований параметров поддержания микроклимата в массе картофеля, находящегося в контейнерах, были установлены зависимости параметров микроклимата от количества наружного воздуха, термодинамически обработанного в приточной вентиляционной камере.
Изменение температуры массы картофеля по высоте штабеля незначительно и не превышает 1,6 ... 1,8 °С, а перепад температуры в массе картофеля на относительной высоте 0,2 м от уровня притока воздуха составляет не более 1,6 °С, а на относительной высоте 0,9 м наблюдается его увеличение до 2,5 °С (рис. 3).
"ряд у прохода
ряд в центре
ряд у стены
Рисунок 3 - Изменение температуры массы картофеля по высоте хранилища при вентилировании системой активной вентиляции
с утилизацией теплоты удаляемого воздуха: - при температуре наружного воздуха: ^ = - 24,2 °С; - при относительной влажности наружного воздуха: фн = 48 %
Характер формирования полей относительной влажности воздуха по высоте штабеля контейнеров при температуре наружного воздуха ^ = - 24,2 °С и относительной влажности наружного воздуха: фн = 48 % представлено на рисунке 4. Величина относительной влажности отклоняется от нормируемых параметров на 18 ... 24 % (нормируемый диапазон относительной влажности 92 ... 96 %).
ряд на растоянии от приточного отверстия 0,8 м
ряд на растоянии от приточного отверстия 3,46 м
ряд на растоянии от приточного отверстия 6,92 м.
0,03 0,16 0,26 0,44 0,56 0,72 0,64 1,00 Относительная высота
Рисунок 4 - Изменение относительной влажности воздуха по высоте контейнеров с картофелем при вентилировании системой активной вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха: - при температуре наружного воздуха: ^ = - 24,2 °С; - при относительной влажности наружного воздуха: фн = 48 %
79
В период интенсивного охлаждения продукции возможно применение рециркуляции, представляющей собой смешение части удаляемого воздуха, поступающего через клапан рециркуляционный с наружным, и возврат его вновь в хранилище, что является простым и эффективным приемом, позволяющим экономить значительные объемы тепловой энергии.
При неработающей механической системе активной вентиляции обеспечивается естественное удаление вентиляционного воздуха из штабеля благодаря вытяжной шахте с дефлектором, выполненным из оцинкованной стали, который обеспечивает устойчивое естественное удаление вентиляционного воздуха вне зависимости от изменения скорости и направления ветра.
Выводы
1. Обеспечиваются поступление обработанного в приточной вентиляционной камере наружного воздуха к массе продукции в контейнерах в требуемых количествах и его равномерное распределение с оптимальными нормируемыми параметрами по объему хранилища.
2. Организация воздухообмена по схеме «снизу вверх» по направлению движения тепловых потоков и равномерное распределение вентиляционного воздуха в массе плодов в горизонтальных и вертикальных плоскостях гарантирует работу с коэффициентом неравномерности от 0,85 до 0,95.
3. В основной период самого длительного хранения с целью экономии теплоты подачу наружного воздуха с fe ниже - 25 °С можно значительно ограничить санитарной нормой. Подмешиванием рециркуляционного (внутреннего) воздуха достигается расчетный воздухообмен, обеспечивающий нормируемые параметры микроклимата для качественного хранения плодов и овощей.
4. Основное вентиляционное оборудование системы активной вентиляции позволяет использовать высокую эффективность вращающегося регенеративного роторного теплообменника - теплоутилизатора (Е > 85 %) путем изменения скорости вращения ротора и решает задачу, направленную на экономию тепловой энергии и снижение потерь массы продукции на 18-22 % путем нагнетания обработанного воздуха в межконтейнерное пространство и контейнеры с плодоовощной продукцией.
5. Разработанная механическая приточно-вытяжная система вентиляции с включением установки утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха позволяет на 48-53 % сократить расход теплоты на круглогодичное функционирование системы и уменьшить требуемое количество приточного воздуха на 22-25 %.
Библиография
1. Бодров В.И., Бодров М.В., Ионычев Е.Г. и др. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений. - Н. Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2008. - 623 с.
2. Калашников М.П., Ванчиков А.В. Режимы работы систем кондиционирования микроклимата плодоовощехранилищ в условиях резко континентального климата // Вестник ВСГУТУ. - 2016. - № 2 (59). - С. 25-29.
3. Калашников М.П., Ванчиков А.В. Особенности формирования параметров микроклимата при работе систем воздухораспределения в загруженных помещениях: материалы XIII Междунар. науч. конф., 15-28 апреля 2015 г., г. Сиань. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2015. - С. 174-180.
4. Самарин О.Д. Вопросы экономики в обеспечении микроклимата зданий. - М.: Изд-во МГСУ. АСВ, 2011. - 127 с.
5. Наумов А.Л., Серов С.Ф. Утилизация теплоты вытяжного воздуха как перспективное энергосберегающее мероприятие // Энергосбережение. - 2015. - № 5. - С. 14-18.
Bibliography
1. Bodrov V.I., BodrovM.V., Ionychev E.G. et al. Microclimate of industrial agricultural buildings and constructions. - N. Novgorod: NSACU, 2008. - 623 p.
2. KalashnikovM.P., VanchikovA.V. Operating modes of microclimate's conditioning systems in vegetable storehouses under sharply continental climate conditions // Bulletin of ESSUTM. - 2016. - N 2 (59). -P.25-29.
3. Kalashnikov M.P., Vanchikov A.V. Features of formation of microclimate's parametres during the operation of the air distribution systems in the loaded areas: Materials of XIII International scientific conference, 15-17 April 2015, Sian. - Volgograd: VolgSACU, 2015. - P. 174-180.
4. Samarin O.D. The economic issues for ensuring the microclimate of buildings. - M.: MSCU. Publishing house ASV, 2011. - 127 p.
5. Nаumоv A.L., Sеrоv S.F. The removed air heat utilization as a prospective energy saving measure // Journal "Energosberezhenie". - 2015. - N 5. - P. 14-18.
