CC BY
13
УДК 628.85
КУЗНЕЦОВ ЕВГЕНИЙ ПЕТРОВИЧ, аспирант, [email protected]
КУЧЕРЕНКО МАРИЯ НИКОЛАЕВНА, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Тольяттинский государственный университет, 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
ПРИ ХРАНЕНИИ СОЧНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
В работе представлены результаты натурного эксперимента по выявлению основных тепловлажностных показателей и характеристик движения воздуха в хранилище сочного растительного сырья. Экспериментально подтверждена неравномерность полей температур и относительной влажности в объеме хранилища. Выявленная равномерность полей потенциалов влажности 0 свидетельствует о правомерности применения понятия полного термодинамического потенциала и I-d-0-диаграммы в расчете времени работы систем вентиляции.
Ключевые слова: система активной вентиляции; потенциал влажности; микроклимат; сочное растительное сырье.
EVGENIIP. KUZNETSOV, Research Assistant, [email protected]
MARIYA N. KUCHERENKO, PhD, A/Professor,
Togliatti State University,
14, Belorusskaya Str., 445667, Togliatti, Russia
EXPERIMENTAL STUDIES
OF ENVIRONMENTAL PARAMETERS FOR STORAGE OF LUSH VEGETABLE RAW MATERIALS
The paper presents a field experiment on determination of basic temperature and humidity conditions and air flow properties in a storehouse intended for lush vegetable raw materials. The experiment confirmed non-uniformity of temperature fields and relative humidity in the storage. Uniformity 0 of humidity potential fields observed in the course of the experiment has supported the application of the concept of potential of humidity and I-d-0 diagram in calculating the operating time of ventilation systems.
Keywords: intensive ventilation system; humidity potential field; environmental parameters; lush raw materials.
Анализ научных подходов при описании динамики процессов тепломассообмена в слое сочного растительного сырья (СРС) и существующих способов расчета систем активной вентиляции (САВ) хранящегося СРС выявил недостаточную изученность ряда вопросов в этой области.
© Е.П. Кузнецов, М.Н. Кучеренко, 2014
Существующие на сегодняшний день методики определения времени работы САВ не учитывают влажностное состояние хранящегося СРС [1]. Учет всего комплекса взаимосвязанных факторов, влияющих на процесс влагопере-носа в слое биологически активной продукции, наиболее точно, с точки зрения термодинамики, проводится с позиции теории потенциала влажности [2].
Применение потенциала влажности как движущей силы тепломассопе-реноса при определении режимов работы (времени, температурно-влажностых параметров подаваемого системами приточной вентиляции воздуха) систем активной вентиляции является теоретико-экспериментальным.
Необходимо проведение дальнейших исследований с целью совершенствования инженерной методики расчета процессов тепломассообмена в слое хранящегося СРС для определения режимов работы САВ, обеспечивающих сохранность продукции и снижение энергозатрат при хранении.
Определение основного параметра регулирования САВ - времени работы вентиляции в течение суток с установленными параметрами подаваемого в хранилище воздуха, определение равномерности распределения полей температуры, относительной влажности, потенциалов влажности, биологических тепловлаговыделений возможно только при комплексном учете этих параметров в полном объеме.
Выбор и обоснование методики эксперимента, создание экспериментальной базы исследований, планирование и определение объема натурных исследований определялись необходимостью получения данных для решения следующих задач [3, 4]:
- проверка положения о постоянстве равновесной влажности, потенциала влажности слоя в хранилищах при контейнерном способе хранения СРС;
- определение основных характеристик движения воздуха и его распре -деление в штабеле продукции при контейнерном хранении.
Дополнительным требованием к планированию экспериментов с биологически активным материалом является трехкратная повторяемость опытов1.
Натурные исследования теплофизических условий контейнерного хранения СРС проводились в камере плодоовощной базы № 1 Безенчукского АПК Самарской области в отсеке, где располагалось 25 контейнеров типа К450 с картофелем.
Замеры температуры t, °С, и относительной влажности ф, %, проводились в характерных зонах камеры (точки 1-6, 1'-6', 1''-6'' рис. 1). В центре каждого контейнера располагалась полая трубка диаметром 20 мм, в которую помещался датчик HIH-4602-A Series для определения температуры и влажности. Всего температура и влажность фиксировались в 45 точках.
Для проведения натурного эксперимента выбран емкостный датчик влажности со встроенным термистором HIH-4602-A Series производства компании Honeywell International Inc. USA.
Для питания датчиков HIH-4602-A Series применялся источник питания S-25-5PBF производства Meanwell Taiwan, входное напряжение 180-250 В, выходное 5 В (ток до 5 А).
1 Методические указания по проведению НИР по хранению овощей. М. : ВАСХНИЛ, 1982. 34 с.
Рис. 1. Отсек для проведения натурного эксперимента с указанием точек замеров, находящихся вне контейнеров: а - план; б - разрез
Фиксация выходного напряжения и измерение сопротивления датчика HIH-4602-A Series проводились цифровым мультиметром UT101 производства компании Uni-Trend Technology (Dongguan) Limited China.
Скорость движения воздуха в сечении между контейнерами измерялась дифференциальным манометром testo 521-1 производства Testo AG Germany. Манометр имеет встроенный сенсор дифференциального давления с температурной компенсацией. К прибору подключается трубка Пито длиной 1 м. Прибор имеет следующие возможности: расчет скорости потока и объемного расхода, среднего значения по времени и точкам замеров.
В результате проведенного эксперимента в исследуемом объеме наблюдалась неравномерность полей температур и относительной влажности (рис. 2, 3).
Рис. 2. Поля температур, °С
Рис. 3. Поля относительной влажности, %
Анализ исследования полей температур в штабеле и объеме камеры показал, что температура воздуха в свободном пространстве камеры отличается от температуры, при которой образцы продукта хранятся в контейнерах. Температура воздуха в штабеле из контейнеров с СРС выше, чем в свободном объеме камеры, на 0,6-1,7 °С в зависимости от подвижности воздуха в межконтейнерном пространстве и расположения контейнера.
Также установлено, что температура воздуха и СРС в контейнерах, формирующих штабель, выше температуры воздуха возле контейнеров. Эта разность может достигать 0,3-2,1 °С и зависит от вместимости контейнера и его положения в штабеле.
Анализ полей относительной влажности, выполненный в хранилище, выявил характерную неравномерность по площади и всему объему штабеля и контейнеров. Также можно отметить, что повышенная влажность может вызвать появление капельной влаги.
Значения потенциала влажности 9, °В, определялись по экспериментально полученным значениям температуры t и относительной влажности ф с использованием зависимостей, предложенных в работе [5].
Поля потенциалов влажности (рис. 4), напротив, имеют выраженный равномерный характер как в объеме хранилища, так и в объеме каждого контейнера, что свидетельствует о правомерности применения понятия «потенциал влажности» и диаграммы в расчете времени работы систем вентиляции.
Следует отметить, что температурно-влажностные условия хранения СРС незначительно отличаются от нормированных и близки к ним по абсолютной величине.
Оценка неравномерности распределения воздушного потока в штабеле при изменении расстояния между контейнерами проводилась в зависимости от интенсивности вентилирования. Испытания проводились в диапазоне изменения числа Рейнольдса в слое от 400 до 2500, значение которого определялось в горизонтальном сечении выровненного потока.
Рис. 4. Поля потенциала влажности, °В
Основные характеристики движения воздуха и его распределение в штабеле продукции в контейнерах при активном вентилировании представлены в таблице.
Основные характеристики движения воздуха в штабеле из контейнеров при активном вентилировании
№ Расстояние между контейнерами, мм Относительная площадь живого сечения, % между Относительное количество воздуха фильтрующего, % , между Скорость воздуха в живом сечении между контейнерами, м/с
контейнерами элементами продукции контейнерами в контейнерах
1 Удельный расход воздуха 50 м3/(т-ч)
1.1 10 13,8 86,2 89 11 0,24
1.2 20 18,9 81,1 93 7 0,13
1.3 30 24,3 75,5 94 6 0,11
1.4 40 28,1 71,9 96 4 0,09
1.5 50 34,3 65,7 97 3 0,06
Окончание таблицы
№ Расстояние между контейнерами, мм Относительная площадь живого сечения, % между Относительное количество воздуха фильтрующего, % , между Скорость воздуха в живом сечении между контейнерами, м/с
2 Удельный расход воздуха 100 м3/(т-ч)
2.1 10 13,8 86,2 81 19 0,36
2.2 20 18,9 81,1 84 16 0,20
2.3 30 24,3 75,5 89 11 0,13
2.4 40 28,1 71,9 94 6 0,15
2.5 50 34,3 65,7 97 3 0,10
3 Удельный расход воздуха 150 м3/(т-ч)
3.1 10 13,8 86,2 81 19 0,47
3.2 20 18,9 81,1 85 15 0,38
3.3 30 24,3 75,5 91 9 0,26
3.4 40 28,1 71,9 94 6 0,22
3.5 50 34,3 65,7 96 4 0,17
4 Удельный расход воздуха 200 м3/(т-ч)
4.1 10 13,8 86,2 78 22 0,56
4.2 20 18,9 81,1 84 16 0,49
4.3 30 24,3 75,5 90 10 0,36
4.4 40 28,1 71,9 93 7 0,29
4.5 50 34,3 65,7 94 6 0,21
С увеличением расстояния между контейнерами от 10 до 50 мм скорость воздуха в живом сечении между контейнерами уменьшается, количество воздуха, фильтрующегося между контейнерами, возрастает, соответственно уменьшается его количество в контейнерах с СРС. Изменение интенсивности вентилирования штабеля из контейнеров с СРС не влияет на общий характер движения воздуха. Натурные исследования показали, что в среднем в контейнеры с СРС попадает от 5 до 25 % воздуха, подаваемого в хранилище в зависимости от расстояния между контейнерами и удельного расхода подаваемого воздуха.
Усиленная циркуляция воздуха в целом в камере, в межконтейнерном пространстве и в контейнерах с продукцией обеспечивает выравнивание по-
лей температур в штабеле, а также способствует снижению неравномерности полей температур, влажности и потенциала влажности.
Увеличение расхода вентиляционного воздуха, подаваемого в межконтейнерное пространство, приводит к возрастанию убыли массы хранящегося СРС от усушки, но, с другой стороны, выравниваются поля температур, влажности и потенциала влажности и, как следствие, значительно уменьшаются потери от загнивания, плесени и грибка.
Таким образом, при практикуемом в настоящее время контейнерном хранении СРС главные причины потерь, связанные с теплофизическими условиями хранения продукции, обусловлены особыми параметрами микроклимата, который формируется в слое продукции в контейнерах и отличается от микроклимата в секциях или камерах хранилища.
Результаты выполненных натурных исследований не выявили влияния степени загрузки хранилища на общий характер распределения вентиляционного потока воздуха в слое продукции.
Полученные в ходе эксперимента значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в хранилище имеют высокую сходимость с результатами исследований, проводимых профессором М.П. Калашниковым [6].
Выводы
1. Проведенный натурный эксперимент позволил выполнить комплекс исследований по определению аэродинамических и теплофизических характеристик штабелей СРС и динамики процессов тепломассопереноса при работе САВ.
2. Основными факторами в формировании теплофизических условий в контейнерах с СРС являются: выделение теплоты и влаги продуктами в процессе дыхания; физические характеристики и свойства отдельных образцов и насыпного слоя хранимого продукта; интенсивность тепломассообмена и внешнего воздействия; выбранное время и режим работы САВ.
3. Поля потенциалов влажности имеют выраженный равномерный характер как в объеме хранилища, так и в объеме каждого контейнера, что свидетельствует о правомерности применения понятия «потенциал влажности» в расчете времени работы систем вентиляции.
4. Выявлены особенности движения воздуха в камерах хранения СРС при контейнерном типе складирования продукции. Получено относительное количество воздуха, участвующего в тепломассообмене непосредственно с продукцией в контейнерах при активной вентиляции, в зависимости от расстояния между штабелями и удельного расхода подаваемого воздуха.
Библиографический список
1. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений / В.И. Бодров, М.В. Бодров, Е.Г. Ионычев, М.Н. Кучеренко. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2008. - 623 с.
2. Кучеренко, М.Н. Расчет времени работы систем активной вентиляции хранилищ сочного
растительного сырья на основе градиента потенциала влажности / М.Н. Кучеренко,
Е.П. Кузнецов // Вестник ВСГТУ. - 2013. - № 2. - С. 81-85.
3. Ахиазарова, С. Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / С. Л. Ахиазарова, В.В. Кафаров. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1985. - 327 с.
4. Цирулик, А.Я. Планирование эксперимента в электромашиностроении / А.Я. Цирулик. -Куйбышев : КуАИ, 1983. - 43 с.
5. Кучеренко, М.Н. Графоаналитические исследования ^-9 диаграммы влажного воздуха в области низких температур / М.Н. Кучеренко, Е.П. Кузнецов // Приволжский научный журнал. - 2012. - № 2. - С. 73-77.
6. Калашников, М.П. Обеспечение параметров микроклимата для хранения картофеля и овощей в условиях климата Восточной Сибири / М.П. Калашников : Препринт / ВСГТУ. - Улан-Удэ, 1999. - 252 с.
References
1. Bodrov V.I., Bodrov M.V., Ionychev E.G., Kucherenko M.N. Mikroklimat proizvodstvennykh sel'skokhozyaistvennykh zdanii i sooruzhenii [Internal environment of agricultural industrial buildings]. Nizhny Novgorod : Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering Publ. 2008. 623 p. (rus)
2. Kucherenko M.N., Kuznetsov E.P. Raschet vremeni raboty sistem aktivnoi ventilyatsii khranilishch sochnogo rastitel'nogo syr'ya na osnove gradienta potentsiala vlazhnosti [Time calculation for intensive ventilation system in lush vegetable raw material storehouses using humidity gradient potential]. ESSUTM Bulletin. 2013. V. 2. Pp. 81-85. (rus)
3. Ahiazarova S.L., Kafarov V.V. Metody optimizatsii eksperimenta v khimicheskoi tekhnologii [Methods of experiment optimization in chemical engineering]. Moscow : Vysshaya Shkola Publishers, 1985. 327 p. (rus)
4. Tsirulik A.Ya. Planirovanie eksperimenta v elektromashinostroenii [Design of experiments in electrical engineering]. Kuibyshev, 1983. 43 p. (rus)
5. Kucherenko M.N., Kuznetsov E.P. Grafoanaliticheskie issledovaniya I-d-0 diagrammy vla-zhnogo vozdukha v oblasti nizkikh temperatur [Graphical and analytical research of I-d-0 diagram in low-temperature area]. Privolzhsky Scientific Journal. 2012. V. 2. Pp. 73-77. (rus)
6. Kalashnikov M.P. Obespechenie parametrov mikroklimata dlya khraneniya kartofelya i ovoshchei v usloviyakh klimata Vostochnoi Sibiri [Provision of microclimate parameters for the storage of potatoes and vegetables in East Siberia]. Ulan-Ude : ESSUTM Publ., 1999. 252 p. (rus)
