Математическая модель системы комбинированного охлаждения сельскохозяйственной продукции с использованием природного холода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Длина волны, нм --4— всхожесть —■—проростки-----------среднее

Рис. 2. Спектральная чувствительность семян пшеницы

Эффективная отдача некоторых источников

Источник излучения Пэ.изл, % Источник излучения Пэ.изл, %

Лампа накаливания 0,04 ДКсШ 3,4

ДРВЭ 0,1 МГЛ (Ыа,Т1, 1п) 4,5

ДНаТ 0,9 МГЛ (Ка, 8е,ТИ) 5,1

ЛБ 1,5 ДРШ 14,1

МГЛ (Бу, Но, Тт) 1,6 ЛЭ 21,0

Гелиевый плазмотрон 1,7 ДРТ 23,3

ДРЛ 1,8 Лампа ТЬ12 фирмы ИіуШрз 33,1

ДКсТ 2,4

источники излучения с наиболее эффективной отдачей к всхожести семян и их первичным параметрам прорастания (длине корней и стеблей проростков, массе проростков и др).

2. Наибольшую эффективную отдачу излучения имеют ртутные лампы типа ТЬ12, ЛЭ, ДРШ, ДРТ, значительная часть спектра которых соответствует области чувствительности семян. Для ламп типа МГЛ, ДКсТ, ДКсШ, ЛБ, ДРЛ отдача существенно ниже: от 1,5 до

5,1 %, что объясняется более широким спектром излучения, значительная часть которого расположена в длинноволновой области. Наихудшая эффективная отдача у ламп накаливания, ДРВЭ и плазмотронов, что объясняется наличием сплошной составляющей, максимум которой расположен в инфракрасной области. Для ламп типа ДНаТ эффективная отдача составила 0,9 % из-за расположения наиболее мощных линий излучения натрия (589 и 589,6 нм) вне спектра чувствительности семян [3].

3. Применение данной методики определения чувствительности семян в период предпосевной обработки оптическим излучением позволяет значительно улучшить агротехнологические показатели благодаря снижению потребления электрической энергии, экономии семян и повышения урожайности.

Список литературы

1. Гордеев, Ю.А. Использование оптического излучения для предпосевной обработки семян: учеб. пособ. / Ю.А. Гордеев, М.В. Беляков. — Смоленск: ССХИ, 2005. — 104 с.

2. Зиенко, С.И. Определение спектральной чувствительности семян / С.И. Зиенко, В.В. Нюбин, М.В Беляков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2006. — № 4. — С. 12-13.

3. Зиенко, С.И. Эффективная отдача источников излучения, применяющихся для предпосевной обработки семян / С.И. Зиенко, В.В. Нюбин, А.Н. Конаков, М.В. Беляков // Техника и технология. — 2006. — № 4. — С. 118-120.

УДК [631.3:621.31] + [637.133.1:519.86]

А.И. Учеваткин, доктор техн. наук, профессор Т.А. Ноздрина, ассистент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

математическая модель системы комбинированного охлаждения сельскохозяйственной продукции с использованием природного холода

Природный (естественный) холод — один из главных и экологически чистых средств, обеспечивающих сохранность сельскохозяйственной продукции непосредственно в местах ее производства, позволяющий получить дешевый технологический хо-

24

лод и усовершенствовать энергетический баланс страны.

Работы по использованию природного холода вызывают большой интерес за рубежом, в северных странах: Канаде, Финляндии, Швеции, Норвегии,

а также в США и Японии. Обладая высоким промышленным потенциалом, эти страны идут по пути совершенствования традиционных парокомпрессионных холодильных систем. Интерес к энергосберегающим технологиям с использованием естественного холода обозначился в связи с энергетическим кризисом. В 2000 г. на производство сельскохозяйственной продукции затрачено около 45 млрд кВтч электроэнергии. Использование природного холода позволяет сэкономить от 3 до 5 млрд кВтч электроэнергии и более. При этом исключается из потребления в среднем 5 тыс. т фреона и фреоновых масел, уменьшается расход воды в среднем на 5 %. Это позволит на 40...45 % увеличить количество молока и на 30.40 % сохранность плодоовощной продукции.

Освоение природного холода имеет большой социальный эффект, так как позволяет получать дешевый холод для хозяйств и быта сельского населения, что важно для сохранности продукции животноводства и растениеводства.

Структурная схема энергосберегающей системы охлаждения сельскохозяйственной продукции с использованием природного холода представлена на рис. 1.

Источник искусственного холода представляет собой парокомпрессионную холодильную установку или холодильную установку искусственного холода другой природы, например вакуумноиспарительную или работающую на основе эффекта Пельтье.

Под источником (приемником) природного холода понимают источник холода наружного воздуха испарительного, эжекторного или реактивного действия.

Аккумуляторы естественного или искусственного холода — это устройства, аккумулирующие технологический холод любой природы, в том числе работающие на принципе изменения агрегатного состояния хла-доносителя.

Источник вторичного холода — устройство испарительного или грунтового действия, охлаждающее хладоноситель до температуры 7.13 °С. Такие устройства применяют для конденсации хладоносителя или предварительного охлаждения продукции, например молока.

Анализ тенденций развития охлаждающих систем показал, что в настоящее время перспективно использовать комбинированные технологии охлаждения сельскохозяйственной продукции модуль-

ного типа с высокоэффективными роторными аэродинамическими распылителями и водоэжекторами совместно с аккумуляторами холода (рис. 2), в которых лед является рабочим телом. Источники искусственного холода и теплоты в таких системах работают в качестве доводчиков.

Аккумулятор холода комбинированного действия (АХКД) представляет собой резервуар с охлажденной водой или льдом, которые обеспечивают накопление и аккумулирование естественного или искусственного холода. Конструкция аккумулятора холода обеспечивает его работу во всем диапазоне температур наружного воздуха в течение круглого года.

Приемник-аккумулятор естественного холода с распылительным блоком устанавливают на открытом воздухе вне производственного помещения, а подзарядную холодильную установку с аккумулятором холода комбинированного действия — в производственном помещении. Такие системы широко распространены в России и обладают преимуществами по сравнению с существующими холодильными установками: АХКД функционирует круглый год; в нем применяется как естественный, так и искусственный холод. В зимний период он работает как аккумулятор естественного холода, в летний период — подзарядная холодильная установка заряжает холодом АХКД, который затем используется для охлаждения сельскохозяйственной продукции.

Энергосберегающие системы охлаждения на основе АХКД работают в течение круглого года во всех регионах страны. Они вырабатывают и аккумулируют холод и для хранилищ сельскохозяйственной продукции: фруктов, овощей, цветов и др. Эффективность АХКД достигается повышением

Рис. 1. Структурная схема энергосберегающей системы охлаждения комбинированного действия:

1 — источник искусственного холода; 2 — приемник естественного (природного) холода; 3 — аккумулятор естественного и искусственного холода; 4 — источник вторичного холода

надежности системы охлаждения и экономией электроэнергии из-за отсутствия электровентилятора.

Функционально-структурная схема системы охлаждения с аккумулятором холода комбинированного действия представлена на рис. 2.

Процесс охлаждения молока в проточном теплообменнике системы охлаждения, с целью определения требуемого количества хладоносителя для охлаждения жидкого продукта до 4 °С (см. рис. 2) описывается уравнением энергетического баланса:

?пСп<А,1 - гп2> = 4хСх(гх2 - ‘х1>>

(1)

где дп — производительность насоса продукта, м3/ч; Сп, Сх — удельные теплоемкости продукта и хладоносителя, кДж/(м3-°С); ‘п1 — начальная температура продукта, т. е. до охлаждения, °С; ‘п2 — конечная температура продукта после охлаждения, °С; qх — производительность насоса хладоносителя, м3/ч; ‘х1 — начальная температура хладоносителя, т. е. до охлаждения, °С; ‘х2 — конечная температура хладоносителя после охлаждения, °С.

Из условия работы проточного теплообменника следует, что конечная температура ¿п2 продукта на выходе теплообменника после охлаждения должна быть выше температуры хладоносителя tu2 на входе в теплообменник на 2 °С [1, 2], т. е. А = ^2 - tх1 = 2 °С. При этом соотношение подачи охлаждаемого продукта qп к подаче хладоносителя дх в процессе охлаждения должно удовлетворять условию

qх / q„ = 3. (2)

Эффективность функционирования АХКД обеспечивается в диапазоне температур атмосферного воздуха 0 < ^ < 3 °с. Тогда ^ = t0. При этих значениях температура охлаждаемого продукта будет находиться в требуемых пределах, т. е. ^ < 4.„6 °С.

С учетом конструктивных параметров теплообменника уравнение (1) примет вид

(^1 - ^ = 3<Лй - tх1) или (tп1 - ^2^ = 30х2 - tп2 + 2), откуда

‘х2 _

(„2 + 2‘х1 - 2)

3

(3)

Уравнение энергетического баланса для аккумулятора холода запишем следующим образом

х1

(4)

где То — время охлаждения продукта, поступившего на обработку, ч; V — вместимость аккумулятора холода, м3;

Уравнения (3) и (4) позволяют установить зависимости t„1 = ДКв) и ^2 = ДКв), характеризующие энергетические, технологические и конструктивные параметры АХКД.

Определим кратность Кв количества хладоносителя в аккумуляторе холода V к количеству охлаждаемого продукта Qп:

К = = ^1 ~ tп 2

о„

‘х2 -‘о

В результате получим

‘ _ (‘„1 + 2‘х1 2)

‘х2 _ 3 ’

qx Xх2 - ‘х1 )То _ Щ

(5)

х1

Учитывая, что q Т = О , q = 3q , 1/К =

^ ’ -«по -*х -‘п’ в

= Т^п/У = т , после подстановки этих значений в уравнение (5) и соответствующих преобразований получим систему уравнений, позволяющих оп-

???? - хладоноситель; ???? - воздух;

-----► - режим аккумулирования искусственного холода

Рис. 2. Функционально-структурная схема системы охлаждения с аккумулятором холода комбинированного действия (АХКД):

1 - проточный охладитель; 2 - насос; 3 - промежуточный резервуар;

4 - распылительный блок; 5 - распылительные трубы с аэродинамическими пластинами; 6 - аккумулятор естественного и искусственного холода

ределить необходимое количество хладоносителя V, обеспечивающее охлаждение продукта до требуемой температуры tп2 при известных начальных условиях: ^, ^, Qп. Тогда

txl _ ^1- 2 - (tпl- to- 2)exp (-т* ); tx2 _ (tп1 + 2tx1 - 2) / 3;

tп2 _ tx1 + 2.

(6)

Эффективный процесс охлаждения продукта продолжается до tn2 = 4.6 ОС. Тогда ts1 = 2.4 ОС. Из системы уравнений (6) можно выразить кратность KE через контролируемые параметры tn1, t0, ts1:

■ / о ЛП-1 Г ( тЛП-1

K _ ln tп1 - to - 2 _ ln ^ - to - 2 . (7)

L I tпl- txl- 2 JJ L V tпl- 6 J_

Выражения (6) и (7) представляют собой математическую модель процесса охлаждения продукта в проточном теплообменнике от аккумулятора естественного и искусственного холода комбинированного действия. Эти выражения математически описывают зависимости температуры хладоносителя в AХKД от температуры охлаждаемого продукта и кратности KE количества хладоносителя V к количеству охлаждаемого продукта Qn в зависимости от начальной температуры хладоносителя tÄl.

В формуле (7) величины KE и ts1 — переменные. В реальных же условиях температура хладоносителя t 1 в АХ является случайной величиной, поэтому для ее определения в установившемся режиме было проанализировано уравнение энергетического баланса с допущением, что количество тепловой энергии, поступающей с продуктом, приблизительно равно количеству тепловой энергии, поступающей в теплообменник с хладоносителем из АХ (потерями пренебрегаем), т. е.

Тогда

Q^ (l - ^ 2 )_ V (xl - tJ.

K _ — _ tп1 tп 2

в Qп tx1 - to '

(8)

(9)

Примем tх1 = 4 °С. Тогда продукт будет охлажден ниже 6 °С. С учетом технологических требований и ограничений после преобразования выражений (8) и (9) получим

ln

/п1 + 2tx1 - 2

-1

ln

11

13 -1

xl /

-1

K ' _ — _ ^1 tп 2

в Qп

tx1 to

tx1 2

; (10) (11)

Точка пересечения двух кривых KB _ f (tx1 ) и Kв_ f (xl) (рис. 3) является оптимальным решением поставленной задачи и рациональным вариантом процесса охлаждения жидкого продукта в проточном теплообменнике с использованием аккумулятора естественного холода.

При вытеснении хладоносителя с температурой tií1 = 2.4 ОС в АХ температура охлажденного продукта будет ниже 6 ОС (tn2 < 6 ОС), так как часть холода будет уходить вместе с охлажденным продуктом. Для оптимального использования запаса холода и охлаждения продукта до 6 ОС (tn2 = 6 ОС), соотношение количеств хладоносителя и охлаждаемого продукта должно быть

Kb _ V _ ^п!^ _ 3(п1 - 6) . (12)

Qп tп1 - tп 2 tп1 - tx1 - 2

C учетом технологических требований имеем V _ ^1 - 6 _ 3(tпl - 6) _ 3(15 - 6)

K_

Qп tп1 tп 2 ^1 tx1 2 15 2 2

(п1 + 2to -2)

_ 2,45;

tx2 _ '

3

-_ 5,67 ОС.

qax = V/Ta = КвQп/Та = 2,45QП /4 = 0,6^п, где qax — производительность АХ.

Таким образом, для охлаждения 1 т продукта до 6 °С при температуре наружного воздуха t0 = 2 °С требуемая кратность К = 2,45. При этом темпера-

Рис. 3. Зависимость кратности Кв количества V хладоносителя в аккумуляторе к количеству Qn охлаждаемого продукта от температуры хладоносителя 11

9

тура хладоносителя в АХВД в конце процесса охлаждения tií2 = 5,67 ОС.

Установлено, что для охлаждения жидкого продукта в проточном теплообменнике с 15 до 6 ОС хла-доносителем, имеющим начальную температуру 2 ОС, количество хладоносителя должно быть в 2,4 раза больше, чем количество охлаждаемого продукта. При этом температура хладоносителя в AХKД в конце цикла охлаждения составит в среднем 5,8 ОС.

Выводы

1. Предложенная математическая модель процесса охлаждения сельскохозяйственной продукции с использованием естественного и искусственного холода позволяет обосновать параметры системы охлаждения, установить связь основных параметров технических средств с технологией охлаждения и температурой атмосферного воздуха, минимизировать затраты энергии и оптимально использовать аккумулирующую способность аккумуляторов естественного и искусственного холода водоледяного типа.

2. Наиболее эффективным является режим вытеснения хладоносителя в АХ, способствующий аккумулированию холода до более низкой температуры (2 ОС) при минимальной кратности объемов хладоносителя к охлаждаемому продукту (KE = 2,45).

По сравнению с режимом смешивания режим вытеснения хладоносителя в АХ позволяет не менее чем в 2.3 раза уменьшить производительность подзарядной холодильной установки.

3. Использование в технологической линии с предварительным охлаждением сельскохозяйственной продукции аккумуляторов естественного и искусственного холода водоледяного типа позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение в холодное время года до 10 раз, установленную мощность электрооборудования и производительность подзарядных холодильных установок до 3 раз и материалоемкость аккумуляторов до 6 раз, а также повысить аккумулирующую способность системы не менее чем в 2 раза по сравнению с традиционными способами охлаждения.

Список литературы

1. Учеваткин, А.И. Автоматизированные энергосберегающие технологии и система электрооборудования линий первичной обработки молока на фермах I А.И. Учеваткин: Автореф. дис. . доктора техн. наук. — М.: ВИЭСХ, 1998.

2. Учеваткин, А.И. Математическая модель и метод расчета процесса аккумулирования естественного и искусственного холода в установках комбинированного действия I А.И. Учеваткин, Ф.Г. Марьяхин, В.А. Лавров, В.П. Мальнев: научн. тр. — М.: Российская инженерная академия менеджмента и агробизнеса. 2002. — № 3. — С. 207-217.

УДK (631.22:628.8I.9)+519.8

Е.А. Воронин, доктор техн. наук, профессор С.С. Зимнов, аспирант

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

математическое описание системы микроклимата как объекта автоматического управления

Проблеме и задачам управления микроклиматом посвящено большое количество работ. В них решались задачи выбора оборудования для систем микроклимата, разработки и синтеза систем автоматического управления им. При этом синтез систем автоматического управления рассматривался, как задача поддержания или стабилизации требуемых параметров больших помещений во времени и пространстве. Сводились они к построению устойчивой системы управления по одному из стабилизирующих параметров. Но это сложная система, и управлять ею необходимо по главным параметрам микроклимата.

Для решения данной задачи необходимо построить математическую модель объекта, т. е. описать динамическую систему соответствующими дифференциальными уравнениями.

Из материалов по проектированию систем микроклимата известно, что за основные параметры состояния системы можно принять температуру воздуха Т внутри помещения, влажность, а лучше влаго-содержание и и концентрацию g наиболее вредной и значимой компоненты [1, 2].

Представим систему микроклимата, как систему с сосредоточенными параметрами. Это допущение обусловлено наличием конструктивных решений, обеспечивающих достаточную равномерность параметров микроклимата в помещениях.

Предположим, что в помещение подает теплоту управляемый источник мощностью Р, внутри помещения находится неуправляемый источник теплоты мощностью Рв, источник влажности с вла-госодержанием ив и газовыделением Оъ, а система