CC BY
0М.П. Калашников, д-р техн. наук, проф., чл.-кор. САН ВШ
УДК 527.63:58.643.03
ОСНОВЫ ТЕПЛО-И МАССОПЕРЕНОСА В ШТАБЕЛЕ ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ ПРИ ХРАНЕНИИ
На основании исследования тепло- и массопереноса в штабеле плодоовощной продукции научно обоснована и разработана физико-математическая модель хранилища как единой биоэнергетической системы хранения картофеля и овощей. Выявлена динамика температурных полей по высоте штабеля с биологически активным сырьем.
Ключевые слова: тепломассоперенос, плодоовощная продукция, хранение, штабель, температурное поле, система активной вентиляции.
M.P. Kalashnikov, Dr. of Tech. Sci., Prof.
BASIS OF HEAT AND MASS TRANSFER IN FRUIT AND VEGETABLES STACKS
DURING STORAGE
Based on the study of heat and mass transfer in a stack of fresh products the author of the article worked out and developed physical and mathematical model of the repository as a single bioenergetic storage of potatoes and vegetables. The dynamics of temperature fields on the height of the stack with biologically active raw materials is found out.
Key words: heat and mass transfer, fruit and vegetable production, storage, stack, temperature field, the system of active ventilation.
Тепловой и влажностный режимы плодоовощехранилищ контейнерного типа определяются совокупным действием таких факторов, как температура внутреннего и наружного воздуха, относительная влажность и подвижность его в массе продукции и свободном объёме помещения, тепло- и влаговыде-ления продукции, а также радиационным теплообменом поверхностей штабеля контейнеров с плодоовощной продукцией и внутренних поверхностей ограждающих конструкций сооружения. Перечисленные факторы, формирующие температурно-влажностный режим в массе продукции и в свободном объёме помещения на разных этапах процесса хранения, можно учесть, если построить математическую модель тепломассообмена хранилища и решить систему уравнений тепло- и массообмена на всех характерных поверхностях и во всех объёмах здания, где трансформируется энергия, а именно - комплексно рассмотреть тепло- и массообменные процессы, протекающие между продукцией, вентиляционным воздухом, внутренним воздухом хранилища, поверхностями контейнеров, ограждающими конструкциями и наружным воздухом.
Тепломассообменные процессы при хранении плодоовощной продукции в контейнерах в значительной степени отличаются от соответствующих процессов при хранении ее навальным способом. Для построения математической модели тепловлажностного режима контейнерного хранилища может быть применён методологический подход, основанный на составлении и решении системы балансовых уравнений тепло- и массообмена для всех характерных объёмов и поверхностей в хранилище при режиме хранения. В период хранения необходимо рассматривать два расчётных режима:
- период хранения, когда системы активной вентиляции не работают;
- период хранения при работающей активной вентиляции.
Необходимо учитывать, что продолжительность работы систем активной вентиляции (САВ) составляет не более 10...30% от всего периода хранения [1]. Для обоснования модели тепломассопереноса потребовалось проведение предварительной натурной оценки характера распределения температурных полей в плодоовощной продукции при естественной и вынужденной конвекции. Достаточно равномерные по высоте продукции температурные поля наблюдались перед периодом охлаждения, когда (;пр( h) @ const). Охлаждение характеризуется формированием градиентов температур с минимальными значениями у места истечения воздуха (h <0,5) и максимальном (h >0,9) (рис. 1). Качественно характер распределения температур по высоте штабельной загрузки не зависит от вида конвекции.
В основной период круглогодичного хранения цикличные режимы естественной и вынужденной конвекции взаимоувязаны начальными условиями типа [2]:
t пр (h ) = t пр. о + b h, (1)
где Ь - коэффициент неравномерности температурных полей по высоте, 0С/м.
1,°С
\
2
_1
/ -
/ .4. з
- - '
—
Рис. 1. Изменение температуры по высоте штабеля с продукцией:
--клубней;---------кочанов; 1,2,3 - в период охлаждения начальное, через 15 суток,
конечное; в основной период хранения начальное для режимов, когда САВ не работает (3) и работает (4)
Установлено, что теплопередача в крупнодисперсных засыпках может замедляться инерцией в передаче теплоты теплопроводностью по объёму элементов структуры. Этот эффект оценивается критериальными числами Бш и Фурье ^о). При Bi>0,2 и Fo<0,4 следует учитывать неравномерность температурных полей в элементах зернистых структур. При а v = 400 Вт / (м 3К) критерий Bi<0,17, а Fo=0,75 [2], что подтверждается и нашими исследованиями [3]. Поэтому неравномерность температурных полей в каждом клубне мала и его температура пр. принимается равномерной по объёму. Кочаны капусты более теплоинерционны и, наряду с внешним теплообменом, их тепловое состояние определяется интенсивностью теплопроводности в объеме кочанов.
Наблюдается заметный температурный градиент по высоте хранилища при прекращении циркуляции воздуха даже на несколько часов. При работе САВ градиент температуры в горизонтальной и вертикальной плоскостях хранилища не должен превышать в зимний период 0,5...1 0С/м. Температура плодоовощной продукции непосредственно в контейнерах выше, чем циркулирующего в хранилище воздуха из-за ее физиологических тепловыделений. Благодаря конвективным потокам воздуха непосредственно в слое продукции в контейнерах, а также передаче теплоты теплопроводностью от центра контейнера к периферии изменения температур по площади и высоте контейнера не превышают долей градуса. Тепло- и влагоизбытки продукции удаляются из штабеля контейнеров при работе активной вентиляции.
На тепловлажностный режим в хранилище заметное влияние оказывает тепловой поток испарительного охлаждения Qисп. , который усложняет расчет отдельных составляющих теплообмена на по -верхности продукции. Тепловой поток испарительного охлаждения ^исп = -ф г) пропорционален разности температур поверхности клубней продукции и фильтрующего воздуха ^пов - В работе [4] величина Qисп. выражена через разность относительных влажностей воздуха:
Qисп = -аф С(фпов - фв), (2)
Из зависимости (2) видно, что при постоянном влагосодержании воздуха увеличение разности температур ^пов - ^) приводит к возрастанию (фпов -фв) и соответствующему увеличению QиCп.. Эта закономерность правомерна из-за постоянства относительной влажности (фв » тош^), при которой идут процессы тепло- и массообмена в насыпи продукции. Возрастание относительной влажности воздуха в объеме от начального значения после прекращения работы активной вентиляции (фв» 60%) до оптимальной величины, когда насыщение влагой воздуха близко к 100%, происходит достаточно быстро (для картофеля, например, за 0,17 часа) [5].
Отсюда следует важный вывод: в период хранения при неработающей активной вентиляции продукция большую часть времени окружена воздухом с содержанием влаги, близким к оптимальному (фв »100%). Сказанное выше относится к основной массе продукции и в насыпи, и в контейнерах. Как показали исследования И.Л.Волкинда, В.З.Жадана, Г.М.Позина [1,5,6] и других авторов, в насыпи сочной растительной продукции (СРП) больших размеров при неработающей вентиляции (естественная кон-
венция) в тепло- и массообмене с контактирующим воздухом верхней зоны участвует лишь верхний слой насыпи толщиной 0,15...0,4 м. Температура в верхней зоне может быть ниже точки росы, что вызывает отпотевание продукции и увеличение её порчи.
Натурные исследования, выполненные нами, позволили утверждать, что при контейнерном хранении имеет место иная картина формирования и изменения полей температур в продукции. Установлено, что температура в периферийных зонах (верхней и боковой) отличается от температуры основного массива штабеля. В верхнем ряде контейнеров температура выше на 0,5...1,6 0С, в боковом ряде у наружных стен на 0,6...1,2 0С.
С учётом рассмотренной выше теплофизической модели можно сформировать следующие предпосылки для составления биотехнической системы хранения картофеля и овощей при контейнерном способе хранения на круглогодичный период:
- в процессе хранения в слое продукции с равномерно распределёнными по объёму контейнеров источниками тепловыделениями qv выделяется теплота и влага, в результате чего происходит постепенное повышение температуры и накопление влагоизбытков;
- всю СРП в штабеле хранилища необходимо рассматривать как единое целое, сформулированное из отдельных контейнеров, в массе каждого из которых при вынужденной циркуляции воздуха поддерживается расчётная температура и относительная влажность воздуха при отсутствии значительного градиента температуры по площади и высоте штабеля;
- избыточная теплота и влага, выделяемые продукцией, непрерывно удаляются из штабеля контейнеров воздухом, подаваемым САВ - из-за наличия циркуляции воздуха в каналах между контейнерами в штабеле и в хранилище; из контейнеров с СРП - из-за наличия конвективного теплообмена в массе продукции в каждом контейнере, а также теплообмена поверхностей контейнеров с вентиляционным воздухом и с поверхностями наружных ограждений здания;
- в процессе хранения температура и теплофизические показатели массы сочной растительной продукции, внутренних и наружных поверхностей, а также вентиляционного и внутреннего воздуха, которыми характеризуются процессы тепло- и массообмена, принимаются осреднёнными;
- тепловлажностные процессы в хранилище в основной период круглогодичного хранения могут рассматриваться как стационарные, так как все параметры остаются в этот период практически неизменными во времени (температура и относительная влажность воздуха в массе продукции в хранилище в этот период поддерживаются постоянными).
Стационарный характер процесса характеризуется следующими дифференциальными уравнениями тепло- и массообмена: dQ/dт=0 и dG/dт=0. Сложный процесс, определяющий энергетическое состояние помещения и продукции, рассмотрен как единый энергетический комплекс лучисто-конвективного теплообмена на поверхностях ограждающих конструкций и штабеля контейнеров с СРП, кондуктивного теплообмена через ограждающие конструкции, тепло- и влагообмена в объёме картофелехранилища.
При стационарном режиме балансовые уравнения теплообмена записываются в виде алгебраических выражений.
Тепловой баланс поверхности ограждающих конструкций хранилища имеет вид:
Qл +Qк+ Qт = 0. (3)
Тепловой баланс на поверхности штабеля продукции с учётом выделения теплоты поверхностного слоя картофеля:
Qл +Qк+ Qп.с = 0. (4)
Исходя из уравнений (3) и (4) осуществлена разработка математической модели (ММ) хранилища с активной вентиляцией по схеме "снизу-вверх" при контейнерном способе хранения.
Нами рассмотрены процессы тепло-и массообмена в одноэтажном наземном с совмещённым покрытием хранилище, оборудованном системой активного воздухораспределения и заполненном картофелем в контейнерах. Это наиболее распространённый в настоящее время тип хранилища в Восточной Сибири.
Разнообразие систем отопления и вентиляции и схем воздухораспределения, принимаемых в хранилищах контейнерного типа, а также различный режим их эксплуатации в основной период хранения обусловливают наличие конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции на поверхностях в помещении. Это учтено при составлении расчётной схемы и системы уравнений тепловлажностного баланса.
При построении ММ составлены две расчётные схемы тепловлажностного баланса помещения хранилища:
- при отсутствии принудительного движения воздуха вдоль поверхности ограждающих конструкций и штабеля продукции (свободная конвекция, активная вентиляция не работает);
- при наличии струйного движения воздуха у внутренних поверхностей хранилища и поверхностей штабеля (вынужденная конвекция, активная вентиляция работает).
Библиография
1. Волкинд И.Л., Позин Г.М. Система уравнений тепломассообмена для хранилищ с активной вентиляцией// Проектирование, строительство и эксплуатация хранилищ для картофеля и овощей.- Орел.: Гипрониисельпром, 1972. - С. 252 - 270.
2. Бодров В.И. Обеспечение и оптимизация микроклимата хранения сочного растительного сырья и сушки травы: Дис. ... уч. ст. докт. техн. наук. - М., 1988. - 496 с.
3. КалашниковМ.П. Вертикальные системы воздухораспределения загруженных помещений: Дис. ... уч. ст. канд. техн. наук. - М., 1983. - 211с.
4. Бодров В.И. Хранение картофеля и овощей. - Горький: Волговятское книжное издательство, 1985. -185с.
5. Волкинд И.Л., Позин Г.М. Тепломассообмен в насыпи сочной растительной продукции в период хранения // Проектирование, строительство и эксплуатация хранилищ для картофеля и овощей. - Орел, 1972. - С. 271 - 288.
6. Жадан В.З. Теоретические основы кондиционирования воздуха при хранении сочной растительной продукции. - М.: «Пищевая промышленность», 1976. - 155 с.
Bibliography
1. Volkind I.L., Pozin G.M. The system of equations for heat and mass storage with active ventilation // Design, construction and operation of the function for storage of potatoes and vegetables.-Orel: Guiproniiselprom, 1972.-P.252-270.
2. Bodrov V.I. Maintenance and optimization of a microclimate of succulent vegetable raw materials and grass drying storage. Thesis for the Doctoral degree.-M., 1988.-496 p.
3. KalashnikovM.P. Vertical systems of air-distribution in loaded premises. Thesis for the PhD degree.-M., 1983 -
211 p.
4. Bodrov V.I. Storage of a potato and vegetables.-Gorkiy: Volgovjatsky Publishing House, 1985.-185 p.
5. VolkindI.L., Pozin G.M. Heat and mass transfer in a mound of succulent plant products during storage // Design, construction and operation of storage facilities for potatoes and vegetables.-Orel, 1972.-P.271-288.
6. Zhadan V.Z. Theoretical foundations of air conditioning systems in storage of succulent plant products.-M.: "Food industry", 1976.-155p.
