CC BY
31
УДК 621.565.58; 621.560
Повышение эффективности системы охлаждения плодоовощехранилищ
Н. В. ЖИХАРЕВА, д-р техн. наук М. Г. ХМЕЛЬНЮК
hmel_m@ukr.net Одесская национальная академия пищевых технологий 65082, Украина, г. Одесса, ул. Дворянская, 1/3
Рассмотрен вопрос повышения эффективности системы охлаждения плодоовощехранилищ с минимизацией приведенных затрат для обеспечения наименьших потерь продукции. Разработана комплексная модель оптимизации охлаждающей системы плодоовощехранилищ. Определены оптимальные режимы эксплуатации холодильной установки с учетом технологических, конструктивных, стоимостных показателей. Рассчитаны оптимальные параметры хранения плодоовощной продукции с учетом влияния расхода воздуха на усушку плодоовощной продукции и конструктивных особенностей элементов воздухоохладителей.
Ключевые слова: эксергия, термоэкономический анализ, оптимизация, система охлаждения, тепло-массообмен, расход воздуха, воздухоохладитель.
Increasing the efficiency of the cooling system for fruit and vegetable storage facilities
N. V. ZHIKHAREVA, D. Sc. M. G. KHMELNYUK
hmel_m@ukr.net
Odessa national academy food technologies 65082, Ukraine, Odessa, Dvoryanskaya str, 1/3
The article addresses the problem of increasing the efficiency of the cooling system for fruit and vegetable storage facilities, while minimizing present costs, in order to reduce the losses during storage. An integrated model is developed to optimize the cooling system for fruit and vegetable storage. The optimal operation modes are identified for a cooling unit, taking into account technological, constructional and cost parameters. Optimized characteristics have been calculated for the storage of horticultural products with due regard to the effect of air flow rate on the loss of weight in horticultural products and constructional features of the air cooler's elements. Keywords: exergy, thermoeconomic analysis, optimization, cooling system, heat and mass transfer, air flow rate, air cooler.
Введение
Задача экономии сырья, электроэнергии и водных ресурсов, которая стоит перед промышленностью любой страны, актуальна и для производства промышленного холода. При современных масштабах применения холодильной техники на предприятиях агропромышленного комплекса даже небольшое сокращение капитальных расходов или повышение энергетической эффективности холодильных систем может дать существенный по абсолютной величине экономический эффект.
Анализ литературных источников по холодильному хранению плодоовощной продукции показал, что повышение эффективности системы охлаждения плодоово-щехранилищ зависит от многих факторов и решать эту задачу необходимо в комплексе [1]. На эффективность охлаждающей системы плодоовощехранилищ влияют параметры хранения плодоовощной продукции с учетом влияния расхода воздуха на усушку плодоовощной продукции. Оптимальные режимы работы охлаждающей системы осуществляются на основе законов динамической оптимизации процессов тепло-массообмена в ограждающих конструкциях, в штабеле продукции и в воздухоохладителе, с определением эксергетической показателей и эксергетической потерь, которые обеспечивают минимум приведенных затрат.
При определении оптимальных режимов работы холодильной установки используется метод термоэкономического анализа, применяемый в моделях, разработанных В. В. Оносовским [2-4]. В данных моделях в качестве независимых переменных выбраны: АТ^ — перепад температур в конденсаторе; ДТв—перепад температур воздуха в воздухоохладителе, ©к, ©0 — температурные напоры в конденсаторе и воздухоохладителе. Это привело к результатам, указывающим на существование режимов, при которых температура, выходящая из конденсатора выше температуры конденсации в реальных условиях.
В настоящей работе определены оптимальные режимы хранения плодоовощной продукции по разработанной комплексной модели оптимизации охлаждающей системы плодоовощехранилищ, включающей в себя определение: оптимальных параметров хранения плодоовощной продукции с учетом влияния расхода воздуха на усушку плодоовощной продукции; оптимальных режимов работы одноступенчатой холодильной установки, с учетом особенностей конструктивных элементов воздухоохладителей, выбранных по выведенным технологических и экономическим критериям оптимальности, в которой температурный
напор охлаждаемой или нагреваемой среды в одном теплообменном аппарате являются зависимыми переменными [4-6].
Термоэкономическая модель одноступенчатой холодильной установки плодоовощехранилища
Для оптимизации таких сложных систем, как холодильные установки, использован термоэкономический метод, разработанный М. Tribus [4] и реализованный в работах В. В. Оносовского [3]. Главная идея метода состоит в построении термоэкономической модели, позволяющей представить замкнутую схему холодильной установки с обратными связями в виде цепочки отдельных зон или разветвленной цепочки, что значительно упрощает расчеты.
При таком подходе неминуемо должны быть нарушены некоторые связи, существующие в замкнутой схеме. Для того чтобы не искажались физические закономерности, в термоэкономической модели нужно использовать такие параметры, которые инвариантны относительно выполняемых преобразований. При этом нужно также учитывать, что энергия в холодильной установке может передаваться как в форме теплоты, так и в форме механической работы. Эти особенности могут быть учтены, если в роли единого носителя информации преобразования энергии в холодильной установке использовать поток эксергии [3, 4, 7, 8].
Проведено исследование оптимальных режимов комплексной оптимизации с применением термоэкономического метода на примере одноступенчатой типовой холодильной установки для плодоовощехранилища (рис. 1) [7].
При построении термоэкономической модели приняты допущения:
— не учитываются теплопотери через наружную поверхность оборудования рассматриваемой установки при теплообмене рабочего тела с окружающей средой;
— потери давления в запорной арматуре, в водяных и аммиачных трубопроводах учитывались по укрупненным показателям в сумме потерь давления соответствующих аппаратов;
— не учитывается стоимость здания машинного отделения, численность и фонд заработной платы обслуживающего персонала, стоимость первоначальной заправки системы маслом и хладагентом;
— не учитывается стоимость арматуры, элементов автоматики, трубопроводов и вспомогательного оборудования (линейных и дренажных ресиверов, маслосборников и маслоотделителей);
— перегрев всасывающего пара (АТп) и переохлаждение жидкого рабочего тела перед регулирующим вентилем (ДТ ), не оптимизировалась, а принималась по справочным данным.
Термоэкономическая модель холодильной установки, с учетом сделанных допущений, показана на рис. 2 в виде последовательно соединенных зон. Зона 1 включает в себя компрессор с электродвигателем, конденсатор, насос охлаждающей воды с электродвигателем и регулирующий вентиль; зона 2 — испаритель для охлаждения промежуточного хладоно-сителя и насос с электродвигателем, обеспечивающий
í^fh
Рис 1. Схема одноступенчатой холодильной установки
М
Д.
Цел
Рис 2. Термоэкономическая модель одноступенчатой холодильной установки
циркуляцию хладоносителя; зона 3 — охлаждающие устройства со свободным или принудительным движением воздуха и вентилятор с электродвигателем, а также увлажняющие устройства и насос с электродвигателем.
От внешнего источника к системе подводится энергия (эксергия) для привода электродвигателя компрессора е11 (цена Цел, грн/(кВт • ч)), электродвигателя насоса охлаждающей среды е13, электродвигателя насоса промежуточного холодоносителя е22, электродвигателя вентилятора воздухоохладителя е32, электродвигателя насоса увлажнителя е42 От внешнего источника подводится также охлаждающая среда в количестве ¥п, м3/час (цена Ц^, грн/м3). Внутри системы передается эксергия из зоны 1 в зону 2 — е1; из зоны 2 в зону 3 — е3. В результате работы системы должна быть получена приведенная холо-допроизводительность е0хл.
Критерием оптимизации выбраны приведенные затраты (ПВ), которые для рассмотренного случая могут быть описаны выражением
ПВ = [ Цел (еп + еп + е32 + е22 + е^) +
(1)
+ Ц^12 + *11 + *12 + *13 + *21 + ^22+ *31 + *32 + *41 + ^ V
где У12 — посекундный расход воды в конденсаторе 12 е — эксергия електродвигателя компресора 11 е — эксергия електродвигателя водяного насоса 13 е22 — эксергия електродвигателя вентилятора 22 е32 — эксергия электродвигателя вентилятора воздухоохладителя; е42 — эксергия електродвигателя насоса увлажнителя; г11, 22, 713, 731, 21Х, г42 — нормативные отчисления амортизационных отчисле-
z
42
нии и затрат на текущии ремонт отдельных элементов: компресора 11, конденсатора 12, водяного насоса 13, воздухоохладителя 31, вентилятора 32, увлажнителя 41, насоса с электродвигателем для увлажнителя 42; tp — число рабочих часов в году.
При полученном значении Q
i J ^ охл
ПВ = ПВ (ATw, АТв). (2)
С ограничениями от ©к=f (ATw) до ©0 =f (АТТ), где ©к, ©0 — температурные напоры в конденсаторе и воздухоохладителе, являются зависимыми переменными от ATw до АТв, ATw — перепад температур воды в конденсаторе 12; АТв — перепад температур воздуха, проходящего через охладитель 31 .
Исходя из того, что эксплуатационные и капитальные затраты оказывают противоположное влияние на общую величину затрат, выбранная целевая функция позволяет наИти оптимальное решение режима работы данноИ холодильноИ установки. Для решения этоИ задачи разработана математическая модель даннои установки, построенная с учетом требовании термоэкономики и адекватная реальноИ технологической схеме холодильноИ установки. Рассматривалась оптимизация холодильноИ установки модуля плодоовощехранилища емкостью 100 т (г. Одесса).
Термодинамическая модель описывается зависимостями:
z„ = Z„ К ©„ ATw); г21 = Z21 (е2, ^ АТВ);
Z12 = Z12 (^ ©к ATw); z22 = Z22 (ез, ATw);
zi3 = Z13 (^ ©к ATw); Z31 = Z31 ©o, ATX
z32 = Z31 (е , AT); z41 = Z41 (е , ©0, AT);
32 31 v охл' в/? 41 41 v охл' 0' Z42 = Z42 (е^ А/,в); еп = E11 (ер ©, ATw); (3)
е1з = E13 (еl, ©к ATw); е22 = E22 (ез, ©0, ^ е31 = E31 (е , ©0, AT); е32 = E13 (е , AT);
31 31 охл 0 в 32 13 охл в е41 = E41 ©0, ^ е42 = E13 ^
V12 = V2 (е2, ©* ATw);
Потоки эксергии, связывающеИ зоны, равны:
е, = E, (e , © , AT );
1 1 охл к w
е3 = E3 (е , ©0, AT);
3 3 охл 0 в
е = E (Q , T , T );.
охл о ч>=-'охл' охл' ос"
Оптимизация воздухоохладителей плодоовощехранилищ
При определении оптимальных режимов холодильной установки учитывался оптимальный воздухоохладитель, выбранный по модульному принципу. Приняты единичные модули, вмещающие пучок биметалических оребренных труб общей длиной 280 м и вентилятор В-06-300-6,3А [7, 9]. За константу модуля выбрана общая длина пучка труб, а не общая внешняя поверхность. При этом внутренняя поверхность остается постоянной для данного диаметра трубы, а внешняя изменяется при вариации шага оребрения.
Алгоритм позволяет проводить оптимизацию по следующим критериям, приведенным к общей тепловой нагрузке Q0: конструктивные критерии Q0/F, Вт/м2; QJN, Вт/Вт; QJМ, Вт/кг и экономический критерий потребителя 1-го типа:
VN1 „ Цел, грн/Вт (5)
а
где: Цел — цена 1 кВт- ч электроэнергии; 1т — цена воздухоохладителя.
Критерий потребителя 2-го типа
A1m+Nt ,s + Ца
(6)
(4)
Решая систему уравнений (3), (4) методом последовательных приближений Нелдера-Мида были получены значения ©к, ДТ^, ©0, ДТв, соответствующие оптимальному режиму работы холодильной установки, который обеспечивает минимум приведенных затрат. По значениям температурных напоров и перепадам температур охлаждающих и охлаждаемых сред определены величины теплопередающих поверхностей теплообменных аппаратов и описанного объема компрессора, обеспечивающие оптимальный режим работы холодильной установки.
где: А — доля амортизации за цикл хранения; Ц — стоимость продукции, потерянной вследствии усушки, грн.
Этот критерий учитывает вид продукции, хранящейся в камере, и определяется по результатам исследований. Для каждого вида плодов и ягод существует оптимальный расход воздуха через штабель продукции, соответствующей минимальным потерям от усушки.
При численном эксперименте была использована авторская методика, где варьировался следующий набор переменных параметров: шаг оребрения, шаг труб, количество рядов труб с большим шагом ребер; количество рядов труб с меньшим шагом ребер; общее количество рядов труб в направлении движения воздуха; количество рядов труб по фронту [7].
Алгоритм воздухоохладителя был построен на базе вложенных циклов, в которых, с погрешностью менее 0,1%, определялись температура поверхности инея, температура и относительная влажность воздуха на выходе из секций, коэффициент влаговыпадения, удельный тепловой поток и зависимые от них коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи. С такой же погрешностью (0,1%) во внешнем цикле определялась холодопроизводитель-ность, рассчитанная через коэффициент теплопередачи и среднеинтегральную разницу температур хладагента и воздуха.
Для системы охлаждения камеры, по результатам оптимизационных расчетов, в НИИ холодильной техники и технологии «Агрохолод» (г. Одесса) разработаны и изготовлены воздухоохладители площадью поверхности 75 м2, с осевым вентилятором В-06-300-6,3А. Воздушные потоки, поступающие из отверстий воздухоохладителей, подчиняются закономерностям сжатой струи в ограниченном пространстве.
Определение оптимальных параметров хранения плодоовощной продукции
Оптимальные параметры хранения плодоовощной продукции были найдены по разработанной модели процессов тепло- и массообмена. Однородность и стабильность тепловлажностных условий в штабеле растительной продукции является необходимым условием ее долгосрочного хранения [5]. Неизбежная неравномерность и нестабильность тепловлажностных полей за счет внешних теп-лопритоков через ограждения камеры хранения не может быть количественно оценено без теоретического описания тепловлажностных полей в массе продукции при активном ее вентилировании холодным воздухом. Математическое описание процессов тепло- и массообмена базируется на уравнениях теплового и материального балансов с учетом зоны отпотевания и представляется системой дифференциальных уравнений [3-5, 7-10]
1 оТТ+ Рн<7оехР( ЬА ) =
(7)
дх2
0,622 Ар е/н ,, р гУрт
Граничные условия на входе и выходе из штабеля имеют вид:
на входе (при х = 0)
1 ^ = а(1 - !0), /г = t0, р = р0;
6х
(8)
dtc
на выходе (при х = к) 1 —- = 0,(1 - е)(? - tS), dx
где д0 — удельная теплота дыхания при 0 оС, Вт/кг; р — парциальное давление водяного пара, Па; р"- давление насыщенного пара, Па; РБ — барометрическое давление, Па; 1 — эфективная теплопроводность насыпи сырья, Вт/(м • К); р — плотность, кг/м3; Ср — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг • К); ак — коэффициент, моделирующий теплоотдачу при смешении теплого потока воздуха выходящего из штабеля с холодным воздухом камеры хранения, Вт/(м2 • К); е^. — массообменная характеристика, представляющая часть поверхности элемента сырья, которая участвует в массообмене; Рр — коэффициент массоотдачи, кг/(м2 • Па • с).
Построено асимптотическое решение данного уравнения. Распределение тепловлажностных полей по высоте насыпи представляется следующими зависимостями
яблок (в зависимости от высоты штабеля от 2 до 5,5 м, с шагом, кратным высоте ящика 0,7 м): температура хранения 0 оС, скорость от 0,026 до 0,047 м/с; относительная влажность от 97,43 до 91,95%.
Определенно влияние расхода воздуха на величину усушки продукта при различных условиях его хранения. На основании анализа зависимости суммарных потерь фруктов от расхода воздуха для различных значений относительной влажности воздуха найдены оптимальные величины расхода воздуха, при которых потери от усушки минимальные. К примеру, при хранении яблок в штабелях высотой 2 м, экстремальная величина расхода воздуха 0,008 кг/(м2 • с). При этом минимальные суммарные потери продукта за цикл хранения составляют 16,2 кг/т.
Результаты оптимизации режимов работы
одноступенчатой холодильной установки
Регулирование режима работы холодильной установки достигается установлением и поддержанием необходимых перепадов температур между средами в тепло-обменных аппаратах, с учетом полученных оптимальных параметров хранения плодоовощной продукции, с учетом влияния расхода воздуха на усушку плодоовощной продукции и воздухоохладитель, оптимизированный по конструктивным и экономическим критериям.
На основании разработанной термоэкономической модели одноступенчатой холодильной установки плодоовощехранилища, в которой напор температуры охлаждаемой или нагреваемой среды в одном теплооб-менном аппарате являются зависимыми переменными, была проведена оптимизация режима работы холодильной установки. Значения температурных напоров в воздухоохладителе и конденсаторе, а также изменение температур охлаждаемой и охлаждающей сред при фиксированной температуре окружающей среды при различных температурах охлаждаемого объекта для камеры холодильного модуля с установленным разработанным оборудованием, соответстует диапазону рекомендуемых значений (рис. 3).
Сопоставление экономических, энергетических значений для отдельных узлов и элементов показаны
ДТ , ©К, ©„, Д7В, °С
• К' 05 В'
/г (х) = и ехрЦх);
I=1
К (х) = и + У£С^охр(1,.х); (9)
I=1 4
Р (х) ехр ( V). (10)
/=1
На основании разработанной математической модели процессов хранения плодоовощной продукции определены оптимальные параметры холодильного хранения
-а
2
0,5
1,5
Д7
2,5 °С
Рис. 3. Оптимальные значения перепадов температур в теп-лообменных аппаратах холодильной установки: 1 — АТ ; 2 — вг; 3 — &„ 4 — АТ
К 0' в
0
1
Выводы
Е3, грн/год
Разработанная комплексная математическая модель содержит принципиально новый подход к выбору основного оборудования холодильной установки при определении оптимальных режимов ее эксплуатации, повышающие эффективность системы охлаждения плодоово-щехранилищ. В результате выполненных исследований решен комплекс задач, направленных на разработку основных рекомендаций по поддержанию оптимальных условий эксплуатации одноступенчатой холодильной установки с учетом технологических, конструктивных, стоимостных показателей, оптимальных параметров хранения плодоовощной продукции с учетом влияния расхода воздуха на усушку плодоовощной продукции и конструктивных особенностей элементов воздухоохладителей. Оптимизация режима работы оборудования холодильной установки позволяет сократить переменную часть расходов приблизительно на 10-13,2%, что при длительной эксплуатации оборудования представляет собой значительную экономию средств.
Список литературы
1. Грачев Ю. Г. Основы оптимизации систем кондиционирования микроклимата. — Пермь: Изд-во Перм. политехн. ин-та, 1987.
2. Бродянский В. М., Фратшер В., МихалекК. Эксер-гетический метод и его приложения. — М.: Энергоато-миздат, 1988.
3. Оносовский В. В. Моделирование и оптимизация холодильных установок. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.
4. Tribus М. Thermostatics and Thermodynamic. New Jemey, D Van Nostrand Co. 1961.
5. Жадан В. З. Теплофизические основы хранения сочного растительного сырья на пищевых предприятиях. — М.: Пищ. пром-сть, 1976.
6. Жихарева Н. В., Хмельнюк М. Г. Оптимiзацiя режиму роботи холодильно! установки плодоовочесховищ. // Холодильна техшка i технолопя. 2012. № 5 (139).
7. Чумак И. Г. Холодильные установки. Проектиро-вание./Уч. пособие. 3-е изд. перераб. и доп. — Одесса: Друк, 2007.
8. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие // В. М. Бродянский, Г. П. Верхивер, Я. Я. Карчев и др. — Киев: Наук. думка, 1991.
9. Красномовец П. Г., Жихарева Н. В. Результата оптишзаци системи охолодження плодоовочесховищ. // Холодильна техшка i технолопя. 2002. № 3 (77).
10. Лабай В. Й. Тепломасообмш. — Львiв: Трiада плюс, 2004.
11. Тимофеев В. Н., Васильева И. Г. Повышение эффективности хранения картофеля на объектах общественного питания // Вестник Международной академии холода. 2011. № 4.
50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
1
2 3
812 1456 4 5 6
Рис. 4. Гистограмма эксплуатационных затрат стоимости оборотной воды и потребляемой энергии на работу соответствующего оборудования: 1 — е„; 2 — е • 3 — е • 4 — е • 5 — е • 6 — V..
11 32 13 42' 22' 12
ПВ, грн/год 60000
50000 40000 30000 20000 10000 0
54634
14786
7867
4120
2300
1
2
3
4
5
Рис. 5. Гистограмма частных значений приведенных затрат для отдельных узлов и элементов холодильной установки:
1 е11; 2 е32; 3 е12,е13; 4 е41,е42; 5 е21,е22
на рис. 4, 5. Как видно из гистограмм, помимо копрес-сора, на все рассмотренные выше параметры существенное влияние оказывает воздухоохладитель.
Научной группой НИИХТТ «Агрохолод» (г. Одесса) проведены промышленные испытания режимов работы холодильной установки плодоовощехранили-ща емкостью 100 т. В задачу исследований входило определение температурных режимов эксплуатации холодильной установки, обеспечивающих экономию электроэнергии. При этом, для установившихся режимов с фиксированным значением перепадов температур, в теплообменных аппаратах холодильной установки осуществлялись замеры потребляемой мощности в электродвигателях установленного оборудования. На основании результатов сопоставления опытных данных был выбран режим эксплуатации с наименьшим суммарным потреблением.
