Расчет распределения воздуха при хранении сельскохозяйственной продукции во временных сооружениях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 697.921:63¡.243.42

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА

ПРИ ХРАНЕНИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ ВО ВРЕМЕННЫХ СООРУЖЕНИЯХ

Докт. техн. наук, проф. ДЯЧЕК П. И.

Белорусский национальный технический университет

Значительная часть овощей, и особенно картофеля, ввиду недостатка стационарных хранилищ закладывается на хранение во временных сооружениях (буртах и траншеях) с образованием укрытия преимущественно из двух слоев соломы и двух слоев грунта. Траншеи не имеют принципиального отличия от буртов. В траншеях продукция располагается в сделанной в грунте линейной выемке глубиной более 0,5 м.

Достаточно широко бурты применяются и в тех странах, где не испы-тывается недостаток в стационарных хранилищах. Это объясняется сезонностью производства продукции и практически круглогодичным ее потреблением. Не имеет смысла хранить убранный картофель в стационарном хранилище, если потребление его будет осуществляться в течение короткого периода после уборки. Удельные капитальные вложения на сооружение временного бурта и стационарного хранилища отличаются в 30-100 и более раз. К тому же решены вопросы механизации работ по устройству укрытия, заполнения бурта и выгрузки хранящейся продукции. В Германии, например, используются бурты вместимостью до 500 т. Этот объем хранения соизмерим с вместимостью малых хранилищ. В современных условиях можно решать вопросы вентиляции буртов, осуществляя таким образом управление температурно-влажностным режимом хранения и получая высокое качество продукции и ее выход в конце периода хранения.

Проектирование системы вентиляции буртов (рис. 1) связано с проведением ряда инженерных расчетов, основу которых составляет определение аэродинамического сопротивления слоя хранимой продукции. Методика таких расчетов в нормативной и научной литературе не обнаружена.

Приточные воздуховоды (воздухораспределители) могут быть наземными и заглубленными. Заглубленные воздуховоды размещаются ниже уровня основания бурта, а их воздухораздающая панель в виде планчатой решетки находится на уровне основания бурта. Наземные воздухораспределители могут быть треугольной (рис. 1) и трапецеидальной формы.

В зависимости от ширины бурта в основании устраивается один или два приточных воздуховода.

Цель данной работы - провести исследование параметров распределения воздуха в буртах и траншеях, на основании полученных результатов предложить инженерную методику оценки процессов движения воздуха в названных сооружениях и разработать метод расчета аэродинамического сопротивления слоя хранимой продукции. Это позволит найти пути совершенствования систем вентиляции буртов, определить способы повышения равномерности поля скоростей в сечении данных сооружений и обеспечить подачу в слой требуемых объемов воздуха [1].

Анализ методов исследования параметров фильтрации воздуха в насыпных слоях кусковых материалов показал, что измерение их в порах слоя является чрезвычайно сложной задачей и требует выполнения огромного объема экспериментальной работы. Связано это, прежде всего, со статистическим характером практически каждого из множества параметров, характеризующих состояние слоя и происходящих в нем процессов. Наиболее просто и точно учесть эти явления можно путем разработки математической модели изучаемых процессов и анализа ее с помощью вычислительной техники.

Поле скоростей фильтрации и распределение давлений воздуха в порах слоя находится путем численного решения уравнений движения, полученных на основании результатов экспериментального исследования закономерностей аэродинамического сопротивления насыпных слоев сельскохозяйственной продукции (Ар = ст1 +ахи>). При разработке модели принято, что приточные и вытяжной воздуховоды являются воздуховодами равномерной раздачи. В этих условиях задача фильтрации воздуха в поперечном сечении бурта может рассматриваться как двухмерная. С учетом этого система дифференциальных уравнений движения выглядит следующим образом:

ди , 5У „ / 2 , 2

а* ду ' ™=у1и +у • (3)

Здесь р - объемная масса воздуха; и - порозность слоя; и, V -- проекции вектора средней скорости фильтрации воздуха в порах на оси х и у соответственно; р - давление, формируемое в рассматриваемом дифференциальном объеме системой вентиляции; а, а\ - коэффициенты, определяющие зависимость аэродинамического сопротивления слоя высотой 1 м от скорости фильтрации уи.

Коэффициенты а и ах определены экспериментально для среднестатистического фракционного состава конкретного вида продукта, имеют раз-

личный уровень численных значений и представлены в специальной литературе.

Математическая постановка задачи о движении воздуха в пористом слое сельскохозяйственной продукции и методика ее численного решения достаточно полно представлены в [2].

На рис. 2 приведены результаты расчета поля скорости № в поперечном сечении некоторых типов буртов. На левой части рисунков даны поля относительных скоростей (и^/и^) с подземными (а, в), на правой - с наземными трапецеидальной формы (б, г) приточными воздуховодами. На верхнем рисунке представлено поле относительных скоростей буртов с одним приточным воздуховодом в основании, на нижнем - с двумя приточными воздуховодами. Здесь м/^^ИF^wdF . Поля скоростей совмещены по осям симметрии. Ширины воздухораздающих и воздухоприемных панелей Приточного и вытяжного воздуховодов в сравниваемых вариантах одинаковы.

Рис. 2. Поле относительных скоростей уц/и'^ в поперечном сечении некоторых типов буртов

Предлагается, как и в [2], качество распределения воздуха в поперечном сечении бурта оценивать коэффициентом неравномерности поля скоростей

р .1 ж,

г

ср

где Г - площадь поперечного сечения бурта; и{.р - средняя по сечению скорость фильтрации воздуха.

Аэродинамическое сопротивление фильтрации воздуха в порах насыпного слоя бурта следует находить по зависимости

Др = (! + *„)*

-М"

3600^

3600

я

(5)

где кр - поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность поля

скоростей в сечении бурта; Ь - подача воздуха, отнесенная к единице площади основания, м3/(м2 ч); к - поправочный коэффициент, учитывающий вид закладываемой в бурт продукции и определяемый через значения коэффициентов а, аи

к =

0,45 + 0,85ехр(з,97 • Ю"5^0'25) 3,28 ■10"2о, + 0,84

(6)

Поправочный коэффициент к в зависимости от количества, расположения и типа приточных воздуховодов, а также с учетом геометрии поперечного сечения бурта подчиняется выражению

кр=кр1кр1-Аа,

(7)

где крХ - коэффициент, определяемый геометрическими параметрами бурта с одним приточным воздуховодом; кр2 - поправочный коэффициент,

который учитывает наличие в основании двух приточных воздуховодов (для буртов с одним приточным воздуховодом кр2 =1); Да - поправка на

угол наклона воздухораздающих панелей наземных воздухораспределителей, для систем вентиляции с заглубленными воздухораспределителями Да = 0;

0,47

1-1

V'

85

0,364 + 2,458—

В,

V ч 0,875

Яу

(8)

крг = 1 +

' г. \

(9)

Да =

-0,67| + 0,89]я;<+°35,

(10)

Для расчета коэффициента неравномерности поля скоростей получена формула

К=Ка + К1 + К*> (П)

+

где ки1 - коэффициент неравномерности поля скоростей фильтрации в буртах с одним приточным воздуховодом; кн2 - добавочное значение коэффициента неравномерности поля скоростей при наличии в основании двух воздухораспределителей, для систем вентиляции с одним воздухораспределителем в основании кл = 0; кпа - добавочный коэффициент, учитывающий угол наклона панелей наземных воздухораспределителей; для заглубленных воздухораспределителей равен 0.

Имеем:

1'¥+е

В\Н )2В'

(12)

Здесь

А:на=(0,2^ + 0,21]яеЧ(оД^-ОД7

5 =

0,69-0,25^1-^-

И

-0,544

\нв.

1-^1 + 0,444;

(13)

(14)

0,444-1,747^1-^

2,317^1-^-0,524. (15)

В выражениях (И) и (7), как уже отмечено выше, коэффициенты кн2 и кр2 рассчитываются в том случае, когда в основании бурта закладываются два приточных воздуховода, коэффициенты Да и кна - когда применяются наземные воздухораспределители.

Анализ полученных результатов показывает, что поле скоростей фильтрации в поперечном сечении бурта обладает высокой степенью неравномерности. Если в насыпных слоях, формируемых в стационарных хранилищах при размещении продукции навалом или в закромах, можно обеспечить с помощью разработанных для них систем вентиляции кп = 0,3-0,35, то для буртов ка ~ 0,5.

В буртах с одним приточным воздуховодом в основании формируются две боковые слабовентилируемые зоны, в буртах с двумя приточными воздуховодами в основании имеется и третья, находящаяся между воздухораспределителями. Причем из средней зоны и наиболее затруднен отвод избыточной теплоты в период охлаждения. Анализ различных вариантов вентиляции буртов позволил рекомендовать в этом случае применение попеременной подачи воздуха в приточные воздуховоды [3], а при перегреве средней зоны - и вентиляцию из одного приточного воздуховода в другой.

Бурты с двумя приточными воздуховодами следует применять при ширине основания более 2 м. Анализ формулы для расчета кр2 показывает,

что расстояние между симметрично расположенными приточными воздуховодами должно выбираться из условия Ь2/В = 0,44 . В этом случае бурт будет иметь минимальное аэродинамическое сопротивление.

с

Анализ характера распределения воздуха в поперечном сечении буртов позволил разработать предложение по новому расположению воздухораспределителей. По этому предложению приточный и вытяжной воздуховоды располагаются по краям бурта в его основании (рис. За). Для этой схемы распределения воздуха применимы приведенные выше расчетные зависимости в предположении Ь/В = 1 при соответствующей корректировке высоты и ширины бурта. Такая схема распределения воздуха обеспечивает достаточно высокую степень равномерности поля скоростей. Однако применение такой схемы вентиляции возможно только после формирования укрытия.

Исследования показали, что, как ив [2], поле скоростей выхода воздуха из панелей воздухораспределителя характеризуется некоторой неравномерностью. Это важно, так как максимальная скорость входа воздуха в слой ограничивается [1]. Величина максимальной скорости для приточных воздуховодов может быть вычислена по зависимости

ЬВ

(16)

"И'

-к

ЗоООцЬ'

где ц - порозность слоя; Ъ' - общая ширина воздухораздающих панелей приточных воздуховодов.

Поправочный коэффициент находится по формуле

К, = 1 +

0,28 - 0,5— В

эт

3,41-3,8

Ь.

В

(17)

Если максимальная скорость будет в вытяжном воздуховоде (Ьх < Ь'), то

(18)

* = 1 + | 0,14 + 0,29— )—,

V

В ) В

а в формуле (16) следует принимать Ь' = .

Основной недостаток систем вентиляции буртов - это высокая степень неравномерности распределения воздуха в поперечном сечении. Главный фактор, который это определяет, - конфигурация поперечного сечения. Исследование связи равномерности поля скоростей с конфигурацией поперечного сечения позволило автору предложить новое поперечное сечение бурта (рис. 36), а вместе с Л. С. Ицковичем и Е. В. Лебедко и конструктивно его разработать [4].

Рис. 3. а - поле скоростей и^./и^р фильтрации воздуха при расположении приточного и вытяжного воздуховодов в основании; б - схема бурта по [4]

б

а

Значения коэффициента неравномерности поля скоростей бурта по рис. 36 и поправочный коэффициент кр близки к нулю. Целесообразно

приточный воздуховод в бурте по рис. 36 выполнять в форме проходного канала и использовать его для вьирузки хранимой продукции самотеком на конвейер. Такой опыт в практике хранения сельскохозяйственной продукции имеется. Хранилище-бурт имеет низкие капитальные вложения на строительство. Минский институт «Агропроект» разработал чертежи этого типа хранилища.

ВЫВОДЫ

1. Проведено аналитическое исследование и предложена инженерная методика оценки процессов движения воздуха во временных сооружениях для хранения сельскохозяйственной продукции, а также разработан метод расчета аэродинамического сопротивления слоя хранимой продукции.

2. Представленные материалы на стадии проектирования позволяют выбрать рациональную систему вентиляции и вид бурта, обеспечивая требуемые технологические параметры хранения продукции и снижения ее потерь.

ЛИТЕРАТУРА

1. В о л к и н д, И. Л. Промышленная технология хранения картофеля, овощей и плодов / И. Л. Волкинд. - М.: Агропромиздат, 1989. - 240 с.

2. Д я ч е к, П. И. Расчет распределения воздуха при хранении сельскохозяйственной продукции навалом / П. И. Дячек // Изв. вузов СССР. Строительство и архитектура. - 1989. - № 2. - С. 79-84.

3. С п о с о б вентиляции буртов: а. с. 886826 СССР, МКИ3 А 01 Э 91/02 / П. И. Дячек, Л. С. Ицкович. - № 2444236; заявл. 18.01.1977; опубл. 07.12.1981, Бюл. № 45.

4. Б у р т для хранения сельскохозяйственной продукции: а. с. 1009329 СССР. МКИ А 01 Р 25/02. / П. И. Дячек, Л. С. Ицкович, Е. В. Лебедко. - № 3366144; заявл. 15.12.1981; опубл. 07.04.1983, Бюл. № 13.

Представлена кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Поступила 14.02.2006