CC BY
1
МАШИНОСТРОЕНИЕ В АПК
УДК 629.355 /533.6.07 DOI 10.24412/2311-6447-2023-3-170-176
Возможности применения вихревых труб при автономном хранении пищевых продуктов в рефрижераторных контейнерах
Possibilities of using vortex tubes in case of autonomous food storage in refrigerated containers
Доцент Е.Г. Степанова, ст. преподаватель Р.А. Жлобо, доцент Н.Н. Белина, доцент Б.Ю. Орлов, студент С.П. Холодов
Кубанский государственный технологический университет, кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения, тел. (861) 275-22-79, egs2128@mail.ru, rzhlobo@bk.ru
Associate Professor E.G. Stepanova, Senior Lecturer R.A. Zhlobo, Associate Professor N.N. Belina, Associate Professor B.Y. Orlov, Student S.P. Kholodov Kuban State Technological University, chair of Technological Equipment and Life Support Systems, tel. (861) 275-22-79, egs2128@mail.ru, rzhlobo@bk.ru
Аннотация. В данной статье приводятся данные по объему перевозок пищевых продуктов рефрижераторами. Потребность в этом автономном транспорте в России постоянно растет. В современных условиях актуальной проблемой является сокращение энергозатрат автономных холодильных установок и расходов на их обслуживание. В настоящее время возникла необходимость не только обеспечения предприятий рефрижераторными контейнерами, но и дооснащения их экологически безопасными устройствами, позволяющими повысить холодопроизводительность и сократить энергоемкость холодильной установки. Рассмотрена возможность применения в системе основного холодоснабжения рефрижераторных контейнеров вихревых труб, работающих на основе эффекта Ранка-Хильша. Принцип действия холодильников на вихревых охладителях связан с расширением воздуха в вихревой трубе. Для этого воздух предварительно сжимается в воздушном компрессоре. Дано описание рефконтей-нера для хранения замороженного мяса, приведена схема автономной одноступенчатой парокомпрес-сионной холодильной машины с промежуточным рекуперативным теплообменником и выполнен расчет термодинамического цикла его работы для фреона R404A. Для снижения общей нагрузки на холодильную машину рассмотрена возможность использования вихревой трубы. Приведена методика расчета и определены конструктивные размеры вихревой трубы. Рассчитано значение снижения температуры в камере рефконтейнера, составившее 60 °С. Для работы вихревой трубы требуется баллон со сжатым воздухом емкостью 6 м3 и номинальным давлением 15,2 МПа. Ресурс работы баллона составил 12 ч. Применение вихревой трубы для дополнительного охлаждения воздуха в камере рефрижератора дает возможность снизить нагрузку на холодильную установку более чем на 17 %.
Abstract. This article provides data on the volume of transportation of food products by refrigerated trucks. The need for this autonomous transport in Russia is constantly growing. In modern conditions, an urgent problem is the reduction of energy consumption of autonomous refrigeration units and their maintenance costs. Currently, there is a need not only to provide enterprises with refrigerated containers, but also to retrofit them with additional environmentally friendly devices that allow to increase cooling capacity and reduce the energy consumption of the refrigeration unit. For this purpose, the paper considers the possibility of using vortex tubes operating on the basis of the Rank-Hilsch effect in the main refrigeration system of refrigerators. The principle of operation of refrigerators on vortex coolers is associated with the expansion of air in the vortex tube. To do this, the air is pre-compressed by special air compressors. A description of a refrigerated container for storing frozen meat is given, a diagram of an autonomous single-stage steam compression refrigerating machine with an intermediate regenerative heat exchanger is given, and the thermo-dynamic cycle of its operation for freon R404A is calculated. To reduce the overall load on the refrigerating machine, the possibility of using a vortex tube is considered. The calculation method is given and the design dimensions of the vortex tube are determined. The calculated value of the temperature decrease in the refcontainer chamber was 60 °C. The vortex tube requires a compressed air cylinder with a capacity of 6 m3 and a nominal pressure of 15.2 MPa. The life of the cylinder was 12 hours. The use of a vortex tube for additional cooling of the air in the refrigerator chamber makes it possible to reduce the load on the refrigeration unit by more than 15 %. The principle of operation of refrigerators on vortex coolers is associated with the expansion of air in the vortex tube. To do this, the air is pre-compressed in an air compressor. A description of a refrigerated container for storing frozen meat is given, a diagram of an autonomous singlestage steam compression refrigerating machine with an intermediate regenerative heat exchanger is given,
© Е.Г. Степанова, Р.А. Жлобо, Н.Н. Белина, Б.Ю. Орлов, С.П. Холодов, 2023
170
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности уЦ^Щ АПК-продукты здорового питания, № 3, 2023 mSp§|J
and the thermodynamic cycle of its operation for freon R404A is calculated. To reduce the overall load on the refrigerating machine, the possibility of using a vortex tube is considered in this paper. The calculation method is given and the design dimensions of the vortex tube are determined. The value of temperature reduction in the refcontainer chamber was calculated to be 60 °C. The vortex tube requires a compressed air cylinder with a capacity of 6 m3 and a nominal pressure of 15.2 MPa. The life of the cylinder was 12 hours. The use of a vortex tube for additional cooling of the air in the refrigerator chamber makes it possible to reduce the load on the refrigeration unit by more than 17 %.
Ключевые слова: грузовой рефрижераторный контейнер, пищевые продукты, холодильная установка, вихревая труба
Keywords: refrigerated cargo container, food product, refrigeration unit, vortex tube
Ассортимент товарообмена продовольственной продукции оказывает влияние на уровень жизни населения. Связующим звеном между пищевыми предприятиями и торговыми сетями является транспорт, среди которого особое место занимает рефрижераторный транспорт. По сравнению с капитальными сооружениями рефрижераторные контейнеры обладают такими преимуществами, как мобильность, простота эксплуатации, высокая надежность, долговечность и относительно невысокая стоимость [1]. В России в настоящее время эксплуатируется более 50 тыс. полуприцепов-рефрижераторов и потребность в них ежегодно возрастает [2]. Грузоперевозки в рефконтейнерах обеспечивают сохранность транспортируемых пищевых продуктов и позволяют принимать к перевозке любые по объёму партии груза. В связи с наложенными на РФ санкциями пополнение автопарка рефтранспортом за счет импорта фактически остановилось. Ежегодный рост объемов перевозок продовольствия требует обновления автопарка на 8-10 %. Развитие технологий перевозок, хранения и складирования скоропортящейся пищевой продукции с применением программируемых робототехнических комплексов требует повышена затрат на электроэнергию автономных холодильных установок и на эксплуатационные расходы. Для их сокращения необходимо внедрение инновационного энергосберегающего низкотемпературного оборудования.
Цель работы - модернизация холодильной установки стандартного грузового контейнера, перевозимого на автомобильном транспорте в направлении ее энергоэффективности и экологичности за счет применения дополнительного охладителя воздуха - вихревой трубы.
Рефрижераторный контейнер представляет собой герметичную ёмкость с теплоизолированным корпусом, оснащенную холодильным агрегатом для поддержания требуемых температурно-влажностных режимов (рис. 1). Рефконтейнер оснащен двумя основными конструкционными блоками - корпусом и рефрижераторным агрегатом холодопроизводительностью до 6 кВт на основе поршневого, винтового или спирального компрессора. Автономная холодильная установка рефконтейнера может работать от встроенного дизель-генератора. В корпусе контейнера есть несущий каркас и пенополиуретановые сэндвич-панели, покрытые внутри профилированной листовой пищевой нержавеющей сталью, а снаружи дюралюминиевым листом. В связи с тем, что загрузка продукция в контейнер часто производится при температуре окружающей среды, поэтому помимо низкотемпературного хранения производится ее дополнительное домораживание. Регистрация текущей температуры в контейнере происходит в электронном виде термографами. В случае необходимости данные термографов могут быть переданы на дистанционный пульт управления. Внутри рефконтейнеров рабочий диапазон температур составляет от -28 до +25 °С с погрешностью ± 0,1 °С. Подогрев воздуха в контейнере используется в зимнее время при транспортировании продуктов в северные районы России. В качестве хладагентов в рефконтейнерах применяются озонобезопасные фреоны R404A и R134а [3].
Рис. 1. Внешний вид рефконтейнера Принципиальная схема автономной одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины (ПХМ) с промежуточным рекуперативным теплообменником приведена на рис. 2. ПХМ содержит бессальниковый компрессор (КМ), позволяющий производить замену клапанов без его демонтажа. В рекуперативном теплообменнике производится теплообмен между жидким хладагентом, направляемым из конденсатора (Кд) к терморегулирующему вентилю (РВ), и паром, поступающим из испарителя (И) к компрессору. Проходя через рекуперативный теплообменник, холодный пар поглощает теплоту от жидкости и перегревается. При этом жидкость переохлаждается перед регулирующим вентилем, что позволяет снизить дроссельные потери и увеличить удельную холодильную мощность хладагента. Холодопроиз-водительность рефрижератора меняют путем изменения времени работы компрессора. В данной установке производится двухпозиционное регулирование температуры в охлаждаемом объеме, которое выполняется посредством включения и отключения компрессора с помощью приборов автоматики, фиксирующих температуру в охлаждаемом объеме, давление и температуру в испарителе и другие параметры. Компрессор включается приборами автоматики в том случае, когда температура в охлаждаемом объеме превышает верхний допустимый предел. Компрессор отсасывает пары хладагента в охлаждаемом объеме. При достижении заданного нижнего предела температуры компрессор отключается. Далее цикл повторяется. Приборы автоматики обеспечивают защиту холодильной установки от перегрузок, управляют уровнем жидкого хладагента в испарителе и своевременным оттаиванием снеговой «шубы» в автоматическом режиме. При достижении максимального давления компрессор выключается до снижения давления до минимального значения, после чего компрессор включается. Далее открывается продувочный клапан, происходит сброс давления в ресивере и при достижении минимального давления клапан закрывается. Проведены сравнительные теплотехнические и термодинамические расчеты ПХМ, по результатам которым принята холодильная установка, работающая на фреоне К404а. Данный хладагент широко применяется в низко- и среднетемпера-турном охлаждении и замораживании. С учетом непосредственного охлаждения продукта в кузове контейнера принят к установке воздушный воздухоохладитель, обеспечивающий более равномерное охлаждение контейнера.
Рис. 2. Принципиальная схема автономной одноступенчатой ПХМ с промежуточным рекуперативным теплообменником у]2
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, № 3, 2023
На рис. 3 представлена диаграмма расчета цикла холодильной машины в координатах 1д р-1 для перевозки мяса говядины при температуре -18 °С и относительной влажности воздуха 95 %.
Рис. 3. График цикла одноступенчатой холодильной машины: температуры: ^ - кипения; Ы- конденсации; tвс - всасывания; Ы - нагнетания; Ы - переохлаждения; Ы- перегретых паров после испарителя; tрт - перегретых паров после теплообменника
В целях сокращения общей нагрузки на ПХМ в данном исследовании оценена возможность использования одного из альтернативных технических средств охлаждения - вихревой трубы [4,5]. Принцип действия холодильников на вихревых охладителях основан на эффекте Ранка-Хилша - разделении газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере. Предварительно воздух сжимается воздушным компрессором. Поток сжатого воздуха, проходя вдоль стенок трубы, закручивается и разделяется на холодную и горячую фракции, которые отводятся из камеры с двух сторон (рис. 4 и 5). Такая система повышает экологическую безопасность рефрижератора и сокращает его затраты на ремонт и эксплуатацию [6].
Вхоб
)
ХолаЗный Ьыхоб
0 >-* т
----^ЩщЩ Г, Х/.У // У У.—-----н Л
/7 N.
Щ-"^Йй!
I
Горячий &ЫХО0
Рис. 4. Принципиальная схема вихревой трубы
Рис. 5. Расчетная схема вихревой трубы: 1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец; 3 - сопло;4 - диафрагма; 5 - теплый конец
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, № 3, 2023
}асчет вихревой трубы проведен по методикам, изложенным в работах [6, 7]. Снижение температуры холодного воздуха относительно температуры воздуха на входе вихревой камеры при сухом воздухе ЛТк, К, определяется по формуле
где п - температурная эффективность; То - температура входного воздуха, К; Ро - давление воздуха на входе вихревой камеры, Па; Рк - давление холодного потока воздуха, Па. Расход сжатого воздуха (30, кг/с, рассчитывается как
где (о -холодопроизводительность, Вт; ц - удельный массовый расход холодного потока; ЛТк - снижение температуры холодного воздуха относительно температуры воздуха на входе вихревой камеры при сухом воздухе, °С.
Площадь сопла для ввода сжатого воздуха ^ , м2
где (3о - расход сжатого воздуха, кг/с, (0,130 кг/с); То - температура входного воздуха, К, (303,15 К); Ро - давление воздуха на входе вихревой камеры, Па, (101300 Па). Высота сопла К, м, составляет
где Fx - площадь сопла для ввода сжатого воздуха, м2. Ширина сопла Ъ, м
где Fx - площадь сопла для ввода сжатого воздуха, м2; К - высота сопла, м. Диаметр штуцера для ввода сжатого воздуха, м
где Ъ ширина сопла, м.
Диаметр вихревой зоны йвз, м
где Fx - площадь сопла для ввода сжатого воздуха, м2;
¿¿Е3 = 3,65 * у 79,63 * 1<Г6 = 32,6 * 10"3м. Длина вихревой зоны трубы 1вз, м
где (вз - диаметр вихревой зоны, м.
Диаметр диафрагмы для выхода холодного потока воздуха из вихревой зоны, м, рассчитывается по формуле:
dk = (0,350 + 0,313 * fi) * dвз = (0,350 + 0,313 * 0,75) * 32,6 * 10" 3 = 19 * 10"3м
(9)
где ц - удельный массовый расход холодного потока; (вз - диаметр вихревой зоны, м.
Диаметр штуцера для выхода холодного потока воздуха (*к, м
Диаметр диафрагмы для выхода горячего потока воздуха из вихревой зоны, м
dk 19 * 10 3
(
П)
Для работы системы необходим источник воздуха высокого давления. В качестве такового может выступать баллон со сжатым воздухом ёмкостью V = 6 м3 и номинальным давлением P = 15,2 МПа.
Продолжительность работы системы т, ч
_ _ _ 6 1 ~Gq~ 0,468 ~ Ч'
(12)
где Уб - объём баллона со сжатым воздухом, м3; 00 - расход сжатого воздуха, м3/ч.
Таким образом, расчетом установлено, что для обеспечения 12 ч непрерывной работы рефрижераторного контейнера достаточно баллона со сжатым воздухом объемом 6 м3 и номинальным давлением 15,2 МПа. С учетом затрат на заправку баллона общие затраты электроэнергии сокращаются на 17,6 %, а эксплуатационные затраты - на 12,2 % по сравнению с традиционной схемой охлаждения продуктов. Преимуществами холодильников на экологически безопасных вихревых охладителях являются высокая надежность, экономичность и электробезопасность конструкции. Недостатки вихревых охладителей для холодильных машин связаны с повышенным уровнем шума, невысоким КПД и значительным расходом сжатого воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цветков В.А., Зоидов К.Х., Медков А.А. Эволюционное развитие транзитных перевозок температурочувствительных грузов // Экономика и управление. 2020.- Т. 26.- № 3 (173).- С. 222-232.
2. https://www.rzd-partner.ru/auto/interview/kompensirovat-defitsit-refrizheratorov-v-2023-godu-vryad-li-poluchitsya/?ysclid=lhry6omiqq154226006
3. Копылова, О. А. Обзор термодинамических характеристик хладагентов R-134А, R-410A и R-407C для системы кондиционирования воздуха / О. А. Копылова, В. В. Романов, А. И. Прохорова, И. С. Копылов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 26 (160). — С. 31-33. — URL: https://moluch.ru/ archive/160/45004/ (дата обращения: 17.05.2023).
4. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. - Монография / Под ред. А.И. Леонтьева. — М.:
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, Nq 3, 2023
«Энергомаш», 2000. - 412 с.
5. Носков А.С., Ловцов А.В., Хаит А.В., Бутымова А.П., Плешков С.Ю. Энергоэффективность и экономическая целесообразность применения систем искусственного климата на базе вихревой трубы // Инженерно-строительный журнал, №1, 2011 Magazine of civil engineering, №1, 2011. С. 17-22
6. Степанова Е.Г., Глушко С.П., Холодов С.П., Печерица М.А. Основы автономного хранения скоропортящихся пищевых продуктов с применением вихревых труб. - Механика, оборудование, материалы и технологии: электронный сб. науч. Стат.по матер. Междунар. Науч.-практ. конф., 25-26 ноября 2021 г. - Краснодар, 2021 - С. 355-363.
7. Бирюк В.В., Курносов Н.Е., Тарнопольский А.В. Исследование эффективности температурного разделения в вихревых потоках газов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2009. - № 2. - С. 33-41.
8. Косачев В.С., Степанова Е.Г. Феноменологическое описание процессов неравновесной термодинамики пищевых продуктов. - В сб.: Механика, оборудование, материалы и технологии. Сб. науч. статей по матер. Междунар. Науч.-практ. Конф.. 2018. С. 353-360.
REFERENCES
1. Tsvetkov V.A., Zoidov K.H., Medkov A.A. Evolutionary development of transit transportation of temperature-sensitive cargo // Economics and management. 2020.- T. 26.- № 3 (173).- Pp. 222-232.
2. https:/ /www.rzd-partner.ru / auto / interview /kompensirovat-defitsit-refrizheratorov-v-2023-godu-vryad-li-poluchitsya/?ysclid=lhry6omiqq154226006
3. Kopylova, O. A. Overview of thermodynamic characteristics of refrigerants R-134A, R-410A and R-407C for air conditioning systems / O. A. Kopylova, V. V. Romanov, A. I. Prokhorova, I. S. Kopylov. — Text : direct // Young scientist. — 2017. — № 26 (160). — Pp. 31-33. — URL: https://moluch.ru/archive/160/45004/ (дата обращения: 17.05.2023).
4. Piralishvili Sh.A., Polyaev V.M., Sergeev M.N. Vortex effect. Experiment, theory, technical solutions. - Monograph / Edited by A.I. Leontiev. — M.: UNPC "Energomash", 2000. - 412 p.
5. Noskov A.S., Lovtsov A.V., Khait A.V., Butymova A.P., Pleshkov S.Yu. Energy efficiency and economic feasibility of using artificial climate systems based on a vortex tube // Civil Engineering Magazine, No. 1, 2011 Magazine of civil engineering, No. 1, 2011. pp. 17-22
6. Stepanova E.G., Glushko S.P., Kholodov S.P., Pecheritsa M.A. Fundamentals of autonomous storage of perishable foodstuffs using vortex tubes. - Mechanics, equipment, materials and technologies: electronic collection of scientific articles based on the materials of the international scientific and practical conference, November 25-26, 2021 - Krasnodar: PrintTerra LLC, 2021 - pp. 355-363.
7. Biryuk V.V., Kurnosov N.E., Tarnopolsky A.V. Investigation of the efficiency of temperature separation in vortex flows of gases // Bulletin of the Samara State Aerospace University. - 2009. - No. 2. - pp. 33-41.
8. Kosachev V.S., Stepanova E.G. Phenomenological description of the processes of nonequilibrium thermodynamics of food products. - In the collection: Mechanics, equipment, materials and technologies. Collection of scientific articles based on the materials of the international scientific and practical conference dedicated to the 100th anniversary of the Kuban State Technological University. 2018. pp. 353-360.
