CC BY
0М.П. Калашников, д-р техн. наук, проф.
А.В. Ванчиков, ст. преп., аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 697.94:58
ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА И ВЛАГИ В ПЕРИОД ОСНОВНОГО ХРАНЕНИЯ ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ
Приведены результаты исследования выделения тепла и влаги сочной растительной продукции в плодо-овощехранилищах в период основного хранения. Получены расчетные значения выделения теплоты, углекислого газа и влаги путем усреднения результатов многочисленных измерений.
Ключевые слова: плодоовощехранилище, микроклимат, температура, дыхание, влага, продукция, массооб-мен, штабель, коэффициент.
M.P. Kalashnikov, D. Sc. Engineering, Prof.
A.V. Vanchikov, P.G.
HEAT AND MOISTURE RELEASE DURING THE MAIN STORAGE PERIOD
OF VEGETABLE PRODUCE
The article reveals the results of research of heat and moisture release of succulent plant products in vegetable stores during the main storage period. We found out the values of heat, carbon dioxide and moisture release by averaging the results of numerous measurements.
Key words: vegetable stores, climate, temperature, respiration, moisture, production, mass transfer, pile, factor.
Повышение требований к обеспечению нормируемых параметров микроклимата вызывает необходимость дальнейшего, более углубленного изучения теплофизических свойств продукции, динамики нестационарных процессов тепло- и массообмена в системе «поверхность сочной растительной продукции - влажный воздух - наружные поверхности хранилищ», выявления количественных характеристик движущих сил тепломассопереноса. При этом обязателен учет специфических требований к параметрам микроклимата хранилищ (высокая относительная влажность и низкая температура внутреннего воздуха) при нормировании теплотехнических показателей наружных ограждающих конструкций и обосновании выбора конструктивных, а также объемно-планировочных решений плодоовощехранилищ. Выполнение этих требований позволяет разработать инженерные методики расчета и оптимизации режимов работы систем кондиционирования микроклимата (СКМ) хранилищ по биологическим и технико-экономическим требованиям для районов страны с резкоконтинентальным климатом.
Тепловлаговыделения плодов и овощей, связанные с процессами дыхания и испарения, оказывают существенное влияние на установление температурно-влажностных условий в массе хранимой продукции.
Штабель с сочной растительной продукцией представляет собой часть многофакторной системы «штабель - хранилище - система активного вентилирования и удаления воздуха - ограждающие конструкции - наружный воздух». Использование в исследованиях теплофизических методов позволяет в причинно-следственной связи объединить количественные и качественные факторы хранения плодоовощной продукции и на научной основе решать чисто практические задачи снижения ее потерь.
Изучение закономерностей тепловлагообмена между поверхностью продукции и влажным воздухом должно основываться на наиболее общем термодинамическом подходе, который позволяет отказаться от учета и анализа частных закономерностей. Для поддержания постоянного и равномерного по всему объему хранилища температурно-влажностного режима необходимо обеспечить хорошую циркуляцию воздуха в хранилище, у поверхности и в массе биологически активной продукции. Из-за этого система находится в неравновесном состоянии. В связи с характерной особенностью плодоовощной продукции - способностью поддерживать и саморегулировать влажностный режим в объеме штабеля на уровне, близком к равновесному, - имеется возможность рассматривать неравновесную систему по законам термодинамики необратимых процессов и вместо системы уравнений гетерогенной системы написать одно уравнение, в котором определяющей величиной является полный потенциал состояния влаги в рассматриваемой системе. Такой подход к анализу процессов тепломассообмена в штабелях плодоовощной продукции позволяет количественно характеризовать интенсивность испарения влаги в биологически активных средах единой величиной - разностью потенциалов влажности поверхности
продукции и влажного воздуха. В настоящее время расчет интенсивности переноса влаги, основанный на закономерностях теории потенциалов влажности, достаточно широко используется при расчетах влажностных режимов в хранилищах, ограждающих конструкциях и грунте в стационарных и нестационарных условиях переноса влаги при резком изменении температур от положительных до отрицательных значений в больших пределах.
Сочные продукты растительного происхождения после их сбора сохраняют физиологическую активность. Период их хранения сопровождается физико-биологическими и микроструктурными превращениями тканей; меняется химический состав, консистенция, сочность, вкус, аромат, внешний вид, во-доудерживающая способность продуктов и т.д. Происходящие процессы вызывают выделение теплоты и образование различного рода химических соединений в жидкой и газовой фазе.
Основным физиологическим процессом, продолжающимся в плодоовощной продукции после сбора в период хранения, является дыхание. В процессе его происходит поглощение кислорода, сопровождающееся окислением ряда органических веществ и последующим выделением углекислого газа, влаги и теплоты. Увеличение интенсивности дыхания зависит от вида, сорта продукции, степени ее зрелости, наличия технических повреждений, полученных во время уборки, погрузочно-разгрузочных работ и закладки на хранение.
При наличии механических повреждений интенсивность выделения теплоты и СО 2, например картофелем, возрастает на 25 ... 30% .
Определяющее влияние на интенсивность дыхания оказывает температура хранения. Для выражения этой зависимости обычно пользуются температурным коэффициентом, показывающим во сколько раз увеличивается интенсивность дыхания при повышении температуры на 10 0С. Для большинства плодов и овощей зависимость интенсивности дыхания от температуры ( в диапазоне температур от 2 до 200С) подчиняется закону Вант-Гоффа. При повышении температуры до 40...450С интенсивность дыхания достигает максимума, после чего резко уменьшается из-за повреждения клеток и тканей. При понижении температуры интенсивность дыхания также снижается, причем с приближением к точке замерзания более плавно, чем по закону Вант-Гоффа. Установлено, что удельное количество теплоты, приходящей на 1кг выделившегося углекислого газа, составляет 10,7 кДж. Это следует из стехиометрическо-го уравнения дыхания:
С6Н1206+602 == 6С02 + 6Н20 + 2830. (1)
Также для определения теплоты дыхания применяют уравнение Гора:
qt = qо ехр Ы, (2)
где q0 - теплота дыхания при 00С, Вт / кг; t - температура продукта, С;
Ь - температурный коэффициент скорости дыхания, 1/0С. Теплота дыхания плодов и овощей зависит от сорта, температурных условий выращивания, физиологического состояния (см. табл. 1). Она изменяется в различные периоды хранения, что обусловлено, в частности, механическими повреждениями, болезнями, климактерическим подъемом дыхания, например, у яблок, груш, слив и томатов, или повышением интенсивности дыхания при окончании периода покоя у картофеля, лука, капусты и другой продукции.
Таблица 1
Расчетная теплота дыхания [кДж /(т сут)] нетравмированной продукции*
Продукция Температура, 0С
0 2 5 10 15 20
Картофель 924-2268 924-2100 1050-1680 1370-1890 1680-3150 2110-3780
Свекла скисвая 1008-1680 1260-2456 2730-2940 4410-5250 5090-10080 12810-18480
Лук репчатый 1008-1680 1092-1848 1344-2184 1974-2940 2730-3990 3990-5040
Капуста белокочанная 1260-2100 1470-2520 1890-3570 33150-4620 5040-6930 9240-10500
Морковь
840-2456 1890-2940 2456-3360 2730-3780 6300-8400 7770-11760
* Данные натурных исследований для г. Улан-Удэ - плодоовощная база №2 и плодоовощная база на Стеклозаводе.
При выполнении наших исследований будут приняты усредненные значения минимальных тепловыделений q0 и температурного коэффициента скорости дыхания, приводимые в различных работах, которые представлены в таблице 2.
Усредненные значения q0 и Ь для картофеля и овощей
Таблица 2
Вид продукции Показатели
Яо 10 ,3 Вт/кг Ь, 1/0С
Картофель 10,0 0,0617
Свекла столовая 9,9 0,0717
Морковь 11,6 0,1319
Лук 9,9 0,0668
Капуста белокочанная 10,85 0,0778
Другим, не менее важным, процессом, происходящим в плодах и овощах после сбора в период хранения, является испарение влаги. Испарение влаги плодами и овощами описывается уравнением Дальтона с учетом введенного В.З. Жаданом поправочного коэффициента еР, учитывающего долю площади, участвующей во влагообмене поверхности, и названного «коэффициентом испарительной способности продукции или массообменной характеристикой». С учетом сказанного уравнение Дальтона имеет следующий вид:
= (3 Б вР (Рпн - Рвн <р)т, (3)
где W - потеря влаги, кг; (3 - коэффициент массообмена , кг/м2 Па сек; Б - площадь поверхности плодоовощной продукции, м2; Рпн - насыщающая упругость пара над влажной поверхностью продукции, Па; Рвн - насыщающая упругость пара в окружающем воздухе, Па; ср - относительная влажность воздуха, доли единицы; т - время, с.
Большое количество теоретических и экспериментальных исследований доказывают наличие над поверхностью биологически активной продукции насыщающей упругости водяного пара, соответствующей температуре поверхности и превышающей упругость пара в окружающей среде. Плодоовощная продукция, выделяя интенсивно теплоту в процессе дыхания, имеет температуру выше, чем окружающая среда, что вызывает испарение влаги с ее поверхности даже при относительной влажности окружающего воздуха фв = 100% и невозможность всасывания паров воды и восстановления тургора в воздухе с фв =100%. В некоторых работах отмечается, что влагообмен между поверхностью плодоовощной продукции и влажным воздухом в насыпи происходит настолько медленно, что углубления зоны испарения не происходит. При этом энергия, которая затрачивается на удаление 1 киломоля воды из влажного материала, определяется по зависимости :
А = -ЯТ1пф, (4)
при ф = 1,0, А = -КТ1п1=0. (5)
Поверхность влагообмена сочной растительной продукции с влажным воздухом состоит из чередующихся «влажных» участков, 8У еР, выделяющих скрытую теплоту, и «сухих», 8У (1- 8Р), отдающих в процессе охлаждения только явную теплоту.
Массообменная характеристика еР (коэффициент испарительной способности плодоовощной продукции), определяющая защитные свойства покровных структур продукции, зависит от физиологического состояния хранимого продукта, сортовых особенностей, размера, наличия на поверхности механических повреждений и температурных условий. При наличии влаги на поверхности испарение идет со всей поверхности, т.е. еР = 1. В таблице 3 приведены средние значения параметра 8Р для отдельных видов плодоовощной продукции.
Как видно из таблицы 3, картофель и лук обладают высокой влагоудерживающей способностью. Морковь, свекла, капуста легко теряют влагу.
Таблица 3
Массообменная характеристика плодов, овощей и картофеля
Продукция Время исследования Массообменная характеристика, 8р
Картофель После уборки 0,02 - 0,05
Период покоя 0,005 - 0,012
Морковь Июль 0,35 - 0,4
Капуста белокочанная Август 0,37 - 0,45
Свекла столовая Март 0,2 - 0,3
Лук репчатый Март 0,002 - 0,003
Вместе с тем изложенное выше справедливо для продукции, находящейся в небольшом количестве на открытом воздухе. При нахождении в насыпи или в штабеле (контейнерах) каждый вид продукции формирует для себя свой влажностный режим (например, при температуре 0"С для лука ср = 0,75; для моркови - ф = 1,0). В реальных плодооовощехранилищах потери влаги морковью и луком, массооб-менная характеристика которых отличается более чем в 100 раз, соизмеримы, поскольку соизмеримы значения их удельной теплоты дыхания. Следовательно, продукция с большой испарительной способностью в штабеле как бы сама себя защищает от чрезмерных потерь влаги, формируя при этом свой оптимальный влажностный режим. Такое свойство плодов и овощей В.З. Жадан назвал свойством саморегулирования. Эта способность живой растительной ткани активно участвовать в формировании влаж-ностного режима, влияющего на потери влаги продукцией, позволяет по-новому подойти к идее и конкретным решениям по кондиционированию воздуха в плодоовощехранилищах.
В настоящее время наиболее распространенным способом удаления теплоизбытков из насыпи биологически активной продукции является активная вентиляция. При ее использовании в период подачи воздуха в штабель оптимальный влажностный режим может нарушаться, на какое-то время влажность воздуха становится ниже оптимальной (равновесной), при которой теплота дыхания идет только на испарение влаги.
При производстве практических расчетов пользуются расчетными значениями выделения теплоты, углекислого газа и влаги, приведенными в таблице 4. Эти данные получены путем усреднения результатов многочисленных измерений.
Следует отметить, что интенсивность поступления (влаги, теплоты и СО2) в окружающую среду определяется массообменными характеристиками покровных структур, подвижностью омывающего воздуха, его температурой, а также концентрацией в нем СО2 и воды.
Таблица 4
Расчетные значения выделений явной теплоты, влаги и углекислого газа и значений теплоты дыхания
Продукция Выделе- Теплота Период хранения
ние СО2 дыхания Лечебный Охлаждение Хранение
при t=00C, при 0С явные влаго- явные влаго явные влаго-
LnE = 10м3/(тч) % тепло- выдел., тепло- выдел тепло выдел.,
Вт/т выдел., 103 выдел, 103., выдел., 103
Вт/(т) кг/(тч) Вт/(т) кг/(тч) Вт/(т) кг/(т ч)
Картофель 1,87 10,0 18,6 16,8 14 12 6,6 4,9
Капуста 7,7 14,5 - - 17,2 33,4 7,0 13,3
Свекла стол. 1,7 19,6 - - 11,1 12,5 5,6 6,2
Лук 2,06 11,1 18,7 20,8 12,1 13,5 5,6 6,2
Морковь 1,87 13,5 - - 62,4 - 36,8 2,0
Заключение. Несмотря на кажущуюся изученность, практика проектирования, эксплуатации и реконструкции плодоовощехранилищ требует обобщения и систематизации основных физико-механических, теплофизических и массообменных характеристик продукции, учитывая объемно-планировочные решения хранилищ и систем кондиционирования микроклимата.
Библиография
1. Жадан В.З. Теплофизические основы хранения сочного растительного сырья. - М.: Пищевая промышленность, 1976. -239 с.
2. Калашников М.П. Обеспечение параметров микроклимата для хранения картофеля и овощей в условиях климата Восточной Сибири : Препринт/ВСГТУ. - Улан-Удэ, 1999. -252 с.
Bibliography
1. Zhadan V.Z. Thermal and physical basics of succulent plant storage. - М: «Food industry», 1976. - 239 p.
2. Kalashnikov M.P. Provision of microclimate parameters for potatoes and vegetables storing in East Siberia: Pre-print/ESSTU. - Ulan-Ude, 1999.-252 р.
