Основы тепло- и массопереноса в штабеле плодоовощной продукции при хранении

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 (t 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 b - коэффициент неравномерности температурных полей по высоте, 0С/м.

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 Био (Bi) и Фурье (Ро). При Bi>0,2 и Ро<0,4 следует учитывать неравномерность температурных полей в элементах зернистых структур. При a _v = 400 Вт / (м ³К) критерий Bi<0,17, а Р_О=0,75 [2], что подтверждается и нашими исследованиями [3]. Поэтому неравномерность температурных полей в каждом клубне мала и его температура t_к . _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 Q_исп . , который усложняет расчет отдельных составляющих теплообмена на поверхности продукции. Тепловой поток испарительного охлаждения (Q_ИC п = -] _Ф г) пропорционален разности температур поверхности клубней продукции и фильтрующего воздуха (1_пов - t_в). В работе [4] величина Q_Uc выражена через разность относительных влажностей воздуха:

Q hch ^а ф ^{С( ф} пов ^{- ф} в Х ⁽²⁾

Из зависимости (2) видно, что при постоянном влагосодержании воздуха увеличение разности температур (1_пов - t_в) приводит к возрастанию ( ф _пов - ф _в) и соответствующему увеличению Q_HC n. . Эта закономерность правомерна из-за постоянства относительной влажности ( ф _в ® const), при которой идут процессы тепло- и массообмена в насыпи продукции. Возрастание относительной влажности воздуха в объеме от начального значения после прекращения работы активной вентиляции ( ф _в ® 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 q_v 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/d T =0 и dG/d T =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:

Q . +Q k + Q t = 0. (3)

Тепловой баланс на поверхности штабеля продукции с учётом выделения теплоты поверхностного слоя картофеля :

Q_л +Q k + Q h. = 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).