Расчет времени работы систем активной вентиляции хранилищ сочного растительного сырья на основе градиента потенциала влажности

Конечная задача хранения сочного растительного сырья (СРС) – при заданном темпе- ратурно-влажностном режиме максимальная сохранность влаги в сырье. Рассмотрим реше- ние задачи сохранности влаги в сырье, используя термодинамический подход, основанный на теории потенциала влажности. В этом случае для характеристики состояния влаги в системе «насыпь СРС – воздух» используется единое термодинамическое уравнение состояния относительного изменения свободной энергии для влаги в жидком состоянии в виде [1, 2]:

dFж

—Sж dT +

— р ж

V рж

+ Нж + Е ц

жj

+ 0г dm 7 '

ж ,

где s = 5 F / 5 T - энтропия;

р = дF / d V - давление;

ц = d F / 6m - химический потенциал фазы.

Согласно теории потенциала влажности движущей силой процесса влагообмена является градиент (или разность потенциалов влажности), который определяет возможность, направление переноса и предел переходного процесса влагообмена для взаимодействующих сред.

Влагопоток W , г, от насыпи СРС массой G мат , т, к продувочному воздуху:

W = а₉ ( О н — О к ) С мат ,

где О Н , О К - начальный и конечный потенциал влажности воздуха в слое продукции в процессе хранения, ° В;

а_О - коэффициент влагопереноса, кг/(кг - ч -° В).

Величина потенциала влажности О определяется параметрами подаваемого воздуха и может быть определена графически по I-d-О- диаграмме.

В процессе хранения разность потенциалов влажности поверхности сырья и воздуха АО определяется только разностью температур поверхности хранящегося сырья и воздуха At ввиду постоянного значения относительной влажности воздуха.

Коэффициент а_О по своему физическому смыслу является показателем интенсивности процесса влагопереноса. Графическая зависимость a₀=f(t) для насыпи СРС, построенная на основе аналитических расчетов, приведена на рисунке 1. Для аналитического определения коэффициента массопереноса а_О с достаточной для инженерных расчетов степенью точности предложено использовать следующие выражения:

при 10 <  g в <  20                      а_О = 0,25 -A t + 2,94;

при 20 < g в < 30                      а_О = 0,42 -A t + 4,9;                       (3)

при 30

g_B - удельный расход воздуха, кг/(ч-т).

Следует отметить, что значение коэффициента массообмена а_О зависит от многих параметров, в частности от сортовых особенностей продукции, физико-механических показателей слоя, режимов эксплуатации систем кондиционирования микроклимата.

Количество влаги, поглощаемое продуваемым воздухом, равно:

W = Gb (dн - dк ),                                       (4)

где dН, dК - начальное и конечное влагосодержание воздуха, г/кг; G_b - расход продувочного воздуха, кг/ч, определяемый как

Gb _ gbGмат

.

Из условия равенства выражений (2) и (4) получаем:

^аО

_ g в^(d Н

-

^d К )

О - О

НК

.

Предложенная методика расчета с использованием I-d-О-диаграммы позволяет графически либо аналитически определить величину потенциала влажности воздуха и количество влаги, удаляемой из материала в процессе хранения, численные значения коэффициента вла-гопереноса а_О для различных типов материалов, а также наглядно оценить возможность и пределы протекания процессов влагообмена в слое растительного сырья.

ад, г/(т■ч•^оС)

Рис. 1. Значения коэффициента а_О в слое СРС в зависимости от удельного расхода продувочного воздуха:----при 10<g_B<20;----при 20<g_B<30;--при 30<g_B<40

Приведенные зависимости позволяют определить общее время работы вентиляции для снятия теплоизбытков. Нахождение цикличности работы САВ в течение суток связано с вопросами обеспечения влажностного режима насыпи. В процессе хранения пониженная влажность подаваемого воздуха увеличивает естественную убыль. Повышение влажности продувочного воздуха вызывает недостаточную ассимиляцию влаги в период работы САВ, приводит к накоплению влаги в продукции, способствует развитию фитопатогенных организмов, гниению. Все это ведет к дополнительным потерям при хранении.

Существующие методики расчета [3] не учитывают влажностный режим насыпи. Проф. В.И. Бодров предложил [4] определять выделяющуюся влагу в насыпи по зависимости:

Wh = 0,169а®GMam (100 - фр ), (7)

где а® - коэффициент массопереноса в цикле естественной конвекции, г/(т-ч-°В), а^Б₆ = 12,37;

ф_р - равновесная влажность в насыпи, %.

Согласно теории потенциала влажности влагопоток W, г, от насыпи СРС массой G_Mam, т, к продувочному воздуху:

WB = a 8 ⁽9у — 5₆.о. )GMam ,                                         (8)

где 0во, 0у - начальный и конечный потенциал влажности воздуха в слое продукции, в про цессе хранения, °В.

Влага, постоянно накапливающаяся при хранении, должна быть ассимилирована во время работы САВ. В течение суток должно выполняться равенство:

W = W_B. нВ

Используя зависимости (7), (8), уточняют время работы САВ до условия соблюдения равенства (9), при меняющихся значениях температуры и потенциала влажности продуваемого воздуха, тепловыделений продукции и проч., тем самым сохранность сырья при хранении доводится до биологически неизбежных потерь.

Определим, с позиции теории потенциала влажности, характер влажностного режима насыпи. Рассмотрим необходимость корректировки времени работы САВ с целью повыше- ния сохранности продукции при хранении.

Для достижения условий максимальной сохранности продукции при хранении необходимо выполнение равенства (9), т.е. необходимо, чтобы САВ работала определенное время в течение суток:

К6

^v в. вл

0169аБ GMam (100 - фр ) а_А(0 -О )G

О Vу у у в.о V мат

где K®вл - коэффициент использования вентиляции, определяющий среднее время работы систем активной вентиляции в сутки в зависимости от влажностного режима насыпи.

Числитель определяет количество влаги, выделяемое в процессе дыхания при хранении и передаваемое окружающему влажному воздуху. Знаменатель характеризует количество влаги, переданное продуваемому воздуху при работе системы активной вентиляции.

Основываясь на полученном значении коэффициента использования вентиляции K®_вл, можно дать рекомендации по изменению режима работы систем активной вентиляции при хранении и добиться максимальной сохранности продукции.

Рассмотрим пример расчета режимов работы САВ.

Картофелехранилище емкостью G_p = 1000 т, высота загрузки клубней 3 м, расход воздуха Lv = 60 м³/(м³ /ч).

В период охлаждения начальная разность температур насыпи и охлаждающего воздуха АТ0 = 14°С; скорость охлаждения клубней Azonm = 0,04 С/ч; интенсивность явных тепловыде- лений qCPC =100 кДж/(м3 /ч). Определим параметр охлаждения [3], характеризующий отно- шение оптимального темпа охлаждения к интенсивности Пэф = 104 Azопт / q„c = 104 -104 = 4 м3 °С/кДж.

внутренних тепловыделений

и начальным температурным

60-14 _п

=-----= 8,4 м³ С/кДж.

Определим приведенный к мощности тепловыделений условиям ( A To = tk. о - te. о) расход воздуха [3] L^ = LV A To / qcpc о1 + 0,25ПэФ   о1 + 0,25 - 4

Коэффициент использования вентиляции 131K = 2--------— = 2--------= 0,3 т.е.

в      1 +1,5 L_Эф      1 +1,5 - 8,4

САВ должна работать 0,3-24 = 8 ч в сутки.

В основной период хранения ЛТ0 = 2_2,5°С; средняя температура воздуха в хранилище t'хр = 1°С; q_CPC = 43,5 кДж/(м³ч). Расчетная величина К‘_в за период в связи с отличием значения t‘_хр от оптимального, равного t‘_хр =1,5°С, имеет значение[3]:

K' = 0 8 qсрс - 3 4 2 0,5tхр = 0,82 4 3^5 - 3,4(2 0,5 • 1) = 0 16, т.е. время работы САВ в ’ (4 -1Хр)Lv     ’      Lvh       (4 -1)60         60 - 3           ’ составляет 0,16-24 * 3 ч 50 мин в сутки.

При хранении температура уходящего воздуха достигала 3^оС (у=3^оС), с ф_р=95%, приточный воздух, подаваемый в насыпь, был подготовлен в приточно-смесительной камере со следующими параметрами: t_в.₀ =1^оС, ф_в._о.=80%. По I-d-6диаграмме [3] бу = 22oВ , б_во = 13oВ .

Определим коэффициент массопереноса а_б = 0,59 -At + 6,86 = 0,59 - 3 + 6,86 = 8,63

г/(т-ч-°В).

Определим коэффициент работы САВ в зависимости от влажностного режима насыпи:

K^б = ^0,169a⁶G^{мат (100}- ^фp)= ^{0,169 -12,37 -1000 - (100}- ⁹⁵⁾= о 13 , т.е. САВ должна работать «б (бу - бво.)Gмат            8,63 - (22 - 13) -1000          ^,

0,13-24 = 3 ч 7 мин в сутки.

Данного времени достаточно для ассимиляции всей накопленной влаги и снятия тепло-избытков. Таким образом, применение методики расчета режимов работы САВ на основе понятия «потенциал влажности» позволяет сократить время работы САВ на 43 мин в сутки, что приводит к снижению затрат на энергоресурсы, расходуемые на поддержание оптимальных параметров микроклимата в хранилище, и повышению сохранности хранящейся продукции.

Выводы

• 1.    Разработанный метод расчета режимов работы САВ базируется на применении потенциала влажности как движущей силы тепломассопереноса.

• 2.    Методика расчета позволяет аналитически определять коэффициент влагообмена а_б в зависимости от удельного расхода воздуха и перепада температур в системе «СРС-продуваемый воздух».

• 3.    Разработанная методика расчета режимов работы систем активной вентиляции, учитывающая влажностный режим насыпи, пригодна при типовом и экспериментальном проектировании, при разработке проектов реконструкции овощекартофелехранилищ, а также для определения допустимых режимов эксплуатации в условиях действующих хранилищ.