Теоретические и экспериментальные исследования утечки холодного воздуха в шкафах-витринах супермаркетов

• 1.    Введение

  В 2005 году в Мурманском рыбном супермаркете ОАО "Норд Вест ФК" в соответствии с просьбой Мурманского арбитражного суда преподавателями кафедры технологического и холодильного оборудования и кафедры судовых энергетических установок Мурманского государственного технического университета были проведены согласно ГОСТа 23833-95 температурные испытания и испытания на оттаивание двух шкафов-витрин марок Z86-3 и Z86-4 испанской фирмы КОХКА ( ГОСТ 23833-95 , 1995).

• 2.    Расчет утечек холодного воздуха при проведении температурных испытаний и испытаний на оттаивание шкафов-витрин холодильных установок

  Нам представляется возможным, что все эти ненужные работы можно было бы избежать, если расширить действие ГОСТа 23833-95, т.е. сделать его состоящим из двух частей – первая часть – это проводить испытания на древесных брусках и пакетах с опилками и слабым солевым раствором. Эти испытания удобно проводить, когда проводятся приемо-сдаточные испытания после монтажа холодильной машины и холодильных шкафов-витрин. Вторая часть ГОСТа 23833-95 должна применяться, когда шкафы-витрины заполнены пакетами мороженой рыбы и уже проводилось ее хранение в шкафах-витринах. При открывании дверей шкафов-витрин покупателями, чтобы взять

В соответствии с ГОСТ 23833-95 эти испытания должны были быть произведены не на мороженой рыбе в полиэтиленовых пакетах в вакуумной упаковке, а на имитаторах рыбы – древесных брусочках. В древесных брусках необходимо установить 18 хромель-копелевых термопар, спаи каждый из которых, согласно ГОСТа 23833-95, должны быть заключены между двумя пакетами, наполненными смесью древесных опилок и слабого солевого раствора. Для выполнения всех требований по ГОСТ 23833-95 пришлось проделать большую подготовительную работу – заготовить 600 кг древесных брусков; распилить их в соответствии с размерами полок шкафов-витрин; изготовить 36 картонных коробок размером 100 x 100 x 10 мм и заполнить их смесью древесных опилок и слабого солевого раствора; поместить спаи 18 термопар между двумя пакетами и связать эти пакеты скотчем. Для выполнения всех требований ГОСТ 23833-95 пришлось произвести выгрузку из двух шкафов-витрин всей мороженой рыбы и на тележках отвезти в подвальное помещение, где рыба была уложена в камеры хранения с температурой воздуха -18÷-20 ºС. Как видно, необходимо было выполнить большой объем работ ( Голубев и др ., 2007).

мороженую рыбу, холодный воздух, имеющий большую плотность при температуре -18÷-25 ºС, через низ проема открытой двери выходит наружу, а его место вверху шкафа-витрины заполняется теплым воздухом магазина. Обычно температура теплого воздуха магазина бывает не ниже +18÷+24 ºС.

Поступивший в шкаф-витрину теплый воздух смешивается с холодным, а затем на оребренных поверхностях воздухоохладителя частично охлаждается, и опускаясь вниз дополнительно охлаждается о поверхности пакетов с мороженой рыбой. Как видно, при открывании двери возникает достаточно сложный массо- и теплообмен между холодным воздухом шкафов-витрин и теплым воздухом самого магазина.

Для того, чтобы можно было рассчитать средние температуры холодного воздуха в шкафах-витринах рыбных магазинов и супермаркетов в зависимости от частоты открывания дверей покупателями мороженой рыбы в вакуумной упаковке, нами была смонтирована модель секции шкафа-витрины из органического стекла в масштабе 1:3,45 (см. рис.).

Рис. Устройство для обнаружения утечки охлажденного воздуха в модели холодильного шкафа-витрины: 1 – модель; 2 – полки; 3 – имитаторы мороженой рыбы; 4 – противни; 5 – наклонный щит; 6 – дверь; 7 – петли; 8 – дверная ручка; 9 – изоляционное ограждение; 10 – панель; 11 – вертикальная стенка с ползуном; 12 – фотоэлемент;

13 – вертикальная стойка; 14 – ползун; 15 – ресивер; 16 – горизонтальные трубки;

17 – конические трубки; 18 – гибкий шланг; 19 – воздушный фильтр;

20 – воздушный компрессор; 21 – дымогенератор

Воздухоохладитель и штабели мороженой рыбы в данной модели шкафа-витрины являются имитаторами, изготовленными в этом же масштабе, и представляют собой противни из металлической сетки, внутри каждой из них были расположены полиэтиленовые пакеты, заполненные водным раствором хлористого кальция, температура которых перед теплотехническими испытаниями была в морозильном аппарате понижена до -25 ºС. За счет холода имитаторов пакетов с рыбой и воздухоохладителя воздуха в модели шкафа-витрины температура воздуха понижалась до -18÷-20 ºС за 15-20 минут. Однако для того, чтобы холодный воздух, вытекающий при открывании дверей, был виден, данная модель шкафа-витрины была также оборудована устройством (рис.), патрубки этого устройства вварены в зазоры между полками с имитаторами рыбы, и через эти патрубки подавался дым от дымогенератора малых размеров. Данные дымогенераторы были разработаны авторами и защищены двумя патентами (патент № 93629 от 10 мая 2010 г. и патент № 97036 от 27 августа 2010 г.) ( Голубев и др ., 2010).

ГОСТ 23833-95 предусматривает также проведение теплотехнических испытаний холодильных шкафов-витрин при открывании всех дверей с определенным циклом (десять секунд одна дверь открыта и шесть минут закрыта). Однако, когда дверей в шкафу-витрине – шесть, открывание всех дверей в течение 10 часовых теплотехнических испытаний – работа весьма трудная и может оказаться не всем теплотехникам под силу. С целью определения реальной частоты открывания в шкафах-витринах магазина-супермаркета ОАО "Норд Вест ФК" нами в течение 3 месяцев проводилось хронометрирование частоты открывания шкафов-витрин, в результате чего было установлено, что максимальная частота открывания дверей покупателями не превышает 8÷9 раз в час, и только в двух случаях в одном из шкафов-витрин были открыты почти одновременно две двери.

Было также установлено, что при частом открывании дверей шкафов-витрин средняя температура холодного воздуха во всех шкафах-витринах повышалась. А в тех шкафах-витринах, которые очень редко открывались покупателями (хранение в шкафу-витрине дорогой деликатесной мороженой рыбы), температура воздуха была -18 ºС и ниже.

Частоту открывания дверей шкафов-витрин определили по формуле:

ν = 3600/ τ ц ,                                                      (1)

где ν – частота открывания дверей шкафов-витрин, ч¹־; τ ц = τ откр + τ закр – период цикла, с; τ откр – период времени открывания шкафов-витрин, с; τ закр – период времени закрытой двери, с.

В результате проведения хронометрирования открывания-закрывания шкафов-витрин покупателями было установлено, что частоты ν колеблются в пределах от 6 до 18 ч¹־, а частота, полученная по данным ГОСТ 23833-95, составляет 9,73 ч¹־.

В связи с тем, что нами было принято решение исследовать утечки холодного воздуха из шкафов-витрин при открывании дверей покупателями не на натурных шкафах-витринах в магазинах, а на модели, которая была сделана в масштабе 1:3,45, прежде всего надо было установить насколько изменяется время проведения открываний и закрываний дверей по отношению к рекомендациям ГОСТ 23833-95. Время открывания и закрывания дверей модели шкафа-витрины можно определить с помощью критерия гомохронности, который представляет собой безразмерное время развития или проявления процесса. В нем линейная величина ℓ должна наиболее существенно характеризовать пространство, в котором протекает процесс. Критерий гомохронности идентичен и для модели, и для натуры:

H = ν ^н τ ^н = ν ^м τ ^м = idem ,                                              (2)

• ^o      l н         l м

где Н о – критерий гомохронности; ν н , ν м – скорость утечки холодного воздуха в натурном объекте и на модели, м/сек; τ н , τ м – время протекания процесса в натуре и на модели, сек; l н , l м – линейные геометрические размеры сходственных (подобных) сторон натуры и модели, м.

Для расчета времени открывания, закрывания модели шкафа-витрины необходимо составляющие параметры выразить через известные величины. Например, через известную величину λ – являющуюся масштабом геометрического подобия натуры и модели шкафа-витрины. Функционально можно представить критерий гомохронности уравнением (3):

Но = f (λ).(3)

Для выражения скорости ν в функции линейного масштаба геометрического подобия можно использовать критерий Фруда

ν2

F = н = м = idem ,(4)

• ^r gl н gl м

где ν_н и ν_м – скорость движения холодного воздуха в натурном и модельном шкафах-витринах, м/сек; l_н и l_м – линейные геометрические размеры подобных сторон натуры и модели, м; g – ускорение силы тяжести одинаковы для натуры и модели, поэтому могут быть сокращены в уравнении (4).

После сокращения уравнение (4) принимает вид:

ν ^н = ν ^м = idem .                                           (5)

нм

Уравнение (5) мы приводим к такому виду:

• ν н ² ₌ ^lн _.

• ν ² _м l м

В этом уравнении отношение ℓ_н / ℓ_м обозначим через λ . Это линейный масштаб геометрического подобия натуры и модели шкафа-витрины.

• νн2/νм2 = λ или νм = νн λ .(6)

Используя в критериальном уравнении Н о гомохронности (2), значение скорости из уравнения (6) получаем:

• νм λτн = νмτм = idem ,(7)

lн из выражения (7) получаем:

τн = νм λ ⋅ lн = idem ,(8)

τм     νм lм после сокращения νм уравнение (8) примет вид:

откуда получаем:

Уравнение (10) позволяет определить время продолжительности открывания двери модели, выразив ее через время продолжительности открывания и закрывания модели шкафа-витрины. В ГОСТ 23833-95 время продолжительности открывания-закрывания двери натурного шкафа-витрины имеется. Кроме того, эта продолжительность нами получена в результате хронометрирования открывания и закрывания натурных шкафов-витрин в супермаркете ОАО "Норд Вест ФК" в ноябре-декабре 2007 года.

Для утечки холодного воздуха при открывании-закрывании двери модели шкафа-витрины важно получить критериальное уравнение для расчета или пересчета массопереноса. Для решения этого вопроса необходимо выяснить условия массопереноса холодного воздуха при открывании дверей шкафов-витрин в магазинах покупателями деликатесной мороженой продукции.

Массообмен в шкафах-витринах протекает в пределах одной фазы перемещения теплого и холодного воздуха. Холодный воздух при открывании дверей шкафов-витрин покупателями перемещается вниз проема открытой двери, и так как плотность холодного воздуха при температурах -18 °С и ниже намного выше плотности воздуха вне шкафа-витрины, то есть в магазине, ядром фазы воздуха будет теплый воздух, а его масса вне магазина значительно больше, чем у холодного воздуха, и в результате многочисленных открываний и закрываний дверей модели шкафа-витрины весь холодный воздух выйдет наружу и будет замещен теплым воздухом, находящимся в ядре, т.е. воздухом магазина с температурой ■20-24 °С.

Уравнение расхода капельной жидкости можно распространить и на расход газа или воздуха:

W b = to V ,

где W_b - расход воздуха, м³/с; to - площадь живого сечения, через которое холодный воздух через низ проема открытой двери покидает шкаф-витрину, м²; v - средняя скорость утечки холодного воздуха, м/с.

Расход холодного воздуха мы должны выразить также в функции к , т.е. выражением:

W b = f ( к ).

Уравнение расхода модели и натуры мы можем выразить следующим критериальным уравнением:

^Wв . н . ₌ ω н ν н

W со V в.н.       м м

Уравнение (13) можно выразить через вышеприведенные уравнения:

н ₌ н

² м l м

Из этого выражения расход холодного воздуха натуры шкафа-витрины выразить через расход холодного воздуха в модели:

W h = W m ■ к ² 7 1 .                                  (15)

Уравнение (15) необходимо для пересчета расхода холодного воздуха с натуры на модель и наоборот.

Испытание модели шкафа-витрины при открывании-закрывании двери по ГОСТ 23833-95 и по данным хронометрирования открывания дверей шкафов-витрин в супермаркете ОАО "Норд Вест ФК" покупателями позволили получить частоты открывания, которые были использованы на модели шкафа-витрины с целью установления зависимости полного удаления холодного воздуха от этих частот открывания-закрывания и замены объема воздуха в модели теплым воздухом ядра, то есть теплым воздухом вне модели шкафа-витрины.

Полное удаление холодного воздуха в смеси с дымом определялось тремя способами:

• 1.    Визуально по полному удалению дыма с холодным воздухом.

• 2.    С помощью устройства, состоящего из тонкого луча света, пронизывающего зазор между полками, и фотоэлемента с усилителем и микровольтметром.

• 3.    С помощью трех безинерционных термопар измерялись температуры уходящего холодного воздуха после каждого открывания двери до полного удаления (утечки) этого холодного воздуха.

• 3.    Заключение

  • 1)    Проведенные в 2005 году температурные испытания и испытания на оттаивание двух шкафов-витрин в соответствии с ГОСТ 23833-95 на имитаторах рыбы – древесных брусках и спаях хромель-копелевых термопар, заключенных между двумя пакетами, заполненными смесью опилок и слабосоленого раствора, потребовали большой трудоемкости проведенной работы, в то время, как эти шкафы-витрины уже длительно эксплуатировались и были заполнены деликатесной мороженой рыбой.

  • 2)    В ГОСТ 23833-95 необходимо было сделать вторую часть, позволяющую в спорных вопросах теплотехнические испытания проводить непосредственно на мороженой продукции, которая находится в шкафах-витринах. Это позволило бы значительно упростить и ускорить эти испытания.

  • 3)    Хронометраж открывания и закрывания шкафов-витрин в супермаркете "Норд Вест ФК" в 2007 году показал, что частота открывания этих дверей покупателями колеблется от 6 до 18 ч¹־ и весьма редко одновременно открываются две двери. Поэтому в ГОСТ 23833-95 необходимо сделать изменения открывания всех дверей в течение 10 часов, на открывание выборочно 1-2 дверей в течение этих же 10 часов.

  • 4)    С увеличением частоты открывания-закрывания дверей покупателями средняя температура внутри шкафов-витрин повышается.

  • 5)    Для исследования процессов утечки холодного воздуха через низ открытого проема двери нами была выбрана модель, позволяющая подавать дым в модель шкафа, и утечки холодного воздуха стали видимыми.

  • 6)    Испытания модели шкафа-витрины показали, что в период открывания дверей температура воздуха незначительно понижается, а интенсивность его охлаждения становится все меньше при увеличении частоты открывания дверей.

  • 7)    Разработаны критериальные уравнения, позволяющие все параметры работы, полученные на модели, пересчитать на натуру, и наоборот – параметры работы натуры можно пересчитать на модель.

  • 8)    Проведенные исследования необходимы для составления второй части ГОСТ 23833-95 – проведения температурных испытаний непосредственно на замороженных продуктах, которыми заполнены шкафы-витрины.

В результате проведения исследований на модели шкафа-витрины при частотах открывания-закрывания двери равным 6,0; 10,00; 13,00; 15,00 и 18,00 ч"1 было получено количество открываний и закрываний дверей до полного удаления холодного воздуха и замены его теплым воздухом во всем объеме модели шкафа-витрины.