Снижение энергоёмкости процесса увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах путём применения ультразвукового распылителя-увлажнителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Снижение энергоёмкости процесса увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах путём применения ультразвукового распылителя-увлажнителя

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ТЮПИН Сергей Владимирович

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена на кафедре энергообеспечения производств в АПК ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Беззубцева Марина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Наумов Игорь Владимирович

кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

Судаченко Василий Никитович

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение Северо-Западная государственная зональная машиноиспытательная станция.

Защита состоится «28» декабря 2009 года в 13³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «26» ноября 2009 года; размещен на сайте http://www.spbgau.ru «26» ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.Т. Смирнов

Актуальность темы. В соответствии с Федеральным Законом «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г., а также Распоряжением Правительства РФ «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» № 1234-р от 28 августа 2003, для обеспечения роста экономики и повышения качества жизни населения страны необходимо максимально эффективно использовать её энергетические ресурсы. Одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии» является высокая значимость снижения удельных затрат на использование энергетических ресурсов путём рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования.

Агропромышленный комплекс (АПК) Российской Федерации (РФ) является одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии, которая часто используется нерационально. Данное явление обусловлено множеством факторов, одним из которых является завышенная энергоемкость различных технологических процессов, в том числе, весьма значимого в растениеводстве процесса - увлажнения вентиляционного потока (ВП) в картофеле- и овощехранилищах с активным вентилированием продукта.

Энергоёмкость процесса увлажнения ВП, главным образом, зависит от применяемого оборудования для получения увлажнительного агента (УА). Как правило, для генерирования УА применяют аппараты трёх типов: механические распылители жидкости (дисковые или ротационные), паровые увлажнители (парогенераторы) и испарительные («сотовые») увлажнители. Каждый из перечисленных типов аппаратов имеет свои достоинства, однако общим недостатком их применения является повышенная энергоёмкость процесса увлажнения.

В результате анализа существующих методов увлажнения воздуха и средств реализации данного процесса выявлено, что ВП целесообразно увлажнять аэрозолем, полученным иным, принципиально отличным от вышерассмотренных, способом - с помощью ультразвуковых (УЗ) колебаний, в частности, распылением воды в «УЗ фонтане». Данный способ получения УА имеет сравнительно низкую энергоёмкость, что обуславливает актуальность разработки увлажнительных аппаратов, работающих на данном принципе, применительно к системам увлажнения (СУ) хранилищ. Генерируемый таким образом УА представляет собой высокодисперсный водный аэрозоль (туман), который обладает высокой скоростью испарения в ВП, благодаря чему высокоэффективен и безопасен для хранящегося продукта. В этой связи потери массы от болезней, спровоцированных контактом капельножидкого увлажнительного агента с поверхностью продукта, исключены. УЗ распылители-увлажнители (УЗР-У), адаптированные для работы в условиях хранилищ, могут являться не только альтернативой существующим средствам увлажнения ВП, но и их достойной заменой как более экономичные и технологичные.

Целью работы является снижение энергоёмкости процесса хранения картофеля, уменьшение риска потерь массы продукта путем разработки способа увлажнения вентиляционного потока, основанного на принципе ультразвукового распыления воды.

Задачи исследования:

- проанализировать существующие методы и средства увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах и определить основные факторы, влияющие на энергоемкость процесса увлажнения;

- выявить физический механизм процесса распыления воды в «УЗ фонтане» и обосновать возможность и целесообразность применения в картофелехранилищах такого способа;

- разработать математическую модель процесса увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем, позволяющую выявить оптимальные параметры работы аппарата;

- обосновать технико-технологические параметры ультразвукового распылителя-увлажнителя;

- разработать конструкцию ультразвукового распылителя-увлажнителя для картофелехранилищ и изготовить его опытный образец;

- экспериментально исследовать процесс увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем;

- разработать методику инженерного расчета системы увлажнения картофелехранилища, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.

Объект исследования. Процесс увлажнения вентиляционного потока в хранилищах и технические средства для его реализации.

Предмет исследования. Определение оптимальных технических и технологических параметров ультразвукового распылителя-увлажнителя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснован способ увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах с помощью ультразвукового распылителя-увлажнителя;

- разработана математическая модель, описывающая процесс увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем применительно к условиям хранилищ;

- разработана конструкция ультразвукового распылителя-увлажнителя для систем увлажнения картофелехранилищ, новизна которой подтверждена патентом РФ;

- установлены аналитические зависимости для определения энергоёмкости системы увлажнения, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.

Практическая ценность работы. Изготовлен опытный образец ультразвукового распылителя-увлажнителя для эксплуатации в условиях картофелехранилищ в качестве источника высокоэффективного увлажнительного агента. Благодаря низкой энергоемкости, аппарат представляет собой элемент энергосберегающих электротехнологий. Генерируемый УА (туман) является безопасным, т.к. в силу быстрого испарения не способен достигнуть в виде капель хранящегося продукта; тем самым, исключается дополнительное провоцирование болезней продукта, и связанная с этим потеря массы.

Аппарат может использоваться как в качестве источника увлажнительного агента, так и в качестве генератора аэрозоля из водных растворов фунгицидов, регуляторов роста и иных агрохимикатов, используемых в хранилищах; может применяться в медицине и быту для увлажнения воздуха и дезинфекции помещений.

Разработанная методика расчёта системы увлажнения может быть применима как для картофелехранилищ, так и для хранилищ другой сочной с.-х. продукции, в которых организовано активное вентилирование.

Предложена методика оценки экономической эффективности использования ультразвуковых распылителей-увлажнителей в качестве источников увлажнительного агента в системах увлажнения картофелехранилищ.

Реализация результатов исследований. Опытный образец УЗР-У внедрен в технологический процесс хранения продовольственного картофеля в ЗАО «Культура-Агро» Ленинградской области, что подтверждается соответствующим актом. Ожидаемый экономический эффект от внедрения УЗР-У составляет порядка 84000 руб/год.

Разработан и внедрен в учебный процесс кафедры ЭОП в АПК энергетического факультета СПбГАУ экспериментальный стенд, содержащий УЗР-У и применяемый в качестве лабораторной установки в курсе изучения энергосберегающих электротехнологий в АПК.

Материалы исследования УЗР-У отражены в опубликованных методических указаниях и лабораторном практикуме, которые также используются в процессе обучения студентов специальностей 110302.65., 140106.65.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель и результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем;

- аналитические зависимости для определения энергоёмкости системы увлажнения, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем;

- методы расчета системы увлажнения картофелехранилища, оснащенной ультразвуковым распылителем-увлажнителем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО СПбГАУ на секциях энергетического (2007 - 2009 г.г.) и инженерно-технологического (2006 - 2008 г.г.) факультетов. Основные тезисы работы представлены в программе международного агропромышленного конгресса «Роль автономных энергетических и инженерных систем в устойчивом развитии сельских территорий» («АГРОРУСЬ - 2008», Санкт-Петербург, ВЦ «Ленэкспо», 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных научных работ, в том числе 1 монография, 3 научных статьи (2 из которых - в рецензируемых ВАК журналах), патент РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа выполнена на 156 страницах машинописного текста, содержит 31 иллюстрацию, 8 таблиц, приложения; библиографический список включает в себя 163 наименования, в том числе 9 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены состояние проблемы, цель и задачи исследования, представлены основные аспекты, отражающие научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе, «Анализ методов и средств увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах», произведен обзор существующих методов и средств увлажнения ВП в картофеле- и овощехранилищах, выявлены их основные недостатки, а также факторы, влияющие на величину энергоемкости.

Вопросам увлажнения ВП посвящен ряд научных трудов, среди которых труды Жадана В.З., Волкинда И.Л., Бишопа К.Ф., Мондера У.Ф., Майстренко С.М., Дячека П.И., Широкова Е. П., Василива П.А. В работах Волкинда И.Л., Бишопа К.Ф., Мондера У.Ф., Василива П.А. подробно рассматриваются методы и средства для увлажнения ВП, среди которых выделяются дисковые (ротационные) распылители, паровые увлажнители (парогенераторы) и форсуночные распылители. При этом авторы отдельное внимание уделяют вопросам энергоемкости аппаратов. Обзор конструкций увлажнительных аппаратов для крупных (от 500 тонн) хранилищ показал, что с начала 2000-х годов в России стали широко применяться испарительные («сотовые») увлажнители.

В качестве главных недостатков рассмотренных увлажнительных аппаратов выделены: повышенная энергоемкость процесса увлажнения, генерирование крупнокапельного аэрозоля (дисковыми распылителями и форсунками), который может спровоцировать развитие болезней в результате случайного контакта с поверхностью продукта, сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты на широко применяемые импортные средства увлажнения. Работа с научными и патентными источниками позволила выявить альтернативный и даже более эффективный (в определенных критериях сравнения) способ получения УА - распыление воды в «УЗ фонтане». Акцентировано внимание на том, что в современных СУ хранилищ не применяется увлажнительный агент, полученный данным способом. Подчеркивается важность, перспективность и целесообразность разработки увлажнительных аппаратов, работающих на принципе УЗ распыления, применительно к СУ хранилищ; новые увлажнители могут быть более экономичны, эффективны и технологичны.

Во второй главе, «Физический механизм и средства реализации процесса распыливания жидкостей в «ультразвуковом фонтане», проанализирован физический механизм процесса распыления воды в «УЗ фонтане», установлены определяющие параметры энергетики процесса, обоснована возможность и целесообразность использования в картофелехранилищах ультразвукового распылителя-увлажнителя.

«Ультразвуковой фонтан» образуется, если из толщи воды к её поверхности направить УЗ волну определенной интенсивности. При этом одновременно с фонтанированием в средней и верхней части фонтана образуется высокодисперсный аэрозоль (туман). Механизм аэрозолеобразования при распыливании воды в «УЗ фонтане» неоднозначен; его теоретическое описание ученые представляют с точки зрения двойственности природы явления, предлагая кавитационно-волновую гипотезу: периодические гидравлические удары кавитационных пузырьков приводят к параметрическому возбуждению на поверхности фонтана стоячих капиллярных волн конечной амплитуды, из гребней которых образуются капли аэрозоля. Наиболее часто встречающиеся (НЧВ) размеры капель аэрозоля имеют значения 0,02 - 20 мкм. Существует зависимость НЧВ размеров капель от частоты УЗ колебаний:

(1)

где d - НЧВ размер капель аэрозоля; a - коэффициент пропорциональности 0,3; л_к - длина капиллярных волн; у - коэффициент поверхностного натяжения; с - плотность распыливаемой жидкости; f - частота УЗ колебаний.

Основными факторами, обуславливающими энергоемкость процесса распыления ультразвуком, являются производительность (по аэрозолю) и величина потребляемой электрической мощности. Гершензон Э.Л. и Экнадиосянц О.К. установили зависимость производительности распыливания в «УЗ фонтане» от физических параметров распыливаемой жидкости:

(2)

где П - производительность распыления; р_н - давление насыщенных паров; у - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; з - коэффициент динамической вязкости жидкости.

Определяющие факторы в выражении (2) являются функциями температуры, поэтому процесс распыливания воды может быть существенно интенсифицирован ее нагреванием. С увеличением температуры возрастание производительности распыливания вызывается только ростом числа капель аэрозоля, при этом изменение степени его дисперсности не происходит. При распыливании воды с помощью фокусирующего УЗ излучателя, производительность зависит от величины уровня жидкости, причем её оптимальное значение (H_опт.) в большинстве случаев равно фокусу (Ф) излучателя (рис. 1). H_опт. может незначительно отличаться от величины Ф в зависимости от мощности УЗ и физических свойств распыливаемой жидкости.



картофелехранилище ультразвуковой увлажнитель

На образование новой поверхности при распыливании жидкости одним квадратным сантиметром рабочей поверхности распылительного устройства за 1 с расходуется акустическая энергия (Е_н.п.) в соответствии с равенством (3):

(3)

где П' - фактическая скорость распыливания жидкости.

Подставив в выражении (3) вместо П' расчетную величину скорости распыливания П'_р = , равенство (3) примет вид:

(4)

Поток звуковой энергии (Р_зв), вошедший в струю «УЗ фонтана», большей частью, расходуется на рабочем участке фонтана, где наблюдается кавитация и происходит распыливание жидкости. При этом, величина Р_зв является некоторой долей всей акустической энергии (Р), излучаемой преобразователем; отношение Р_зв/Р представляет собой коэффициент кавитационного использования акустической энергии (ч) и зависит от режима распыливания. При напряжении на излучателе, незначительно превышающем пороговое, ч ? 0,34, а в режиме большой мощности ч ? 0,65. Отношение Е_н.п./Р_зв определяет эффективность диспергирования кавитацией (г). Произведение коэффициентов ч и г представляет собой величину з_дис - эффективность диспергирования звуком ( ? 1%). Однако величина з_дис не является энергетической характеристикой, на основании которой можно объективно оценивать эффективность процесса с практической точки зрения. Эффективность диспергирования другими, неакустическими способами, также низка.

В третьей главе, «Разработка математической модели процесса увлажнения и методики проведения экспериментальных исследований», произведено математическое моделирование процесса увлажнения вентиляционного потока увлажнительным агентом, генерируемым УЗР-У; разработана конструкция экспериментального стенда и опытного образца УЗР-У, предложена методика проведения экспериментальных исследований.

Увлажнение ВП осуществляется посредством введения в него увлажнительного агента. При скорости ВП более 0,6 м/с капли аэрозоля диаметром до 10 мкм движутся практически заодно с потоком совместно с локальными объемами, окружающими капли, т.е. неподвижно относительно потока воздуха. В условиях неподвижной среды одним из главных критериев, характеризующих тепломассообменные процессы, является число Нуссельта (Nu), определяющее соотношение между интенсивностями теплообмена за счёт конвекции и за счёт теплопроводности. Тепловой поток через шаровую поверхность капли воды определяется следующим выражением:

(5)

Преобразовав равенство (5), при условии, что d₁ = d_к; d₂ = ?, имеем:

(6)

Капли воды, движущиеся вместе с увлажняемым ВП, не омываются воздухом, то есть термический (Nu) и диффузионный (Nu') критерии Нуссельта равны наименьшим значениям; при этом первый критерий устанавливает подобие температурных полей, а второй - подобие полей парциальных давлений пара на границе «вода-воздух». Величина Nu_min, может быть определена из выражения (6), разделив обе его части на л:

(7)

В соответствии с теорией подобия полей концентрации пара и температуры, минимальное значение коэффициента массообмена (в_min), определяется из условия Nu' = Nu_min= 2:

(8)

где - коэффициент диффузии водяных паров в воздухе.

Таким образом, используя предельные (минимальные) критерии Нуссельта, для описания тепломассообменных процессов могут быть применены следующие выражения:

- для потока теплоты: (9)

- для потока массы (воды): (10)

Основными факторами, обуславливающими процесс изменения состояния воздуха при увлажнении УЗР-У, являются: начальные параметры (t_нач и d_нач), температура распыливаемой воды (t_в), мощность ультразвука (Р_уз). На основании этого могут быть сформированы модели процессов в виде линейных полиномов:

1 -

2 -

3 -

4 -

5 - (12)

6 -

где t_нач и d_нач - соответственно начальные температура и влагосодержание воздуха; t_В - температура распыливаемой воды; t_т - температура потока аэрозоля (тумана), выходящего из УЗР-У; Р_уз - мощность УЗ колебаний; Дd - изменение влагосодержания обрабатываемого воздуха.

Для выявления корреляционных связей в моделях разработан экспериментальный стенд (рис. 2), имитирующий систему активного вентилирования, снабженную УЗР-У. Конструкцией стенда предусмотрены все необходимые устройства для имитации реального процесса увлажнения ВП. Генерирование УА осуществляется с помощью опытного образца УЗР-У, конструкция которого представлена на рис. 3. Для аппарата определена зависимость производительности от величины подачи аэрозолевыводящего воздушного потока (АВП) вентилятором (рис.4). График условно разделён на 3 интервала: «А», «Б» и «В». В интервале «А» наблюдается стабильное возрастание производительности; в начале интервала «Б» возрастание прекращается, и на всем его протяжении производительность находится приблизительно на одном уровне (от 378 до 950 см³/с величина производительности колеблется относительно отметки 350 г/ч). В интервале «В» кривая графика снова приобретает восходящий характер.

Рис. 2 Функциональная схема экспериментального стенда:

1 - воздуховод; 2 - теплоизолятор; 3 - УЗР-У; 4, 14 - весы; 5, 9, 11, 17, 21, 24 - датчики термометров; 6 - вентилятор; 7 - предварительный увлажнитель (парогенератор); 8, 16 - датчик гигрометра; 10 - датчик анемометра; 12 - выпускной проем; 13 - резервуар подпиточной воды; 15 - шланг; 18 - проем для забора атмосферного воздуха; 19, 22 - шибер; 20 - патрубок; 23 - электрический воздухонагреватель; 25 - проем для забора комнатного воздуха.



Рис. 3 Опытный образец УЗР-У:

а - принципиальная схема; б - аппарат в действии.

В ходе экспериментов на стенде воспроизводились различные режимы увлажнения воздушного потока с помощью УЗР-У. При этом основные факторы, влияющие на процесс тепло-влажностной обработки воздуха, изменялись в достаточно широком диапазоне, характерном для реальных условий: относительная влажность - от 70 до 95%; температура - от +2 до +15 єС; скорость воздушного потока - от 3 до 5 м/с.

В четвертой главе, «Основные результаты исследований», произведен регрессионный анализ экспериментальных данных. В результате полиномиальной аппроксимации получены модели многофакторного эксперимента; установлена аналитическая зависимость для определения энергоёмкости системы увлажнения, оснащенной УЗР-У; построены графические зависимости, позволяющие выявить оптимальные характеристики процесса; разработана методика инженерного расчета системы увлажнения картофелехранилища.

Зависимость производительности УЗР-У от мощности УЗ и температуры распыливаемой воды может быть аппроксимирована выражением (13), которое применимо для следующих интервалов определяющих факторов: t_В ? 16 - 80 єС; Р_уз ? 0 - 199 Вт:

(13)

Разделив обе части выражения (13) на величину производительности УЗР-У (W) и выполнив соответствующие преобразования, получим аналитическую зависимость для энергоемкости процесса (Е_уз):

(14)

Е_уз отражает величину энергозатрат, необходимых для создания УЗ колебаний, которые обеспечивают процесс распыливания воды УЗР-У. Е_уз является одним из слагаемых общей величины энергоемкости аппарата (Е_узр-у). Е_УЗР-У определяется как сумма энергоемкостей всех электропотребляющих устройств, входящих в состав УЗР-У и задействованных при его эксплуатации:

 (15)

где Е_вн и Е_вент - соответственно, электрические мощности водонагревателя (Р_вн) и вентилятора (Р_вент), отнесенные к величине W.

Величина Е_вн определяется в соответствии с выражением (16):

(16)

где с - средняя удельная изобарная теплоемкость воды (4190 Дж/(кг·К)); з_вн - КПД водонагревателя (ТЭНа): 0,95; t_пв - температура подпиточной воды (? 5 єС).

Е_вент определяется только величиной W, т.к. Р_вент - неизменна:

(17)

В результате анализа зависимостей (14) - (16) установлено, что температура распыливаемой воды оказывает существенное влияние на энергоемкость УЗР-У. На рис. 5 представлены графики функций Е = f(t_в). Экстремум (минимум) функции Е_УЗР-У= f(t_в) соответствует наиболее экономичному режиму работы аппарата при данных условиях.

Поддержание t_в в пределах допустимых значений (интервал t_доп на рис. 5) не приводит к значительному увеличению энергоемкости.



Анализ данных показал, что минимум функции Е_УЗР-У = f(t_в) зависит от величины Р_уз; на рис. 6 графически представлена данная зависимость. Математически подтверждается и графически (рис. 5 и 6) иллюстрируется, что наиболее экономичный режим работы УЗР-У обеспечивается при поддержании t_в на уровне 32 - 62 єС, при этом мощность УЗ целесообразно устанавливать в интервале 15 - 40 Вт (см. рис. 6).

С помощью модели (13) разработана методика инженерного расчета системы увлажнения картофелехранилища.

1. Определяется суммарное количество влаги (W_сумм), которое необходимо непрерывно вносить в ВП, чтобы насыщать его до требуемой величины относительной влажности (ц_кон = 95 %).



При этом, расчет производится на максимальную величину W_сумм, которая соответствует лечебному периоду хранения картофеля, когда исходные параметры ВП составляют t_нач ? +15 ?С; ц_нач ? 75 %.

2. Вычисляется фактическая максимальная производительность одного УЗР-У (W_max), в котором используется ПЭ преобразователь известной модификации (тип излучателя УЗ и величина Р_УЗ известны). Температура воды (t_В) принимается с учетом обеспечения санитарных требований, эксплуатационной надёжности аппарата и экономической целесообразности.

3. На основании вычисленных значений W_сумм и W_max определяется необходимое количество УЗР-У (N). С использованием модели (13) определяются энергозатраты (Р_N) на эксплуатацию каждого N-ного УЗР-У, которые в дальнейшем послужат основой расчета энергоёмкости (Е) процесса увлажнения в целом.



С помощью результатов экспериментальных исследований, а также с учетом конструктивных особенностей существующих аппаратов, разработана усовершенствованная конструкция УЗР-У (см. рис. 7). Аппарат обладает сравнительно низкой энергоёмкостью за счет более совершенной конструкции канала для выхода аэрозоля. При этом, во-первых, уменьшено гидравлическое сопротивление входящему в канал АВП и выходящему из канала потоку

аэрозоля, во-вторых, сокращено стесняющее воздействие канала на расширяющееся при движении «облако» аэрозоля, что в совокупном эффекте снижает энергоемкость УЗР-У.

В пятой главе, «Технико-экономические аспекты использования УЗР-У в картофелехранилищах» рассмотрены основные технико-экономические показатели, учитываемые при оценке экономической эффективности использования УЗР-У в качестве источников УА в картофелехранилищах. К числу основных факторов относятся:

- снижение энергоёмкости процесса увлажнения ВП;

- сокращение потерь массы продукта от болезней, спровоцированных контактом капельножидкого увлажнительного агента с поверхностью продукта;

- снижение капитальных затрат на оборудование системы увлажнения;

- снижение эксплуатационных затрат, включая мероприятия водоподготовки, дезинфекции и технического обслуживания.

Особое внимание уделено фактору снижения энергоёмкости процесса увлажнения, так как в последние годы наблюдается существенное увеличение тарифов на электроэнергию, в том числе для предприятий АПК. Энергоёмкость (Е) может быть определена как величина, равная отношению суммарной электрической мощности (?Р) приборов и устройств, входящих в систему увлажнения, к общей производительности (по аэрозолю) системы увлажнения при данной потребляемой электрической мощности (?W_max):

(18)

При использовании в картофелехранилище в качестве источника (источников) увлажнительного агента ультразвуковой распылитель-увлажнитель, система увлажнения будет содержать следующие приборы и устройства:

- УЗР-У, содержащие в своей конструкции оборудование для получения ультразвука, вентиляторы для выделения аэрозоля, ТЭНы для нагрева распыливаемой воды, системы автоматического управления клапанами подпитки;

- контроллер, осуществляющий управление УЗР-У в зависимости от изменяющихся параметров внутреннего и наружного воздуха;

- реле включения УЗР-У.

В соответствии с определенной комплектацией системы увлажнения определяется энергоёмкость процесса увлажнения; с учетом продолжительности эксплуатации и величины тарифа на электроэнергию определяется величина денежных затрат.

Сопоставим величины энергоёмкостей двух систем увлажнения для обслуживания одного и того же хранилища; в одной из систем используются УЗР-У, в другой - парогенератор (см. табл. 1).

Таблица 1 - Сравнительные характеристики систем увлажнения, оснащенных парогенератором и УЗР-У

Выводы

1. Выявлено, что существующие методы и средства увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах имеют существенные недостатки: создают повышенную энергоёмкость системы увлажнения; могут представлять опасность для хранящегося продукта. Главной причиной данных недостатков являются особенности принципа действия и конструкции устройств для генерирования увлажнительного агента.

2. Теоретически обосновано, что генерирование высокодисперсного водного аэрозоля распыливанием воды в «УЗ фонтане» является менее энергоёмким и более технологичным способом получения увлажнительного агента по сравнению с применяющимися в настоящее время в хранилищах. Данное сравнение корректно при всех прочих равных параметрах увлажнительного агента (дисперсность и т.п.).

3. Разработана математическая модель процесса увлажнения

вентиляционного потока ультразвуковым распылителем-увлажнителем, объясняющая зависимость производительности аппарата от двух факторов: температуры распыливаемой воды и мощности ультразвука. Анализ модели позволяет выявить оптимальные значения факторов, соответствующие минимальной энергоемкости процесса увлажнения; при этом, их значения находятся в интервале установленных ограничений.

4. Разработана конструкция и изготовлен опытный образец ультразвукового распылителя-увлажнителя для картофелехранилищ. Аппарат позволяет генерировать высокодисперсный водный аэрозоль при энергоемкости 0,061 - 0,144 (кВт-ч)/кг, в то время как паровые увлажнители имеют энергоемкость 0,75 - 1,0 (кВт-ч)/кг (дисперсный состав пара и аэрозоля, генерируемого УЗР-У, соизмеримы).

5. Визуальный контроль УЗР-У в процессе экспериментальных исследований показал, что при скорости увлажняемого воздушного потока более 8 м/с имеет место турбулизация воздуха в выпускном канале аппарата (в области аэрозолеобразования). Это приводит к повышенной коалесценции капель, их усиленному контакту со стенками выпускного канала и снижению производительности на 10 - 15%. При скорости воздушного потока более 11 м/с наблюдается неполное испарение аэрозоля на контрольном участке воздуховода; при этом аэрозоль активно контактирует со стенками воздуховода, что заметно снижает эффективность увлажнения.

6. Экспериментально установлен оптимальный режим работы УЗР-У, при котором одновременно достигаются пастеризационный эффект распыливаемой воды и достаточно низкая энергоемкость аппарата при его сравнительно высокой производительности. Такой режим достигается при поддержании температуры распыливаемой воды (в стакане УЗ преобразователя) на уровне 32 - 62 єС, мощности УЗ - в интервале 15 - 40 Вт.

7. Удельные годовые затраты денежных средств на увлажнение вентиляционного потока УЗР-У до 6 - 7 раз меньше по сравнению со способом пароувлажнения.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Пат. 86499 Российская Федерация, МПК8 В 05 В 17/06. Ультразвуковой генератор аэрозоля / Тюпин С.В. ; заявитель и патентообладатель С.В. Тюпин. - № 2009109114/22 ; заявл. 06.03.2009

2. Тюпин, С.В. Влажностный режим обеспечит ультразвук / С.В. Тюпин // Сельский механизатор. - 2008. - № 5. - С. 10-11, 13. - 0,27 п.л.

3. Тюпин, С.В. Обеспечение влажностного режима в хранилищах с.-х. продукции с помощью ультразвукового распылителя жидкости / С.В. Тюпин // Устойчивое развитие сельских территорий страны и формирование трудового потенциала АПК в XXI веке : междунар. агропромышлен. конгресс : концепция и материалы для обсуждения / М-во сельск. хоз-ва РФ, Департамент сельск. развития и соц. политики, СПб. гос. агран. ун-т, Ленэкспо ; авт. коллектив: В. А. Ефимов, М. В. Москалев, Н. В. Полянский, Т. А. Суркова, Л. М. Ломакова. - СПб., 2008. - С. 60-61 - 0,12 п.л.

4. Тюпин, С.В. Применение ультразвука при хранении сельскохозяйственной продукции / С.В. Тюпин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 6. - С. 35-37. - 0,25 п.л.

5. Тюпин, С.В. Применение ультразвукового распылителя жидкости для обеспечения влажностного режима в крупных хранилищах сельскохозяйственной продукции / С.В. Тюпин // Сб. науч. трудов : Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий. - СПб. : СПбГАУ, 2008. - С. 90-93. - 0,15 п.л.

6. Тюпин, С.В. Теория энергетики технологических процессов в АПК : Лабораторный практикум для студентов специальностей 110302.65., 140106.65 / Сост.: М.М. Беззубцева, Д.А. Мазин, С.В. Тюпин ; под ред. В.Н. Карпова. - СПб. : СПбГАУ, 2009. - 122 с.

7. Тюпин, С.В. Ультразвуковые технологии в овощехранилищах / С.В. Тюпин, М.М. Беззубцева. - СПб-Пушкин. : СПбГАУ, 2009. - 108 с.

Размещено на Allbest.ru