Науково-технічні основи процесів тепломасообміну в теплових камерах при зберіганні фруктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Автореферат

Науково-технічні основи процесів тепломасообміну в теплових камерах при зберіганні фруктів

05.18.12. - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

Янчарек Маріан Марек

КИЇB - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій (НУХТ) Міністерства освіти і науки України та в Люблінській Політехніці Республіки Польща.

Наукові консультанти:

доктор технічних наук, професор

БУЛЯНДРА Олекcій Федoрoвич,

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри теплотехніки;

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України тепловий газовий фрукт температура

ШАПОВАЛЕНКО Олег Іванович,

Національний університет харчових технологій,

завідувач кафедри технології зберігання і переробки зерна

Офіційні опоненти:

член-кор. НАН України, доктор технічних наук, професор

БАСОК Борис Іванович,

заступник директора НТК "Інститут технічної теплофізики" НАН України

доктор технічних наук, професор

СУКМАНОВ Валерій Олександрович,

Інститут харчових виробництв Національного університету економіки і торгівлі імені М.Туган?Барановського, директор

член-кор. УААН, доктор сільськогосподарських наук, професор

ІВАНЧЕНКО Вячеслав Йосипович,

заступник директора Національного інституту винограда і вина "Магарач".

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема зберігання сировини й готової продукції займає провідне місце в харчовій і переробній промисловостях. Це позв'язано, насамперед, з необхідністю цілорічного забезпечення населення продуктами харчування високої якості. Запаси сировини й готової продукції в необхідній кількості забезпечують продовольчу безпеку будь-якої країни. Харчова промисловість займає біля однієї третини в загальному обсязі виробництва промислової продукції України. Як правило, при зберіганні й переробці рослинних і інших видів сировини споживається значна кількість енергії на одиницю продукції. При зберіганні сировини спостерігаються його значні втрати. Так, по даним ФАО, тільки на дихання, при зберіганні зерна, в усьому світі щорічно витрачається 25 млн. тонн зерна.

Необхідність постійного забезпечення постачання населення фруктами й овочами потребує розробки відповідних режимів тривалого їх зберігання, які дозволяють зберігати високу якість й мінімальні втрати в процесах тривалого зберігання фруктів, а це вимагає витрат великої кількості енергії. Тому у формуванні цін на продукти продовольства велике значення має економія енергії.

Дотепер при будівництві складських приміщень для харчової промисловості теплоємність стін, як правило, не враховувалася. Основним їх критерієм є міцність конструкції, a для зовнішніх стін - і теплоізоляція. Методи проектування огороджень теплових камер (ТК) для фруктів ураховують кліматичні умови тільки статичним способом, тобто використовують максимальні розрахункові температури в регіоні. У той же час, як відомо, зміни температури атмосферного повітря по своїй природі динамічні й змінюються на протязі доби, місяця й року. Тому при проектуванні нових сховищ врахування характеру зміни температури зовнішнього середовища має першорядне значення. Необхідно забезпечити таку теплову інерцію споруджуваного об'єкта (шляхом підбора матеріалів, їхньої товщини, а також кількості шарів стіни), що дозволила б додатково заощаджувати енергію використовуваного теплового устаткування. Значна частина енергії витрачається на підтримування необхідної постійної температури в теплових камерах.

Не дивлячись на велику зацікавленість у знанні динаміки потоку теплоти через стінки, спеціальних експериментальних досліджень цього процесу дотепер не проводилося. Це можна пояснити як труднощами вимірів, так і особливостями характеру теплопередачі, що залежить від змінних й неповторювальних кліматичних умов. Тому особливе значення має математичне рішення цієї проблеми, що дає можливість провести теоретичний розрахунок оптимальних параметрів стіни.

Математичний аналіз тепломасообміну за допомогою комп'ютерного моделювання фізичних явищ, пов'язаних із трансмісією теплоти в теплових камерах, допомагає вирішити ряд проблем, повязаних із зберіганням фруктів. Тому вирішення проблеми довготривалого зберігання фруктів при забезпеченні їх якості і зниження витрат енергії в теплових камерах є актуальнім завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукових тем і законодавчих актів: Центральної європейської програми освіти ? CEEPUS CII?CZ 0031?03?0708 (Centrаl European fo University Studies); Постанова Верховної Ради України №75/94-ВР від 01.07.94 р., який затвердив "Закон України о енергозбереженні"; Постанова кабінету міністрів України №148 від 5.02.97 р. "О комплексній державній програмі енергозбереження України"; Держбюджетної науково-дослідної теми Національного університету харчових технологій "Розроблення новітніх енерго- та ресурсозберігаючих технологій" 2006?2010 рр.; Договору "Про науково-технічне та культурне співробітництво між Національним університетом харчових технологій та Люблінською Політехнікою" від 09.09.2003р.

Мета та завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування процесів теплообміну при проектуванні та будівництві теплових камер для тривалого зберігання фруктів у газових середовищах, що забезпечують збереження споживчих якостей плодів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

? провести аналіз технологічних особливостей тривалого зберігання фруктів у газових середовищах;

? вивчити вплив фізіологічних особливостей фруктів на тривалість зберігання й виникнення хвороб;

? дослідити вплив складу газового середовища й концентрації окремих компонентів на життєдіяльність рослинних клітин яблук і груш;

? обґрунтувати можливість аналітичного опису тепломасообміну в будівельних конструкціях теплових камер при гармонічному характері зміни атмосферної температури;

? установити можливість використання методу електротеплової аналогії для опису процесів теплопередачі в стінах конструкцій теплових камер при гармонійному характері зміни зовнішньої температури;

? створити на основі комп'ютерних програм фізико-математичні моделі для вивчення впливу змін атмосферної температури на тепломассоперенос усередині теплової камери;

? дослідити динаміку змін температури атмосферного повітря;

? створити лабораторну установку й провести дослідження коефіцієнтів теплопровідності вологих матеріалів;

? обґрунтувати й розробити енергозберігаючі технологічні режими тривалого зберігання яблук і груш у теплових камерах;

? розробити конструкцію й створити датчики виміру густини теплових потоків заданих параметрів та провести натурні дослідження температурних полів і теплових потоків через конструкції огороджень на діючих теплових камерах у різні періоди року;

? розробити метод теплового розрахунку камер для тривалого зберігання фруктів.

Об'єкт дослідження ? теплові камери для тривалого зберігання фруктів.

Предмет дослідження ? теплообмін у газонепроникних теплових камерах для зберігання фруктів.

Методи дослідження: аналітичні й теоретичні дослідження тепломасообміну в теплових камерах, експериментальні на лабораторних установках і натурні на промислових об'єктах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в вирішенні важливої комплексної науково-технічної проблеми зниження енергетичних витрат у теплових камерах під час тривалого зберігання фруктів у газових середовищах при забезпеченні високих споживчих показників якості плодів. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень уперше:

? визначено механізми впливу складу газового середовища і концентрації окремих компонентів на життєдіяльність рослинних клітин фруктів;

? на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень науково обґрунтовані технологічні режими тривалого зберігання яблук і груш;

? проаналізовано, залежно від теплофізичних характеристик, можливості використання сучасних ізоляційних матеріалів в огородженнях теплових камер;

? створено комплексну фізико-математичну модель процесів теплоперенесення через зовнішні огородження сховищ, в основу якої покладено принцип гармонічного характеру зміни температури зовнішнього середовища;

? на основі фізичної моделі розроблені адекватна математична модель і комп'ютерна програма для розрахунку теплообміну усередині термічної камери з використанням методу електротеплової аналогії з урахуванням, гармонічних коливаннях температури навколишнього середовища;

? розроблено методику обробки даних по зміні температури зовнішнього середовища, у результаті чого встановлена й синтезована добова, місячна й річна динаміка зміни атмосферної температури в середньо-східних регіонах Республіки Польща, яка необхідна для обєднання фізичної й математичної моделей переносу теплоти через зовнішні огородження сховищ;

? створено лабораторну установку, яка на основі вимірів пошарових значень температури й вологості і розробленого інформаційно-комп'ютерного комплексу дає можливість одержати графічні залежності потокових значень коефіцієнтів теплопровідності будівельних матеріалів;

? розроблено конструкцію й виготовлений малогабаритний і малоінерційний датчик для виміру густини теплових потоків малої інтенсивності;

? розроблено методику експериментального дослідження теплових потоків через зовнішні огородження теплових камер для зберігання фруктів за допомогою запропонованого датчика при проведенні натурних досліджень на діючих теплових камерах у м. Радзині-Подляском (Республіка Польща), які використані для перевірки адекватності отриманих теоретичних результатів;

? на основі проведених досліджень розроблена методика розрахунку теплотехнічних режимів промислових комплексів, що враховує особливості теплообміну при тривалому зберіганні фруктів у газових середовищах і забезпечує високі споживчі показники якості плодів при мінімальних втратах.

Практична значимість отриманих результатів. Проведені дослідження тепломасообміну в теплових камерах дозволили обґрунтувати й розробити технологічні режими тривалого зберігання яблук і груш різних сортів у газонепроникних камерах.

Запропоновано методику теплового розрахунку камер для зберігання фруктів, яка схвалена фірмою FRIGO-PLUS (Республіка Польща) і знайде впровадження при проектуванні й виготовленні нових сховищ.

Результати проведених натурних досліджень розподілу температур на поверхні огородження й теплових потоків через огородження дали можливість провести їхню модернізацію з поліпшенням теплоізоляції окремих елементів огороджень, що значно зменшило теплові втрати. Це дало економічний ефект до 2000 Є в рік для сховища ємністю 100т/рік.

Розроблена лабораторна установка для дослідження теплофізичних властивостей вологих матеріалів і малогабаритний датчик для виміру густини теплових потоків застосовуються при проведенні науково-дослідних робіт в НУХТ та Люблінській Політехніці.

Запропонована фізико-математична модель теплової камери та компютерна програма можуть бути використані при проектуванні й розрахунку сховищ для фруктів.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, формування наукової концепції дослідження, постановці досліджень, теоретичному вирішенні завдань теплопровідності огороджень теплових камер, проведенні експериментальних досліджень, їхній обробці, підготовці матеріалів до публікацій, участі при створенні вимірювальних приладів і в організації й проведенні лабораторних та виробничих досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на наступних конференціях: XI Міжнародній конференції: „Heating, Ventilation and Air-Conditioning" (Чехословаччина, 1991); International Congress „MATAR - Machine Tools Automation and Robotics In Mechanical Engineering" (Чехословаччина, 1996, 2000); „Sumer School on Control Theory and Application - Graz University of Technology" (Австрія, 2004); „Informatics Systems in Automation - University of Maribor" (Словения, 2007); Ш и IV Міжнародних конференціях „Проблеми промислової теплотехніки", (Київ, 2003, 2005); Міжнародних конференціях: Sympozjum Naukowe „Problemy Konstrukcji Maszyn Przemyslu Spozywczego" (Польща, 1994); „Rynek Energii Cieplnej" - V Konferencja Naukowo-Techniczna (Польща, 1999); „Heat Transfer and Renewable Sources of Energy" Politechnika Szczecin - (Польща, 2002), „Informatyka w Technice" Konferencja Lubelskie Towarzystwo Naukowe (Польща , 2006), 74-а Наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів „Наукові здобутки молоді? вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті", (Київ, 2008) та інш.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 45 наукових праць, у тому числі: 22 статті у фахових виданнях, 16 у матеріалах конференцій і 7 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із введення, 6 глав, виводів, списку літературних джерел з ... найменувань і ... додатків.

Робота викладена на 378 сторінках машинописного тексту, містить 95 рисунків і 27 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першій главі "Аналіз сучасного стану зберігання фруктів у регульованих газових середовищах", розглянуті технологічні особливості зберігання фруктів у теплових камерах. Показано, що на якість сировини під час зберігання значно впливає температура, вологість, газовий склад середовища в камері і її вентиляція. Зберігання при зниженій температурі сповільнює темп життєвих процесів рослинних клітин і шкідливих фізико-хімічних змін, що відбуваються у фруктах.

Висока відносна вологість повітря в складських приміщеннях може призвести до мікробіологічних змін у фруктах, а також прискорити життєві процеси. У той же час, низька відносна вологість може збільшити втрати, пов'язані з усиханням фруктів.

У теперішній час зберігання фруктів здійснюється в теплових камерах, обладнаних автоматичними системами контролювання атмосфери й побудованих з пінополістірольних або поліуретанових плит. Тільки в таких об'єктах можна зберегти високу якість фруктів, що перебувають у них, за умови, що це будуть фрукти вищого ґатунку й зібрані в певний період фізіологічної зрілості.

Головним фактором, що впливає на збереження фруктів, є швидке зниження температури їх м'якоті фруктів після збору до 4...5°C. Кінцеву оптимальну температуру зберігання від ?1 до +3°C варто встановлювати тільки після повного заповнення теплової камери. Температура нижче нуля рекомендується винятково для груш. Тому потрібно, щоб яблука й груші не зберігалися в одній камері.

Крім оптимальної температури й газового складу атмосфери умовою збереження гарної якості фруктів є відповідна відносна вологість повітря в камері схову. Для яблук і груш необхідна підтримка відносної вологості від 88 до 93% і навіть вище при оптимальній температурі зберігання.

Така величина відносної вологості пов'язана з надзвичайно важливим при зберіганні процесом втрати води через живі рослинні клітини, тобто транспірацією. Транспірація відбувається тільки тоді, коли існує різниця між пружністю водяної пари, що знаходиться в міжклітинних просторах фруктів і пружністю водяної пари в навколишній атмосфері.

У камерах типу ULO (ultra low oxygen ? ультранизького вмісту кисню) у значній мірі обмежується кількість кисню, що є необхідним для фізіологічних процесів дихання і тим самим збільшується вміст CO₂. У деяких сортах фруктів при збільшенні CO₂ до 6% починаються небажані фізіологічні зміни.

Інтенсивність дихання виражається в міліграмах двоокису вуглецю, що виділяється з 1 кг фруктів протягом години при заданій температурі. Як показують дослідження, що проведені нами в камерах схову фруктів у м. Радзині й літературних даних приріст інтенсивності дихання з ростом температури повітря має неоднорідний характер. Так при зростанні температури від 0 до 10^оС приріст інтенсивності дихання становить приблизно 0,6 мг/(кг•год• К). Найбільший приріст інтенсивності ? 2 мг/(кг• год• К) спостерігається при зміні температури від 10 до 15^оС. При подальшому зростанні температури від 15 до 20^оС приріст інтенсивності дихання сповільнюється й становить 1 мг/(кг• год• К).

Фрукти в процесі дихання в газонепроникному приміщенні модифікують його атмосферу, знижуючи вміст кисню й збільшуючи вміст двоокису вуглецю. Це означає, що на кожну одиниці об'єму використаного кисню виділяється такий самий обєм двоокису вуглецю.

На основі багаторічних досліджень, проведених автором у сховищах з регульованою атмосферою в м. Радзині-Подляском й літературних даних можна рекомендувати наступні умови зберігання яблук (табл. 1)

Таблиця 1

Рекомендовані умови зберігання яблук різних сортів в камерах КА

Сорт яблук	Діапазон температур,	Склад середовища (%)
	С	CO2	O2
Айдарет	1?3	1?1,5	1?3
Альва	2?3	1,5	1,5
Арлет	1?2	5	3
Ельстар	1?3	1?2,5	2?4
Гала	1?2	1?3	1?2
Глостер	1?3	1?1,5	1?3
Енаголд	1?1,5	1,5?2	1?1,5
Логол	1?2	1,5?5	1,5?3
Чемпіон	1?2	1,5?5	1,5?3
Кортланд	2,5?3	1,5?2	1,5?2
Груші	?1?+1,5	1?1,5	1,5?2

Температури зберігання яблук перебувають у діапазоні від 1 до +3C. Якщо в одній камері перебувають фрукти різних сортів, яким необхідні різні температури, то самою безпечною температурою зберігання є +2C. За таких умов фрукти сортів, що вимагають більш низької температури, будуть дозрівати трохи швидше й скоротиться тривалість їхнього зберігання.

Груші різних сортів доцільно зберігаються при температурі від ?1C до 0C і відносної вологості 93-95%. Істотним фактором, що забезпечує оптимальне зберігання груш є швидке їх охолодження після збору до температури ?1C, яка є оптимальною температурою для груш, що призначені для тривалого зберігання. Вона незначно вище температури замерзання груш, які звичайно переносять температуру до ?1,5C і залежить від вмісту екстракту.

У главі 2 "Теоретичні основи процесів тепломасообміну в стаціонарних і нестаціонарних умовах" розглядаються вимоги, що пред'являються до теплоізоляційних мaтepіaлів для будівництва тeплoвих камер. Розрахунковою величиною, що визначає міру теплоізоляційного захисту огородження, є коефіцієнт теплопередачі - k. У теперішній час у теплових камерах як теплоізоляція найчастіше використовується поліуретанова піна та пінополістірол. Рекомендоване значення коефіцієнта k для стін теплових камер знаходяться у межах від 0,2 до 0,3 Вт/(м²К).

Найбільша кількість теплових втрат здійснюється через підлогу. Це пов'язане зі збільшенням теплопровідності підлоги через його сталеві частини, які необхідні для відповідної механічної міцності.

Розвязання рівняння Фурє при поширенні теплоти в стіні, де зовнішня температура змінюється відповідно до функції синуса t(ф) = t₀sinщф призводить до виразу розподілу температури в стіні:

. (1)

З цього рівняння випливає, що в стіні відбуваються періодичні коливання температури, період яких є однаковим у кожній площині, але в міру віддалення від поверхні x = 0 наступає зміщення фази . Чим менше частота коливань, тим більше амплітуда на тій же відстані від початку х.

Густину теплового потоку при гармонічному характері зміни температури можна розрахувати використовуючи рівняння Фур'є та вираз (1). Після перетворень, густину теплового потоку можна розрахувати за виразом:

. (2)

Маючи дану густина теплового потоку, можна обчислити кількість теплоти, яка передається поверхні тіла.

Дослідження процесів тепломасообміну в огородженнях будівельних конструкцій теплових камер можна провести з використанням електротеплової аналогії. Поле температур і поле електричних потенціалів описується тими самими рівняннями, як у стаціонарному, так і в нестаціонарному стані. Ця математична подібність використовується в моделюванні термокінетичних процесів на електричних моделях.

На рис. 1. наведено фізичну модель теплової камери при одношаровій стіні. Густина теплового потоку q_а , досягаючи поверхні стіни, поглинається й передається в теплову камеру. У нестаціонарному режимі відбувається накопичення теплової енергії стіною і її температура змінюється. Явище акумуляції теплової енергії становить аналогію накопичення електричного заряду конденсатором.

Знайдемо густини зовнішнього та всередині камери теплових потоків і зміну температури усередині камери, . Використовуючи перший і другий закони Кирхгофа й рівняння теплового балансу теплової камери складемо систему рівнянь. Розвязання системи рівнянь знаходимо шляхом перетворень Лапласа:

. (3)

. (4)

. (5)

Знайдені функції переходу для теплових камер характеризують динамічні властивості системи й дають можливість знайти теплові характеристики на виході із системи при довільному характері збурюючої функції (гармонічний, скачко подібний тощо).

Завдяки отриманим результатам у вигляді функції переходу між зовнішніми й внутрішніми температурами та між густиною теплових потоків можна визначити амплітуду коливань температури усередині приміщення і її фазове зміщення. Ці величини є вирішальними для визначення стабільності ТК. Теплова інертність є основним критерієм будівельної фізики, що дозволяє заощаджувати енергію в процесах нагрівання або охолодження теплових камер.

Дослідження впливу атмосферної температури на теплоперенесення в огородженнях теплової камери здійснювали за допомогою комп'ютерного моделювання. Для дослідження процесів теплообміну в теплових камерах для тривалого зберігання фруктів була розроблена програма з використанням “Мodelica”. Це дало можливість досліджувати вплив гармонічної зміни атмосферної температури на теплообмінні процеси усередині камери.

У програму закладена типова зміна атмосферної температури у весняний період за умови підтримки в середині камери +1,5^оС. Огородження піддавалися впливу температури, що змінювалася за синусоїдальним законом з періодом Т=24 год. Амплітуда температури зовнішнього середовища змінювалася від +25 до +5^оС.

На рис.2 наведена фізична модель теплопередачі через одношарову стіну з різного матеріалу при заданих змінах температури. На рис.3 наведена блочна схема електричної моделі теплопередачі через стіну, що містить у собі генератор синусоїдального сигналу 1, частота якого відповідає періоду Т=24 год. Сигнал надходить у перетворювач 2, у якому аналоговий сигнал перетвориться в електричний. Останній надходить на електричні опори R, які моделюють термічні опори . Аналогічно сигнал постійної температури із пристрою 3 надходить у перетворювач 4 і в електричні опори R. Накопичення електричного заряду здійснюється в конденсаторах С.

На рис. 5. наведено результати проведених досліджень у поліуретановій плиті товщиною l=0,1м. На рис. 4 а наведений характер зміни збурюючої температури, на зовнішній поверхні стіни. На рис. 4 б наведений характер зміни температури на внутрішній поверхні стіни. Як видно, гармонічний характер зміни температури зберігається, але коливання сильно згасають. Амплітуда на поверхні внутрішньої стіни становить приблизно 2^оС. Зміщення фази коливань ? 2 год.

На рис. 5 наведені криві зміни густини теплового потоку на зовнішній (рис. 5 а) і внутрішній (рис. 4 б) поверхнях плити. Як видно, зміни густини теплового потоку зберігають гармонічний характер. Амплітуда на зовнішній поверхні досягає приблизно А_q=8 Вт, у той час як на внутрішній поверхні зміна амплітуда теплового потоку становить А_q=6 Вт. Втрати становлять приблизно 2 Вт. Зміщення фази коливань q становить близько 4 год.

Аналогічні дослідження зміни температури й густини теплового потоку проведені для цегляної стіни товщиною l=0,5м. Коефіцієнт теплопровідності цегли, відповідно до наших досліджень, прийняли =0,7 Вт/(м•К). При такому термічному опорі стіни температура на внутрішній поверхні практично не змінюється, у той час як амплітуда коливань на зовнішній поверхні стіни А_t= 20^оС. Амплітуда коливань густини теплового потоку на зовнішній поверхні стіни становить А_q=50 Вт, що пояснюється значною поглинальною здатністю енергії цеглою. Амплітуда коливань q на внутрішній поверхні становить усього 3 Вт. Це говорить про те, що основна енергія поглинається стіною.

Дослідження динаміки зміни температури й густини теплового потоку через стіну типу сандвіч показали, що вони практично ідентичні попереднім дослідженням, тільки зміщення фази коливань збільшується по температурі до 3-х годин, а за значеннями густини теплового потоку q до 17 годин. Це говорить про те, що такі стіни мають велику інерційність й різкі зміни зовнішньої температури мало впливають на зміну температури на внутрішній поверхні стіни.

Використання таких стін при будівництві теплових камер для тривалого зберігання фруктів приводить до значної економії електричної енергії на підтримку постійної температури усередині камери.

У главі 3 "Дослідження динаміки зміни температури атмосферного повітря та його впливу на мікроклімат в тепловій камері" проводилося дослідження динаміки змін температури атмосферного повітря і його вплив на мікроклімат у тепловій камері.

Систематичні дослідження уможливили не тільки проектування відповідного ізоляційного шару в зовнішній стіні, але й дозволили одержати реальне бачення процесу проникнення теплоти через термічну ізоляцію. З вищесказаного випливає, що необхідними є як знання параметрів повітря усередині теплової камери, так і температури поверхні огородження, а також аналіз трансмісійних властивостей системи: атмосферна температура - зовнішня стіна - внутрішня температура приміщення. При цьому також необхідно враховувати теплову інертність стін.

Однак, у більшості досліджень динамічні властивості об'єкта не приймалися до уваги, особливо з погляду забезпечення термостабільності або теплової стійкості ТК. Очевидним є той факт, що кожний об'єкт, піддається впливам атмосферної температури, що періодично змінюється (рис.6). Ці коливання температури є короткочасними й виражені добовим періодом змін температури (рис.6), або довгострокові, виражені місячним (рис.7) періодом зміни температури. Тому необхідно враховувати не тільки усереднену атмосферну температуру, але й ступінь впливу на температуру конвективного й радіаційного теплообміну, що надходить від теплового випромінювання або відбиття сонячних променів від будівель, що знаходяться поруч із тепловою камерою.

Шляхом відповідного використання інертності камери можна досягти досить вигідного впливу періодичних змін зовнішньої температури на температуру в приміщенні. Таким чином, з метою досягнення економічних ефектів у процесі підтримки необхідної температури в об'єкті, потрібно в конструкції зовнішньої стіни ТК передбачити необхідну теплоємність огородження, а також, і теплову стійкість. Інертність теплової камери має важливе значення в системах керування й регулювання параметрів технологічного процесу зберігання фруктів.

Хід атмосферних температур протягом доби, отриманий шляхом комп'ютерного моделювання показує, що величина амплітуди цих синусоїдальних змін температури може бути значно збільшена за рахунок безпосереднього впливу сонячних променів на стіни ТК. Тому під час найнижчих добових температур, що наступають між 2 і 5 годинами ранку, застосовуючи провітрювання приміщення, можна додатково знизити амплітуди змін синусоїдальних температур усередині ТК.

Внутрішня температура приміщення є результатом впливу змін атмосферної температури на огородження ТК. При тригодинному і дванадцятигодинному фазових зміщеннях вихідного сигналу має місце різна величина синусоїдальних амплітуд змін температури внутрішнього середовища ТК. Найбільш енергозберігаючим є складське приміщення зі стінками, що дозволяють домогтися 12 ? годинного фазового зміщення вектора потоку теплоти й у результаті - значного зниження коливання температури усередині ТК. Тому урахування природної динаміки змін температури атмосферного повітря повинне бути закладене в алгоритм проектування ТК.

В тепловому розрахунку ТК визначення їхніх динамічних властивостей має вирішальне значення для проектування автоматичної системи регулювання, призначеної для керування холодильним та обігрівальним устаткуваннями. Підтримка нормативних кліматичних умов у приміщеннях є важливою й у той же час важким завданням. Це пояснюється безліччю конструкційних і просторових розташувань будинків, зміним впливом навколишнього середовища, підвищеними вимогами до сталості нормативних параметрів, а також прагненням до ощадливого використання електроенергії.

У главі 4 ”Дослідження теплофізичних характеристик будівельних матеріалів і конструкцій теплових камер” показало, що теплофізичні й механічні характеристики будівельних матеріалів є одними із основних показників, за якими визначають придатність їх для використання в зовнішніх стінах як теплоізоляційні огородження теплових камер. При цьому матеріал, як на внутрішні, а особливо, на зовнішні огородження і їхню товщину, необхідно підбирати так, щоб забезпечити нормативні умови збереження продуктів при мінімальній витраті енергії.

Найбільш перспективними і відносно недорогими, є легкозбірні сендвіч-панелі з теплоізоляційним наповненням з пінополіуретану, пінополістіролу, базальтових або скловолокнистих матеріалів. Крім спрощення монтажу, дані конструкції мають істотну перевагу ? герметичність та вологонепроникність.

Теплова інерція багатошарової стінки D при періоді коливань атмосферної температури Т=24 години може бути розрахована за виразом:

. (6)

Таким чином, одержуємо, що з теплофізичних характеристик на інерцію теплоізоляційного шару впливає тільки температуропровідність , причому зі зменшенням величина зростає і товщина стінки l.

З метою дослідження залежності коефіцієнта теплопровідності будівельних матеріалів від температури й вологовмісту використали метод регулярного режиму. Дослідження проводили на спеціально виготовленій лабораторній установці в Політехнічному інституті в м. Любліні (Республіка Польща). Під час дослідження вимірялися й автоматично записувалися в комп'ютері пошарові значення температури й вологовміст, а також густина теплового потоку на поверхні матеріалу. За зразок була обрана суцільна червона цегла.

Як приклад на рис.8. наведено розташування вимірювальних датчиків температури, вологості та густини теплового потоку. Температура вимірялася на поверхні “теплої” сторони за допомогою термопар 1 і 6. Аналогічні виміри проводилися на “холодній” стороні за допомогою термопар 5 і 9. Густина теплового потоку на поверхні цегли вимірялася за допомогою тепломірів (датчиків густини теплового потоку) 7 і 8, спеціально виготовлених на кафедрі теплотехніки НУХТ. Вимірювання вологовмісту здійснювалося за допомогою ємнісних датчиків типу WНТ 2 і 3. Вимірювання температури в середині цегли проводилися термопарами ? позиції 4 і 10.

Автоматична система вимірювання та керування дозволяє підтримувати заданий тепловий режим з високою точністю з використанням зворотного зв'язку основних параметрів ? температури й вологості повітря всередині камер.

Експеримент був проведений на дослідницькому стенді, що наведений на рис. 9.

З огляду на більшу інерційність масообмінних процесів, дослідження проводилися протягом декількох днів.

Температура повітря в “теплій” камері була запрограмована на рівні +25^оС, а в “холодній” камері підтримувалася постійної t=+1,5^оС. Точність регулювання заданих температур становила 0,5^оС. Такі значення температур відповідали реальним умовам у теплових камерах при тривалому зберіганні фруктів.

На рис. 10 наведені залежності коефіцієнта теплопровідності від вологості зразка при температурі в центрі 12^оС. Як видно із графіка, з ростом вологовмісту коефіцієнт теплопровідності збільшується. Так, на першій ділянці, в області моно- і поліадсорбційного зв'язку вологи (приблизно до и=6%) спостерігається незначний ріст значень . Це говорить про те, що волога цих форм зв'язку міцно зв'язана із твердим скелетом і в теплопереносі відіграє незначну роль. Додатковий вплив на процес теплопровідності має дифузія водяної пари, що збільшує перенос теплоти. Зі збільшенням вологовмісту від 6 до 11...12% спостерігається різкий ріст значень коефіцієнта теплопровідності. Це можна пояснити появою капілярної конденсації й заміною повітря мікрокапілярів водою. Як відомо, у води коефіцієнт теплопровідності =0,60 Вт/(м•К), тобто приблизно в 23 рази більше теплопровідності повітря, що приводить до збільшення значень цегли.

При подальшому росту вологовмісту и>12% наступає вологий стан, волога заповнює макрокапіляри, що приводить до подальшого збільшення теплопровідності за рахунок капілярного переміщення вологи. Таким чином, при зміні вологовмісту від и=3 до и=14% коефіцієнт теплопровідності збільшується в 2,6 рази.

На рис.11 наведена залежність коефіцієнта теплопровідності від температури для умовно "мокрої" і "сухої" цегли. Як видно, з ростом температури теплопровідність збільшується. Так при такій невеликій зміні температури від 6 до 16^оС коефіцієнт теплопровідності збільшується в 1,4 рази, що вкладається в загальноприйняті уявлення.

З метою визначення впливу однобічних температурних коливань на теплообмін усередині теплоізоляційного матеріалу проведені дослідження у лабораторній кліматичній камері. Були використані можливості задавати в кліматичній камері різні діапазони й періодичність зміни температури повітряного середовища. Як зразок для дослідження використовували сендвіч?панель із пінополістірольним наповненням розміром 600х600 і товщиною 200 мм.

В одній із серій дослідів була задана максимальна температура повітря в “теплій” камері +58^оС. Нагрівання здійснювалося за допомогою повітряного електрокалорифера, через який безперервно циркулювало повітря камери. При досягненні заданого максимуму температури в “теплій” камері, калорифер автоматично відключався і починала працювати система охолодження. При досягненні температури мінімуму +1^оС відключалося охолодження й включалася система електропідігрівання. В “холодній” камері підтримувалася відємна температура в діапазоні ?9…?3^оС. Періодичність циклу становила Т=120 хвилин. На рис.12 для даного циклу наведено графік зміни температур всередині пінополістіролу (точи 2...7) і повітря із двох сторін зразка (точки 1 і 8).

За результатами вимірювань і аналізу кривих на графіку слід зазначити:

? у першому циклі теплова хвиля досягла лише шару в 60 мм (точки 2 і 3, рис.12), і не вплинула на наступні шари, що говорить про значну інерційність пінополістиролу. У наступні цикли встановлюється сталість гармонічних коливань температури по шарам у досліджуваному зразку, де кожний наступний шар ізоляції зменшує величину амплітуди температурних коливань. Спостерігається 6 хвилинне пошарове запізнювання амплітуди температури як при нагріванні, так і при охолодженні. Після п'ятого циклу відбувається незначне на 0,5...2^оС зменшення амплітуди температурних коливань у зовнішніх шарах;

? зовнішній тепловий вплив і охолодження має вигляд гармонічних температурних коливань. Гармонічна хвиля, проникаючи у всередину огородження, поступово зменшується (згасає). При цьому лінія рівноваги амплітуди коливань температури змінює своє положення та розташовується не перпендикулярно до площини зразка, а перебуває під деяким нахилом (рис. 13). Кут цього нахилу ? або фазовий кут гармоніки залежить як від величини температурного перепаду з обох сторін поверхні, так і від теплопровідності матеріалу та його товщини. При цьому кут нахилу лінії рівноваги характеризує фазу запізнення. При цьому період змін коливань для різних шарів залишається незмінним.

Аналіз виміряних температурних коливань при періодичних теплових впливах на теплоізоляційний матеріал конструкції сендвіч-панелі показав, що кількість циклів не впливають на картину зміни амплітуди пошарових температур всередині огородження. На теплообмін усередині огородження особливо впливає інтенсивність та тривалість зовнішнього теплового впливу.

У главі 5 "Тепловий режим ізоляції в умовах експлуатації теплових камер" були досліджені теплопритоки в теплові камери для зберігання яблук і проведений аналіз стану ізоляції. Дослідження проводили у виробничих умовах на двох працюючих у режимі зберігання теплових камер. Результати натурних вимірювань теплових потоків і температур були використані для розрахунку коефіцієнтів теплопередачі. Останні були порівняні з рекомендованими у нормативних документах і ДСТУ по будівництву.

Сховища фруктів були близькі за розміром камер 9х7,2х6,8 і 12х7,2х6,8 м і були розташовані в одному регіоні Радзина-Подляскі (Республіка Польща). Обидві камери працювали в режимі охолодження й тривалого зберігання яблук і груш у середовищі з регульованим складом атмосфери. Об'єм кожної камери був розрахований на зберігання 100 т фруктів. Різними були будівельні й теплоізоляційні матеріали, що використовувались в конструкції огороджень цих камер.

Перша камера (І) була виконана із сендвіч-панелей з пінополістірольним наповненням товщиною 0,2 м і з двох сторін покритих профільним залізним покриттям товщиною 0,55 мм. Зі східної й північної сторін камери була зроблена складська прибудова для сортування яблук.

Друга камера (ІІ) була змонтована всередині складського приміщення з пінобетону товщиною 0,25 м, а стіни самої камери були виконані із сендвіч-панелей з пінополіуретановим наповненням товщиною 0,1 м. Поміж панелями та пінобетонними блоками був залишений повітряний зазор 50?80 мм. Південна й східна стіни були звернені у двір, а північна й західна стіни примикали до закритого складу.

Аналіз теплового балансу камер показав, що втрати крізь огородження навіть у сучасних теплоізоляційних сандвіч-панелей становлять 9...14%. Ці втрати залежать від значної кількості факторів, де найбільш значимими є радіаційно-конвективний теплообмін, як всередині, так і зовні теплової камери.

При проведенні вимірювань на значних площах були використані методи пірометричного контролю температур на основі фотографування об'єкта в інфрачервоному спектрі тепловізором шведської фірми Flir (Іnfracam-1). Виміри проводилися в зимовий період при температурах повітря ?5...…+5^оС. Аналіз колірної температурної шкали на фотографіях дозволив зробити висновок, що розподіл температур по зовнішній поверхні теплових камер є рівномірним з незначним на 0,5...2^о зменшенням температури на бетонних перемичках і розчині кладки ІІ теплової камери. Всередині обох камер тільки в кутах зєднання стін з підлогою й стелею спостерігалося зменшення температури на 0,5...2^оС у порівнянні з постійною температурою для більшої площі камери.

Аналіз існуючих методів вимірювань локальних у просторі та часі теплових потоків в умовах складного теплообміну показав доцільність застосування методу допоміжної стінки із застосуванням термоелектричного тепломіра (перетворювача теплового потоку ? ПТП). Ці тепломіри можна градуювати безпосередньо на вимірювання густини теплового потоку.

Градуювання проводили радіаційним компаруванням з еталонним тепломіром на градуювальній установці РГУ-2, у відділу теплометріі ІТТФ НАН України, установка входить у програму й методику метрологічної атестації на вимірювання густини теплового потоку та температури (зареєстрована Укрдержстандартом під номером ПМА081/24.316-2005).

Температурний діапазон роботи камер схову фруктів складає +1…+3^оС, зміна зовнішніх температур у період закладки та зберігання фруктів може змінюватися від +30 до ?30^оС. У даному температурному діапазоні визначена можлива методична похибка ^q при розміщенні датчиків на поверхні огороджувальної конструкції, для якої сумарний коефіцієнт теплообміну всередині камери можна вважати рівним _Увн = 8 Вт/(м²·К), не буде перевищувати 0,8%, а з зовнішньої сторони, якщо прийняти _Уз = 23 Вт/(м²·К) при інших рівних умовах не буде перевищувати 2,3%.

Вплив сонячної радіації та вітру на теплообмін з огородженням були розглянуті, як фактори складного радіаційно-конвективного впливу з одного боку, явно сприятливому для нагрівання огородження, а з іншого ? конвекції, яка сприяє охолодженню поверхні. Можливість визначити та порівняти ці складові складного теплообміну була реалізована за допомогою «білого» і «чорного» тепломірів покритих плівками з низьким і високим коефіцієнтами поглинання та випромінювання.

Кожний «чорно»? «білий» ПТП мав вмонтовані усередині термопари, як близько розташовані до контактної поверхні, так і окрему термопару для вимірювання температури повітря за межами прикордонного теплового шару. Дана комбінація ПТП і ПТ створює тип приладу, який називається альфаміром. Це дозволяє не тільки вимірювати конвективний і променистий теплові потоки, але й розраховувати коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях теплової камери для реальних умов експлуатації та вносити уточнення в нормативні рекомендації.

У зимові періоди 20?23.02.2005 р. і 25?27.02.2007 р. були проведені вимірювання густини теплових потоків і температур на двох сховищах фруктів з метою визначення дійсних теплопритоків і коефіцієнтів теплопередачі. Вимірювання проводили всередині теплової камери та зовні на вулиці, і зовні з боку складу. Температура зовнішнього повітря за добу змінювалася від ?5 до +5^оС. На складі температура була в межах +5…+9^оС. При даних зовнішніх коливаннях температури теплові потоки, визначені в середині теплової камери й зовні зі сторін складу були або близькі до нуля або навпаки спостерігався тепловий відтік з теплової камери.

Проведені зовнішні виміри теплових потоків і температур показали неможливість чітко визначити густини теплових потоків і дати навіть усереднену оцінку інтенсивності зовнішніх теплопритоків без тривалих у часі вимірювань через часті впливи різної швидкості вітру та його напрямків, опадів і сонячної радіації.

Аналіз отриманих результатів вимірювань і розрахунків дозволяє стверджувати, що найбільш стабільні теплові потоки реєструвалися всередині теплової камери зі сталою температурою і об'єктивно характеризують тепловтрати через огородження й витрати на охолодження фруктів.

Значення розрахункових і виміряних густин теплового потоку наведені в табл.2. Розрахунок проводили для досліджуваних теплових камер при максимальній зовнішній температурі закладки фруктів +20 і середньостатистичній +6^оС. Температура під підлогою бралася із розрахунку +6 ^оС.

Таблиця 2

Розрахункові й обмірювані значення густини теплового потоку q, Вт/м²

Поверхні огородження	Західна ст.	Східна ст.	Південна ст.	Північна ст.	Розсувні двері	Підлога, плінтус
Огородження Іої камери з пінополістіролу, зимовий період
Розрахункове значення при tз.п =20оС	4,24	4,24	4,04	3,83	3,83	8,85
Розрахункове значення q, при tз.п =6оС	1,4	1,4	1,1	0,8	1,5	6,9
Інтервал виміряних значень, в камері та зовні при tз.п =6оС	?	? 0,9... 2,0	?	?	? 1,7... 5,6	2,5…7,5
Весняний період (березень 2007 р.)
Інтервал виміряних значень в камері при tп=2,4оС			0,3...1,0 4,0...6,7			8,4..17,7 6,2..13,1
Средньоінтегр. теплопритоки в камеру при tп=2,4оС			1,49			10,3 7,3
Огородження ІІої камери з пінополіуретану й зовнішніх пінобетонних блоків
Розрахункове значення при tз.п =20оС	2,85	2,85	2,71	2,6	2,57	8,85
Розрахункове значення при tз.п=6оС	0,9	0,9	0,77	0,6	1,4	6,9
Інтервал виміряних значень в камері та зовні при tз.п=6оС	0,1...0,8 0,52...3,7	?	? 1,1...23,1	0,3...0,4 1,6...3,8	? 6,54	3,1... 8,7
Інтервал виміряних значень в камері та зовні при t з.п =?1,6оС	0,05...0,9 1,9...3,0	0,08...1,3 1,9...4,5	?	?	?	0,7... 1,4
Средньоінтегр. теплопритоки в камеру при tп=6 та tп=1,7оС	0,3 0,1	? 0,2	?	0,3 ?	?	4,2 1,0
Весняний період (березень 2007 р.)
Інтервал виміряних значень в камері при tп=1,7оС	0,19...1,3 0,95...1,8	0,7...1,8 2,7...3,5	0,3...0,9 3,7...5,7			3,8...11,1 8,2...15,6
Средньоінтегр. теплопритоки в камеру при tп=1,7оС	1,04	1,48	1,40			8,3 9,7

Невеликі значення густин теплових потоків (середні теплопритоки в камеру) свідчать про незначний вплив на огородження зовнішніх погодних факторів, коли переважає суцільна хмарність і температура за добу змінюється від ?5 до +5^оС.

Теплометричні дослідження були також проведені наприкінці березня 2007 р. у період потепління та інтенсивної сонячної активності.

Результати досліджень динаміки зміни температур та теплових потоків по зовнішнім і внутрішнім поверхнях огородження для двох камер наведені на (рис. 14, 15).

Контроль температурних параметрів повітряного середовища в теплових камерах здійснювався автоматично в заданому інтервалі температур +2,4…+2,8^оС для камери I і +1,5…+2,7^оС для камери II, при цьому тривалість роботи повітроохолоджувачів для обох камер становила 30с…2 хв. і мали часовий інтервал між включеннями від 10 до 30 хв. Стабільність даних температур у камері підтверджує малий діапазон регулювання температурних параметрів за цикл. Стабілізація теплових потоків відбувалася через 1...2 хв. після відключення повітроохолоджувачів. Всереднені середньоінтегральні значення густини теплового потоку в камеру через огородження наведені в табл.2 для весняних вимірювань. При включенні повітроохолоджувачів тепловий потік короткочасно зростав приблизно в 4?10 разів (значення густин теплових потоків при включених повітряохолоджувачах позначені курсивом). При цьому найбільше збільшення густини теплового потоку спостерігалося на південній стіні, на яку був спрямований потік повітря. Найбільші теплопритоки спостерігалися з боку підлоги й плінтуса, які перевищували більш ніж в 5 разів втрати зі стін (останній стовпчик табл.2). Значення виміряних середньо-інтегральних теплопритоків для стін менші, однак для підлоги та плінтуса більші.

Теплометричні вимірювання на зовнішніх поверхнях проводили на південній і східній стінах теплової камери ІІ і на південній стіні теплової камери І, які найбільше нагріваються сонцем.

Можливість вимірювати густини теплових потоків і температури на поверхнях двох конструктивно відмінних огороджень теплової камери І і ІІ, практично в той саме час дозволив провести порівняння результатів й дати оцінку теплового стану цих огороджень. Як видно при значних підвищеннях температур на зовнішніх поверхні як стін до +33^оС (рис.14, крива 7, 10) температури всередині теплових камер (рис.14, криві 3?6) практично не змінюється. Температура поверхні огороджень була в 1,5?2 рази вище температури повітря. Значна різниця у температурах та густин теплового потоку на поверхнях була відзначена для пінобетонних блоків і бетонної перемички. Максимальна поверхнева густина теплового потоку, що була виміряна на східній стіні досягала 390 Вт/м² для бетонної перемички і 270 Вт/м² для пінобетону. Розбіжність між тепловими потоками на поверхнях бетонної перемички й пінобетонних блоків становила 100…150 Вт/м². А температура поверхні пінобетонних блоків в порівнянні з бетонною перемичкою була на 6...7^оС вищою. Це, на перший погляд, протиріччя обумовлено більшою, приблизно в 17 разів, теплопровідністю залізобетону _б=1,69 Вт/(м•К), порівняно з теплопровідністю поруватого бетону _пбб=0,08... 0,12Вт/(м•К). Причому об'ємна теплоємність бетону майже в 7 разів більша. При цьому залізобетон інтенсивніше переносить теплоту в середину матеріалу та більше її акумулює. Через малу теплопровідність пінобетону інтенсивно нагрівається поверхневий шар і теплота поволі передається в середину матеріалу огородження. Тому температура на поверхні пінобетонних блоків була вищою. Повільніше прогрівається матеріал огороджень з пінополістірольних сендвіч-панелей і швидше охолоджуються поверхні, що мають меншу теплопровідність та значну об'ємну теплоємність. Тому доцільно використовувати такого типу матеріали для конструкцій огородження.

Динаміка температур і густини теплових потоків, що наведена на рис. 14, 15 показує складність теплообмінних процесів, особливо повязаних зі зміною опромінення сонцем. При зменшенні кута падіння сонячних променів, а потім і затіненні відбувається різке падіння густини теплового потоку та навіть перехід у відємну область (рис.15, криві 3, 4). Це повязано з тим, що стіна починає віддавати теплоту в навколишнє середовище перед заходом сонця. При порівнянні сумарних теплових потоків пінобетону й бетону видно, що бетон охолоджується повільніше, і цей процес охолодження зберігається і після заходу сонця. Для пінобетонної стіни процес охолодження тривав 2,5 години, в результаті чого значення теплового потоку наблизилися до нуля. При охолодженні значна частина акумульованої теплоти передається навколишньому повітрю.

Нашими дослідженнями встановлено, що потоки вітру сприяли нагріванню огородження при інтенсивності сонячної радіації вище 100…200 Вт/м², а при менших значеннях ? охолоджували огородження. Охолодження зовнішньої поверхні пояснюється впливом конвективного теплообміну, в той час, як в існуючих методиках розрахунку теплопередачі це явище розглядається як нагрівання. Цей факт необхідно враховувати в розрахунках коефіцієнта теплопередачі.

За результатами вимірювань густини сумарних і конвективных теплових потоків, а також різниці температур стінка?повітря, виміряних «чорно?білим» тепломіром і диференціальною термопарою, були визначені коефіцієнти сумарної й конвективної тепловіддачі. Промениста складова тепловіддачі розрахована для внутрішніх і зовнішніх огороджень камер (табл.3). Ці результати становлять інтерес для порівняння зі значеннями коефіцієнта тепловіддачі, що рекомендується у нормативних документах при розрахунках коефіцієнта теплопередачі для огороджень (зовнішні поверхні ? _з.=23, внутрішні поверхні ? _вн.= 8,7 Вт/(м²К) (ДБН В.2.6-31-2006).