Оновлення холодного клімату
Компанія LU-VE провела теоретичні та експериментальні дослідження нового охолоджувача повітря для зберігання свіжих фруктів та овочів. Метою досліджень було різке зменшення споживання енергії та поліпшення якості зберігання їжі. Ця робота з планування також включала класифікацію спарювання повітряних охолоджувачів, товарів, що зберігаються, та холодильної камери, призначеної для зберігання, в цілісному підході з метою оптимізації енергетичних показників процесу.
Метою цього звіту є узагальнення інформації, отриманої експериментально в процесі зберігання продукту Melinda (яблука Golden Delicious), щоб знайти рішення із традиційним охолоджувачем повітря (обладнаним всмоктувальними вентиляторами - Фото 1) та новим (з вентиляторами, що натискають) - Фото 2) для порівняння з енергетичної точки зору та якості процедури.
Після аналізу отриманих результатів випробувань проводиться теоретичне дослідження розподілу повітря в холодному приміщенні у двох випадках із використанням обчислювальної динаміки рідини (CFD) для підтвердження перелічених результатів.
Експериментальний аналіз проводився у співпраці між LU-VE, яка постачала охолоджувачі повітря та визначала систему вимірювання та збору даних, та консорціум COL, який не тільки забезпечував холодильні камери, але й вводив в експлуатацію систему вимірювання та збору даних. Чисельний аналіз проводився в дослідницьких лабораторіях LU-VE. Міланський політехнічний університет здійснював моніторинг системи вимірювань та аналізу CFD в рамках десятирічної співпраці з LU-VE.
Експерименти проводяться в холодних кімнатах консорціуму COL
Етап порівняння проводився із застосуванням двох промислових охолоджувачів повітря з однаковими розмірами теплообмінника 18T 8R 4800A/CuAl/36N (геометрія ламелі 55x55 мм, труба 12,7 мм), встановлених у двох однакових холодильних камерах, наповнених однаковою кількістю товарів одного типу нижче. однакові умови експлуатації (температура в холодному приміщенні = +1 ° C, відносна вологість = 85%, температура на вході та виході холодоагенту (об'єм етиленгліколю 30%) = -5/-1 ° C).
На додаток до вимірювальних приладів, що регулюють систему охолодження та кондиціонування повітря в холодильних камерах, встановлено ряд приладів для вимірювання швидкості руху повітря та диференціального тиску теплообмінників та ваги для вимірювання втрати ваги товару. Всі виміряні значення реєструвались у реальному часі системою телеконтролю всього консорціуму.
Далі відтворюються дані, взяті з доповіді, підготовленої Інг.Лівіо Фаданеллі, керівником технології холодного зберігання та обробки після збору врожаю CTT, FEM-IASMA (див. Таблиці праворуч). Деталі щоденного наповнення, запуску та запрограмованої вентиляції щодо тривалості та значень були однаковими для обох охолоджуючих елементів. З іншого боку, параметр контролю вологості регулювався за необхідності, причому вологість приміщення в обох охолоджувальних камерах залишалася між 93-95%. Умови випробувань були детально записані у відповідний журнал роботи.
Елементи управління та тести
Протокол передбачав наступну серію засобів контролю:
Перевірку температури в серцевині плодів при наповненні холодильника проводять щодня
Оцінка втрати ваги в режимі реального часу за допомогою програмної системи, підключеної до ваг, обладнаних тензодатчиками, на яких у кожній холодильній камері було кілька ящиків з яблуками.
Аналіз якісних властивостей яблук, підданих випробуванню в обох охолоджувальних камерах, у три моменти часу, на початку та в кінці зберігання та через десять днів терміну придатності
Оцінка якісних властивостей за допомогою автоматизованої лабораторії Пімпренель на репрезентативній пробі з 15 плодів: середня вага досліджуваних плодів (г), твердість м’якоті (кг/см 2), вміст цукру (ІК у ° Брикс), загальна кислотність зразка (у г/л Яблучна кислота), соковитість (% соку від загальної ваги), показник якості (Тіо),
Перевірка відсоткової втрати ваги, зафіксована за допомогою семи-восьми коробок, що відповідає щонайменше 2800 кг ваги брутто, шляхом зважування удвічі (початок та кінець тесту),
Регулярний контроль енергоспоживання та кількості годин роботи вентиляторів, розділений на дві функції охолодження та запрограмованої вентиляції
Оцінка отриманих результатів, висновків та наслідків після закінчення експерименту
Початкова фаза перехідного охолодження
Результати, представлені в таблицях на стор. 55/56/58, підкреслюють, що початкова фаза охолодження має велике значення в порівнянні з технічним обслуговуванням як з точки зору споживання енергії, так і впливу на кінцеву якість товару, хоча вони в одній набагато коротший період. На цій фазі гнобительне рішення виявилося дуже ефективним (економія 34%).
За згаданий період наведені графіки, що підсумовують порівняння двох рішень охолоджувачів повітря; зокрема, ми виділимо деякі параметри, які важливі для періоду початкової фази переходу.
Перш за все, вказується початкове значення втрат тиску теплообмінників, виміряне диференціальними лічильниками, встановленими на приладах в період з 29.9. до 2 жовтня були записані.
Клітинка 30-139 Па (середнє)
Клітинка 31-135 Па (середнє)
Значення дуже схожі: оскільки теплообмінники геометрично ідентичні, робиться висновок, що швидкість повітряного потоку в теплообміннику та загальна швидкість повітряного потоку по суті однакові, що доводить послідовність порівняння. Тим не менше, гнітюче рішення, здається, виробляє дещо кращу і постійнішу, якщо не дуже несхожу, тенденцію охолодження зразка яблука, як показано на малюнку 1, що показує розвиток температури в серцевині яблука в стандартному положенні.
На малюнку 2 показано розвиток вологості за той самий період; У цьому випадку, незважаючи на меншу кількість втручань у пресувальну камеру (-11%), значення є таким же, як у смоктальної комірки. Ця інформація стосується точкового значення, виміряного біля вхідних дверей; насправді, кращий розподіл і рівномірність пари, що надходить, можна побачити в камері пресування порівняно з камерою всмоктування через більш рівномірну швидкість на виході з пристрою. Зокрема, на товарах у камері пресування біля зони подачі водяної пари не утворювались крапель.
На малюнку 3 показано розвиток температури холодильної камери в перехідній фазі; Відповідно до попереднього випадку, дві криві майже однакові; оптимальне значення зберігання було досягнуто приблизно за шість днів (0,9-1,4 ° C).
Малюнок 4, який показує розвиток вмісту кисню в повітрі в охолоджувальних камерах з часом, майже однаковий для обох охолоджувальних кімнат, причому оптимальне значення досягається приблизно через дванадцять днів.
У таблиці 1 (стор. 57) наведені значення температури, зафіксовані в 18 точках, розподілених у комірці в ядрі товару після відкриття в кінці зберігання. Слід зазначити, що середня температура яблук у двох порівняних холодильних камерах по суті однакова (1,37 проти 1,42 ° С), як і стандартні відхилення.
На малюнку 5 показано положення яблук, в яких вимірювали температуру; перший малюнок показує план поверху камери (наприклад, положення А навпроти вхідних дверей), а другий показує положення номера оглянутого ящика.
Детально видно, що на різних висотах (1 °, 4 °, 7 °) температура в двох холодних кімнатах обмежена в межах відхилення 0,15 ° C, тоді як рівномірність температури між передніми і тильними зонами холодної кімнати в смоктання, здається, трохи краще. Насправді ці незначні коливання зумовлені нормальною похибкою вимірювань (не приладу, а методології).
Значне відхилення можна помітити в середньому положенні точки B (1,09 проти 1,45 ° C) та точки D (1,25 проти 1,40 ° C), що - як ми будемо використовувати в наступному моделювання CFD - можна пояснити більшою циркуляцією повітря в всмоктувальній камері в бічній колонці над плінтусом.
Важливо відзначити, що значення температури в точці E становить 1,15 ° C у новому випадку проти 1,45 ° C у традиційному: це, безумовно, може викликати деякі можливі сумніви щодо здатності штовхаючого пристрою утримувати повітря, що надходить до Зніміть задню стінку холодної кімнати.
В кінці аналізу показані дві графіки 6 та 7, що стосуються двох обстежених холодових кімнат, - з 440 у період з 1.10. до 2.11. що відповідає зразкам вимірювань, проведених із відображенням швидкості повітря, записаної вісьмома лопатевими анемометрами. Ці датчики були розміщені в наступних точках:
1: Зазор ящика (положення A4 ° - див. Схему на рис. 5)
2: Всмоктуючі бокові вентилятори (стіна на вхідних дверях)
3: Збоку "плінтус" (3 м від пристроїв)
4: Задня стінка комірки (симетрично до положення 2 - всмоктувальні сторони вентиляторів).
У позиціях 1 - 4 в середньому вимірювались такі значення швидкості руху повітря:
Найбільш постійними є значення, що стосуються положення на задній стінці клітини, тоді як найбільш леткими і коливальними є ті, що стосуються положення "бічного плінтуса".
На рисунку 7, аналогічно тому, що ми бачили для всмоктуючої охолоджувальної комірки, показано розвиток швидкості руху повітря в пресуючій камері; Середні значення за той самий період детально описані нижче:
Якщо проаналізувати середні значення цього періоду, можна підтвердити, що дві клітини мають однакове поле швидкості, тобто коробки в середньому вражаються однаковим потоком повітря. Насправді є місця в смоктальній камері, де градієнти швидкості значно вищі, ніж у камері, що натискає, як ми побачимо в аналізі CFD.
Аналіз CFD - дослідження динаміки рідини
Аналіз CFD, проведений у двох холодильних камерах, служив, по-перше, для визначення положення приладів, що вимірюють швидкість руху повітря, а по-друге, для реєстрації можливих аномалій розподілу повітря та для запропонування можливих майбутніх змін.
Моделювання проводили з оптимальним використанням симетрії цих комірок, щоб можна було використовувати відповідну кількість елементів, сумісних з наявною апаратною системою. Кількість змішаних (трикутних та шестигранних) елементів становила приблизно 1308000, з більшою щільністю в районі біля повітряних охолоджувачів, де градієнти тиску та швидкості вищі.
Холодна кімната з новим типом штовхаючого вентилятора
Спочатку були викликані деякі сумніви щодо гнітючої конфігурації щодо можливої недостатньої вентиляції на задній стінці клітини; моделювання CFD, з іншого боку, завжди підтверджувало аналогову швидкість для обох конфігурацій. Дослідження підтвердило ці гіпотези, при цьому швидкість на задній стінці клітини була майже однаковою (0,45 м/с).
На рисунку 8 показано векторний хід швидкості на задній стінці клітини, де можна помітити досить хорошу вентиляцію всіх прорізів між ящиками один на одному (описаний курс є параболічним з коливанням максимальної швидкості близько 23%). Варіація між швидкістю подачі слотів коробок є аналогічною для двох конфігурацій пристрою.
На малюнку 9 показано цікаве векторне поле швидкості в околицях приладів (у даному конкретному випадку - натискаючого). Незважаючи на встановлену перегородку, яка покращує динаміку потоку викиду повітря пристрою (теплообмінника) до воздуховоду, що утворюється над коробами, знизу можна помітити великий вихор з циркуляцією повітря від сторони викиду до сторони всмоктування вентилятора. Пропускна здатність тиражу, за оцінками, становить близько 8%. Якщо цю пропускну здатність усунути за допомогою відповідних рухомих закривальних заслінок, швидкість циркуляції в каналах між ящиками буде покращена, що призведе до більш високої ефективності теплообміну між повітрям та яблуками.
На малюнку 10 показано розподіл швидкості по всій охолоджувальній камері. Аналіз цього показника цікавий у порівнянні з малюнком 12, який показує те саме поле швидкості для традиційної всмоктувальної холодної кімнати.
Перша принципова відмінність - це помітно більш рівномірна швидкість викиду повітря у випадку штовхаючого пристрою. Це призводить до меншої вихрової зони з боків пристроїв, де під час фази зволоження відбувається аномальне захоплення крапель і менші втрати енергії (пов'язані з інтенсивністю вихру).
Вихрова зона, однакова для двох розчинів, - це та, яка утворюється на задній стінці клітин, коли повітря опускається в протоку і потрапляє на підлогу, створюючи градієнти тиску. Ці вихори можна усунути за допомогою простих випрямлячів потоку (гнучкі вертикальні стінки).
Холодна кімната з традиційними
всмоктувальний вентилятор
На малюнку 10, аналогічно малюнку 9, показано векторне поле швидкості в районі традиційного всмоктувального пристрою. Швидкий потік повітря на виході з вентиляторів (приблизно 9 м/с), також у цьому випадку відхилений нахиленою стулкою приблизно на 30 °, призводить до сильно турбулентної зони внизу. Це явище призводить до втрати енергії та передбачуваної швидкості потоку, що забирається безпосередньо з теплообмінника, приблизно 11%.
На малюнку 12, як описано раніше у випадку з малюнком 11, виділяються повітряні потоки в охолоджувальній камері, забарвлені залежно від швидкості. Ми вже обговорювали значні вихори, що утворюються з боків приладів, і збільшені градієнти швидкості в повітроводі; Залишається розглянути елемент циркуляції повітря на стінах (плінтус 120 мм). Прилади вимірювали швидкість близько 1,3 м/с у всмоктувальній камері та 1,1 м/с у пресуючій камері. Аналіз CFD показав, що швидкість «повернення» повітря (назад до приладів) вища в районі біля підлоги камери. Точка повороту вектора швидкості все ближче і ближче до підлоги, чим ближче до задньої стінки клітини. Іншими словами, повітряний потік, який тече назад до пристроїв, тим сильніший в районі плінтуса комірки, чим ближче ви наближаєтесь до пристроїв. Ця циркуляція повітря оцінюється приблизно у 8% у всмоктуючій камері та 6% у камері, що пресує: циркуляція повітря помітно зменшується завдяки рівномірному потоку повітря пресуючого розчину.
Ця циркуляція повітря зменшує загальний потік, який циркулював би навколо коробок, і таким чином зменшує конвективний теплообмін; отже, це доведеться усунути, вставляючи відповідні гнучкі бічні стінки (які не можуть бути пошкоджені під час заповнення), розташовані в двох або більше точках від зони, безпосередньо прилеглої до охолоджувачів повітря. Прикріплення цих стін до задньої стінки холодної кімнати було б неефективним.
Висновки
Після завершення цього тривалого дослідження та тестової діяльності ми можемо узагальнити найважливіші результати, досягнуті новим типом гнобильних розчинів, та вказати деякі можливості для можливого поліпшення динаміки рідини.
Низьке споживання енергії пресовим теплообмінником є цілком очевидним (-19% на рік), з піком економії на початковій фазі охолодження (-34%); річна економія витрат становить близько 500 євро (при ціні на електроенергію 0,0713 євро/кВт-год).
Що стосується втрати ваги, різниця між двома клітинами є значною
Загальна втрата ваги (пресування клітини) = 1,51% = 0,0077%/добу = 0,23%/місяць
Загальна втрата ваги (смоктальна камера) = 1,79% = 0,0094%/день = 0,28%/місяць
Завдяки новому рішенню втрата ваги зменшилась на 16%, і в абсолютних показниках менша втрата ваги пресуванням розчину в кінці періоду зберігання призвела до загальної ваги плодів в охолоджувальній камері 30, що було на 17 подвійних клітин вище.
Якісне погіршення контрольованих зразків яблук є подібним і цілком нормальним як в кінці періоду зберігання, так і після закінчення терміну зберігання.
Низька потреба у зволоженні годин/рік в охолоджувальній камері з пресуючим теплообмінником (-11%), що пояснюється більш рівномірним розподілом швидкості на виході в охолоджувачі повітря (від теплообмінника замість сопла вентилятора), було цілком очевидним.
Що стосується охолоджувальних втручань, то вони проводились рідше в камері 31 і середньою тривалістю 7,7 хвилин, порівняно з 4,8 хвилинами і частіше в (новій) камері 30, що свідчить про кращий теплообмін та більш рівномірну швидкість.
З дослідження CFD можна виділити наступні можливості для поліпшення динаміки потоку:
Уникайте циркуляції повітря з виходу повітря охолоджувача повітря на сторону всмоктування (розділення двох областей); Це правило тим важливіше, чим більша голова, з якою повинен справлятися вентилятор.
Приборкайте циркуляцію повітря в зоні на бічних стінках холодної кімнати (плінтус); це можна зробити, вставивши гнучкі бічні стінки.
Ці заходи можуть зменшити швидкість потоку повітря, що циркулює в холодній кімнаті, тобто H. збільшити кількість фактично потрапляючих ящиків приблизно на 15-20%.