Dynamiczny model komory chłodniczej do schładzania i zamrażania mięsa

Transkrypt

1 Dr inż WIESŁAW GAZDA Prof dr hb inż JOACHIM KOZIOŁ Instytut Techniki Cieplnej Politechnik Śląsk Dyniczny odel koory chłodniczej do schłdzni i zrżni ięs Przedstwiono dyniczny odel tetyczny koory chłodniczej przystosownej do schłdzni i zrżni ięs Model chrkter teoretyczny Wykorzystno w ni równni nieustlonego przepływu ciepł i sy w produkcie, w chłodnicy wentyltorowej orz nieustlonego przenikni ciepł przez ściny koory Uzyskne równni cząstkowe są wykorzystne w bilnsie energetyczny cłej koory W obliczenich nuerycznych wykorzystno etodę różnicową bilnsów eleentrnych Wstęp Poukiwnie efektywniejych ekonoicznie etod konserwcji produktów spożywczych przez obniżenie ich tepertury związne jest z dziłnii prowdzonyi w spekcie: odernizcji ukłdów chłodniczych i zstosowni nowoczesnych urządzeń stnowiących eleenty ukłdu chłodniczego wytwrzjącego zino n potrzeby procesu technologii chłodniczej, odernizcji i rozwoju urządzeń służących bezpośrednio do obróbki chłodniczej produktu, doskonleni etod przygotowni produktu przed jego obróbką chłodniczą, wpływu sterowni i onitorowni sposobu relizcji procesu chłodniczego n osiągnięcie efektu końcowego np otrzyni produktu spożywczego o njwyżej jkości przy ponoeniu ożliwie njniżych kotów relizcji procesu technologii chłodniczej, opisu zjwisk zchodzących w trkcie relizcji procesu chłodniczego w celu ożliwie kopleksowej oceny ich wpływu n strtegię relizcji procesu i określenie związnych z ty efektów technicznoekonoicznych Jedny z njczęściej stosownych sposobów technologii chłodniczej obróbki ięs jest jego owiewowe schłdznie i zrżnie, nstępnie przechowywnie w koorze chłodniczej W tki przypdku podstwowy eleente stnowiący nlizowny obiekt ziębieni jest koor chłodnicz wyposżon w wentyltorową chłodnicę powietrz Wentyltorow chłodnic powietrz oczywiście usi współprcowć z ukłde chłodniczy, którego konfigurcj i wyposżenie uwrunkowne jest indywidulnyi potrzebi i ożliwościi relizcji inwestycji W njbrdziej typowy przypdku, wentyltorow chłodnic powietrz współprcuje z jednostopniowy sprężrkowy ukłde chłodniczy Podstwowe znczenie dl opisu zjwisk zchodzących podczs schłdzni i zrżni również stn początkowy produktu wynikjący z wcześniej prowdzonych opercji technologicznych W nlizowny przypdku, do opisu zjwisk zchodzących w trkcie relizcji procesu schłdzni i zrżni zstosowno nstępujące odele tetyczne []: nieustlonego przepływu ciepł w produkcie, powstwni ubytku sy produktu tzw usuki, przepływu ciepł w wentyltorowej chłodnicy powietrz z uwzględnienie ronieni, nieustlonego przenikni ciepł przez ściny koory roźnej, bilnsu energii koory chłodniczej, wyznczni sprwności energetycznej sprężrkowego gregtu ziębniczego Do rozwiązni wyienionych odeli zstosowno różnicową etodę nueryczną, w czególności etodę bilnsów eleentrnych Poio, że zstosownie etod nuerycznych pozwl n jednoczesne śledzenie przebiegu i pełniejy opis zchodzących zjwisk, to również konieczne są złożeni uprczjące, np ze względu n czs trwni obliczeń, dostępność i kopletność dnych wejściowych do odeli tetycznych ect Ogrniczeni te są jednk zdecydownie nieje niż w przypdku etod nlitycznych, gdzie przeprowdzenie obliczeń byłoby żudne i czsochłonne, oenti wręcz nieożliwe 2 Model tetyczny koory chłodniczej W odelu tetyczny koory chłodniczej w odniesieniu do wrunków relizcji procesu schłdzni i zrżni przyjęto nstępujące złożeni: proces uwż się z zkończony po uzyskniu w centru tericzny produktu wygnej końcowej tepertury zrżni, prędkość cyrkulcji powietrz w koorze jest wyrównn, wentyltory prowcz - łącznie z npędzjącyi je silniki - uieczone są w koorze chłodniczej, koor chłodnicz współprcuje z jednostopniową prową ziębirką sprężrkową, przyjęto stłą różnicę tepertury otoczeni i ziębnik w skrplczu Schet ideowy koory chłodniczej przeznczonej do schłdzni i zrżni produktów spożywczych zprezentowno n rysunku W obliczenich schłdzni i zrżni produktów przyjęto, że wilgotność 52 Chłodnictwo to XLI 2006 r nr 2

2 powietrz w koorze jest stł orz poinięto w bilnsie energii pojeność cieplną chłodnicy powietrz W bilnsie energii koory nie uwzględniono okresowego oświetleni koory orz efektu cieplnego związnego z przebywnie ludzi podczs złdunku i wyłdunku towru Wiąże się to z przyjęty cykle schłdzni i zrżni, którego początek określny jest po zkończeniu złdunku i zknięciu koory, koniec cyklu wynik z osiągnięci w centru tericzny produktu wygnej tepertury końcowej sc P 2 U N W CH 3 I 2 I 4 Bilns energii dl cłej koory ożn zpisć w nstępującej postci: Schet ideowy koory chłodniczej: produkt, 2 koor chłodnicz, 3 wentyltorow chłodnic powietrz, 4 jednostopniowy prowy gregt sprężrkowy dtch di du W CH + P + SC + I Z = I Z 2+ WCH + + () N N WCH oc wentyltorów chłodnicy powietrz, P struień ciepł pochodzący od produktu, SC struień ciepł przenikjący przez ściny koory, I Z entlpi ziębnik doprowdznego do chłodnicy powietrz, I Z2 entlpi ziębnik odpływjącego z chłodnicy powietrz, W CH pojeność ciepln chłodnicy powietrz, I SZ entlpi ronu, t CH tepertur chłodnicy powietrz, U energi wewnętrzn powietrz w koorze chłodniczej, t czs Zin entlpii ronu wynik z równni: di dg dt = ( c t r ) G c (2) + c pojeność ciepln włściw ronu Poniewż c = 2 kj/kgk [2] ożn przyjąć, dg że wrtość ct w równniu (2) jest brdzo ł w porównniu z pozostłyi skłdniki tego równni: di dg dt r + Gc (3) W zpisie różnicowy równnie (3) przyjuje postć: I = G r + G c t (4) przy czy: t = t + t (5) t +, t tepertur wrstwy ronu n początku i n końcu kroku czsowego Zin energii wewnętrznej powietrz w koorze wynik z równni: przy czy: = G [ c G p t du du G u = G (6) U = G ( i + i ) [( + X + ) R + T + ( + X ) R T ] = (7) + + X + ( cp wt+ + rw ) cp t + X ( cp wt + rw ) ( + X + ) R + T + + ( X ) R T ] X stopień zwilżeni powietrz, c p w pojeność ciepln włściw pry wodnej zwrtej w powietrzu, r w entlpi prowni pry wodnej zwrtej w powietrzu, R indywiduln stł gzow dl powietrz, T bezwzględn tepertur powietrz, c p pojeność ciepln włściw powietrz, G ilość powietrz w koorze chłodniczej, Dt eleentrny przedził czsu ( długość kroku czsowego) Dl nlizownej koory chłodniczej słuny jest również bilns wilgoci: dx G = F P z G u FCH z G FSC G SC (8) F Pz pole zewnętrznej powierzchni produktu, G u struień sowy usuki produktu (ubytek sy produktu), G CHz pole zewnętrznej powierzchni chłodnicy powietrz, G struień sowy ronu, F SC pole wewnętrznej powierzchni ścin koory, G SC struień sowy ronu osdzjący się n powierzchni wewnętrznej ścin koory chłodniczej 2 Model tetyczny chłodnicy powietrz Do oceny wpływu ronu n wrunki przepływu ciepł orz n opory przepływu powietrz w wentyltorowej chłodnicy powietrz zstosowno odel tetyczny wykorzystujący różnicową etodę nueryczną z tzw ilorze różnicowy przedni Zgodnie z zsdi etody obliczeni przeprowdz się dl eleentrnych kroków czsowych Chrkterystyczną zinę grubości ronu po upływie poczególnych kroków czsowych wyzncz się dl pretrów tericznych występujących n początku tego kroku Zinę pretrów tericznych po upływie kroku czsowego wyzncz się z eleentrnych bilnsów energii Nueryczny odel przepływu ciepł w chłodnicy powietrz z uwzględnienie intensywności powstwni ronu zostł erzej zprezentowny w prcch [3,,] Dl wrunków eksplotcji koory znczenie nie tylko cłkowit ilość powstjącego ronu, le również intensywność jego two- Chłodnictwo to XLI 2006 r nr 2 53

3 rzeni rozuin jko zin jego grubości w wyniku nrstni kolejnych wrstw ronu podczs trwni procesu chłodzeni Szron osdz się n powierzchni chłodnicy z różną intensywnością, zleżną od loklnej tepertury i wilgotności powietrz, tepertury powierzchni wcześniej powstłego ronu Njwięcej ronu powstje n pierwych rzędch chłodnicy licząc w kierunku przepływu powietrz Przy złożeniu równoiernego osdzni się ronu n cłej powierzchni przepływu ciepł uzyskuje się nstępujący średni przyrost grubości ronu podczs kroku czsowego Dt: G δ = F CH zρ (9) Dd eleentrny przyrost średniej grubości ronu, r gęstość ronu Średnią grubość wrstwy ronu pod koniec rozptrywnego kroku czsowego ożn wyznczyć z zleżności: δ + = δ + δ (0) δ + = δ + δ grubość wrstwy ronu n początku i n końcu kroku czsowego Powstjący n zewnętrznej powierzchni prowcz ron ogrnicz wydjności ziębniczą chłodnicy powietrz W skrjny przypdku ron oże cłkowicie zblokowć przepływ powietrz przez chłodnicę Dltego w trkcie relizcji procesu schłdzni i zrżni produktu występuje konieczność odrnini powierzchni prowcz Odrninie wiąże się z doprowdzenie do koory chłodniczej dodtkowego struieni ciepł w celu stopieni ronu Częstotliwość odrnini prowcz zleży in od: tepertury i wilgotności powietrz w chłodni, tepertury produktu, tepertury powierzchni prowcz, technologii wybrnego sposobu odrnini i zieni się od kilku cykli odrnini dziennie do jednego cyklu n tydzień lub jecze rzdziej Ilość cykli odrnini prowcz w ciągu doby dl chłodni ieści się w zkresie 0, 2, dl zrżlni 2 4, w przypdku tuneli 4 0 [4] Ntoist czs trwni jednego cyklu odrnini zleży iędzy innyi od zstosownego systeu odrnini i przyjuje wrtości od 0,25 0,5 godziny [5] Jedny z njczęściej stosownych systeów odrnini jest elektryczny syste odrnini CEE Nleży zwrócić uwgę, że elektryczny syste odrnini CEE jest njniej korzystny pod względe kotów eksplotcyjnych w porównniu z innyi systei odrnini [6] Podczs procesu odrnini tylko część struieni doprowdznego ciepł zużywn jest n stopienie ronu, pozostł część zostje przekzn do powietrz w koorze chłodniczej i zkuulown w chłodnicy Stosunek struieni ciepł teoretycznie niezbędnego do stopieni ronu do cłkowitego struieni ciepł doprowdzonego do systeu odrnini określ się ine sprwności odrnini [7]: η od = () od h od sprwność procesu odrnini, struieni ciepł teoretycznie niezbędnego do stopieni ronu, od struieni ciepł doprowdzony do systeu odrnini Mksyln sprwność odrnini dl systeu CEE nie przekrcz 35 % [4,7] W przypdku systeu CEE struień ciepł dostrczny jest do chłodnicy w wyniku dziłni zontownych w systeie odrnini grzłek elektrycznych: od = N el od (2) N el od oc elektryczn grzłek do odrnini chłodnicy powietrz Zinicjownie procesu odrnini w trkcie trwni procesu schłdzni i zrżni powoduje nie tylko doprowdzenie dodtkowego struieni ciepł do koory, le również ztrzynie procesu ochłdzni powietrz Chłodnic powietrz znjduje się w fzie postoju, co ozncz że nie przepływ przez nią czynnik ziębniczy Dltego optylne jest inicjownie odrnini poz cykle zrżni Odrninie nleży przeprowdzć w trkcie cyklu schłdzni i zrżni w sytucjch unieożliwijących kontynuownie relizcji procesu Z tką sytucję uwż się wzrost oporów hydrulicznych oronionej chłodnicy powietrz powyżej grnicznego sprężu wentyltor gwrntującego odpowiednią wydjność przepływu powietrz przez chłodnicę Dyniczny odel wyiny ciepł w chłodnicy powietrz z uwzględnienie ornini jej powierzchni pozwl n ilościową i jkościową nlizę procesu powstwni ronu Wykorzystując oprcowne procedury obliczeniowe przeprowdzono wielowrintowe obliczeni nueryczne Cele obliczeń było określenie wpływu wybrnych pretrów konstrukcyjnych wentyltorowej chłodnicy powietrz i wrunków eksplotcyjnych n intensywność tworzeni się ronu Przykłdowe wyniki obliczeń intensywności powstwni ronu n powierzchni prowcz chłodnicy powietrz zprezentowno w prcch [3,,] 22 Model tetyczny procesu przepływu ciepł i ubytku sy w produkcie Jedną z podstwowych wielkości skłdowych bilnsu koory roźnej jest struień ciepł pochodzący od schłdznego i zrżnego produktu Model tetyczny nieustlonej wyiny ciepł z uwzględnienie ubytku sy produktu wrz z wyniki przykłdowych obliczeń był również erzej zprezentowny we wcześniejy publikcjch [0,] W ty iejscu nleży zznczyć, że struień ciepł przekzywny od produktu do powietrz w koorze jest suą struieni ciepł jwnego odprowdznego od suchej powierzchni produktu - orz utjonego, wynikjącego ze zjwisk odprowni wody lub sublicji lodu z powierzchni produktu W związku z ty wrtość pojeności cieplnej włściwej orz współczynnik przewodzeni ciepł produktu spożywczego powinn uwzględnić stopniową zinę stnu skupieni wody w rozptrywny produkcie W nlizowny zgdnieniu procesu schłdzni i zrżni produktu efekt wydzielni się ciepł przeiny fzowej jest włączny do ciepł włściwego produktu Ozncz to, że czyste zrżnie produktu (rozuine jko początek krystlizcji wody w produkcie) rozpoczyn się po przekroczeniu w dny punkcie produktu tepertury krioskopowej, wrtość pojeność cieplnej włściwej jest uzleżnion od tej tepertury W ogólnych rozwżnich struień ciepł od produktu wynik oczywiście zrówno z sy, pojeności cieplnej włściwej orz różnicy tepertury w dny eleencie produktu Wrtość tepertury w nlizowny punkcie rozptrywnej wrstwy produktu wyzncz się zgodnie z zsdi etody bilnsów eleentrnych [8,9,0] 54 Chłodnictwo to XLI 2006 r nr 2

4 23 Model tetyczny przepływu ciepł przez ściny koory Ze względu n różnicę poiędzy teperturą powietrz w otoczeniu i teperturą powietrz w koorze, przez przegrody zewnętrzne koory (tj ściny, strop, posdzkę) do jej wnętrz przenik struień ciepł, którego wrtość zleży również od pol powierzchni przegród (wyirów geoetrycznych dnej przegrody) orz ich izolcyjności N struień ciepł przenikjącego z otoczeni do koory wpływ również struień ciepł związny z kuulcją pojenościową ścin [2], wynikjący z pochłnini ciepł przez ściny przy zinie ich tepertury Akuulcj pojenościow powoduje, że rozkłd tepertury wewnątrz ścin nbier chrkteru przejściowego ziennego w czsie, co utrudni wyznczenie ktulnej tepertury w rozptrywny punkcie ściny Do wyznczeni rozkłdu tepertury w ścinie wykorzystno nueryczną etodę bilnsów eleentrnych Zgodnie z ogólnyi zsdi tej etody tepertur w i-ty punkcie rozptrywnej wrstwy ściny wynik z równni: T SC i + + V = T ρ c SC i SC i SC i SC i V T j R SC j SC ij ρ c SC i SC i SC i j R SC ij + (3) AGREGATY PRĄDOTWÓRCZE skup sprzedż duży wybór Zbrze tel 032/ Anlizę nueryczną nieustlonego przenikni ciepł przez ściny koory chłodniczej przeprowdzono dl ścin koory wykonnych z płyt wrstwowych Konstrukcj płyty wrstwowej wynik z typowych rozwiązń stosownych w prktyce przeysłowej W czególności nliz rozkłdu tepertury w ścinie koory z uwzględnienie w niej kuulcji ciepł dotyczył płyty wrstwowej skłdjącej się z dwóch eliownych blch stlowych o grubości 0,5 kżd orz rdzeni wykonnego z pinki poliuretnowej o grubości 50 W obliczenich przyjęto, że tepertur i prędkość powietrz w koorze chłodniczej odpowiednio wynoą t = 30 C, w = 2,5 /s, tepertur i prędkość powietrz znjdującego się n zewnątrz koory są równe t ot = 25 C orz w ot = 5,5 /s N rysunku 2 przedstwiono rozkłd tepertury w poczególnych punktch ściny, w zleżności od czsu, przy czy przyjęto że początkowy rozkłd tepertury ścin jest wyrównny n pozioie 0 C Kopleksowy przebieg zin tepertury powietrz w koorze chłodniczej z uwzględnienie okresu odrnini chłodnicy powietrz orz rozkłdu tepertury w ięsie wołowy w czsie relizcji schłdzni i zrżni przedstwiono n rysunku 3 Przebieg krzywych tepertury V SCi objętość i-tego eleentu ścin koory chłodniczej, C SCi pojeność ciepln włściw i-tego eleentu ścin koory chłodniczej, r SCi gęstość i-tego eleentu ścin koory chłodniczej, T SC i, T SC j tepertur ścin koory chłodniczej w i-ty i j-ty węźle eleentów w -ty kroku czsowy, R ij opór przepływu ciepł ścin koory chłodniczej iędzy węzłi eleentów j orz i w -ty kroku czsowy Opór przepływu ciepł R SCi iędzy sąsiednii eleenti j-ty orz i-ty płskiej wielowrstwowej przegrody koory określ się zgodnie z przyjętyi zsdi etody bilnsów eleentrnych [8] 3 Przykłdowe wyniki obliczeń Tepertur ściny t SC, o C t = - 30 C w = 2,5 /s t ot = 25 C w = 5,5 /s Czs τ, h 2 Rozkłd tepertury w ścinie koory chłodniczej przy t = 30 C, w = 2,5 /s, t ot = 25 C, w ot = 5,5 /s: n wewnętrznej powierzchni ściny, 2,3,4 w rdzeniu z pinki poliuretnowej, 5 n zewnętrznej powierzchni ściny 5 4 ot o o Chłodnictwo to XLI 2006 r nr 2 55

5 3 Przykłdowy przebieg zin tepertury w trkcie trwni procesu schłdzni i zrżni ięs wołowego n wykresie pozwl jednocześnie zobserwowć in wpływ procesu odrnini n zinę tepertury powietrz w koorze orz teperturę powierzchni ięs Okres czsu poiędzy początkie kolejnych cykli odrnini jest z kżdy rze inny, gdyż jest on deterinowny wcześniej wsponiny ogrniczenie dotyczący zpobiegniu wzrostowi oporów hydrulicznych chłodniczy powietrz powyżej grnicznego sprężu wentyltor Okres poiędzy pierwy i drugi cykle odrnini jest króty niż w przypdku okresu poiędzy drugi i trzeci cykle odrnini Przedstwiony teoretyczny odel tetyczny koory chłodniczej oże być określony dl wrunków wirtulnych dziłni chłodni Stnowi to jego główną zletę Może on być dzięki teu stosowny przy syulcji dziłni koory w sferze jej projektowni Dużą przydtność tego odelu nleży uptrywć w nlizch optylizcyjnych dotyczących doboru pretrów konstrukcyjnych koory orz wyznczeni njkorzystniejych wrunków eksplotcyjnych Jedny z zstosowń prezentownego odelu oże być jego wykorzystnie do celów regulcyjnych W ty celu zlec się wcześnieją wlidcję obliczonych uzysknych rezulttów z wyniki specjlnie przeprowdzonych poirów W bdnich związnych z ilościowy opise zienności pretrów eksplotcyjnych, zwłcz tepertury w czsie, brdzo użytecznyi okzły się być różnicowe etody obliczeń nuerycznych, zwłcz etod bilnsów eleentrnych LITERATURA [] GAZDA W: Techniczno-ekonoiczn optylizcj przebiegów teperturowo-czsowych procesów chłodniczych Prc doktorsk, ITC Politechnik Śląsk, Gliwice 2000 [2] CZAPP M, CHARUN H: Zsdy oprcowni bilnsu cieplnego poieczeń chłodni Skrypt Wyżej Szkoły Inżynierskiej w Kolinie, Kolin 99 [3] KOZIOŁ J, GAZDA W: Nueryczny odel przepływu ciepł w chłodnicy powietrz z uwzględnienie powstwni ronu XI Sypozju Wyiny Ciepł i sy Gliwice-Szczyrk, 200 [4] ZAKRZEWSKI B: Kryteri inicjcji odrnini powierzchni prowcz Mteriły konferencyjne: Współczesne probley techniki chłodniczej, COCH Krków, Krków 999 [5] ZAKRZEWSKI B: Sprwność systeów odrnini chłodnic powietrz Cz, Chłodnictwo, nr, 999 [6] ZAKRZEWSKI B: Sprwność systeów odrnini chłodnic powietrz Cz2, Chłodnictwo, nr 2, 999 [7] ZAKRZEWSKI B: Sprwność teoretyczn i rzeczywist odrnini chłodnicy powietrz Cz Chłodnictwo, nr 2, 996 [8] SZARGUT J (red): Modelownie nueryczne pól tepertury WNT, Wrw 992 [9] KOZIOŁ J, SKOREK J: Metody nueryczne jko lterntyw trdycyjnych etod wyznczni czsu zrżni i rozrżni żywności Chłodnictwo, nr 3, 993 [0] KOZIOŁ J, GAZDA W: Doświdczeni związne z zstosownie różnicowej etody obliczeń nuerycznych w chłodnictwie Chłodnictwo, nr 2, 2000 [] KOZIOŁ J GAZDA W: Efekty ekonoiczne związne ze sposobe schłdzni i zrżni ięs wołowego Chłodnictwo, nr, 2000 [2] WIEJACKI Z, KULESZA J, ADAM- CZEWSKI J: Strty cieplne w ścinch koór chłodniczych w zkłdch ięsnych Chłodnictwo, nr 5-6, Uwgi końcowe 56 Chłodnictwo to XLI 2006 r nr 2