Совершенствование эффективности холодильников выбором оптимальной тепловой инерции элементов их конструкций

E-mail: a – Mironchuk_YA@i.ua; b – Fierysplash@ukr.net; c – hmel_m@ukr.net, d – nigogol59@ukr.net

Аннотация
При увеличении тепловой инерции ограждения увеличивается затухание амплитуды и
запаздывание фазы температурной волны, которая проникает из окружающей среды в холодильную камеру. При оптимальном запаздывании суточный минимум теплопритока в камеры происходит в наиболее жаркое время суток. Это позволяет снизить установленную холодопроизводительность и потдведенную мощность. Уменьшение амплитуды колебаний температуры продукта улучшает качество хранения. Для плодоовощной продукции увеличиваются сроки хранения, уменьшается етественная убыли, снижаются затраты электроэнергии на хранение.

Введение
На сегодня, в связи с глобальным обострением вопросов экологии и потребностью минимизации потребления ископаемых энергоносителей во многих странах активизировались исследования, направленные на обоснование выбора параметров теплоустойчивости ограждений для оптимизации энергопотребления в системах отопления и микроклимата жилых, обществененых и производственных зданий и помещений [1,2,3,4,5,6].
Под теплоустойчивостью ограждения подразумевается способность сохранять относительное постоянство температуры внутренней поверхности при колебаниях температуры и теплового потока на наружной поверхности, вызываемых периодическими колебаниями температуры окружающей среды и интенсивности потока солнечной радиации. Мерой теплоустойчивости многослойного ограждения выступает его тепловая инерция (1), которая определяется термическим сопротивлением ограждения, теплоаккумулирующей способностью его материалов и зависит от периода колебаний
температурной волны

С уменьщением периода колебаний T теплоустойчивость возрастает.
При прохождениеи температурной волны через ограждение происходит затухание ее
амплитуды и запаздывание фазы, интенсивность которых пропорциональна тепловой инерции ограждения.
Одним из достаточно крупных потребителей электроэнергии есть совокупность холодильных установок пищевой промышленности и торговой сети. В распределительных, перевалочных и торговых холодильниках основная часть холодопроизводительности тратится на отвод теплопритоков через ограждение. Исходя из того, что при прохождении температурной волны через ограждение происходит ее запаздывание по фазе, создается возможность за счет надлежащего выбора тепловой инерции ограждения сместить пиковый суточный теплоприток на ночное время. Это позволит снизить неравномерности суточного графика электропотребления. Кроме того, при повышенной тепловой инерции ограждения снижается неравномерность поддержания заданной температуры в холодильных камерах, что должно способствовать снижению количественных и
качественных потерь продуктов при хранении.
При повышенных требованиях к термостабилизации продуктов перспективно использование контейнеров с повышенной тепловой инерцией стенок, которые обеспечивают эффективную защиту продуктов от колебаний температуры внутрикамерной среды [7,10,11].
Необходимость обоснования рационального выбора тепловой инерции различных элементов конструкций холодильников определяет актуальность исследований.

Объекты и методы исследования
Объектами исследований приняты ограждающие конструкции холодильных камер и стенки контейнеров для перевозки и хранения охлажденной плодоовощной продукции.
Основным методом исследований принято математическое моделирование, преимущественно численными методами. Исследование влияния тепловой инерции стенок контейнеров для холодильного хранения плодоовощной продукции на интенсивность потерь от дыхания проведены экспериментально.

Результаты и их обсуждение
Параметры работы холодильной установки определяются температурой кипения и
температурой конденсации. Поскольку температура окружающей среды непрерывно изменяется, то также непрерывно изменяется и температура конденсации. При этом также непрерывно изменяются такие важные параметры работы холодильной установки, как холодильный коэффициент, коэффициент подачи и коэффициент полезного действия компрессора.
Основным фактором, от которого зависит пиковое значение теплопритока через ограждение, есть воздействие солнечной радиации. Поглощая поток солнечного излучения, пиковая интенсивность которого до 1000 Вт/м², поверхность ограждения нагревается до температуры, превышающей температуру окружающей среды. Основной избыток поглощенного тепла от наружной поверхности уходит обратно в окружающую среду лучистой и конвективной теплоотдачей. Остаточная часть тепла ≈10 Вт/м² передается теплопроводностью через ограждение в камеру. Схема
теплообмена через плоскую бесчердачную кровлю холодильника под воздействием солнечного излучения проиллюстрирована на рис. 1.

Моделирование нестационарного теплообмена через плоскую бесчердачную кровлю при
сложных нелинейных граничных условиях со стороны окружающей среды проведено численными методами конечных разностей [9]. Вычислительный алгоритм построен на основе метода элементарных тепловых балансов по явной квазилинейной схеме. Применение численных методов позволило при моделировании граничных условий подробно учесть негармоничность суточной и годовой динамики параметров окружающей среды на разных географических широтах для различно ориентированных сторон ограждения [8].
При моделировании рассматривались два варианта конструкции ограждения – с низкой
тепловой инерцией и с оптимальной тепловой инерцией.
В качестве ограждения с низкой тепловой инерцией рассмотрена однослойная плита
пенопласта – как аналог сэндвич-панелей (поскольку скорлупа сэндвич-панелей имеет малую толщину, ее влиянием на тепловую инерцию можно пренебречь).
В качестве ограждения с высокой тепловой инерцией рассмотрена плита из железобетона,
теплоизолированная пенопластом. Пенопласт обеспечивает требуемое термическое сопротивление.
Бетон обладает высокой теплоаккумулирующей емкостью. Тепловая инерция ограждения,
состоящего из нескольких слоев разных материалов равна сумме тепловых инерций отдельных слоев(1). Изменяя соотношение толщин слоев можно регулировать тепловую инерцию ограждения при соблюдении заданного его термического сопротивления.

При увеличении тепловой инерции возрастает затухание амплитуды и запаздывание фазы
температурной волны. При этом для выбора оптимального значения тепловой инерции
определяющее значение имеет время запаздывания фазы.
Наиболее рационально такое время запаздывания, при котором суточный минимум
теплопритока в камеру совпадает во времени с суточным максимумом температуры окружающей среды. Суточный максимум теплопритока через сторону ограждения формируется воздействием солнечной радиации. Для различно ориентированных сторон максимальная интенсивность облучения приходится на разное время суток, из-за чего рациональное время запаздывания температурной волны для каждой стороны определяется ее ориентацией. Соответственно, для каждой стороны ограждения требуется индивидуальное значение ее тепловой инерции.
Влияние запаздывания фазы температурной волны в плоской бесчердачной кровле камеры хранения мороженых грузов на суточную динамику режима работы холодильной установки проиллюстрировано на рис. 2, на котором все величины отнесены к 1 м²
поверхности ограждения. При оптимальной тепловой инерции, по сравнению с низкоинерционными сэндвич-панелями, на порядок снижается суточная амплитуда колебаний теплопритока через ограждение. Пиковые значения эффективной мощности компрессора и тепловой нагрузки конденсатора снижаются до уровней близких к их среднесуточным значениям.

Снижение суточной амплитуды колебаний теплопритока в камеру через ограждение
способствует снижению амплитуды колебаний температуры воздуха в холодильных камерах, которая является узловым технологическим параметром, от качества поддержания которого зависит качество и сроки сохранности пищевых продуктов. Особенно это актуально для плодоовощной продукции, сроки хранения которой в охлажденном состоянии ограничены.
Кроме теплопритоков через ограждение, стабильность температуры воздуха в камерах
нарушается проведением грузовых операций, перемещением персонала, открыванием дверей и др. Возможности систем автоматизации ограничены чувствительностью и погрешностью датчиков. В целом это приводит к тому, что стабильность температурного режима в камерах не соответствует желаемой. Особенно усложнены возможности поддержания стабильности температурного режима при перевозке плодоовощной продукции холодильным транспортом.

Для решения этой проблемы в [7] исследована возможность транспортировать и хранить
плодоовощную продукцию в контейнерах, стенки которых имеют повышенную тепловую инерцию, благодаря чему амплитуда колебаний температуры внутри контейнера значительно ниже, чем снаружи. Стенки с высокой тепловой инерцией выполняют функцию теплового буфера, расположенного на пути теплового потока между воздушной средой холодильной камеры и продуктом. Для проведения исследований экспериментальные контейнеры изготовлены с двойными стенками, между которыми можно заливать воду либо другую жидкость, имеющую высокую
теплоаккумулирующую способность и не замерзающую при температуре проведения эксперимента. При малом периоде колебаний температуры камерного воздуха требуемые значения тепловой инерции стенок контейнеров достигаются при их малой толщине [7,10,11]. При хранении яблок в экспериментальных контейнерах, изготовленных из листов оргстекла толщиной 3 мм с толщиной водяной прослойки 7 мм, амплитуда температуры поверхности продукта в 40 раз ниже амплитуды температуры воздуха в экспериментальной камере. При этом на интенсивность затухания амплитуды
температурной волны влияют также интенсивности теплоотдачи на поверхностях стенок контейнера и толщина воздушной прослойки между поверхностью стенки контейнера и поверхностью продукта.
Убыль массы плодоовощной продукции при хранении происходит естественным путем за счет процессов дыхания, при которых окисление биомассы происходит с выделением углекислого газа и водяных паров. Зависимость интенсивности дыхания от температуры хранения характеризуется теплотой дыхания

Если принять, что температура внутри контейнера изменяется по гармоническому закону с
амплитудой A_t, то количество тепла дыхания за весь период хранения хр

В силу экспоненциального характера (3) снижение амплитуды колебаний температуры
хранимой плодоовощной продукции приводит к снижению интенсивности дыхания в целом, что способствует увеличению сроков хранения без потери товарного вида и сопровождается снижением убыли массы продукции (рис. 3), которое в соответствии с (4) сопровождается соответствующим снижением затрат электроэнергии на хранение.

Из-за выделения теплоты дыхания температура продукта внутри контейнера выше средней температуры воздуха в холодильной камере и устанавливается на уровне

где
Qдых-мощность тепловыделений внутри продукта, которая отводится через 1 м²
поверхности контейнера;
Ri-сумма термических сопротивлений на пути теплового потока от продукта к воздуху
холодильной камеры, включая термическое сопротивление прохождению теплового потока внутри продукта;

Заключение
По результатам проведенных исследований тепловая инерция является важным параметром элементов конструкции холодильников для хранения пищевой продукции и элементов холодильного транспорта. Оптимальные значения тепловой инерции должны определяться на стадии проектирования с учетом местных природно-климатических условий.
Рациональное применение оптимальных значений тепловой инерции позволяет снизить
установленную холодопроизводительность и подведенную электрическую мощность, снизить суточную неравномерность загрузки оборудования, снизить амплитуду колебаний температуры внутрикамерной среды. В случае транспортирования и хранения плодоовощной продукции минимизация амплитуды колебаний температуры сопровождается снижением естественной убыли продукта, снижением энергозатрат на его хранение, возрастанием сроков хранения без потери товарного качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Jonathan Karlsson. A conceptual model that simulates the influence of thermal inertia in building structures / Jonathan Karlsson, Lars Wadsö, Mats Öberg // Energy and Buildings. Volume 60, May 2013, Pages 146-151 [electronic resource] log access mode: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.01.017
2. José A. Orosa. A field study on building inertia and its effects on indoor thermal environment / José A. Orosa, Armando C. Oliveira // Renewable Energy. Volume 37, Issue 1, January 2012, Pages 89-96. — [electronic resource] log access mode: https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.06.009
3. Niccolò Aste. The influence of the external walls thermal inertia on the energy performance of well insulated buildings / Niccolò Aste, Adriana Angelotti, Michela Buzzetti // Energy and Buildings. Volume 41, Issue 11, November 2009, Pages 1181-1187. — [electronic resource] log access mode: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2009.06.005
4. Sean Williams. On the use of thermal inertia in building stock to leverage decentralised demand side frequency regulation services / Sean Williams, Michael Short, Tracey Crosbie // Applied Thermal Engineering. Volume
   133, 25 March 2018, Pages 97-106. — [electronic resource] log access mode: https://doi.org/10.1016/j.-applthermaleng.2018.01.035
5. Solange V. G. Goulart. Thermal Inertia and Natural Ventilation – Optimisation of thermal storage as a cooling technique for residential buildings in Southern Brazil. A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements of the Open University for the degree of Doctor of Philosophy. October 2004 / Solange V. G. Goulart. — Architectural Association School of Architecture Graduate School. — [electronic resource] log access mode:
   http://www.labeee.ufsc.br/sites/default/files/publicacoes/teses/TESE_Solange_Goulart.pdf
6. Stijn Verbeke. Thermal inertia in buildings: A review of impacts across climate and building use / Stijn Verbeke, Amaryllis Audenaert // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 82, Part 3, February 2018, Pages 2300-2318. — [electronic resource] log access mode: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.083
7. Кочетов В. П. Упаковки с повышенной тепловой инерционностью для хранения растительной продукции / В. П. Кочетов, Е. Н. Томчик // Пищевая промышленность (Россия). 2014. № 1. С. 16-19.
8. Мирончук Ю. А. Влияние динамики параметров окружающей среды на рабочие процессы
   холодильников с легкими ограждающими конструкциями / Ю. А. Мирончук // Холодильная техника и технология. – 2001. – № 74. — С. 5 – 16.
9. Мирончук Ю. А. Исследование условий целесообразности сдвига фазы тепловой волны в
   теплоизоляции холодильных камер / Ю. А. Мирончук // Холодильная техника и технология. – 2004. — № 3 (89). – С. 11 – 16.
10. Мирончук Ю. А., Томчик О. М., Хмельнюк М. Г. Затухання температурної хвилі в контейнерах з підвищеною тепловою інерцією стінок / Ю. А. Мирончук, О. М. Томчик, М. Г. Хмельнюк //. Сучасні проблеми холодильної техніки та технології: матеріали XIІ Всеукраїнської науково-технічної конференції (27-28 вересня 2019 р., Одеса, ОНАХТ). Одеса, 2019. С. 128-130.
11. Томчик О. М., Хмельнюк М. Г., Гоголь М. І. Охолоджувані ємності з акумулюючою зданістю для зберігання і транспортування продукту / О. М. Томчик, М. Г. Хмельнюк, М. І. Гоголь // Інновації в суднобудуванні та океанотехніці: матеріали X Всеукраїнської Міжнародної науково-технічної конференції (26- 28 вересня 2019 р., Миколаїв, НУК ім. адмірала Макарова). Миколаїв, 2019. С. 458-561.