Actualizări climatice reci

Compania LU-VE a efectuat studii teoretice și experimentale pe un nou răcitor de aer pentru depozitarea fructelor și legumelor proaspete. Scopul studiilor a fost de a reduce drastic consumul de energie și de a îmbunătăți calitatea stocării alimentelor. Această lucrare de planificare a inclus, de asemenea, clasificarea împerecherii răcitoarelor de aer, a mărfurilor care urmează să fie depozitate și a camerei frigorifice destinate depozitării într-o abordare holistică pentru a optimiza performanța energetică a procesului.

Scopul acestui raport este de a rezuma informațiile obținute experimental în timpul procesului de depozitare a produsului Melinda (mere Golden Delicious) pentru a găsi o soluție cu un răcitor de aer tradițional (echipat cu ventilatoare de aspirație - Foto 1) și care cu unul nou (cu ventilatoare push) - Foto 2) pentru a compara din punct de vedere energetic și calitatea procedurii.

Analiza rezultatelor testelor obținute este urmată de o investigație teoretică a distribuției aerului în camera frigorifică în cele două cazuri utilizând dinamica calculată a fluidelor (CFD) pentru a demonstra rezultatele enumerate.

Analiza experimentală a fost realizată într-o colaborare între LU-VE, care a furnizat răcitoarele de aer și a specificat sistemul de măsurare și achiziție de date, și consorțiul COL, care nu numai că a furnizat celulele de răcire, dar a pus în funcțiune și sistemul de măsurare și achiziție de date. Analiza numerică a fost efectuată în laboratoarele de cercetare și dezvoltare LU-VE. Politehnica din Milano a monitorizat sistemul de măsurare și analiza CFD ca parte a colaborării sale de cercetare de zece ani cu LU-VE.

Încercări efectuate în camerele frigorifice ale consorțiului COL

Faza de comparație a fost realizată folosind două răcitoare de aer industriale cu aceleași dimensiuni ale schimbătorului de căldură 18T 8R 4800A/CuAl/36N (geometrie lamelă 55x55 mm, tub 12,7 mm), instalate în două camere frigorifice identice umplute cu aceeași cantitate de mărfuri de același tip aceleași condiții de funcționare (temperatura camerei frigorifice = +1 ° C, umiditatea relativă = 85%, temperatura de intrare și ieșire a agentului frigorific (etilen glicol vol. 30%) = -5/-1 ° C).

În plus față de instrumentele de măsurare care reglează sistemul de răcire și aerul condiționat din depozitele frigorifice, au fost instalate mai multe instrumente pentru a măsura viteza aerului și presiunea diferențială a schimbătoarelor de căldură și a cântarelor pentru a măsura pierderea în greutate a mărfurilor. Toate valorile măsurate au fost înregistrate în timp real de către sistemul de telecontrol al întregului consorțiu.

În cele ce urmează, sunt reproduse datele preluate din raportul pregătit de Ing.Livio Fadanelli, șeful tehnologiei pentru depozitare la rece și tratament post-recoltare CTT, FEM-IASMA (vezi tabelele din dreapta). Detaliile de umplere zilnică, pornire și ventilație programată în termeni de durată și valori au fost identice pentru ambele camere frigorifice. Parametrul de control al umidității, pe de altă parte, a fost reglat după cum este necesar, umiditatea camerei din ambele celule de răcire rămânând între 93-95%. Condițiile de testare au fost înregistrate în detaliu într-un jurnal de funcționare corespunzător.

Controale și teste

Protocolul prevedea următoarea serie de controale:

Verificarea temperaturii din miezul fructului la umplerea frigiderului, efectuată zilnic

Evaluarea pierderii în greutate în timp real, utilizând un sistem software conectat la cântare echipate cu celule de încărcare, pe care erau câteva cutii de mere în fiecare cameră frigorifică.

Analiza proprietăților calitative ale merelor supuse testului în ambele celule de răcire în trei momente din timp, la începutul și la sfârșitul depozitării și după zece zile de valabilitate

Evaluarea proprietăților calitative cu laboratorul automat Pimprenelle pe un eșantion reprezentativ de 15 fructe: greutatea medie a fructelor testate (g), fermitatea pulpei (kg/cm 2), conținutul de zahăr (IR în ° Brix), aciditatea totală a probei (în g/l Acid malic), suculență (% suc din greutatea totală), indicele de calitate (Thiault),

Verificarea procentului de pierdere în greutate, înregistrată pe baza a șapte până la opt cutii, corespunzătoare a cel puțin 2800 kg greutate brută, cântărind de două ori (începutul și sfârșitul testului),

Control regulat al consumului de energie și al numărului de ore de funcționare ale ventilatoarelor, împărțit în cele două funcții de răcire și ventilație programată

Evaluarea rezultatelor obținute, concluzii și consecințe după încheierea experimentului

Răcirea inițială a fazei de tranziție

Rezultatele prezentate în tabelele de la p. 55/56/58 subliniază că faza inițială de răcire are o mare importanță în comparație cu întreținerea, atât în ceea ce privește consumul de energie, cât și impactul asupra calității finale a mărfurilor, deși acestea sunt într-o singură dată. perioadă mult mai scurtă. În această fază, soluția opresivă sa dovedit a fi foarte eficientă (economii de 34%).

Pentru perioada menționată, sunt prezentate grafice care rezumă comparația dintre cele două soluții de răcire a aerului; în special, vom evidenția câțiva parametri importanți pentru perioada fazei inițiale de tranziție.

În primul rând, este indicată valoarea inițială a căderilor de presiune ale schimbătoarelor de căldură, măsurate prin contoarele diferențiale instalate pe dispozitive în perioada de la 29.9. până pe 2 octombrie au fost înregistrate.

Celula 30 - 139 Pa (medie)

Celula 31 - 135 Pa (medie)

Valorile sunt foarte similare: întrucât schimbătoarele de căldură sunt geometrice identice, se concluzionează că debitul de aer din schimbătorul de căldură și debitul total de aer sunt în esență aceleași, ceea ce dovedește consistența comparației. Cu toate acestea, soluția opresivă pare să producă o tendință de răcire ușor mai bună și mai constantă, dacă nu chiar diferită, a mărului eșantion, așa cum se arată în Figura 1, care arată dezvoltarea temperaturii în miezul mărului în poziția standard.

Figura 2 prezintă dezvoltarea umidității în aceeași perioadă; în acest caz, în ciuda unui număr mai mic de intervenții în celula de presare (-11%), valoarea este aceeași cu cea a celulei de supt. Aceste informații se referă la valoarea punctului măsurată lângă ușa de intrare; de fapt, o distribuție și o uniformitate mai bune a aburului care intră ar putea fi văzută în celula de presare în comparație cu celula de aspirare datorită vitezei mai uniforme la ieșirea dispozitivului. În special, nu s-au format picături pe mărfuri în celula de presare din apropierea zonei de alimentare pentru vaporii de apă.

Figura 3 prezintă dezvoltarea temperaturii depozitului frigorific în faza de tranziție; În concordanță cu cazul anterior, cele două curbe sunt aproape identice; valoarea optimă de depozitare a fost atinsă în aproximativ șase zile (0,9-1,4 ° C).

Figura 4, care arată dezvoltarea conținutului de oxigen din aer în camerele frigorifice în timp, este aproape similară pentru ambele camere frigorifice, valoarea optimă fiind atinsă după aproximativ douăsprezece zile.

Tabelul 1 (p. 57) prezintă valorile de temperatură înregistrate la 18 puncte distribuite în celula din miezul mărfurilor după deschidere la sfârșitul depozitării. Trebuie remarcat faptul că temperatura medie a merelor din cele două camere frigorifice comparate este în esență identică (1,37 vs. 1,42 ° C), la fel ca și abaterile standard.

Figura 5 prezintă pozițiile merelor în care s-a măsurat temperatura; primul desen prezintă planul etajului celulei (de ex. poziția A vizavi de ușa de intrare), în timp ce al doilea arată poziția numărului cutiei examinate.

În detaliu, se poate observa că la diferite înălțimi (1 °, 4 °, 7 °) temperatura din cele două camere frigorifice este limitată într-o abatere de 0,15 ° C, în timp ce uniformitatea temperaturii între zonele frontale și posterioare ale camerei frigorifice din suptul pare să fie puțin mai bun. De fapt, aceste mici fluctuații se datorează incertitudinii normale de măsurare (nu a dispozitivului, ci a metodologiei).

O abatere considerabilă poate fi văzută în poziția de mijloc a punctului B (1,09 vs. 1,45 ° C) și a punctului D (1,25 vs. 1,40 ° C), care - așa cum vom folosi în cele ce urmează a simulărilor CFD - poate fi explicată printr-o circulație mai mare a aerului în celula de aspirație din coloana laterală de deasupra plintei.

Este important de reținut că valoarea temperaturii la punctul E este de 1,15 ° C în cazul nou, față de 1,45 ° C în cel tradițional: acest lucru poate ridica cu siguranță o posibilă îndoială cu privire la capacitatea dispozitivului de împingere de a menține aerul care curge până la Scoateți peretele din spate al camerei frigorifice, curățați-l.

La sfârșitul analizei, sunt prezentate două grafice 6 și 7 referitoare la cele două camere frigorifice examinate, cele de la 440 în perioada de la 1,10. până la 2.11. corespunzând măsurătorilor de probe luate care arată viteza aerului înregistrată de cele opt anemometre cu palete. Acești senzori au fost amplasați în următoarele puncte:

1: Spațiul cutiei (poziția A4 ° - vezi diagrama Fig. 5)

2: Ventilatoare laterale de aspirație (perete pe ușa de intrare)

3: Pe „plintă” laterală (la 3 m distanță de dispozitive)

4: Peretele posterior al celulei (simetric cu poziția 2 - ventilatoare laterale de aspirație).

În pozițiile 1 - 4, următoarele valori ale vitezei aerului au fost măsurate în medie:

Valorile cele mai constante sunt cele referitoare la poziția pe peretele din spate al celulei, în timp ce cele mai inconsistente și fluctuante sunt cele referitoare la poziția „plintei laterale”.

În Figura 7, analog cu ceea ce am văzut pentru celula de răcire de aspirație, este prezentată dezvoltarea vitezei aerului în celula de presare; Valorile medii pentru aceeași perioadă sunt detaliate mai jos:

Dacă se analizează valorile medii ale acestei perioade, se poate confirma că cele două celule au același câmp de viteză, adică casetele sunt lovite de același curent de aer în medie. De fapt, există zone în celula de supt în care gradienții de viteză sunt semnificativ mai mari decât în celula de presare, așa cum vom vedea în analiza CFD.

Analiza CFD - studiu de dinamică a fluidelor

Analiza CFD efectuată pe cele două camere frigorifice a servit în primul rând pentru a determina poziția instrumentelor de măsurare a vitezei aerului și în al doilea rând pentru a înregistra posibile anomalii în distribuția aerului și pentru a stimula orice schimbări viitoare.

Simularea a fost efectuată cu utilizarea optimă a simetriei acestor celule, astfel încât, compatibil cu sistemul hardware disponibil, să poată fi utilizat un număr adecvat de elemente. Numărul de elemente mixte (triunghiulare și hexaedrice) a fost de aproximativ 1.308.000, cu densitate mai mare în zona din apropierea răcitoarelor de aer unde gradienții de presiune și viteză sunt mai mari.

Camera rece cu un nou tip de ventilator care împinge

Inițial, s-au ridicat unele îndoieli cu privire la configurația opresivă, cu privire la posibila ventilație inadecvată pe peretele din spate al celulei; simulările CFD, pe de altă parte, au confirmat întotdeauna o viteză analogică pentru ambele configurații. Studiul a confirmat aceste ipoteze, viteza la peretele posterior al celulei fiind aproape identică (0,45 m/s).

Figura 8 prezintă cursul vectorial al vitezei pe peretele din spate al celulei, unde se poate observa o ventilație destul de bună a tuturor sloturilor dintre cutiile care stau una peste alta (cursul descris este parabolic cu o fluctuație maximă a vitezei de aproximativ 23%). Variația între viteza de alimentare a sloturilor din cutii este similară pentru cele două configurații ale dispozitivului.

Figura 9 arată câmpul interesant al vitezei vectoriale în vecinătatea dispozitivelor (în acest caz specific cel de apăsare). În ciuda instalării unei deflectoare, care îmbunătățește dinamica fluxului de ejecție a aerului dispozitivului (schimbător de căldură) către conducta formată deasupra cutiilor, mai jos poate fi văzut un vârtej mare, cu circulația aerului din partea de evacuare în partea de aspirație a ventilatorului. Debitul circulației este estimat la aproximativ 8%. Dacă acest debit ar fi eliminat cu clapete de închidere mobile adecvate, viteza de circulație în canalele dintre cutii ar fi îmbunătățită, ceea ce ar duce la o eficiență mai mare a transferului de căldură între aer și mere.

Figura 10 prezintă distribuția vitezei în întreaga celulă de răcire. Analiza acestei figuri este interesantă în comparație cu figura 12, care arată același câmp de viteză pentru camera tradițională de aspirare.

Prima diferență fundamentală este viteza considerabil mai uniformă a ejecției aerului în cazul dispozitivului de împingere. Acest lucru duce la o zonă de vortex mai mică pe părțile laterale ale dispozitivelor, unde în timpul fazei de umidificare există o tragere anormală a picăturilor și o pierdere mai mică de energie (legată de intensitatea vortexului).

O zonă de vortex care este aceeași pentru cele două soluții este cea care se formează pe peretele din spate al celulelor pe măsură ce aerul se scufundă în conductă și lovește podeaua, creând gradienți de presiune. Aceste vârtejuri pot fi eliminate folosind elemente de îndreptare simple (pereți verticali flexibili).

Cameră rece cu tradițional

ventilator de aspirație

În Figura 10, analog cu Figura 9, este prezentat câmpul de viteză vectorială în vecinătatea dispozitivului tradițional de aspirație. Debitul rapid de aer la ieșirea ventilatoarelor (aprox. 9 m/s), de asemenea, în acest caz deviat de o clapă înclinată de aproximativ 30 °, conduce la o zonă extrem de turbulentă dedesubt. Acest fenomen provoacă o risipă de energie și un debit estimat extras direct din schimbătorul de căldură de aproximativ 11%.

În figura 12, așa cum a fost descris anterior în cazul figurii 11, curenții de aer din celula de răcire, colorați în funcție de viteză, sunt evidențiați. Am discutat deja vârtejurile semnificative care se formează pe părțile laterale ale dispozitivelor și gradienții de viteză crescute în conducta de evacuare a aerului; rămâne de luat în considerare elementul de circulație a aerului pe pereți (plinta de 120 mm). Instrumentele au măsurat o viteză de aproximativ 1,3 m/s în celula de aspirație și 1,1 m/s în celula de presare. Analiza CFD a arătat că viteza de „revenire” a aerului (înapoi la dispozitive) este mai mare în zona din apropierea podelei celulei. Punctul de cotitură al vectorului de viteză este din ce în ce mai aproape de podea, cu cât te apropii de peretele din spate al celulei. Cu alte cuvinte, fluxul de aer care curge înapoi către dispozitive este mai puternic în zona plintei celulei cu cât vă apropiați de dispozitive. Această circulație a aerului este estimată la aproximativ 8% în celula de aspirare și 6% în celula de presare: circulația aerului este redusă în mod vizibil datorită fluxului de aer mai uniform al soluției de presare.

Această circulație a aerului reduce debitul total care ar circula în jurul cutiilor și astfel reduce transferul convectiv de căldură; în consecință, acest lucru ar trebui eliminat prin introducerea unor pereți laterali flexibili corespunzători (care nu pot fi deteriorați în timpul umplerii), poziționați în două sau mai multe puncte din zona direct adiacentă răcitoarelor de aer. Atașarea acestor pereți pe peretele din spate al camerei frigorifice ar fi ineficientă.

Concluzii

După finalizarea acestei lungi activități de studiu și testare, putem rezuma cele mai importante rezultate obținute cu noul tip de soluție opresivă și putem indica câteva posibilități pentru posibile îmbunătățiri ale dinamicii fluidelor.

Consumul redus de energie al schimbătorului de căldură împingător este destul de clar (-19% pe an), cu un vârf de economisire în faza inițială de răcire (-34%); economia anuală a costurilor este de aproximativ 500 EUR (cu un preț al electricității de 0,0713 EUR/kWh).

În ceea ce privește pierderea în greutate, diferența dintre cele două celule este considerabilă

Pierderea totală în greutate (apăsarea celulei) = 1,51% = 0,0077%/zi = 0,23%/lună

Pierderea totală în greutate (celula de supt) = 1,79% = 0,0094%/zi = 0,28%/lună

Datorită noii soluții, pierderea în greutate a scăzut cu 16% în termeni procentuali și în termeni absoluți, datorită scăderii în greutate mai mici în cazul soluției de presare la sfârșitul perioadei de depozitare, greutatea totală a fructelor din depozitul frigorific 30 a fost cu 17 unități mai mari.

Deteriorarea calitativă a probelor de mere controlate este similară și complet normală atât la sfârșitul perioadei de depozitare, cât și după perioada de valabilitate.

Cerința mai mică pentru umidificarea orelor/an în celula de răcire cu schimbătorul de căldură presat (-11%), care se atribuie unei distribuții mai uniforme a vitezei de ieșire la răcitorul de aer (de la schimbătorul de căldură în loc de duza ventilatorului), a fost destul de evidentă.

În ceea ce privește intervențiile de răcire, acestea au fost efectuate mai rar în celula 31 și pentru o durată medie de 7,7 minute, comparativ cu 4,8 minute și mai frecvent în celula (nouă) 30, indicând un transfer de căldură mai bun și o rată mai uniformă.

Din studiul CFD, pot fi evidențiate următoarele opțiuni de îmbunătățire dinamică a fluxului:

Evitați circulația aerului de la ieșirea de aer a răcitorului de aer către partea de aspirație (separarea celor două zone); Această regulă este cu atât mai importantă, cu cât este mai mare capul cu care ventilatorul trebuie să facă față.

Frânează circulația aerului în zona de pe pereții laterali ai camerei frigorifice (plintă); acest lucru se poate face prin introducerea unor pereți laterali flexibili.

Aceste măsuri ar putea reduce debitul de aer care circulă în camera frigorifică, i. H. creșteți suma care atinge efectiv casetele cu aproximativ 15-20%.