Способ термостатического хранения продуктов и система термостатического хранения продуктов

 

Использование: в холодильной технике, в системах термостатического хранения продуктов. Сущность изобретения: в слое грунта, близком к его изотермической границе, в холодный период образуют с использованием грунтовой влаги резерват в виде литосферного льдогрунтового массива, размещая в этом слое аккумулятор холода. Через последний принудительно продувают атмосферный воздух. Участок охлаждения хладагента замкнутого циркуляционного контура располагают в льдогрунтовом массиве. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам и системам термостатического хранения продуктов в охлажденном виде и может быть использовано для длительного хранения продуктов сельского хозяйства, в частности в овощехранилищах, приближенных к месту уборки.

Известен способ хранения продуктов в камерах, полости которых заполнены циркулирующим хладагентом. В теплоизолирующем перекрытии, выполненном в виде короба, имеются вентиляционные отверстия, которые открыты в холодное время для сообщения полости с наружной средой. В результате верхний слой хладагента переохлаждается, создавая над верхним ограждением рабочего объема камеры природный запас энергии холода в виде льда. В теплый период вентиляционные отверстия постоянно закрыты. Таким образом определенное время в рабочем объеме камеры может быть поддержана стабильная температура. При необходимости в теплый период запас природной энергии холода может быть повышен дозаправкой кускового льда, например, из бунта [1] Приведенные способ и устройство обеспечивают в силу ограниченности запаса холода, несовершенства системы сообщения хладагента с холодным атмосферным воздухом, весьма незначительные сроки и объемы термостатического хранения продуктов.

В определенной степени указанные недостатки устранены в способе хранения продуктов, согласно которому в холодный период производят хладозарядку устройства для аккумулирования холода с промежуточным теплоносителем. Устройство для аккумулирования холода выполнено в виде вертикальной колонки, верхняя часть которой расположена над поверхностью грунта и предназначена для охлаждения промежуточного теплоносителя в холодный период. В вертикальную колонку входит участок охлаждения замкнутого циркуляционного контура, предназначенного для подачи хладагента через второй участок указанного контура в радиаторы хранилища (авт. свид СССР N 1153208, кл. F 25 D 1/00, 1982).

Наличие находящейся над поверхностью грунта верхней части вертикальной колонки приводит в теплый период к нагреванию промежуточного теплоносителя, а, следовательно, хладагента, в результате чего снижается хладоемкость и ограничивается время хранения продуктов.

Необходимость заглубления в грунт герметичной колонки с промежуточным теплоносителем и входящими в нее коммуникациями замкнутого циркуляционного контура хладагента усложняют конструкцию и снижают надежность системы для осуществления описанного способа.

Целью изобретения является создание такого способа и системы термостатического хранения продуктов, преимущественно овощей и картофеля, в климатических зонах со средней положительной годовой температурой и сезонно изменяющимися внешними условиями теплообмена, т.е. там, где теплое лето сменяется холодной зимой, которые обеспечивали бы при простоте и надежности технологического оборудования, невысоких энергозатратах длительность хранения с минимальными потерями.

Цель достигается тем, что в слое грунта, близком к его изотермической границе, в холодный период образуют с использованием грунтовой влаги резерват холода в виде льдогрунтового массива, размещая в этом слое устройства для аккумулирования холода, через которое принудительно продувают атмосферный воздух, при этом участок охлаждения хладагента замкнутого циркуляционного контура располагают в льдогрунтовом массиве. Целесообразно в слой грунта, близкий к его изотермической границе, дополнительно подавать влагу.

В системе для осуществления способа термостатического хранения продуктов устройство для аккумулирования холода может быть выполнено в виде многосекционного трубопровода, снабженного теплопроводящими секциями, контактирующими с льдогрунтовым массивом, а участок охлаждения хладагента замкнутого циркуляционного контура также снабжен теплопроводящими секциями, расположенными в льдогрунтовом массиве между секциями трубопровода устройства для аккумулирования холода.

На входе в трубопровод устройства для аккумулирования холода целесообразно установить фильтр-влагоотделитель, а на внутренние поверхности этого трубопровода нанести покрытие из несмачиваемого материала.

Система может быть дополнительно снабжена емкостями, размещенными над поверхностью грунта и предназначенными для сбора атмосферных осадков, а также соединенными с емкостями патрубками для подачи атмосферной влаги в слой грунта, близкий к его изотермической границе.

На чертеже показана система термостатического хранения продуктов.

Согласно предлагаемому способу в специально подготовленном или естественном котловане на глубине, близкой к изотермической границе местности, в которой находится хранилище, размещают многосекционный трубопровод, устройства аккумулирования холода и участок охлаждения хладагента замкнутого циркуляционного контура, радиаторы которого установлены в хранилище. Котлован с размещенными в нем коммуникациями засыпают грунтом.

В холодный период посредством принудительного продувания охлажденного атмосферного воздуха через трубопровод в зоне его расположения образуют с использованием грунтовой влаги резерват холода в виде льдогрунтового массива, в котором заключен участок охлаждения хладагента, подаваемого в радиаторы хранилища.

При хранении овощей или картофеля при температуре 0^оС массой в 1 т по данным НИИ селекции и семеноводства овощей в сутки возникает тепловой поток, равный приблизительно 800 ккал.

Уравнение теплового баланса для предложенного способа хранения записывается в виде: Q_o Q_гр + Q_л + Q_ц, где Q_о количество тепла, выделяемого одной тонной овощей за сутки; Q_гр количество тепла, переданное сухому грунту, определяемое выражением Q_гр m_гр^.С_р.гр(t_o t_нач); Q_л количество тепла, переданного воде при превращении ее в лед, определяемое выражением Q_л m_л^.С_р.л(t_о t_нач); Q_ц количество тепла, выделяемое при таянии льда; m_гр масса сухого грунта; С_р.гр теплоемкость сухого грунта; m_л масса льда;
С_р.л теплоемкость льда;
t_о температура таяния льда;
t_нач начальная температура мерзлого грунта.

Необходимая масса льдогрунтового массива для хранения овощей в указанных условиях определяется из выражения
M_гр= , где G масса хранимых овощей в тоннах;
τ время, в течение которого производят хранение, в тоннах;
α количество воды, находящейся в грунте (влажность) в
λ_л скрытая теплота фазового превращения льда ( λ_л 79,77 ккал/кг).

Ниже приводится показательный расчет массы льдогрунтового массива влажностью α 30% и начальной температурой t_нач 15^оС для хранения 1000 т овощей в течение 60 сут
M_гр= 1040 т
Этот расчет показывает, что в принятых условиях хранения, на каждую тонну сохраняемой продукции достаточно иметь одну тонну резервата в виде льдогрунтового массива. При изменении условий, например, увеличении вдвое влажности естественным путем или введении дополнительной влаги, собираемой и вводимой специально, то соответственно вдвое можно сократить массу и объем льдогрунтового массива, либо продлить время хранения в теплый период.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что предложенный способ можно осуществить в климатических зонах со средней положительной годовой температурой и сезонно изменяющимися внешними условиями (холодной зимой и теплым летом) с использованием приведенных расчетов, а также термодинамических расчетов по определению необходимого количества принудительно продуваемого через трубопровод в холодный период атмосферного воздуха. Для образования рассчитанной выше массы льдогрунтового массива согласно термодинамическому расчету достаточно продувать охлажденный атмосферный воздух с расходом 6 м³/с в течение 40-45 сут при t^оС 15^о. Естественно, конкретные погодные условия вводят коррективы в рассчитанные параметры, поскольку практическим южным пределом заготовки и хранения естественного льда является линия Кишинев Грозный Фрунзе, частично тяготеющая к январской изотерме 3^оС, являющейся условной температурной границей между умеренно теплым и умеренно холодным климатом, есть все основания полагать, что предложенный способ эффективен севернее указанной температурной границы.

Изотермичность (практическая независимость от колебаний температуры атмосферы) глубины грунта составляет 10-20 м на южном пределе. Эта глубина уменьшается к северу от названного предела.

Исходя из того, что суточные колебания температуры проникают в слой торфа примерно на глубину 0,25 м, а в слой песка на 1 м из выражения:
≈ 19, где h_г, h_c глубины грунта, на которые проникают годовые и суточные колебания температуры;
τ_г τ_c соответствующие периоды времени (365 сут и 1 сут), определяем, что глубина постоянной температуры для торфа составляет 4,75 м, а для песчаного грунта 19 м.

Практически, однако, на расположение зоны постоянной температуры грунта влияют многие факторы, в частности, глубина зимнего промерзания грунта. В простейшем частном случае, когда для средних широт страны принимается, что в холодный период года турбулентный теплообмен с атмосферой примерно компенсируется обратной радиацией, составляет:
h , где R удельное радиационное охлаждение (отрицательный радиационный баланс) за год;
t средняя температура атмосферы;
с и λ удельные тепло- и теплопроводность замороженного грунта;
τ время;
A_c средняя для замерзшего слоя грунта годовая амплитуда;
r удельная теплота льдообразования в грунте.

Эффективность зимней хладозарядки грунта находится в сложной зависимости от климата, условий хладозарядки, теплофизических особенностей грунта, однако, наверняка, можно отметить, что в средней полосе, например Московской области, применение предложенного способа эффективно по сравнению с традиционными холодильными установками, работающими на жидком азоте, фреоне и пр. Стоимость одного кубометра замороженного грунта с использованием жидкого азота в несколько раз (до 10) выше стоимости одного кубометра грунта, полученного согласно предлагаемому способу.

Система для осуществления способа термостатического хранения продуктов содержит овощехранилище 1 продуктов, устройство для аккумулирования холода в холодный период в льдогрунтовом массиве 2, представляющем собой резерват холода, накапливаемого в холодное время и расходуемого в теплое время. Льдогрунтовый массив расположен в слое грунта, предпочтительно гигроскопичном, например, на основе торфа, на глубине, близкой к его изотермической границе, составляющей порядка 2-10 м.

Устройство для аккумулирования холода включает в себя заборно-вентиляционный агрегат 3, фильтр-влагоотделитель 4, многосекционный трубопровод 5 с теплопроводящими секциями 6, контактирующими с льдогрунтовым массивом, и вытяжную трубу 7, установленную на выходе из трубопровода 5.

Система снабжена также замкнутым циркуляционным контуром 8 хладагента с насосом (на чертеже не показан), радиаторами 9, установленными в хранилище, и входящим в льдогрунтовый массив участком 10 охлаждения хладагента. На участке 10 имеются теплопроводящие секции 11, расположенные между теплопроводящими секциями 6 трубопровода 5.

Для работы в автономном автоматическом режиме предусмотрен блок управления (БУ) 12, управляющий включением-выключением заборно-вентиляционного агрегата 3, насосом прокачки хладагента замкнутого циркуляционного контура 8 и запорно-регулирующей аппаратурой 13 упомянутого контура и устройства для аккумулирования холода. Этот блок имеет датчики, расположенные в необходимых местах.

Для предотвращения примерзания атмосферной влаги к внутренним стенкам трубопровода 5 на них может быть нанесено покрытие из несмачиваемого материала.

Для сбора и подачи дополнительной влаги в льдогрунтовый массив к нему может быть подведен трубопровод принудительной подачи воды или, как это показано на чертеже, система может быть снабжена емкостями 14, предназначенными для сбора атмосферных осадков и соединенными с ними патрубками 15 для подачи атмосферной влаги в слой, близкий к его изотермической границе.

Система для осуществления способа термостатического хранения продуктов работает следующим образом.

Овощи или картофель, очищенные от грунта и высушенные соответствующим образом, закладывают в хранилище 1, снабженное системой вентиляции. С наступлением холодного периода посредством заборно-вентиляционного агрегата 3 атмосферный охлажденный воздух в малокомпримированном режиме с секундным расходом несколько кубометров в секунду прокачивают через разомкнутый трубопровод 5, который вместе с закрепленными на нем секциями 6 отбирает тепло у прилежащего к нему грунта, содержащего влагу, превращая ее в лед и охлаждая грунт. Отработанный воздух удаляется через вытяжную трубу 7. Со временем по мере продувки холодного атмосферного воздуха через трубопровод 5 прилегающая к нему масса грунта, насыщенного влагой, разрастается в объеме, образуя заданный льдогрунтовый массив 2, выполняющий функции резервата холода.

Хранилище 1 является термоконстантным помещением, где в холодный период времени производится традиционный подогрев воздуха в заданных пределах, а в теплое время охлаждение при помощи описываемой системы. Управление этими процессами автоматизировано и производится от блока 12 как в течение одних суток, так и в течение всего сезона хранения. Блок 12 по команде датчиков управляет запорно-регулирующей аппаратурой 13, например, выключая заборно-вентиляционный агрегат 3, перекрывая трубопровод 5 и включая замкнутый циркуляционный контур 8 хладагента во время зимних оттепелей и в теплый период (весна, лето). При включении контура 8 его участок 10 переносит охлажденный хладагент в радиаторы 9 хранилища 1. Наибольший расход хладагента происходит, естественно, в теплый сезон, когда замкнутый циркуляционный контур 8 работает практически непрерывно, используя холод, запасенный в резервате льдогрунтовом массиве. При этом, поскольку резерват расположен в слое грунта, близком к его изотермической границе, большая часть запасенного холода расходуется на поддержание заданной температуры в хранилище.

Как уже указывалось выше, продолжительности сохранения резервата способствует состав грунта, его физико-механические свойства, высокая влажность, теплоизоляция массива и др. качества.

Для накопления влаги в грунте может использоваться искусственная подача воды в него или накопление атмосферной, почвенной влаги в период, предшествующий холодному сезону. Для этого могут применяться накопители атмосферной влаги разных конструкций, например, емкости 14 с входящими в грунт патрубками 15.

Такая система термостатического хранения продуктов (овощей, картофеля) обеспечивает при простоте и надежности технологического оборудования невысокие энергозатраты.

Формула изобретения

1. Способ термостатического хранения продуктов в климатических зонах со средней положительной годовой температурой и сезонно изменяющимися внешними условиями теплообмена путем подачи атмосферного воздуха в холодный период года для дозарядки расположенного в грунте аккумулятора холода и прокачки хладагента через закрытую полость, размещенную в хранилище замкнутого циркуляционного контура, отличающийся тем, что подачу атмосферного воздуха ведут в слое грунта, близком к его термической границе, с образованием резервата холода в виде литосферного льдогрунтового массива с использованием грунтовой влаги, причем через последний принудительно продолжают подавать атмосферный воздух, а охлаждение хладагента перед прокачкой в хранилище ведут в льдогрунтовом массиве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в слой грунта, близкий к его изотермической границе, дополнительно подают влагу.

3. Система термостатического хранения продуктов, содержащая устройство для аккумулирования холода и закнутый циркуляционный контур с участком охлаждения хладагента, отличающаяся тем, что устройство для аккумулирования холода выполнено в виде многосекционного трубопровода, снабженного теплопроводящими секциями, контактирующими с льдогрунтовым массивом, а участок охлаждения хладагента дополнительно снабжен своими теплопроводящими секциями, расположенными в льдогрунтовом массиве между секциями трубопровода устройства.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что на входе в трубопровод устройства установлен фильтр-влагоотделитель.

5. Система по пп.3 и 4, отличающаяся тем, что на внутренние поверхности трубопровода устройства нанесено покрытие из несмачиваемого материала.

6. Система по пп.3 - 5, отличающаяся тем, что она снабжена емкостями для сбора атмосферных осадков, размещенными над поверхностью грунта, а также соединенными с емкостями патрубками для подачи атмосферной влаги в слой грунта, близкий к его изотермической границе.

РИСУНКИ

Рисунок 1