10879

Влагообмен в насыпи продукции рассматривается не как психрометриче-

ская закономерность, а как процесс обработки продуваемого воздуха насыпью продукции, выделяющей явную теплоту и влагу [4, 5]. Эта трактовка составляет термодинамическую сущность влагообмена. Она дает возможность решать во-

просы расчета интенсивности тепломассообмена с использованием i–d-

диаграммы влажного воздуха. Количество испаряющейся из сочного расти-

тельного сырья влаги W, кг/ч, (энергетическая сущность влагообмена) выража-

ется зависимостью:

где Qя — поток явной теплоты к вентиляционному воздуху;

t — тепловлажностная характеристика изменения состояния воздуха в насыпи:

где tср — средняя температура воздуха в насыпи, С.

Математическим описанием тепловлажностного процесса в насыпи СРС

показывающее постоянство дефицита влагосодержания воздуха по высоте охлаждаемой насыпи (1 в) = const, т. е. кривые φв = 100 % и φр эквидистант-

ны (равноудалены).

Первый по ходу движения воздуха слой насыпи (корректирующий) вы-

ступает в роли своеобразного увлажнителя воздуха до значений относительной влажности φр. Саморегулируемость и постоянство по всей высоте основного слоя насыпи значений φв ≈ φр экспериментально доказано во многих исследова-

ниях. Из этого следует важный теоретический вывод, что испарение влаги — неизбежное отрицательное явление при хранении продукции. Охлаждающая способность воздуха определяется приращением влагосодержания. Вся явная теплота, поступающая в хранилище, после воздействия на продукцию транс-

30

формируется в скрытую, увеличивая потери СРС. Изменение параметров пода-

ваемого в насыпь воздуха изображено на рис. 1.7.

В первом по ходу движения воздуха слое насыпи (в корректирующем слое) воздух увлажняется от относительной влажности поступающего в слой приточного воздуха φв.о до равновесной относительной влажности φр и одно-

временно нагревается от температуры приточного воздуха tв.о до минимально требуемой по биологическим требованиям tкmin (процесс АВ). При низких значе-

ниях относительной влажности приточного воздуха φв.о может наблюдаться ис-

парительный эффект на tисп (процесс FA). Обработка воздуха в основном слое происходит по φр = const (процесс ВС, эквидистантный кривой φ = 100 %). Воз-

дух удаляется из насыпи с параметрами tкmax , φр (точка С). Проходя через более холодный верхний слой, удаляемый из насыпи влажный нагретый воздух мо-

жет охлаждаться до состояния насыщения (процесс СD) или выпадения конден-

сата (процесс СD1).

Рис. 1.7. Изменение состояния воздуха в насыпи СРС на i–d-диаграмме

31

1.2.3. Биологические, теплофизические и аэродинамические

характеристики травы и сена

Трава по структуре относится к коллоидным капиллярно-пористым телам.

Из-за сложности структуры органических веществ травы природу отдельных сил связи влаги в ней (химическая, физико-химическая, физико-механическая)

точно установить не представляется возможным. Для травы с влагосодержани-

ем uтр суммарное проявление всех видов связи влаги при условии термодина-

мического равновесия описывают изотермами сорбции-десорбции в координа-

тах uтр—φв или wтр—φв, по типу, приведенных на рис. 1.8. Воду в растительных продуктах условно делят на свободную и связанную. Говоря о последней, име-

ют в виду химически (и частично физико-химически) связанную воду, удержи-

ваемую наиболее прочно. Менее прочно удерживаемую физико-химически свя-

занную воду и воду, связанную механически, относят к свободной. Основная часть воды находится в траве в свободной форме и лишь 5…15 % — в связан-

ном состоянии.

При начальной влажности свежескошенных трав wтр = 75…80 % их влаго-

содержание uтр составляет 3…4 кг/кг сух. в-ха. Начиная с wтр = 35 % в сохну-

щей траве остается только термодинамически связанная влага, на которую при-

ходится не более 15 % ее общего количества. Необратимый ход деструкции приводит к потере первоначальной высокой организованности продукта с вы-

делением углекислого газа СО2, воды и теплоты. Из уравнения дыхания (1.14)

можно получить, что при полном разложении 1 кг органических веществ выде-

ляется 15 960 кДж теплоты и 600 г воды, а выделению 1 мг СО2 соответствует

12,5 кДж теплоты. В срезанной траве некоторое время продолжается физиоло-

гическая жизнь, сопровождающаяся аэробным дыханием. Отмирание клеток начинается, когда удалена основная масса свободной воды (wтр 35…40 %), а

развитие микроорганизмов и плесневых грибков прекращается при влажности сена wс 15...17 %, поэтому эту влажность считают кондиционной для сена.

32

Рис. 1.8. Изотермы, °С: а) сорбции и десорбции (тимофеевка); б), в) десорбции сена (луговая трава); г) сорбции (люцерна); д) сорбции (луговая трава); е) сорбции (солома)

33

Количество явной теплоты, выделяемой сохнущей травой qтр, Вт/кг, в за-

висимости от ее температуры и относительной влажности атмосферного возду-

ха приведено на рис. 1.9. Там же показаны тепловыделения при температуре сохнущей травы tтр = 22,5 °С.

Рис. 1.9. Удельные тепловыделения травы qтр в зависимости от относительной влажности воздуха φв при различной температуре травы tтр:

1, 2, 3, 4 — tтр = 14,7; 21,0; 25,2; 29,0 °С, соответственно; 5 — при средней tтр = 22,5 °С

В массе недосушенного сена может произойти процесс самовозгорания.

Первая, биологическая стадия самовозгорания длится до 12 суток. Температура травы за счет дыхания и деятельности бактерий поднимается до 50 °С. За сле-

дующие 5…7 сут успевают размножиться грибки, и температура травы увели-

чивается до 70…80 °С. Сохнущая трава чернеет, начинает обугливаться. Начи-

нается вторая, физико-химическая, стадия процесса, обусловленная способно-

стью обугленной массы поглощать кислород с выделением теплоты адсорбции.

Разогрев идет скачкообразно, пока при температуре 280…320 °С не возникнет воспламенение продуктов сухой перегонки и обугленной клетчатки.

Значения насыпной плотности рассыпного сена ρнас, кг/м3, приведены в таблице 1.10. Плотность соломы в скирде 40…65 кг/м3. Объемная масса рулон-

ного и прессованного сена достигает 150 кг/м3.

Удельные потери давления в слое травы или сена при одномерной филь-

трации воздуха рсл, Па/м, составляют:

34

где k, m, n — экспериментальные коэффициенты пропорциональности.

Сопротивление проходу воздуха рсл при продувке со скоростью uф па-

раллельно направлению естественного уплотнения больше, чем в направлении,

перпендикулярном уплотнению. В формуле (1.22) при продувке параллельно направлению естественного уплотнения сена k = 0,092, перпендикулярно уплотнению сена k = 0,054; сильно облиственное сено имеет m = 2,74, n = 1,54;

для слабо облиственного m = 2,40, n = 1,60; для соломы m = 1,20, n = 1,60 неза-

висимо от направления продувки.

На рис. 1.10 приведены значения удельных потерь давления в слое рас-

сыпного сена в направлении естественного уплотнения при различной филь-

трационной (набегающей на слой) скорости воздуха uф, м/с.

Сушка — сложный теплофизический процесс, обусловленный явлениями переноса теплоты и влаги между травой и окружающей средой (рис. 1.11).

Скирды рассыпного сена и штабели прессованной травы могут быть представ-

лены параллелепипедами конечных размеров с источниками тепло- и влаговы-

делений, равномерно распределенных по всему объему.

При начальной влажности сырья выше гигроскопической (wтр wг), меха-

низм влагообмена аналогичен процессу испарения с открытой поверхности во-

ды. Воздух увлажняется по изоэнтальпе АG (рис. 1.11) до равновесной относи-

тельной влажности р, близкой к 100 %. Его температура понижается до tG,

35

близкой к температуре мокрого термометра tм.т. Биологические тепловыделения нарушают адиабатность процесса, смещая луч процесса насыщения воздуха от линии i = const (процесс АВ). Увеличение ассимилирующей способности возду-

ха dg пропорционально предварительному подогреву воздуха на величину tв.о

(процесс АА1).

Рис. 1.10. Зависимость рсл = f(uф) для рассыпного сена в направлении естественного

уплотнения при различной насыпной плотности ρнас: 1 —50 кг/м3; 2 — 70 кг/м3; 3 — 90 кг/м3; 4 — 50 кг/м3

Рис. 1.11. Изображение на i–d-диаграмме изменения состояния воздуха в слое сохнущей травы при tк > tв.о

36

В процессе сушки слой активно сохнущей травы перемещается по направлению движения воздуха. Момент наступления гигроскопического рав-

новесия между объектом сушки (травой) и сушильным агентом (воздухом)

определяется изотермами сорбции-десорбции (рис. 1.8). В основном слое сох-

нущей травы ассимиляция влаги воздухом происходит по φр → 100 % (процесс

ВС на рис. 1.11). Когда температура поверхности скирд или тюков оказывается ниже температуры воздуха в массе сохнущей травы, возможно увлажнение по-

верхности из-за конденсации водяных паров (процесс СД).

Количество удаляемой из травы влаги W, кг/ч, в неизотермических усло-

виях подчиняется обобщающей зависимости тепломассообмена в слое биоло-

гически активного сырья (1.18). Для температурных условий сушки травы в теплый период года значения тепловлажностных характеристик процессов из-

менения параметров воздуха аналогичны (1.19) и (1.20) для сушки растительно-

где tср — средняя температура охлаждающего воздуха, °С.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы

1.Привести особенности систем обеспечения параметров микроклимата в производственных сельскохозяйственных зданиях и сооружениях.

2.Сопоставить биологические, технологические и ветеринарногигиенические требования к содержанию животных, птиц, хранению сочного растительного сырья и выращиванию овощей в теплицах.

3.Указать отличительные показатели зоны максимальной продуктивности и зоны удовлетворительного общего теплового баланса для животных.

4.Сформулировать преимущества и недостатки способов обеспечения параметров микроклимата при хранении сочного растительного сырья при естественной, общеобменной механической и активной вентиляции.

37

5.Привести принципиальные схемы поддержания технологических параметров микроклимата в теплицах в холодный, переходный и теплый периоды года.

6.Дать описание системы активной вентиляции для сушки травы в полевых и стационарных условиях.

7.Перечислить биологические показатели животных и птиц (выделения теплоты, влаги, вредностей).

8.Обосновать энергетическую сущность и дать математическое описание тепловлажностных процессов в насыпях сочного растительного сырья.

9.Объяснить, для чего требуются изотермы сорбции и десорбции при расчетах интенсивности сушки травы.

2.НОРМИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ

2.1.Общая теплофизическая модель производственного сельскохо-

зяйственного здания

В климатических условиях России в течение столетий сложился опреде-

ленный тип индивидуальных жилых домов. Особенностью их объемно-

планировочных решений являлась отопительно-варочная печь (так называемая

«русская печь»), расположенная в центре жилого дома. Основными функциями печи было приготовление пищи и подача теплоты в жилые помещения здания.

Теплопотери через наружные ограждения отапливаемых печью помещений происходили не только в атмосферу, но и в чердаки, подполья, являющиеся эксплуатируемыми частями зданий, а также на скотные дворы, примыкавшие к жилью. За счет этого поддерживалась повышенная температура воздуха на чер-

даках, в подпольях, на скотных дворах. Кроме того, на скотных дворах и в хра-

нилищах овощей дополнительными источниками теплоты являлись (и являются)

физиологические тепловыделения животных, птиц и биологические тепловы-

деления хранящегося сочного растительного сырья. Распространенное в насто-

ящее время мнение, что в прошлые времена (в период до развития систем ис-

38

кусственной подачи теплоты) сельскохозяйственные помещения не отаплива-

лись, является ошибочным.

Производственные сельскохозяйственные здания, построенные по типо-

вым проектам, чаще всего имеют низкие теплотехнические характеристики наружных ограждений. Это факт объясняется двумя объективными причинами.

Во-первых, стремлением решить проблему повышения объема и продуктивно-

сти сельскохозяйственного производства путем непосредственного, не учиты-

вающего экономические, технологические и организационные аспекты, перено-

са научно-технических достижений в гражданском и промышленном строи-

тельстве на сельскохозяйственное. Во-вторых, искусственно заниженная стои-

мость энергии, отпускаемой для сельского хозяйства, создавала иллюзию не-

ограниченных перспектив по разработке, внедрению и экономическому обос-

нованию систем поддержания параметров технологического микроклимата в данных помещениях.

Научно обоснованные решения общестроительных, теплофизических,

технологических и экономических задач возможно на основе разработки теп-

лофизической модели производственного сельскохозяйственного здания, как единого системного биологического комплекса, учитывающего индивидуаль-

ные требования к круглогодичным параметрам микроклимата. Особое место в теплофизической модели должны занять вопросы минимизации энергозатрат и экологической безопасности объекта.

Целью разработки общей теплофизической модели производственного сельскохозяйственного здания является анализ, обоснование и количественное выявление расчетных схем потоков теплоты, влаги, воздуха и вредных газов в обслуживаемых помещениях зданий в холодный, теплый и переходный перио-

ды года. Обязательным условием применения перспективных методик их рас-

четов и конструирования систем обеспечения параметров микроклимата явля-

ется соблюдение нормируемых или допустимых биологических и ветеринарно-

гигиенических требований к параметрам внутреннего воздуха в рабочей (об-

служиваемой) зоне.

39