Математическое моделирование процессов холодоснабжения с использованием вихревых труб в овощехранилищах

Математическое моделирование процессов холодоснабжения с использованием вихревых труб в овощехранилищах

П.Л. Лекомцев, Е.В. Дресвянникова, А.М. Ниязов, С.В.Орлов ФГБОУВО Ижевская ГСХА, г.Ижевск

Аннотация: в статье рассмотрены вопросы моделирования тепловых эффектов в вихревых трубах с использованием прикладных программ, на примере CFD-комплекса FlowVision. Рассмотрены вопросы практического применения теплового эффекта в вихревых трубах, предложено использование процесса холодоснабжения в вихревых трубах для управления микроклиматом в овощехранилищах с целью повышения сохранности продукции. Данная статья представляет интерес для широкого круга читателей, занимающихся вопросами моделирования в пакетах прикладных программ. Ключевые слова: тепловой эффект, холодоснабжение, теплоснабжение, микроклимат, моделирование, САПР, прикладная программа, 3D-модель.CFD-комплекс, FlowVision.

Решение продовольственной безопасности страны связано как с увеличением урожайности сельскохозяйственных культур, так и с повышением сохранности собранного урожая. Сохранность урожая важная задача, заключающаяся в сохранении качества и свежести продукции на длительный срок хранения. Одним из самых распространенных способов сохранения продукции в свежем виде - это консервация овощей. В данном случае мы говорим про консервацию - это хранение овощей при низких температурах. Понижение температуры в овощехранилище позволяет снизить обменные процессы в продукте, сократить потерю влаги и тем самым обеспечить свежесть овощей, пищевую пригодность, качество, товарный вид и витамины, так необходимые для здорового питания людей на более длительный период времени относительно того, если бы мы хранили продукцию при комнатной температуре. Современные технологии хранения овощей, позволяющие качественно сохранить урожай. [1-6] Тесно связаны с холодильными установками. Чаще всего в качестве холодильной установки используют компрессорную холо-

;

дильную установку, работающую по обратному тепловому циклу. Холодильники снижают температуру в хранилище до требуемых значений, но при этом тратится большое количество энергии на генерацию холода, поэтому поиск энергоэффективных и мало затратных технологий в процессах охлаждения сельскохозяйственной продукции является актуальной задачей.

В качестве одного из перспективных направлений развития в технологии хранения овощей можно отметить использование холодильных установок на основе вихревого эффекта. [3]

Вихревой эффект заключается в том, что при движении закрученного потока газа, наблюдается понижение температуры в центральных слоях потока газа. Эффект был обнаружен инженером Ж. Ранком в 1931 г. и подробно исследован физиком Р. Хильшем в 1946 г. [7,8,9,10]

Вихревой холодильно-нагревательный аппарат представляет собой цилиндрическую камеру, в которую тангенциально подается сжатый газ. Под действием центробежных сил газ разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Через центральное отверстие из камеры вытекает охлажденный поток газа, нагретый поток получают из периферийных отверстий. [5,6,11,12]

Образование охлажденного и нагретого потоков газа является результатом перераспределения энергии входящего в вихревую трубу сжатого газа. При отсутствии теплообмена с окружающей средой суммарное количество энергии охлажденного и нагретого потоков по закону сохранения энергии равно количеству энергии поступающего газа, т.е.

где Ос= ОХ + ОГ - расход сжатого газа, кг/с; ОХ, ОГ- расход соответственно охлажденного и нагретого потоков, кг/с; 4 , Iх, Iг- удельная энтальпия соответственно сжатого, охлажденного и нагретого потоков газа, Дж/кг.

Используя известное выражение ¡=СР-Т, уравнение материального баланса и пренебрегая изменением удельной теплоемкости СР газа, можно получить уравнение, связывающее эффекты охлаждения и нагревания газа в вихревой трубе с расходом одного из выходящих потоков [13,14]

где ц =GX / Gr - относительный расход (доля) охлажденного потока; АТХ =ТС-ТХ- эффект охлаждения охлажденного потока; АТГ = ТГ -ТС- эффект нагревания нагретого потока; ТС, ТХ и ТГ- температура соответственно сжатого газа, охлажденного и нагретого потоков, К.

При проектировании вихревой трубы, в зависимости от поставленных условий работы, определяющие размеры аппарата рассчитывают исходя из режима максимального охлаждения или режима максимальной холодопроиз-водительности. При неохлаждаемой камере разделения АТХ достигает максимума при ц =0,2...0,4.

Для оптимизации параметров вихревых труб наряду с натурными экспериментальными стендами может использоваться также и численное моделирование при помощи современных CFD-комплексов, например, FlowVision. [15]

Для моделирования процессов в вихревой трубе необходимо создать SD-модель вихревой трубы. Для этой задачи была использована САПР Компас 3D.

Геометрии расчетной области сохраняются в форматах VRML или STL. При импорте геометрии в FlowVision, система автоматически разбивает пространство на замкнутые подобласти, ограниченные геометрическими поверхностями. Дополнительно создается еще одна подобласть, которая является внешней по отношению к геометрии. [15,18]

MJ:, = il-vi'^:,

Для решения поставленной задачи использовали модель: «полностью сжимаемая жидкость». Данная модель описывает стационарное и нестационарное движение смеси идеальных газов при любых числах Маха (до-, транс, сверх- и гиперзвуковые течения). [14,16,17,18]

В качестве входной жидкости был выбран воздух при нормальных условиях.

[Деталь БЕЗ ИМЕНИ 1]

ОПовернуть|

Нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская, поверните изображен

Рис.1. 3Б модель вихревой трубы

В результате решения задачи были получены поля температур и скоростей (рис.2, 3).

:

ойн т«

1.1 = !у I; I.!.

ш И ^ ^ а Ч: % ¿7 * ы

\ а

ГЪхСПа«. ЭнГ4ЛЛ«

Пмшлип Т|р(01ирг

ГЬлямм!.. I Д|>-"1 Псчисстьй..

Рис.2. Поле температур вдоль трубы

^РЬмгУйБЮП - [первая.РУ"П  шм

[?р Файл Правка Вид Вставить Команда Инструменты Помощь

окв и**» 1 я ! В 1 в X ,

[3|в1!|*»»х1у1у1«1« »1 а

^ Препроц Ш Постпроц | Гв-Щ ЗР сиены Й-Сз первая,РУТ 5 БиЛь| Й СЗ Объекты

ЕН | Все пространство

Рис.3. Поле скоростей вдоль трубы

По результатам моделирования построены характеристики изменения температуры потоков с течением времени (рис 4.5).

Изменение температуры горячего потока с течением времени

0 1 2 3 4 5 6

Время, с

I

Рис.5. Зависимость температуры горячего потока от времени

По графикам видно, что установившееся значение температуры достигается через 4 секунды после начала подачи сжатого воздуха в вихревую трубу. До того, как температура установится постоянной, наблюдаются пульсации температуры.

По цветовым заливкам можно определить перепад температур между холодным, и горячим концами, в данном случае он составил 18 градусов.

Этого достаточно для обеспечения холодом небольшого овощехранилища. При этом исчезает потребность в вентилировании камер.

В данной работе проведено исследование энергетических параметров вихревой трубы Ранка-Хильша с помощью численного моделирования, а также рассмотрены возможности применения вихревой трубы в сельском хозяйстве. Моделирование эффекта Ранка на программном комплексе FlowVi-sion позволило наглядно показать процесс энергоразделения в сечении вихревой трубы, кроме того, были получены характеристики, с помощью которых становится возможным регулировать температуру горячего и холодного потоков. Также численное моделирование позволяет подобрать наиболее эффективную конструкцию вихревой трубы и ее частей.

Таким образом, установки на базе вихревой трубы можно считать одним из перспективных направлений развития холодильно-нагревательной техники применительно к сельскохозяйственной отрасли.

Литература

1. Босин И.Н. Охлаждение молока на комплексах и фермах. М.: Колос, 1993. 43 с.

2. Долматова Ю.А., Шишкин Г.И. Исследование процесса сушки конверсионного карбоната кальция в трубе-сушилке с помощью математической модели // Инженерный вестник Дона. 2011. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/566.

3. Дресвянникова Е.В., Лекомцев П.Л., Савушкин А.В. Возможности регулирования процессов тепловлажностной обработки в массообменных аппаратах при воздействии электрического поля // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2235.

4. Каменев П.Н., Сканави А.Н., Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. М., Стройиздат, 1975. 483 с.

5. Оболенский Н.В., Денисюк Е.А. Холодильное и вентиляционное оборудование. М.: КолосС, 2006. 248 с.

6. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения // Под. ред. А.И. Леонтьева. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. 412 с.

7. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. 600 с.

8. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. СПб., 2001. 108 с.

9. Гинзбург И.П. Аэрогазодинамика. М.: Высшая школа, 1966. 404 с.

10. Методы расчета турбулентных течений / Под ред. В.Колльмана. М.: Мир, 1984. 464 с.

11. Азаров А.И. Вихревые трубы нового поколения // Конструктор. Машиностроитель. 2007. №3. СПб. c.18-24.

12. Пиралишвили Ш.А., Шувалов В.В., Жорник М.Н. Термотрансформаторы. Рыбинск, 2002. 127 с.

13. Суслов А. Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.

14. Хинце И.О. Турбулентность. Ее механизм и теория. М.: Физмат-гиз, 1963. 680 с.

15. FlowVision. Версия 2.5. Примеры решения типовых задач. М.: ООО «ТЕСИС», 2008. 203 с.

16. Frohlingsdorf, W. Numerical investigation of the compressible flow and the energy separation in the Ranque - Hilsch vortex tube /W. Frohlingsdorf, H. Under // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1999. №42. pp.415422.

17. Richardson, L.F. Froc. Roy. Soc. 1920. Bd.97. p.354.

18. Русак А.М., Целищев В.А., Ахметов Ю.М., Соловьев А.А., Пар-химович А.Ю. Экспериментальное исследование вихревой трубы //

Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мав-лютовские чтения». Том 4. / Уфа: УГАТУ, 2006. С.101 - 105.

References

1. Bosin I.N. Ohlazhdenie moloka na kompleksah i fermah. [Cooling milk complexes and farms]. M.: Kolos, 1993. 43 p.

2. Dolmatova Ju.A., Shishkin G.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/566.

3. Dresvjannikova E.V., Lekomcev P.L., Savushkin A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2235.

4. Kamenev P.N., Skanavi A.N., Bogoslovskij V.N. Otoplenie i ventiljacija [Heating and ventilation]. M., Strojizdat, 1975. 483 p.

5. Obolenskij N.V., Denisjuk E.A. Holodil'noe i ventiljacionnoe oborudovanie [Refrigeration and ventilation equipment]. M.: KolosS, 2006. 248 p.

6. Piralishvili Sh.A., Poljaev V.M., Sergeev M.N. Vihrevoj jeffekt. Jeksperiment, teori-ja, tehnicheskie reshenija [Vortex effect. Experiment, theory, technical solutions] Pod. red. A.I. Leont'eva. M.: UNPC «Jenergomash», 2000. 412 p.

7. Abramovich G.N. Prikladnaja gazovaja dinamika [Applied gas dynamics]. M.: Nau-ka, 1991. 600 p.

8. Belov I.A., Isaev S.A. Modelirovanie turbulentnyh techenij [Simulation of turbulent flows]. SPb., 2001. 108 p.

9. Ginzburg I.P. Ajerogazodinamika [Aerohidrodinamic] M.: Vysshaja shkola, 1966.

404 p.

10. Metody rascheta turbulentnyh techenij [Methods of calculation of turbulent flows] / Pod red. V.Koll'mana. M.: Mir, 1984. 464 p.

11. Azarov A.I. Konstruktor. Mashinostroitel'. 2007. №3. SPb. pp.18-24.

12. Piralishvili Sh.A., Shuvalov V.V., Zhornik M.N. Termotransformatory [The thermo-transformers]. Rybinsk, 2002. 127 p.

13. Suslov A.D., Ivanov S.V., Murashkin A.V., Chizhikov Ju.V. Vihrevye apparaty [Vortex apparatus]. M.: Mashinostroenie, 1985. 256 p.

14. Hince I.O. Turbulentnost'. Ee mehanizm i teorija [The turbulence. Its mechanism and theory]. M.: Fizmatgiz, 1963. 680 p.

15. FlowVision. Versija 2.5. Primery reshenija tipovyh zadach [Examples of typical tasks]. M.: OOO «TESIS», 2008. 203 p.

16. Frohlingsdorf, W. Numerical investigation of the compressible flow and the energy separation in the Ranque - Hilsch vortex tube W. Frohlingsdorf, H. Under. Int. J. Heat and Mass Transfer. 1999. №42. pp.415-422.

17. Richardson, L.F. Froc. Roy. Soc. 1920. Bd.97. p.354.

18. Rusak A.M., Celishhev V.A., Ahmetov Ju.M, Solov'ev A.A., Parhimovich A.Ju. Sbornik trudov Rossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Mavljutovskie chtenija» (Proc. All-Russian scientific-technical conference "Mavlutova reading"). Tom 4. Ufa: UGATU, 2006. pp.101 - 105.