Pobierz streszczenie - Politechnika Białostocka
Transkrypt
Pobierz streszczenie - Politechnika Białostocka
Streszczenie STRESZCZENIE Niniejsza monografia prezentuje kluczowe rezultaty prac wykonanych w ramach Projektu „Nowoczesne technologie dla sektora rolno–spożywczego przy ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych”, który był realizowany w latach 2010–2013 przez konsorcjum w składzie: Politechnika Białostocka (lider), Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, Instytut Ogrodnictwa w Skierniewicach oraz Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno–Spożywczego w Warszawie – Oddział Chłodnictwa i Jakości Żywności w Łodzi. Celem projektu była aplikacja nowych, proekologicznych rozwiązań w systemach chłodniczych wykorzystywanych do magazynowania i przechowywania żywności. Zaproponowano w nim kompleksowe rozwiązanie układów chłodniczych obsługujących komory składowe płodów rolnych o małej i średniej pojemności, które odgrywają kluczową rolę w poprawie warunków przechowywania warzyw i owoców w warunkach krajowych. W szczególności – w ramach projektu rozwiązano problem stosowania naturalnego płynu roboczego (propanu) w systemie chłodniczym, z czym wiąże się kwestia minimalizacji napełnienia układu czynnikiem roboczym. Podjęto także zagadnienia zastosowań nowoczesnych minikanałowych wymienników ciepła dla układów z propanem jako czynnikiem roboczym. Zaproponowano rozwiązanie układu pośredniczącego w wymianie ciepła, stwarzającego dodatkowe możliwości regulacyjne. Zastosowanie free–coolingu, a także magazynowania ciepła dla celów odszraniania chłodnicy powietrza pozwala na obniżenie energochłonności układu chłodniczego obsługującego komorę składową. Ważnym elementem były prace w zakresie ewaluacji jakości składowanych płodów rolnych. Należy podkreślić, iż w projekcie podjęto zagadnienia o kluczowym znaczeniu dla sektora przechowalniczego: • Zaproponowane zostały rozwiązania z zastosowaniem płynów roboczych o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego, co umożliwi praktyczną realizację Dyrektywy 842/2006 w zakresie tzw. gazów cieplarnianych. Należy zwrócić uwagę na to, iż aktualnie dyrektywa ta nie jest praktycznie realizowana w warunkach krajowych z uwagi na brak wsparcia sektora chłodniczego, w którym gazy te są stosowane. • Zaproponowane rozwiązania zapewnią wysoką efektywność energetyczną układu w warunkach zastosowania naturalnego czynnika roboczego. Zostanie w ten sposób zrealizowana Dyrektywa nr 93/76/EEC w zakresie ograniczenia emisji ditlenku węgla poprzez poprawę efektywności energetycznej instalacji co z racji znacznej liczby układów, w sposób istotny poprawi proekologiczność sektora przechowalniczego. • Zaproponowane rozwiązania są możliwe do aplikacji w praktyce jako układy modułowe, co w istotny sposób może ograniczyć koszty oraz stworzyć uwarunkowania do powszechnego wdrożenia rozwiązania w krajowym rolnictwie. Stwarza to realne możliwości poprawy warunków przechowywania płodów rolnych. Aktualnie tylko około 20% płodów jest składowanych we właściwych warunkach, co wymaga pilnego zwiększenia krajowego potencjału przechowalniczego o około 5 tys. komór składowych o pojemności do około 300 ton. • Opracowano technologię, która w istotny sposób jest w stanie poprawić jakość płodów rolnych składowanych w komorach o małej i średniej pojemności – zaproponowane rozwiązania stwarzaja bowiem możliwość bardzo wysokiej stabilności temperatury oraz wilgotności składowanych warzyw bez angażowania kosztownych technologii właściwych dla dużych komór składowych. 12 Streszczenie Kluczowe znacznie ma w tym przypadku związek z wielkością oraz charakterem chłodni, dla których opracowano rozwiązanie układu chłodniczego. Przedmiotem prowadzonych prac badawczo–rozwojowych są bowiem chłodnie składowe o małej i średniej pojemności, a więc dedykowane indywidualnym producentom warzyw bądź owoców. Gwałtowny rozwój techniki chłodniczej stwarza rozliczne możliwości zastosowania nowoczesnych systemów sterowania, zabezpieczeń oraz kontroli pracy zarówno układu chłodniczego, jak i całego obiektu przechowalniczego. Te dostępne technologie nie są jednak przeznaczone dla małych bądź średnich komór składowych. W warunkach krajowych pilną potrzebą jest opracowanie rozwiązań, które mogą być w efektywny sposób zastosowane w przechowalnictwie, z uwzględnieniem nie tylko aspektów związanych z kosztami inwestycyjnymi układów, ale także z ich funkcjonalnością, poprawą ochrony środowiska oraz poprawą jakości składowanej żywności. Zagadnienia te podjęto w ramach projektu w sposób kompleksowy. W rozdziale 1 podjęto zagadnienia dotyczące założeń biotechnologicznych dla modułowego systemu komór składowych płodów rolnych. Założenia biotechnologiczne obejmują dobór parametrów składowania płodów rolnych w taki sposób, by proces ich przechowywania był jak najdłuższy i nie przyczyniał się do nadmiernego pogorszenia jakości. Analizie poddano zagadnienia związane z trwałością przechowalniczą warzyw, uwzględniając: • procesy fizjologiczne zachodzące w czasie przechowywania warzyw, w tym wymianę ciepła i masy związane z transpiracją; • warunki wpływające na przechowywanie warzyw, w tym na: temperaturę, wilgotność względną powietrza, prędkość przepływu powietrza, zawartość etylenu, cyrkulację powietrza; • rodzaje opakowań stosowanych w przechowalnictwie warzyw. Dokonano szczegółowej analizy technologii przechowywania poszczególnych gatunków warzyw, przy czym w sposób szczegółowy przedyskutowano warunki składowania marchwi. Na podstawie przeprowadzonej analizy zaproponowano wstępną konfigurację komór składowych badawczych oraz konfigurację badawczych układów chłodniczych do obsługi komór składowych. Zaproponowano rozwiązanie modułowych komór składowych zbudowanych z elementów prefabrykowanych (płyt preizolowanych). Rozdział 2 dotyczy modelowania i badań wymiany ciepła i wymienników w komorze składowej. Przedstawiono w nim prototypowe modelowe chłodnicze stanowiska badawcze do pracy z propanem jako czynnikiem chłodniczym, obejmujące: propanowy układ chłodniczy, tunel do badań wymienników ciepła (skraplaczy chłodzonych powietrzem bądź chłodnic powietrza) oraz dodatkowy moduł do badań chłodnic cieczy. Opisano wyposażenie stanowisk w układy pomiarowe z wykorzystaniem specjalistycznych czujników, torów pomiarowych i komputerowego systemu archiwizacji i obróbki danych. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wymiany ciepła w minikanałowym skraplaczu chłodzonym powietrzem. Zaprezentowano także wyniki badań cieplnych chłodnicy czynnika pośredniczącego, w której zastosowano rury o małej średnicy wewnętrznej z rozwinięciem powierzchni wymiany ciepła po stronie wrzącego czynnika. Przedstawiono również wyniki obliczeń modelowych CFD pracy zasobnika zimna w układzie z pośrednią wymianą ciepła, a także pracy chłodnicy powietrza w komorze składowej warzyw. Ze względu na obszerność oraz złożoność problemu, zagadnienia dotyczące opisu modelowego procesów wymiany ciepła i oporów przepływu dla kompaktowych wymienników ciepła zamieszczono osobno rozdziale 3. Rozdział 4 dotyczy badań układu chłodniczego pracującego w pośrednim systemie chłodzenia z płynną regulacją wydajności. Przedstawiono w nim model matematyczny pracy 13 Streszczenie urządzenia chłodniczego z płynną regulacją wydajności chłodnicy powietrza. Zaprezentowano stanowisko badawcze wraz z dedykowanym wyposażeniem pomiarowo–kontrolnym. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych pracy układu pośredniej wymiany ciepła współpracującego z propanowym sprężarkowym urządzeniem chłodniczym. W rozdziale 5 zawarto wyniki badań pracy układów chłodniczych zaimplementowanych badawczych w komorach składowych w Dąbrowicach koło Skierniewic. Przedstawiono prototypowy układ chłodniczy propanowy oraz układ chłodniczy z zastosowaniem czynnika R507 do komory składowej porównawczej wraz z systemem zasilającym oraz pomiarowym. Podano wyniki badań ewaluacyjnych pracy chłodni składowych pod względem pracy układu chłodniczego oraz parametrów cieplno–przepływowych w komorach składowych, jak też wytyczne w zakresie projektowania oraz eksploatacji tego typu obiektów. Rozdział 6 dotyczy zagadnień związanych z bezpieczeństwem zastosowania propanu jako czynnika roboczego w układach chłodniczych. W sposób kompleksowy przeanalizowano zagadnienia bezpieczeństwa zarówno od strony formalnej, jak również rozwiązań technicznych oraz organizacyjnych. Rozdział 7 dotyczy zagadnień ewaluacji biotechnologicznej pracy komór składowych. Zaprezentowano w nim metodykę prac badawczych, a następnie przedstawiono rezultaty kompleksowych prac ewaluacyjnych w zakresie oceny przechowalniczej, oceny sensorycznej oraz teksturometrycznej. Rozdział 8 poświęcony jest zagadnieniom oceny efektywności energetycznej oraz środowiskowej układów chłodniczych. Zaprezentowano w nim wyniki analizy efektywności energetycznej układów chłodniczych obsługujących dwie badawcze komory składowe. Z powyższego syntetycznego zestawienia wynika, że w ramach projektu zrealizowano w sposób kompleksowy prace, które obejmowały zagadnienia modelowania, badań eksperymentalnych procesów cieplno–przepływowych, jak również zagadnienia oceny biotechnologicznej płodów rolnych. W ramach projektu zbudowano prototypową komorę składową z propanowym układem chłodniczym. Zbudowane komory składowe, jedna w technologii klasycznej, zaś druga z zastosowaniem prototypowego rozwiązania (zgłoszonego do ochrony patentowej), eksploatowane były w trakcie jednego sezonu przechowalniczego 2011/2012. Komory składowe zostały wraz z wynikami badań zaprezentowane na konferencji naukowo–technicznej zorganizowanej w ramach projektu w dniu 14 września 2012 roku w Pamiętnej koło Skierniewic, w której uczestniczyło liczne grono przechowalników warzyw i owoców oraz przedstawicieli wielu firm z branży chłodniczej. W wyniku realizacji projektu zaprezentowano nowoczesne rozwiązanie komory składowej wraz z układem chłodniczym, które mogą stanowić modelowe rozwiązanie dla branży przechowalniczej i chłodniczej. Warto podkreślić, że z jednej strony opracowano rozwiązanie możliwe do szerokiej aplikacji w warunkach krajowych, w którym uzyskano zdecydowaną poprawę warunków składowania warzyw (niska, stabilna temperatura oraz wysoka, stabilna wilgotność), jak również zademonstrowano w sposób praktyczny możliwości bezpiecznego zastosowania naturalnego płynu roboczego, jakim jest propan. Bez praktycznej demonstracji nie można bowiem liczyć na efektywne oraz szerokie zastosowania w krajowym chłodnictwie naturalnych płynów roboczych w układach chłodniczych, które z uwagi na palność i wybuchowość (węglowodory) lub toksyczność (amoniak) wymagają szczególnej uwagi i wiedzy. Jednym z efektów projektu jest coraz większe zainteresowanie krajowych producentów agregatów chłodniczych produkcją małych układów propanowych, a nawet szerszym zastosowaniem tego czynnika w technologii pomp ciepła. Warto zwrócić uwagę na to, że w zaproponowanym układzie uzyskano zmniejszenie ilości czynnika roboczego około 20–krotne w porównaniu z układem 14 Streszczenie klasycznym, uzyskując efekt w postaci wysokiego poziomu bezpieczeństwa oraz atrakcyjności pod względem aplikacji tego typu układu w krajowym przechowalnictwie owocowo– warzywnym. Realizacja tak kompleksowego przedsięwzięcia wymagała od całego zespołu wykonawców wielkiego nakładu pracy, umiejętności współpracy w zakresie różnych obszarów wiedzy i techniki oraz wielu działań o charakterze technicznym, organizacyjnym i formalnym. Warto podkreślić, że kompleksowy układ badawczy w Politechnice Białostockiej, stanowisko badawcze w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, a przede wszystkim komory składowe wraz z układami chłodniczymi oraz kompleksowym wyposażeniem w postaci układów zasilających, sterujących i pomiarowych zostały w decydującej mierze zrealizowane siłami własnymi zespołu wykonawców projektu. 15