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