Obiegi powietrza (cz. I)

Sterowanie strumieni powietrza dla procesów technologicznych - wychładzanie, dochładzanie, rozmrażanie

Obiegi powietrza (cz. I)

Józef A. SOKOŁOWSKI, Toruń

Artykuł podaje przegląd stosowanych rozwiązań technicznych dla poprawienia procesu technologicznego przekazywania i odbierania ciepła od surowca. Rozwiązanie poprawia sprawność wymiany ciepła i zapewnia równomierność i stabilizację szybkości oraz przepływ powietrza. Szybkość napływu powietrza na surowiec lub produkt jest stała. Nowe rozwiązanie spełnia warunki sanitarne Unii Europejskiej dla przemysłu spożywczego. Nowe rozwiązanie z zastosowaniem tekstylnych kanałów powietrznych przedstawione jest dla różnych sposobów obróbki surowca strumieniem powietrza ciepłego lub zimnego.

Obróbka surowca zimnym powietrzem

Bardzo często technologia produkcji przemysłu spożywczego wymaga szybkiego obniżenia temperatury surowca z temperatury początkowej do końcowej realizowanego procesu. Temperatury początkowe uzyskiwane są w procesie obróbki cieplnej lub naturalnej temperatury np. po uboju zwierząt rzeźnych.

Należy dążyć do maksymalnego obniżenia temperatury w krótkim czasie, np. na powierzchni surowca dla zmniejszenia ususzki, czyli ubytków przez odparowanie powierzchniowe lub uzyskania dobrej jakości produktu w przekroju całej masy.

Ważnym warunkiem dla uzyskania dobrego rozmrażania półtusz lub ćwiartek mięsa jest uzyskanie równomiernego procesu rozmrażania. Proces ten jest bardzo uzależniony od równomierności napływu powietrza na surowiec. Powietrze musi mieć w całej kubaturze ładowni równe szybkości napływu na półtusze lub ćwiartki zawieszone na torach kolejki rurowej w obrębie ich najgrubszych części - szynki.

Stosowanym rozwiązaniem jest zwiększenie cyrkulacji powietrza nawet do 400 godz. dla uzyskania maksymalnie równej, z niewielkimi odchyleniami, temperatury w całej kubaturze komory lub tunelu. Wzrasta wtedy moc silników wentylatorów oraz rosną koszty energii elektrycznej.

Zdecydowanie ukierunkowany strumień przepływu powietrza mają tunele z podłużnym lub poprzecznym przepływem. Można w tym przypadku obliczyć średnią prędkość przepływu przez surowiec oraz współczynnik przejmowania ciepła a. Wadą tego rozwiązania jest przyrost temperatury powietrza wzdłuż przepływu DtoC. W takim systemie chłodnice powietrza - parowniki i wentylatory powietrza obiegowego są zlokalizowane w dodatkowej kubaturze z boku tuneli lub nad tunelem.

Zmniejszenie różnic temperatur powietrza zmniejsza długości tunelu i jego poszerzenie. Rozkład szybkości jest korzystniejszy, lecz musi wzrosnąć wydajność wentylatorów dla uzyskania odpowiedniej szybkości przepływu strumienia powietrza.

Zwiększenie wysokości ładowni pozwala na zastosowanie chłodnic wentylatorowych podstropowych. Napływ powietrza jest kierowany w dół na tory kolejki z transporterem półtusz.

Tunel wychładzania mięsa poubojowego. Układ z parownikami i wentylatorami nad stropem. Wychładzalnia tunelowa stacjonarna -3oC Z. Ms Białystok. Opis: 1÷5 - tunele, wychładzalnie, s - szerokość, l - długość, H - wysokość tunelu, h - wysokość torów kolejki, KR - kolejka rurowa, - - - - szczeliny w stropie tunelu, Ä - tłoczenie, napływ powietrza zimnego, O- - ssanie powietrza ogrzanego, - przepływ powietrza, W - widok na chłodnice powietrza, AA - przekrój poprzeczny, BB - przekrój wzdłużny, P - parowniki stromorurowe (pionowe), układ rur szachownicowy, WO - wentylator osiowy

Przepływ powietrza i jego napływ jest zróżnicowany w całej kubaturze pomieszczenia. Poprawę jakości chłodzenia zapewnia przesuwanie półtusz przez transporter.

Komory z wychładzaniem produktów miały kanały powietrzne tłoczne dla napływu powietrza i ssawne dla zabierania ogrzanego powietrza. Układ kanałów oraz otworów wylotowych i wlotowych powietrza zapewniał równomierność przepływu powietrza i wyrównanie temperatur. Stosowano również przy kanałach powietrznych przemienność przepływu powietrza. Okresowo kanał ssawny był tłocznym, a tłoczny ssawnym. Zmienność przepływu zapewniał wentylator o dwukierunkowym przepływie lub układ kierownic pracujących jako przepustnice kanałowe.

Wypływ szczelinowy z kanału. Wychładzalnia tunelowa ciągłego działania -10oC Z. Ms. Bydgoszcz. Opis: CS - chłodnica powietrza pionowa, parowniki - wężownice ożebrowane, K - kanał powietrzny zbieżny, h - wysokość kanału stała, s - szczelina wypływu powietrza stałej szerokości, T - transporter łańcuchowy nad torami kolejki rurowej, R - rozdzielnie amoniaku

Chłodnice z kierownicami powietrza. Szokowa dwustrefowa wychładzalnia tunelowa ciągłego działania. Opis: K+T - kolejka rurowa i transporter, CP - chłodnice powietrza, S - skośny wypływ powietrza, N - napływ powietrza zimnego na ciepłe półtusze - ćwiartki

Tunel ciągłego działania ze stropem szczelinowym t = -10oC. Opis: s - szerokość szczeliny od 1 do n, r1, r2 - promienie napływu, L - długość wypływu - szczeliny, L1 - długość kierownicy perforowanej, kt1..n - tor kolejki rurowej z transporterem, CP - chłodnica powietrza, WO - wentylator osiowy

Dotychczasowe metody rozprowadzania powietrza - zalety i wady

Wraz z rozwojem wentylatorowych chłodnic powietrza wprowadzono chłodnice powietrza z kierowanym - skośnym wypływem powietrza na tory kolejki z zawieszonymi półtuszami lub ćwiartkami.

Zasadniczą zamianą w rozprowadzeniu powietrza było zastosowanie powietrznych kanałów zbieżnych ze stałym wypływem powietrza przez szczelinę. Powietrze wypływało pionowo na połówki lub ćwiartki zawieszone na torach z transporterem. Chłodnice pionowe ustawione były wzdłuż dłuższej ściany i tłoczyły powietrze do kanałów zlokalizowanych nad konstrukcją stalową torów kolejki. Surowiec był poddany, w krótkich odstępach czasu, silnemu strumieniowi zimnego powietrza.

Pionowy, sterowany wypływ powietrza przez kanały z dyszami dawał bardzo duże lokalne szybkości napływu. Kanały i dysze umieszczone były nad konstrukcją nośną kolejki.

Szczelinowe wypływy strumieni powietrza uzyskiwały lepsze, bardziej wyrównane, rozprowadzenie strumienia powietrza w przestrzeni przebywania surowca. Stosowane wypływy przez okrągłe dysze dawały zmienne szybkości napływu na surowiec. Bardziej ciasne - "gęste" ustawienie dysz komplikowało rozwiązanie i nie likwidowało całkowicie nierównomierności szybkości napływu na surowiec. Koszt rozwiązania poważnie wzrastał.

Wypływy ze stropu szczelinowego z kierownicami perforowanymi. Opis: WO - wentylatory osiowe, CP - chłodnice powietrza ustawione wzdłuż torów, P - parownik, KR - kolejka rurowa, SH - S-hak, X - środek najgrubszej części, SP - szykana przepływu powietrza, K - kanał - przestrzeń podstropowa, S1..Sn - szczeliny wypływu powietrza, KP - kierownica perforowana

Stosowanie kanałów powietrznych, wypływów dyszowych, ślepych stropów ze szczelinami, zostało zlikwidowane przez zaostrzenie przepisów sanitarnych w Unii Europejskiej.

Dyszowy wypływ powietrza z kanału powietrznego. Opis: 1 - przewód powietrzny, 2 - dysza (ejektor), 3 - kolejka podwieszona, 4 - półtusza, 5 - strumień powietrza

Schematy wypływów dyszowych i szczelinowych: D - dysze d, Sd - szerokość pasa dyszy, Wd - wypływ z dyszy, - średnica dyszy, n - ilość dysz na 1 mb lub na 1 m2, y, z - rozstaw dysz i układ, Ws - wypływ ze szczeliny, S - szerokość szczeliny w mm - szczelina, L - długość szczeliny w mb, Wx - osiowa prędkość strugi powietrza w odległości x wypływającego ze szczeliny

Wprowadzono tekstylne kanały powietrzne TKP z wielopunktowym wypływem dyszowym powietrza na surowiec. Kanały zlokalizowano nad konstrukcją nośną kolejki rurowej. Dyszowe wypływy powietrza były strefowym wypływem zimnego powietrza.

Nowe rozwiązanie tekstylnych kanałów powietrznych dla sterowania strumieni powietrza

Szczelinowy wypływ powietrza

Szczelinowe wypływy powietrza z tekstylnych kanałów powietrznych stosowane są w klimatyzacji dla wysokich pomieszczeń. Strugi powietrza wypływające ze szczelin dają bardzo dobre mieszanie się (wysoki stopień indukcji) wypływającego powietrzaz powietrzem otaczającym. Szczeliny ustawiane są odpowiednio do rozstawu kanałów powietrznych. Kierunki wypływu mogą być różne w zależności od potrzeb. Dzięki temu uzyskuje się minimalne różnice rozkładu temperatur oraz likwiduje się tzw. "przeciągi temperaturowe".

Ideowy rysunek układu: N - nagrzewnica parowa, CH - chłodnica powietrza, parownik, NP - nawilżacz parowy, dysze rozmieszczone na lancy, WO - wentylator osiowy z dyfuzorem wlotowym, K - kolektor rozdzielczy TKP, SP - stabilizatory przepływu, TKP - tekstylne kanały powietrzne, R - rękawy, Sx2 - dwuszczelinowe wypływy powietrza, L - szerokość napływu powietrza, SN - szerokość nagrzewnicy, Hc - wysokość napływu powietrza, H - wysokość napływu dolnego, Sk - szerokość komory, SD - ścianka działowa

Wypływ szczelinowy

Rysunek podaje układ rękawów tekstylnych kanałów powietrznych ze szczelinami dla wychładzalni mięsa półtusz lub ćwiartek. Układ ten może być również stosowany dla procesu rozmrażania, dochładzania a także magazynowania.

Kąt b wypływu ustalony jest rysunkowo wg geometrycznych wymiarów układu przestrzennego. Według rysunku ustala się również zasięg skutecznego wypływu strugi powietrza ze szczeliny Lx. Wymiar Lx jest charakterystyczną wielkością dla strumienia powietrza, niezbędny do określenia optymalnej prędkości napływu powietrza przy znanej prędkości wypływu ze szczeliny. Przy znanej ilości powietrza obiegowego oraz długości szczelin ustala się szerokość szczeliny. Ilość powietrza określa się wg bilansu cieplnego i warunków temperaturowych z założoną różnicą temperatur.

Wymiana ciepła przy napływie powietrza - dane techniczne:

Dla prędkości napływu strumienia powietrza na centralną część surowca można, orientacyjnie lecz z dużym przybliżeniem, określić współczynnik przejmowania ciepła ap na powierzchni najgrubszej jego części.

Według wymiarów gabarytowych szynki a - szerokość i b - grubość, można określić czas rozmrażania półtuszy lub ćwiartki przy założonych temperaturach i prędkości napływającego strumienia powietrza na półtusze lub ćwiartki.

Znając prędkość napływu do tekstylnych kanałów powietrznych, prędkość wypływu, rodzaj zastosowanej siatki na wypływie, można określić nadciśnienie w kolektorze rozdzielczym i spręż dyspozycyjny wentylatora dla układu TKP z wypływem szczelinowym.

Skrajne rękawy rozdzielcze mają jeden wypływ swobodny przy ścianie. Powietrze z tej szczeliny nie bierze udziału w wymianie ciepła. Jest ono nadwyżką, którą trzeba uwzględnić w obliczeniach wydatku wentylatora lub wentylatorów. Nadwyżka wypływu jest bardzo korzystna gdyż ogranicza rozpływ powietrza, stabilizuje (usztywnia) strefę czynną wymiany ciepła.

Geometria szczelinowego napływu powietrza. Opis: (1) do (n) - tory kolejki rurowej bez transportera lub z transporterem łańcuchowym, S - rozstaw torów - 900 mm minimalna odległość od ściany, (I) do (n) - TKP ze szczelinami - rękawy, b - kąt wypływu dla szczelin rękawa, x - miejsce najgrubszej część półtuszy - szynki. Określa się na podstawie następujących wymiarów: h1 - odległości osi rękawów od górnej krawędzi belki nośnej konstrukcji stalowej, h2 - odległość toru kolejki od górnej krawędzi konstrukcji nośnej, h3 - odległości - długości "S haka" od toru, hx - odległości centrum szynki, najgrubszej części od "S haka", wg pomiarów statystycznych, u - upust powietrza z rękawa, zabezpieczenie przed roszeniem TKP, x - centralna część szynk