Szybkie schłodzenie

Zadaniem układu chłodniczego jest z jednej strony szybkie schłodzenie owoców lub warzyw po zbiorze, z drugiej zaś utrzymanie stabilnej temperatury w okresie długotrwałego przechowywania. Wydajność chłodnicza układu powinna zapewnić wychłodzenie dobowego załadunku komory do temperatury około 5°C (lub niższej) przed rozpoczęciem załadunku następnej partii produktów. Jest to wymóg szczególnie istotny dla technologii KA, dla której przyjmuje się, że czas załadunku całej komory nie powinien być dłuższy niż 5 dni. Wartość temperatury schłodzenia odnosi się do tkanki produktów, a nie do powietrza w komorze. Nie można dopuścić do przemrożenia warstwy powierzchniowej owoców, spowodowanego zbyt niską temperaturą powietrza opuszczającego chłodnicę. Bardzo ważne jest wstępne wychłodzenie pustej komory, co najmniej na 24 godziny przed rozpoczęciem załadunku. Doboru wydajności urządzeń chłodniczych dokonuje się na podstawie bilansu cieplnego komór.

Bilans cieplny

Najważniejszymi jego składnikami dla szczytowego zapotrzebowania wydajności chłodniczej w okresie zbioru są:

• Ciepło przenikające przez przegrody budowlane (ściany, drzwi, sufit, posadzkę). Należy uwzględnić współczynnik przenikania ciepła "k" zalecany dla poszczególnych przegród budowlanych, ich powierzchnię oraz różnicę temperatur po obu stronach przegrody.
• Ciepło dopływające z produktem. Należy uwzględnić masę i średnią temperaturę produktów wnoszonych do komory, ich ciepło właściwe, które na przykład dla jabłek wynosi około 3,7 kJ/(kg K) oraz temperaturę, do której będą schłodzone przed rozpoczęciem załadunku następnej partii.
• Ciepło oddychania owoców. Pod uwagę bierze się wartość średnią pomiędzy najwyższą i najniższą temperaturą dla owoców schładzanych bezpośrednio po załadunku do komory oraz wartość odpowiadającą temperaturze przechowywania dla owoców schłodzonych wcześniej. Dla przykładu, ciepło oddychania jabłek w temperaturze 20°C zawiera się w granicach 160–266 J/(kg godz.), a w temperaturze 0°C 21–42 J/(kg godz.).
• Ciepło wprowadzone z opakowaniami (ciepło właściwe drewna lub plastiku skrzyniopalet), uwagi dotyczące masy opakowań i ich temperatury są analogiczne, jak dla ciepła dopływającego z produktem.
• Ciepło pracy silników elektrycznych (wentylatory chłodnicy, wózek widłowy). Należy uwzględnić moc sumaryczną i czas pracy na dobę poszczególnych urządzeń.
• Ciepło oświetlenia (moc żarówek oświetleniowych w komorze). Pod uwagę bierze się sumaryczną moc zainstalowanych źródeł oświetlenia i czas załączenia na dobę.

Jako elementy dodatkowe, o nieco mniejszym znaczeniu dla obliczeń szacunkowych bilansu cieplnego komory uwzględnić można jeszcze następujące składniki:

• Ciepło pracy ludzi (liczba osób pracujących stale w komorze w czasie załadunku). Bierze się pod uwagę intensywność pracy fizycznej i związaną z nią moc oraz czas pracy.
• Ciepło usuwania szronu z chłodnic (grzałki elektryczne zainstalowane w chłodnicach). Związane jest to z podgrzewaniem chłodnicy w celu stopienia lodu i oczyszczenia bloku lamelowego.
• Ciepło wentylacji (wymiana powietrza z otoczeniem przez otwarte drzwi w czasie załadunku komór). Uwzględnia ilość ciepła dostającą się do wnętrza komory wraz z ciep­łym powietrzem z zewnątrz dyfundującym przez otwarte drzwi do wnętrza zimnej komory chłodniczej.
• Ciepło transpiracji (pomijalnie małe, można uwzględnić we współczynniku korekcyjnym do bilansu cieplnego).

Sprężarki i chłodnice powietrza

Najczęstszym typem układu chłodniczego jest system bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego.
W małych chłodniach jedna sprężarka (kompletny układ chłodniczy) obsługuje zwykle jedną komorę. W obiektach średniej wielkości stosuje się kilka sprężarek zblokowanych w jednym układzie pracującym ze wspólnym kolektorem (fot. 1). W tym systemie stosuje się regulac­ję wydajności układu sprężarkowego w zależności od obciążenia cieplnego komór chłodniczych. W obiektach dużych najczęściej stosowanym systemem jest układ pośredniego chłodzenia z glikolem jako czynnikiem pośredniczącym (fot. 2).

Fot. 1. W obiektach średniej wielkości stosuje się kilka sprężarek zblokowanych w jednym układzie pracującym ze wspólnym kolektorem

Fot. 2. W obiektach dużych najczęściej stosowanym systemem jest układ pośredniego chłodzenia z glikolem

Chłodnica powietrza powinna mieć odstęp lamel nie mniejszy niż 6,35 mm (0,25 cala), co zabezpiecza ją przed zbyt szybką akumulacją szronu. Nadmiar szronu ogranicza wymianę ciepła oraz blokuje swobodny przepływ powietrza, co może być przyczyną nierównomiernego rozkładu temperatury w polu komory. Chłodnica powinna mieć małą wysokość i głębokość oraz dużą długość. Lepiej sprawdzają się w praktyce chłodnice wyposażone w dużą liczbę mniejszych wentylatorów niż małą liczbę dużych. Chłodnice najczęściej umieszcza się nad drzwiami komory. Długość chłodnicy powinna mieś­cić się w granicach od 70% do 100% wymiaru ściany, na której jest zainstalowana (fot. 3). Dla krótszej chłodnicy można zastosować kurtynę oddzielającą stronę tłoczną od ssącej. Zasięg wydmuchu wentylatorów powinien być większy od długości komory, przy zachowaniu prędkości powietrza nie mniejszej niż 1 m/s na granicy zasięgu, a wydatek objętościowy wentylatorów w okresie wychładzania owoców odpowiadać około 40 wymianom powietrza na godzinę, w odniesieniu do pustej komory chłodniczej. Po okresie wychładzania wydatek wentylatorów można zmniejszyć 2- a nawet 3-krotnie, poprzez wyłączanie części wentylatorów chłodnicy, obniżenie prędkości silników wielobiegowych lub płynną regulację obrotów silnika za pomocą falowników prądu przemiennego.

Fot. 3. Długość chłodnicy powinna mieścić się w granicach od 70% do 100% wymiaru ściany, na której jest zainstalowana

Różnica temperatury

Parametr la się jako różnicę pomiędzy temperaturą powietrza wchodzącego do chłodnicy a temperaturą odparowania czynnika chłodniczego lub temperaturą czynnika pośredniego we wnętrzu chłodnicy. Należy dążyć do uzyskania możliwie małej wartości parametru ę przez wzajemne dopasowanie mocy sprężarki i chłodnicy w układach bezpośredniego odparowania. Parametr średnim odparowaniu czynnika chłodniczego, 3–4°C (lub mniejszy) — przy pośrednim układzie chłodniczym. W USA w wielokomorowych układach chłodniczych bezpośredniego odparowania pracujących ze wspólnym kolektorem, powszechnie stosuje się regulatory ciśnienia parowania czynnika (EPR), które na czas wychładzania wstępnego i załadunku komory są wyłączane dla zapewnienia większej wydajności chłodniczej urządzenia.

Sterowanie procesem chłodzenia

Ważnym elementem układu jest automatyka sterująca procesem chłodzenia. Powinna zapewniać nie tylko utrzymanie właściwej temperatury w obiekcie, ale również sterować procesami cyklicznego mieszania powietrza w komorze, odszraniania chłodnic, kontroli pracy skraplacza, regulacją wydajności sprężarki oraz nadzorować całość obiektu, na przykład wyłączenie chłodzenia w chwili otwarcia drzwi do komory chłodniczej.

Dla zalecanej średniej temperatury przechowywania odchylenia temperatury powietrza (gazu) nie powinny przekraczać 0,5°C, odchylenia temperatury tkanki przechowywanych owoców lub warzyw nie powinny być większe niż 0,25°C od wymaganej. Ustawienie histerezy termostatu (różnica temperatur pomiędzy załączeniem i wyłączeniem układu chłodzenia) komory chłodniczej powinno uwzględniać moc zainstalowanych urządzeń chłodniczych. Przy dużej mocy chłodniczej czas potrzebny do obniżenia temperatury w komorze w trakcie przechowywania jest krótki. Efektem jest częs­te załączanie chłodzenia na bardzo krótkie okresy. Może to prowadzić do zwiększonej awaryjności urządzenia chłodniczego i jego przedwczesnego zużycia. Powiększenie histerezy termostatu może w takim przypadku przynieść korzystne rezultaty zmniejszenia częstości i zwiększenia długości czasu pracy sprężarki.

Czujnik pomiaru temperatury najlepiej umieścić w strumieniu cieplejszego powietrza powracającego z komory do chłodnicy. Godne polecenia jest zastosowanie wielopunktowego pomiaru temperatury w polu komory, co zabezpiecza owoce lub warzywa przed negatywnym efektem różnicowania się temperatury oraz składu atmosfery w różnych punktach komory. Sygnał przekroczenia nastawionej dopuszczalnej różnicy temperatury może być wykorzystany do sterowania mieszaniem powietrza w komorze przez załączenie wentylatorów chłodnicy. Przy stosowaniu jednopunktowego pomiaru temperatury komory cykliczne mieszanie powietrza przy użyciu wentylatorów chłodnicy powinno być sterowane zegarem termostatu, na przykład 5 minut mieszania co pół godziny.

Odszranianie chłodnic powinno być sterowane sumowanym czasem pracy agregatu chłodniczego, bowiem tylko w czasie pracy agregatu i chłodnicy występuje jej szronienie. Czasowe sterowanie prostym zegarem termostatu może prowadzić do nadmiernej, w stosunku do rzeczywistych potrzeb, liczby cykli odszraniania, powodując zwiększone zużycie energii elektrycznej oraz przyczyniając się do przegrzewania składowanych produktów i zmniejszenia wilgotności względnej powietrza w komorze. Zakończenie procesu odszraniania powinno być również sterowane precyzyjnym czujnikiem temperatury umieszczonym na chłodnicy, a nie zegarem termostatu. Woda z odszraniania chłodnic może być wyprowadzona na posadzkę komory lub do specjalnego naczynia (beczki) z podziałką wyskalowaną na przykład w litrach w celu kontrolowania stopnia transpiracji (ususzki) produktów. Z komory z KA skropliny z chłodnicy wyprowadza się na zewnątrz przez syfon (niezamarzający) zapewniający zachowanie gazoszczelności komory Niezależnie od stosowanego systemu sterowania odszranianiem, należy dążyć do całkowitego usunięcia lodu z chłodnicy. Częściowo stopiony lód może ponownie zamarznąć powodując nie tylko zmniejszenie wydajności
chłodniczej, ale również odkształcenie i/lub uszkodzenie rur, lamel czy elektrycznych grzałek chłodnicy.

Wentylatory skraplacza czynnika chłodniczego powinny być również sterowane w zależności od ciśnienia (temperatury) skraplania, w celu zapewnienia optymalnych warunków pracy zaworu rozprężnego i sprężarki chłodniczej. Zarówno zbyt wysokie, jak i zbyt niskie ciśnienie skraplania jest niekorzystne w eksploatacji urządzenia chłodniczego.

Wielokomorowe układy chłodnicze pracujące ze wspólnym kolektorem ze sprężarką wyposażoną w regulację wydajności lub układy z wieloma sprężarkami wymagają również precyzyjnego sterowania, w celu zapewnienia optymalnych warunków termicznych i wilgotnościowych w komorze przechowalniczej dla produktów ogrodniczych.

Układ sterujący pracą urządzenia chłodniczego może pełnić również uzupełniające funkcje pomocnicze zabezpieczające samo urządzenie, owoce i warzywa oraz obsługę chłodni przed niespodziewanymi zdarzeniami powodowanymi czynnikami przypadkowymi, na przykład błędami ludzi czy uszkodzeniami elementów układu (tak zwany system inteligentny).

Rozmieszczenie elementów układy chłodniczego

Skraplacz freonu (powietrzny) powinien być umieszczony w otwartej przestrzeni (fot. 4), najlepiej w miejscu ocienionym, od północnej strony obiektu przechowalniczego. Zaleca się z reguły, aby sprężarka, zbiornik ciekłego czynnika i automatyka sterująca były zainstalowane wewnątrz budynku chłodni w wydzielonej maszynowni lub, ewentualnie, w pomieszczeniu pakowni owoców. Umieszczenie agregatu chłodniczego (sprężarka, skraplacz, zbiornik) na zewnątrz budynku może prowadzić do uszkodzeń powodowanych ekstremalnymi warunkami termicznymi (mróz, upał) w naszej strefie klimatycznej. Elektroniczne, mikroprocesorowe układy sterujące pracą chłodni również nie są odporne na ekstremalne warunki termiczne i powinny być montowane w temperaturze najbardziej zbliżonej do pokojowej i niekondensującej wilgotności powietrza.

Fot. 4. Skraplacz freonu powietrzny

Wilgotność

Przechowywanie owoców i warzyw wymaga utrzymania wysokiej wilgotności względnej powietrza lub atmosfery przechowalniczej. Wilgotność ta dla wybranej temperatury przechowywania powinna zawierać się w granicach 90–95% lub powyżej. Nieuniknioną konsekwencją pracy każdego układu chłodniczego, nawet najlepiej dobranego, w komorze chłodni jest obniżanie ilości pary wodnej w atmosferze (kondensacja, szronienie chłodnicy) i, w efekcie, zmniejszenie się wilgotności względnej. Skrócenie czasu pracy urządzenia chłodniczego poprzez skuteczną izolację termiczną przegród budowlanych, ograniczenie źródeł ciepła w komorze, takich jak oświetlenie, silniki elektryczne, oraz zmniejszenie ędnej atmosfery. Przyrost temperatury powietrza w komorze o 1°C powoduje spadek wilgotności względnej o około 4%. Częste otwieranie drzwi zwyk­łej komory chłodniczej, zwłaszcza w okresie suchej i mroźnej zimy, prowadzi do utraty wilgoci z atmosfery i nadmiernej transpiracji owoców.