Проектирование холодильников
На предприятиях «искусственный» холод используют для обслуживания следующих объектов: камер для охлаждения и хранения охлажденного сырья; морозильных камер; скороморозильных аппаратов; камер для хранения замороженного сырья или продукции; технологических аппаратов.
Для получения холода применяют преимущественно компрессионные установки. Камеры и аппараты обслуживаются непосредственным испарением или рассольным охлаждением.
Достоинством рассольного охлаждения является возможность аккумуляции холода, что позволяет периодически выключать часть мощностей холодильной установки. Кроме того, при рассольном охлаждении упрощается регулирование температуры и исключается отрицательное влияние холодильного агента на продукт в случае неплотности системы.
Непосредственное испарение применяют там, где требуются постоянные низкие температуры: в камерах замораживания, скороморозильных аппаратах некоторых конструкций. Расход холода при непосредственном охлаждении меньше, а схема использования холода проще, чем при рассольном охлаждении.
2.9.1. Калорический расчет холодильной установки
Калорический расчет выполняют с целью определения расхода холода и выбора холодильных машин.
Затраты холода (в Вт) в холодильных камерах складываются из следующих статей расхода [3]:
Qj — на компенсацию потерь холода через ограждения (полы, стены, потолки);
Q2— на термическую обработку продуктов;
Q3— на охлаждение и осушение воздуха, подаваемого для вентиляции камер;
Q4— на компенсацию эксплуатационных потерь холода (из-за открывания дверей камеры, освещения, работы электродвигателей, пребывания в камере людей и пр.).
Общий расход холода (в Вт):
Qобщ= Q 1 + Q2 + Q3 + Q4 (2.76)
Расход холода (в Вт) на компенсацию потерь через ограждения, связанный с разностью температур соседних помещений и притоком тепла в результате солнечной радиации, рассчитывают по формуле:
Q1 = F K [(tH- tB) + Dtизб] (2.77)
где F— поверхность ограждения, м2; К— коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/ (м2К); tни tB— температура воздуха снаружи и внутри камер, °С; Dtизб— избыточная разность температур, °С.
Температура наружного воздуха tHв отдельных помещениях, смежных с холодильной камерой, бывает различной, и поэтому Q1 рассчитывают для каждого ограждения в отдельности.
Величина Dtизб учитывается только для наружных поверхностей, подвергаемых облучению солнцем, и в зависимости от географической широты принимается следующей:
Широта, град 40 50 60
Dtизб 0C 15 10 5
При термической обработке продуктов холод (в Вт) расходуется на их охлаждение, Q2ох, компенсацию тепловых выделений, связанных с биохимическими процессами, Q2б, конденсацию паров, образующихся в связи с усушкой продуктов, Q2ус, на замораживание, (Q2зам, и домораживание продукции, Q2дом.
Qобщ = Q2ох + Q2б +Q2ус + Q2зам +Q2дом (2.78)
Если продукт хранится в охлажденном виде, то Q2ОХрасходуется на доведение его до требуемой температуры, а если подлежит замораживанию, — то до криоскопической точки. Для упакованных продуктов учитывают расход холода на охлаждение тары. Масса бочек и ящиков составляет 10-15%, а стеклянных банок 30-35% от массы нетто продукта.
q20X= (тпсп+ ттст) (tH- tк), (2.79)
где тпи тт— масса продукта и тары, кг; спи ст— удельная теплоемкость продукта и тары, Дж/(кг. К); tHи tк— начальная и конечная температура продукта в таре, "С.
Расход холода (в Вт) на компенсацию тепловых выделений рассчитывается по формуле:
Q2б=mп g, (2.80)
где g — удельное количество тепла, выделяемого в 1 с, Вт/кг.
Величину g (в Дж/кг . с) можно принять следующей:
для мяса, птиц и рыбы 0 ,17
для ягод 0,11
для плодов 0 ,03
Расход холода (в Вт) на конденсацию паров, выделяющихся в результате усушки продукта, находят из выражения:
Q2yc= Dg mnrи + gин rK, (2.81)
где Dg— относительная усушка, доли единицы; gm— количество инея, конденсирующегося на батареях, кг/с; rи и rK— удельная теплота испарения и конденсации, Дж/кг.
Расход холода (в Вт) на замораживание продукта, охлажденного до криоскопической точки, составляет:
Q2зам= mnW jrл, (2.82)
где W— относительное содержание влаги в продукте, доли единицы; j— относительное количество вымороженной влаги при средней конечной температуре замораживания, доли единицы; гл— удельная теплота льдообразования, равная 335 • 103Дж/кг.
Если продукт содержит, например, 75% влаги, а количество вымороженной влаги составляет 87,4% от общего ее количества, то W= 0,75, а j = 0,874.
Необходимое количество холода (Вт) на домораживание продукта рассчитывается по формуле:
Q2дом= mnс3п(kp-tcp.K), (2.83)
где с3п— удельная теплоемкость замороженного продукта, Дж/(кг- К); tкри tср.к— криоскопическая и средняя конечная температура, °С.
Расход холода (Вт) на охлаждение, замораживание и домораживание продукта может быть ориентировочно определен, исходя из изменения его теплосодержания, по формуле:
Q2= mn(iн – i к), (2.84)
где iн и i к — начальная и конечная энтальпия продукта, Дж/кг.
Расход холода (Вт) на охлаждение и осушение воздуха, связанные с вентиляцией, рассчитывают по формуле:
Q3= V a/v [p (iн – i к ) + rK(gH . jн+ gK. jк)], (2.85)
где V— объем вентилируемой камеры, м3;a/v— кратность смены воздуха в единицу времени, м3/с; р — плотность воздуха в камере, кг/м3; iн и iк — энтальпия наружного воздуха в камере при соответствующей влажности, Дж/кг; rк— удельная теплота конденсации водяных паров, Дж/кг; gHи gK— содержание влаги в воздухе наружном и в камере, кг/м3; jни jн— относительная влажность воздуха наружного и в камере, доли единицы.
Эксплуатационные потери холода (Вт) складываются из следующих величин.
1. Потери холода через дверные проемы
Q4дв= qдв F, (2.86)
где qдв— удельный приток тепла при открывании дверей (на 1 м2пола камеры), Вт/м2(приведен в табл. 2.34); F — площадь камеры, м2.
Таблица 2.34- Удельный приток тепла при открывании дверей
Помещения | Удельный приток тепла при открывании дверей при высоте камеры 3,6 м и площади | ||
до 50 м2 | до 150 м2 | свыше 150 м2 | |
Камеры хранения охлажденных грузов Камеры замораживания Камеры хранения замороженных грузов Экспедиция | 17,5 18,6 12,8 46,5 | 9,3 9,3 7,0 23,2 | 7,0 7,0 4,6 11,6 |
2. Потери холода, связанные с электрическим освещением и работой электродвигателей.
Q4эл= qосв F + hодн å Nдв 103 (2.87)
где qосв— удельный приток тепла от освещения, Вт/м2; å Nдв — суммарная мощность электродвигателей, кВт; hодн — коэффициент одновременности работы двигателей, в зависимости от их количества и характера технологического процесса колеблется от 0,4 до 1,0.
qосвзависит от типа помещения и коэффициента одновременности включения светильников и составляет в среднем (Вт/м2): для производственных помещений — 4,5; для складских помещений— 1,16; для малых холодильных камер — 3,1.
3. Потери холода, связанные с пребыванием людей в камерах.
04прл= 350 п , (2.88)
где n - количество человек, находящихся одновременно в камере.
Суммарные потери холода Q4 составляют для крупных холодильников 10%, для мелких — до 40% от общих тепловых потерь через ограждения Qx1и потерь, связанных с вентиляцией Q3.
2.9.2. Ограждающие конструкции и изоляция холодильников
Стены холодильников сооружают из кирпича, естественного камнят и крупных сборных панелей. Кирпичные стены имеют толщину 250, 380 или 510 мм. Желательно использование местных природных каменных материалов малой теплопроводности (ракушечника,туфа и др.).
В многоэтажных холодильниках стены состоят преимущеcтвенно из сборных железобетонных панелей. Панели корытообразнойформы имеют высоту, равную высоте этажа, ширину 2ми толщину 60 мм. Гладкие панели из железобетона или керамзитобетона изготовляют высотой 4,8, 5,2, и 6,4 м; шириной 1,5 и 3 м; толщиной 120 мм. Наружные стеновые панели покрывают теплоизоляцией из пенопласта, пенополиуретана или полужестких минераловатных плит на битумной связке.
Перегородки в холодильниках должны быть тонкими и легкими. В помещениях с повышенной влажностью и в огнеопасных местах их изготовляют из кирпича (толщиной в полкирпича). В особо ответственных случаях используют монолитные железобетонные перегородки толщиной 60-100 мм. В сухих помещениях могут быть использованы гипсовые перегородки из крупных панелей толщиной 80-100 мм. Широко применяют перегородки из ячеистых бетонов и из плит изоляционных материалов.
Полы холодильников в основном бетонные мозаичные. Иногда используют асфальтовые или асфальтобетонные полы, состоящие из литой массы, укладываемой в один слой толщиной 25 мм или в два слоя общей толщиной 40-60 мм. Асфальтовые полы не скользкие и водонепроницаемые, но деформируются под влиянием значительных стационарных нагрузок и поэтому вытесняются полами из мозаичных плит.
Покрытия холодильников бесчердачные. Крыши преимущественно двускатные с уклоном до 2%. Кровля выполняется из гидроизола, стеклорубероида марок С-РК и С-РЧ или обычного рубероида, которые наклеивают в несколько слоев на битумной мастике.
В качестве теплоизоляционных материалов ограждающих конструкций холодильников используют минеральную и стеклянную вату, пенобетон, газобетон, пеностекло, керамзит, пемзу, туф, вспученный перлит.
Широкое распространение получили жесткие минераловатные плиты, которые в настоящее время вытесняются более эффективным пенополистиролом. Размеры плит, изготовляемых ИЗ этих материалов (в мм), приведены в табл. 2.35.
Таблица 2.35 Размерные характеристики строительных материалов
Плиты | Длина | Ширина | Толщина |
Жесткие минеральные плиты Пенополистиролы | 900-2000 | 500-1000 | 40, 50 или 60 25, 30, 50 или 100 |
К пароизоляционным материалам, применяемым при сооружении холодильников, относятся битум, рубероид, гидроизол, борулин и др.
Толщина изоляции (в м) может быть определена по формуле:
qиз = lиз ! 1/К - ( 1/a1 + a1 /g1+ a2 /g2+ … an /gn + 1/a2)!
где К— коэффициент теплопередачи изолированной конструкции ограждения, Вт/(м2- К); a1и a2— коэффициенты теплоотдачи от наружного воздуха к ограждающей поверхности и от внутреннейповерхности к воздуху камеры, Вт/(м2.К); gиз, g1, g2, ••• gп~~ коэффициенты теплопроводности изоляционных и строительных материалов, Вт/(м2- К).
2.9.3. Подбор холодильных машин
Расход холода, полученный в результате расчета, суммируют отдельно для следующих групп потребителей:
а) камер хранения охлажденного сырья и танковых отделений и, температура в которых должна быть около 0 °С;
б) камер хранения замороженных продуктов, в которых поддерживается температура -18 °С (в соответствии с температурой загруженного продукта);
в) морозильных камер и скороморозильных аппаратов, в которых температура должна быть -25 °С и ниже.
В танковом отделении статьи расхода холода следующие:
а) в пусковой период — на охлаждение помещения, находящихся в нем танков и другого оборудования, а также на компенсацию потерь через ограждения;
б) в период загрузки танков — на охлаждение продукта и на компенсацию потерь;
в) в период хранения охлажденного сока — на компенсацию потерь.
Расход холода в камерах хранения охлажденных и замороженных продуктов зависит от объема камер, который определяется количеством хранящихся грузов и их нагрузкой на единицу объема камеры.
Плотность грузов, хранящихся в холодильных камерах, составляет (т/м3):
— плоды и овощи свежие в ящиках: яблоки и груши — 0,34; тыква — 0,3; лук-репка — 0,34; морковь — 0,32;
— плоды и овощи в контейнерах: яблоки и груши — 0,45; капуста — 0,3; лук-репка — 0,38; свекла — 0,46; бахчевые — 0,45; морковь — 0,36;
— замороженные продукты: говядина в четвертинах — 0,40; полутушах —0,3; баранина — 0,28; свинина — 0,45; мясо в блоках, в картонных ящиках или рогожных кулях — 0,45; рыба частиковая навалом — 0,35; рыба осетровых пород навалом — 0,45.
Температуру испарения холодильного агента принимают на 10 °С ниже необходимой температуры замораживания при непосредственном испарении и на 15 °С ниже при рассольном охлаждении. Для камер хранения охлажденных продуктов она составляет 8—12°С, для камер хранения замороженных продуктов -30 °С, для морозильных камер и скороморозильных аппаратов -40 °С.
Холодопроизводительность установки принимается с запасом 10%. Следует запроектировать несколько компрессоров с тем, чтобы можно было регулировать включение мощностей в зависимости от потребности.