Методические указания

Вначале следует внимательно (!) прочитать и ясно представить себе структуру и смысл предлагаемого Вам задания на контрольную работу. Следует иметь в виду, что заданием предусмотрен самостоятельныйвыбор студентом некоторых исходных данных (перечень и массу хранимых продуктов, материал и массу тары, некоторые размеры и число холодильных камер, конструкции их ограждений, выбор строительных и изоляционных материалов и т.д.). Если, по Вашему мнению, в условии задачи не приведены некоторые данные, не огорчайтесь и задайтесь ими самостоятельно, но обязательно отметьте этот факт в пояснительной записке. Помните, что здесь Вы решаете холодильную задачу, а не технологическую. Поэтому пусть Вас не смущает, в некоторых случаях, “странные” исходные данные (например, 1 или 2 вида продукции в холодильнике; низкие температуры летнего воздуха и т.д.). Таковы условия задачи!

Если Вы задались каким-либо продуктом и не можете отыскать в справочной литературе его теплофизические характеристики (например, удельную теплоемкость, энтальпию), разрешается принять такие характеристики по другому, родственному продукту.

При выборе варианта задания считать, что:

–  значение аравно сумме последней и предпоследней цифр номера зачетной книжки студента (цифру 0 считать как 10);

–  три последние цифры номера зачетной книжки, прочтенные в обратном порядке, образуют число G(все нули в этом числе следует заменить цифрой 7);

–  температура воздуха в камере t_камвыбирается из литературы [2, с. 315];

–  значение t_н.в= (25 +b) C, гдеb– последняя цифра номера зачетной книжки;

–  четному значению bсоответствует холодильный агент (хладон)R22, а нечетному – экологически чистый холодильный агентR134а.

Ниже приведены некоторые пояснения к каждому из семи упомянутых выше этапов, которые Вам необходимо преодолеть, выполняя контрольную работу. Здесь же даны комментарии и ссылки на соответствующую литературу.

1.Итак, первым пунктом задания предусматривается определение строительных размеров холодильника и конкретизация его планировки.

Холодильники предприятий общественного питания в зависимости от их размеров могут содержать несколько камер с приблизительно одинаковыми температурами (мясо-рыбная; для молочных продуктов и яиц; фруктов, зелени, напитков). Площадь каждой из них обычно лежит в пределах 5...20 м²[1, с. 290-296]. Поэтому, если в расчете Вы получили площадь менее 5 м², необходимо задатьсяF_стр= 5 м².

Этим и следует руководствоваться при составлении планировки холодильника: при выборе ассортимента хранимых продуктов рекомендуется заранее спланировать предполагаемое число камер и не выбирать из справочных таблиц [2, с. 315] продуктов одной группы свыше 300...400 кг. Попытайтесь спланировать одну камеру, если емкость холодильника не превышает 400 кг продуктов (в такой камере допустимо хранить любые продукты), две камеры – если емкость холодильника не превышает 650...700 кг и три – четыре камеры для более крупного холодильника [2, с. 333-337; 3, с. 28-33]. Желательно также предусмотреть камеру пищевых отходов.

Строительную площадь отдельной камеры холодильника предприятия общественного питания рассчитывают по формуле [2, с. 312-315; 3, с. 39]

, м²(1)

где G_сут– суточное поступление груза, кг/сут;

_сут– допустимая продолжительность холодильного хранения, сут (см. табл. 1);

q_F– норма нагрузки на 1 м²строительной площади холодильной камеры, кг/м²(для МР камеры, в среднем,q_F = 180 кг/м²; для МЖ камерыq_F = 170 кг/м²; для камеры ФЗНq_F = 150 кг/м²; для камеры ПОq_F = 160 кг/м²[2, с. 315].

Таблица 1 – Исходные данные для проектирования холодильника [2, 3]

Наименование камеры		Температура хранения, С	Относительная влажность воздуха, %	Срок хранения, сут.
1.	Молочно-жировая (МЖ)	2	85...95	2
2.	Мясорыбная (МР)	0	85	3
3.	Фруктов, зелени, напитков (ФЗН)	6	90	10
4.	Пищевых отходов (ПО)	0	95	0,5

2.Задачей этого пункта является конкретизация конструкций наружных стен и кровли холодильника. При этом весьма важным является правильный выбор толщины слоев теплоизоляции. Ведь, с одной стороны, чем толще теплоизоляция, тем большими будут затраты на строительство холодильника. С другой стороны, слишком малая толщина теплоизоляционного слоя предопределит большие теплопритоки в камеры холодильника, что повлечет за собой существенное увеличение расхода электроэнергии на выработку холода.

Таким образом, выбор оптимальной толщины слоя теплоизоляции представляет собой оптимизационную задачу.

В общем случае ограждение холодильника представляет собой многослойные конструкции. Типичные конструкции наружных стен и покрытий промышленных холодильников приведены в [2, с. 351; 3, с. 25].

На этой основе выбираем конструкцию наружной стены холодильника, представленной на рис. 1.

Такая стена может содержать:

а)  три слоя штукатурки цементной толщиной по 20 мм каждый, (= 0,8 Вт/(мК));

б)  кладку кирпичную в полтора кирпича толщиной 380 мм, (= 0,85 Вт/(мК));

в)  пароизоляцию (гидроизол) толщиной 3 мм, (= 0,3 Вт/(мК));

г)  теплоизоляцию ПСБ-С, (_из= 0,045 Вт/(мК)).

1 – штукатурка цементная; 2 – кладка кирпичная; 3 – теплоизоляция; 4 – пароизоляция Рис. 1 – Наружная стена холодильника

В качестве расчетных параметров для определения толщины теплоизоляции принимаем [2, с. 336]:

а)  температуру в камерах;

б)  расчетную летнюю и среднегодовую температуру в районе строительства (для условий Одессы эти температура составляет 9,9 С);

в)  расчетные разности температур для внутренних ограждений.

Расчётные разности температур для внутренних ограждений принимаем в процентах от расчётной разности температур для наружных стен [2, с. 339]:

а) для стен, отделяющих охлаждаемые помещения от неохлаждаемых, сообщающихся с наружным воздухом 70 %;

б) от помещений, не сообщающихся с наружным воздухом 60 %.

Для наружной стены холодильника (см. рис. 1) можно записать известное уравнение для коэффициента теплопередачи через плоскую многослойную стенку:

, (2)

где ₁,₂– коэффициенты теплообмена на наружной и внутренней сторонах стенки холодильника, Вт/(м²·К);

_i– толщина соответствующих слоев (индексы соответствуют рис. 1), м;

_i– коэффициенты теплопроводности соответствующих слоев, Вт/(м·К).

В уравнении (2) все величины известны, кроме Kи₃.

Решим уравнение (2) относительно ₃, предварительно задавшись рекомендованным (нормативным) значением коэффициента теплопередачиK_H:

. (3)

Другими словами определим из уравнения (3) такую толщину теплоизоляции, которая обеспечит нормативный коэффициент теплопередачи K_H. Последний выбираем из справочной литературы в зависимости от среднегодовой температуры воздуха окружающей среды и температуры воздуха в камере холодильника [2, с. 356; 3, с. 48].

При использовании тепловой изоляции, изготовленной из стандартных (заводских) плит или блоков, требуемую расчетную теплоизоляцию не всегда удается обеспечить. В таких случаях ее округляют в большую сторону до значения, кратного толщине стандартных блоков. Например, вместо расчетного значения _из= 42 мм приходится устанавливать стандартный блок 50 мм. Понятно, что действительный коэффициент теплопередачиK_дв этом случае будет несколько меньше нормативногоK_H. Численное значениеK_дследует определять из формулы (2), подставив вместо₃значение действительной толщины выбранной теплоизоляции.

Такую же операцию следует выполнить и для кровли холодильника: задаться ее конструкцией, определить необходимую толщину выбранного Вами материала теплоизоляции и вычислить действительный коэффициент теплопередачи K_ддля кровли на основе принятого в конструкции толщины теплоизоляционного слоя.

3.Теплопритоки в холодильник определяют как сумму теплопритоков в каждую из камер. Такой расчет для каждой камеры выполняют в соответствии с общепринятой методикой [1, с. 298-303; 2, с. 415-435]:

, Вт, (4)

где Q₁– теплопритоки через ограждения камеры;

Q₂– теплопритоки, связанные с охлаждением груза и тары;

Q₃– теплоприток при вентиляции камеры;

Q₄– эксплуатационные теплопритоки.

Теплоприток Q₁рассчитывают для всех ограждений камеры: наружных и внутренних стен, перегородок между камерами и неохлаждаемыми помещениями, полов и перекрытий. Расчёт проводят по формуле

, (5)

где Q_1ТиQ_1л– теплопритоки в охлаждаемую камеру от наружного воздуха и солнечного излучения, соответственно

, (6)

где K_д– действительный коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²К);

F– площадь поверхности ограждения, м²;

t_н– температура воздуха в смежном помещении или наружного воздуха (для наружных стен),С;

t_к– температура воздуха в камере,С.

Теплоприток от солнечного излучения определяют только для поверхностей, на которые непосредственно падают солнечные лучи по формуле:

, (7)

где t_л– избыточная разность температур, возникающая под воздействием солнечного излучения (условно введенная величина).

Значения t_лопределяют из справочных таблиц [2, с. 420; 3, с. 58] в зависимости от географической широты местности и типа покрытия поверхности стены.

Для городов Украины и покрытий светлых тонов значения t_лсоставляют:

а)  для плоской кровли – 14,9 °С;

б)  для стен, оштукатуренных светлой штукатуркой и ориентированных на

–  запад – 7,2 °С;

–  восток – 6,0 °С.

Теплоприток через пол, расположенный на грунте, в камерах с положительными температурами не рассчитывается.

Результаты расчетов теплопритоков Q₁рекомендуется внести в таблицу.

Начальную температуру продуктов, поступающих в неохлаждённом состоянии, следует принять по своим исходным данным.

Конечную температуру охлажденных продуктов принимают согласно рекомендуемым режимам хранения (см. табл. 1).

Теплопритоки в камеру Q₂от:

а)  продукта рассчитывают по формуле [2, с. 425; 3, с. 59]

, (8)

б)  тары

, (9)

где G_П,G_Т– суточное поступление продукта и тары, соответственно;

i₁,i₂– энтальпии продуктов при начальной и конечной температурах;

С_Т– теплоёмкость тары:

деревянной – 2500 Дж/(кгК);

стеклянной – 835 Дж/(кгК);

картонной – 1460 Дж/(кгК);

металлической – 460 Дж/(кгК);

 – время охлаждения (его следует принять в интервале 12...24 часа).

Теплоприток с наружным воздухом от вентиляции камер Q₃обычно рассчитывают только для камер хранения фруктов и овощей и камеры пищевых отходов [2, с. 427; 3, с. 59] и определяют по формуле

, (10)

где V_кам– объём вентилируемой камеры, м³;

_возд– плотность воздуха, кг/м³;

а– кратность воздухообмена в сутки:

a= 4 – для камеры ФЗН;

а= 10 – для камеры ПО;

i₁иi₂– энтальпия наружного воздуха и воздуха в камере, Дж/кг.

Теплоприток Q₄учитывает ряд мелких теплопритоков, связанных с эксплуатацией камер. Это теплопритоки от освещения камер, пребывания в них людей, открывания дверей, работы электродвигателей и т.д.

Расчет теплопритоков от освещения проводят по формуле

, (11)

где А– удельное количество тепла на единицу площади пола (для камер храненияА= 1,2 Вт/м²[2, с. 428]);

F– площадь камеры.

Расчёт теплопритоков от пребывания людей определяют по формуле

, (12)

где 350 – тепловыделение одного человека при средней интенсивности работы, Вт;

п– число работающих людей.

Для площади камер до 200 м²принимаемп= 2 [3, с. 60].

Теплопритоки от открывания дверей определяют формуле

, (13)

где В– удельный приток тепла при открывании дверей (выбирают в зависимости от типа помещения и площади камер [2, с. 428; 3, с. 61]);

F– площадь камеры, м².

Для камер хранения охлаждённых продуктов при площади камер:

а)  до 50 м²–В= 29 Вт/м²;

б)  50...150 м²–В= 15 Вт/м²;

в)  более 150 м²–В= 12 Вт/м².

Теплопритоки от работы электродвигателя вне камеры определяют по формуле

, (14)

где N_э– потребляемая мощность электродвигателей;

 – КПД электродвигателя.

Если электродвигатель находится внутри камеры, то

.

Эксплуатационные теплопритоки определяют как сумму перечисленных теплопритоков

. (15)

Результаты расчёта тепловых нагрузок по каждой камере рекомендуется внести в таблицу.

Суммарный теплоприток Qⁱв каждую камеру в дальнейшем учитывается при выборе камерных батарей в эту камеру. Необходимую для этой камеры холодильную мощность компрессора определяют по формуле

, (16)

где k– потери холода в трубопроводах (принятьk= 1,05);

b– коэффициент рабочего времени компрессора (принятьb= 0,75).

Отметим, что один компрессор (холодильный агрегат) может обслуживать несколько камер. Естественно, что при расчете холодильной мощности такого компрессора необходимо учитывать сумму Qⁱв эти камеры.

4.Грамотный выбор компрессора холодильной машины (и на этой основе холодильного агрегата) следует начинать с определения условий работы холодильной машины и построения термодинамического цикла её работы вlgP,i-диаграмме для соответствующего холодильного агента.

Фреоновые холодильные машины работают по циклу с регенерацией тепла. В lgP,i-диаграмме такой цикл выглядит следующим образом:

1', 2 – сжатие пара в компрессоре, 2, 3, 4 – процессы в конденсаторе, 4, 4' – переохлаждение жидкого фреона в РТО за счет перегрева его паров (1, 1'), образовавшихся в испарителе, 4', 5 – дросселирование; 5, 1 – кипение фреона в испарителе

Работу фреоновой холодильной машины определяют температурами кипения t₀, конденсацииt_ки температурой пара на входе в компрессорt_1':

–  t₀задают на 8...12 °С ниже температуры воздуха в камере с наинизшей температурой;

–  t_кзависит от температуры оборотной воды, либо окружающего воздуха (при использовании воздушного конденсатора). В последнем случае значенияt_кпринимают на 6...8 °С выше температуры воздуха в помещении, где установлен конденсатор (в работе следует принять: для воздушного конденсатора –t_к=t_н.в+ 8 °С; для проточного конденсатора принятьt_к=t_н.в+ 2 °С);

–  температура пара на входе в компрессор t_1'задается на 20 °С (дляR134a) и на 25 °С (дляR22) выше температуры кипенияt₀.

5.Обычно компрессор (компрессорно-конденсаторный агрегат) выбирают по объёму, который описывают его поршни в единицу времениV_h(м³/с, либо м³/ч).

Эту величину определяют из теплового расчета компрессора.

Однако в настоящей работе такой расчет делать не следует, поскольку в последние годы большинство ведущих фирм-производителей холодильного оборудования прекратили публикацию таких данных и предлагают потребителю выбирать необходимое холодильное оборудование, используя специальные таблицы, либо графические характеристики холодильной мощности конкретных агрегатов (фактически это графическое представление зависимости холодильной мощности компрессора Q₀от температур кипенияt₀и конденсацииt_кагента).

Такие графики для ряда отечественных и зарубежных моделей холодильных машин и агрегатов, работающих на хладонах R22 иR134а приведены в Приложениях А...Е, а также в монографии [5].

В комплект поставки компрессорно-конденсаторных агрегатов обычно, помимо компрессора и конденсатора, смонтированных на общей станине, входит фильтр-осушитель, ресивер, маслоотделитель, элементы КИП и автоматики, а также ЗИП и экземпляр эксплуатационной документации.

В Приложениях А и Б приведены графические характеристики холодильной мощности ряда холодильных машин Мелитопольской фирмы «Рефма» с воздушными и проточными конденсаторами. При этом следует иметь в виду, что согласно отечественным ГОСТам, первая буква В в обозначении холодильной машины указывает, что она снабжена воздушным конденсатором (соответственно, К – проточный конденсатор), вторая буква В указывает, что холодильная машина предназначена для охлаждения воздуха (соответственно, буква Т указывает на то, что холодильная машина предназначена для охлаждения жидкого хладоносителя, т.е. снабжена проточным испарителем). Первая цифра, следующая за буквами, указывает на величину холодильной мощности Q₀(кВт), вторая – на используемый холодильный агент (2 – хладонR22), а третья цифра говорит о температурном исполнении холодильной машины (2 – среднетемпературное исполнение).

В Приложениях В и Г, соответственно, приведены графические характеристики компрессорно-конденсаторных агрегатов на базе спиральных и поршневых компрессоров с воздушными конденсаторами. При этом первые две буквы указывают на компрессорно-конденсаторный агрегат, следующие за ними буква и цифра – на тип конденсатора, остальные буквы и цифры – тип и модель компрессора. Агрегаты могут работать как на R134а, так и наR404а иR22, но графические характеристики здесь приведены дляR134а.

В Приложении Д даны графические характеристики холодильных машин российской фирмы «Остров» при температуре в охлаждаемом помещении плюс 4 С.

В Приложении Е приведены графические характеристики холодильной мощности холодильных агрегатов малой производительности фирмы «Danfoss» при температуре кипения агентаt₀= минус 5С на базе герметичных поршневых компрессоров. Эти данные рекомендуется использовать для подбора агрегатов малой мощности (предпоследняя букваGговорит о том, что агрегат работает наR134а, а буква М – наR22).

Внимание!Вверху каждого из Приложений указан холодильный агент и поддерживаемая в камере температура (либо указанаt₀).

По выбранным ранее значениям t₀иt_к(либо температурам воздуха в холодильной камере и наружного воздуха) студентам следует выбрать одну (либо две) холодильные машины, холодильная мощность которых будет равна, либо несколько больше ранее определенного значения общей нагрузки на компрессорQ₀(формула (14)).

Далее следует определить действительный коэффициент рабочего времени компрессора выбранной холодильной машины по формуле

, (17)

где b = 0,75 – принятое ранее в формуле (16) значение коэффициента рабочего времени компрессора;

Q_0Т– холодильная мощность выбранного компрессора (определённая по графической характеристике);

Q₀– рассчитанная по формуле (16) необходимая холодильная мощность компрессора.

При этом выбор компрессора можно считать удачным, если значение действительного коэффициента рабочего времени b'будет находиться в пределах 0,6...0,75.

6.Как и любые теплообменники, камерные приборы охлаждения (батареи либо воздухоохладители) выбирают из каталогов в каждую из камер по величине теплопередающей поверхностиFпо формуле

, м², (18)

где Qⁱ– теплоприток вi-тую камеру (мы его определяли по формуле (4)), Вт;

k– коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К), (для камерных батарей его принимают равным 2...4 Вт/(м²К), а для воздухоохладителей – 12...20 Вт/(м²К);

t– температурный напор, равный разности температур воздуха в камере и кипящего агента (обычно принимается равным 8...12С).

В Приложении 7 приведены характеристики наиболее часто встречающихся на предприятиях общественного питания типов пристенных батарей (А) и воздухоохладителей (Б). Выбирая камерные батареи, следует, в первую очередь, расположить одну, либо несколько батарей вдоль стен с наибольшими теплопритоками, а затем, по мере необходимости, можно располагать их и вдоль других стен камеры. Если вычисленную площадь камерных батарей невозможно разместить в камере (не хватает площади стен), следует предусмотреть, наряду с пристенными батареями, подвесной воздухоохладитель типа ВОП.

7.В заключение необходимо представить принципиальную схему холодильной установки и разместить в камерах выбранные камерные приборы охлаждения. В качестве примера ниже приведена такая схема для холодильника предприятия общественного питания, имеющего две холодильные камеры: мясо-рыбную и молочно-жировую.