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;

Q 3— 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); t ни tB— температура воз­духа снаружи и внутри камер, °С; Dtизб — избыточная раз­ность температур, °С.

 

Температура наружного воздуха tH в 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, Q₂^ох, компенсацию тепловых выделений, связанных с биохимическими процессами, Q 2^б, конденсацию па­ров, образующихся в связи с усушкой продуктов, Q 2ус, на за­мораживание, (Q 2зам, и домораживание продукции, Q 2дом.

Qобщ = Q₂^ох + Q 2^б + Q 2ус + Q 2зам + Q 2дом (2.78)

Если продукт хранится в охлажденном виде, то Q₂ ОХрасходу­ется 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+ т тст) (tH - t к ), (2.79)

где тп и т т — масса продукта и тары, кг; спи ст— удельная теплоемкость продукта и тары, Дж/(кг. К); tH и t к— началь­ная и конечная температура продукта в таре, "С.

Расход холода (в Вт) на компенсацию тепловых выделений рассчитывается по формуле:

Q 2^б =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:

Q2^зам= mnW jr_л, (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:

Q2^дом = mn с3п(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(i н – i к), (2.84)

где i н 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

Q₄^дв= qдв F, (2.86)

где q дв — 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.

Q ₄^эл= 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 Qx 1и 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:

q_из = l_из! 1/К - (1/a₁ + a₁ /g₁+ a₂ /g₂+ … a_n /g_n + 1/a_2)!

 

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); g_из, g₁, g₂, ••• g п~~ 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.