ВИБІР ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК І РОЗМІРІВ ХОЛОДИЛЬНИКА

1.1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Холодильники – складні господарства. Проектуванням їх займаються організації, що мають Державну ліцензію на цей вид діяльності.

Перед початком проектування холодильного підприємства виконують техніко-економічне обґрунтування його створення (бізнес-план), після обговорення і затвердження якого приступають до проектних робіт.

Великі, або унікальні об'єкти проектують у 3 етапи:

1 – ескізний проект,

2 – технічний проект,

3 – робочий проект.

В інших випадках 1^й і 2^й етапи звичайно сполучають.

Проектування виконують не тільки холодильщики. Узгоджено з ними працюють фахівці з будівельній справі, водопостачанню, теплопостачанню, вентиляції, каналізації, електротехніці, автоматиці, економіці, екології й ін.

Робочий проект холодильного підприємства звичайно включає наступні розділи:

· архітектурно-будівельний;

· холодильно-технологічний;

· санітарно-технічний;

· електротехнічний;

· автоматизації.

Кожен розділ складається з розрахунково-пояснювальної записки і робочих креслень. Крім цього робочий проект включає комплект кошторисів витрат на виробництво усіх видів робіт і замовлені відомості для покупки устаткування і матеріалів.

На всіх етапах проектування (і передпроектных робіт) потрібно враховувати наступні фактори, що впливають на створення холодильника:

· асортимент оброблюваних і збережених продуктів, їх

кількість і упакування;

· прийняту технологію холодильної обробки і збереження

продуктів;

· прийняті способи виконання вантажно-розвантажувальних,

транспортних і складських робіт на холодильнику;

· клімат і рельєф району будівництва;

· наявність зовнішніх під'їзних колій;

· умови подачі і вартість електроенергії і води;

· рівень будівельної техніки і кваліфікації будівельників у

районі створення холодильника;

· тип і вартість будівельних і ізоляційних матеріалів,

холодильного устаткування, автоматики й ін.;

· зарплату будівельників;

· термін амортизації холодильника;

· сейсмічні вимоги;

· величину господарського району обслуговування, наявність у

ньому холодильних підприємств, холодильного транспорту;

· умови роботи і зарплату персоналу холодильника;

· охорону праці, санітарію, протипожежний захист і т.п.;

· загальні перспективи розвитку (темпи морального зносу

устаткування, стан науково-технічних досліджень і ін.).

1. 2. ВИБІР БУДІВЕЛЬНОЇ КОНСТРУКЦІЇ ХОЛОДИЛЬНИКА

Яким буде холодильник, одноповерховим або багатоповерховим? Ось одне з перших питань, на які потрібно відповісти при проектуванні.

Багатоповерхові холодильники характеризуються дорогими і складними будівельно-ізоляційними конструкціями, називаними етажерочними.

Одноповерхові холодильники простіше і дешевше. Для їхнього спорудження часто використовують швидкоспоруджувальні ізоляційні конструкції з «сендвич-панелей». Опис будівельно-ізоляційних конструкцій одноповерхових і багатоповерхових холодильників дано в [2 ÷ 5].

Головним достоїнством багатоповерхових холодильників є мале відношення площі зовнішніх огороджень охолоджуваного будинку до його обсягу і, отже, зменшені зовнішні теплоприпливи в охолоджувані приміщення.

Чим більше місткість холодильника, тим важливіше це достоїнство. Тому великі холодильники (місткістю більш 5000 т.) будують у багатоповерховому виконанні, незважаючи на великі витрати будівельних матеріалів, робочої сили і тривалий термін їхнього зведення.

Мінімальні зовнішні теплоприпливи характерні для підземних холодильників. Однак їх будують тільки на основі використання наявних підземних виробітків і порожнеч, тому що земляні роботи досить дорогі.

Холодильники малої місткості (не більш 500 т.) будують в одноповерховому виконанні.

Задачу вибору поверховості холодильника середньої місткості (від 500 до 5000 т.) можна вирішити з урахуванням достоїнств і недоліків одноповерхових холодильників у порівнянні з багатоповерховими.

Достоїнства одноповерхових холодильників, зв'язані з їхньою будівельною конструкцією:

· більш проста будівельна конструкція, тому що каркас

холодильника несе навантаження лише від даху, охолоджуючих

приладів, вітру, снігу;

· менші вимоги до міцності ґрунту;

· менша витрата будівельних матеріалів;

· придатність способу полегшеного будівництва з використанням

«сендвич-панелей»;

· більш короткий термін будівництва;

· менша вартість будівництва;

· великі можливості у виборі форми плану будівлі;

· можливість утворення замкнутого теплозахисту без «теплових

містків».

Достоїнства одноповерхових холодильників, зв'язані зі зручністю механізації вантажних робіт:

· шляхи внутрішніх перевезень продуктів – тільки по

горизонталі; це дозволяє цілком механізувати вантажно-

розвантажувальні і транспортні роботи усередині холодильника;

· великі довжини вантажних платформ дозволяють прискорити

зовнішні вантажні роботи;

· можливість будівництва великих камер (шириною до 36 м.),

вільних від колон; це дозволяє полегшити і прискорити

вантажні роботи усередині камер;

· можливість максимального скорочення внутрішніх шляхів

перевезень [наприклад, камери перевалочних холодильників

можуть мати безпосередні виходи на охолоджувані

залізничні й автомобільні платформи];

· менші експлуатаційні витрати.

Недоліки одноповерхових холодильників у порівнянні з багатоповерховими:

· велика займана площа земельної ділянки;

· підвищена витрата теплоізоляційних матеріалів, тому що

в одноповерхових холодильників більше відношення площі

зовнішніх огороджень до внутрішнього об'єму охолоджуваних

приміщень;

· підвищені зовнішні теплоприпливи пояснюються великою

площею покриття, що опромінюється сонцем, а також

необхідністю обігрівання ґрунту під охолоджуваними

приміщеннями з негативними температурами повітря;

· більш довгі системи трубопроводів наводять не тільки до

збільшення капіталовкладень, але і до підвищених

експлуатаційних витрат [наприклад, довгі усмоктувальні

трубопроводи охолодних приладів низькотемпературних камер

є причиною того, що тиск усмоктування компресорів

виявляється нижче тиску кипіння холодильного агента в

камерних батареях і повітроохолоджувачах];

· великі витрати на створення системи захисту від промерзання

ґрунту під холодильником;

· непривабливий зовнішній вигляд обмежує будівництво

одноповерхових холодильників у районах міської забудови.

Компромісним рішенням є двоповерхові холодильники, що називають також одноповерховими з підвалом. Ці холодильники доцільно споруджувати на положистих схилах місцевості так, щоб кожен поверх мав власну вантажну платформу. Це дозволяє уникнути міжповерхових переміщень складованих вантажів.

Двоповерхові холодильники мають наступні достоїнства в порівнянні з одноповерховими:

· значно менша площа забудови;

· менша потреба в теплоізоляційних матеріалах;

· зменшені зовнішні теплоприпливи;

· менша довжина трубопроводів;

· зручна боротьба з промерзанням ґрунту, тому що на нижньому

поверсі споруджують камери схову охолоджених продуктів.

Експлуатація холодильних камер з негативною температурою повітря може привести до замерзання ґрунту, розташованого під ними. Волога, що знаходиться в ґрунті, а також та, що дифундує ззовні в зону низьких температур, замерзає і спучує ґрунт. При цьому підлоги в камерах схову стають нерівними, а замерзання вологи в ґрунті під фундаментом холодильника приводить до тріщин у стінах аж до їхнього руйнування.

Існують наступні методи запобігання промерзання ґрунту під низькотемпературними камерами:

· запобігання контакту підлоги камери з ґрунтом, який

деформирується морозом, шляхом засипання товстого шару

непучиністих матеріалів (гравій, щебінь, шлак), або устрій

підлог холодильника на стовпчиках висотою близько 1 м.;

· устрій підвалів з розташованими в них камерами схову

охолоджених продуктів;

· устрій «шанцевих підлог», тобто підігрів ґрунту зовнішнім

повітрям, що циркулює в асбоцементних трубах,

покладених нижче ізоляційного шару в бетонну підготовку

підлог; у холодний час року повітря підігрівають до (10...12) °С

перед подачею його в труби;

· підігрів ґрунту за допомогою електричних нагрівачів,

виготовлених з арматурного заліза, покладених у бетонну

підготовку підлог; температура в зоні обігріву автоматично

підтримується на рівні (1...3) °С;

· підігрів ґрунту рідиною, що протікає в системі

трубопроводів, покладених нижче ізоляційного шару підлог камер;

при цьому температура в зоні обігріву підтримується на рівні

(2...6) °С; для зменшення енерговитрат рідину нагрівають у

спеціальному теплообміннику за рахунок переохолодження

рідкого холодильного агента перед дроселюванням;

· підігрів ґрунту за принципом «теплової труби»; при цьому

холодильний агент, що циркулює в автономному контурі

теплової труби, конденсується усередині труб, покладених у

бетонну підготовку підлог, а потім випаровується в

спеціальному теплообміннику холодильної установки за рахунок

переохолодження основного потоку рідкого холодильного агента

перед дроселюванням; температура в зоні обігріву підтримується

на рівні (1...3) °С шляхом регулювання витрати основного

потоку рідкого холодильного агента через теплообмінник.

1. 3. ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ ОХОЛОДЖУВАНИХ ПРИМІЩЕНЬ ХОЛОДИЛЬНИКІВ

До визначення основних розмірів приміщень холодильника приступають після того, як у результаті техніко-економічних розрахунків або іншим шляхом отримані дані про масу усіх видів продуктів, що підлягають одноразовому збереженню.

Розрахунок розмірів камер схову виконують по кожному виду збережених продуктів за наступною схемою.

1. Вантажний обсяг камери (тобто обсяг, зайнятий вантажем)

(1)

де G – маса збереженого продукту, т.;

g_v – норма завантаження одиниці вантажного обсягу, т ¤ м³.

Розмір g_v різний для різних продуктів і перебуває в межах (0,2...0,8) т ¤ м³.

Значення g_v для найбільш розповсюджених продуктів приведені в таблиці 1.

2. Вантажна площа камери (тобто площа підлоги, зайнята вантажем)

(2)

де h_гр – висота складування продукту.

При виборі h_гр варто враховувати:

· прийняту будівельну висоту камери;

· прийняті камерні охолодні прилади, а також системи

повітророзподілу;

· необхідні мінімальні технологічні відступи по висоті

(0,2 м.) від стелі, батарей, повітроводів; при безканальному

повітророзподілу найменший відступ від стелі дорівнює 1 м.;

· розміри тари;

· міцність тари;

· діючих правил техніки безпеки;

· припустиме навантаження на 1 м² підлоги [g], яке дорівнює

(2...2,5) т ¤ м² для сучасних багатоповерхових і 4 т ¤ м² для

одноповерхових холодильників.

Необхідно, щоб g_v × h_гр < [g].

3. Будівельна площа камери включає вантажну площу, а також ділянки підлоги камери, не зайняті вантажем. До них відносять:

· необхідні мінімальні технологічні відступи від стін і

пристінних охолодних приладів (0,3 м.);

· мінімальні проходи для огляду збережених продуктів (0,8 м.);

· проходи для проведення вантажних робіт вручну (1,2 м.);

· проїзди для штабелеукладачів, якщо передбачено механізацію

вантажних робіт (2,2 м.);

· вільні площадки біля дверей ((5...6) м²).

Спочатку будівельну площу камери визначають приблизно

(3)

де b - коефіцієнт використання будівельної площі камери,

залежний від величини F_гр. Для малих камер (F_гр< 50 м²)

b = 0,7, для середніх (F_гр= (50…300) м²) b = 0,75...0,8;

для великих камер (F_гр>300 м²) b = 0,85.

Для вантажів, що знаходяться на підвісних шляхах

(4)

Таблиця 1. Норми завантаження вантажного обсягу камер холодильників

де g – норма навантаження на 1 м² будівельній площі камери;

для м'яса g = (0,2...0,25) т ¤ м² .

Для камер холодильної обробки продуктів

(5)

де G¢ - продуктивність камери, т ¤ добу;

t - час циклу холодильної обробки продукту (із завантаженням

і вивантаженням камери), годин.

4. Після обчислення будівельних площ камер для усіх видів

продуктів, що не допускають спільного збереження, приблизно визначаємо будівельну площу всього холодного контуру

(6)

де h_х – коефіцієнт використання будівельної площі

холодильника. Для холодильників малої місткості

h_х = 0,7...0,75; для середніх - h_х = 0,75...0,85,

для великих холодильників h_х = 0,85...0,9.

Якщо холодильники будують індустріальним методом, то дійсна сумарна будівельна площа холодного контуру (F_хол) повинна бути пропорційна цілому числу будівельних прямокутників.

Площа будівельного прямокутника (F_бп) визначається прийнятим кроком колон. Наприклад, при кроці колон 6´6 м., F_бп = 36 м².

Тоді (7)

де n_бп – округлене до цілої величини число будівельних

прямокутників.

Уточнена сумарна будівельна площа холодного контуру

(8)

Потім переходять до складання планування холодильника.

Вимоги, пропоновані до планувань, а також приклади планувань різних холодильників можна знайти в рекомендованій літературі [2 ÷ 5].

Якщо відомо планування, основні будівельні розміри камери й охолодні прилади, встановлені в ній, то можна визначити уточнене значення місткості камери для конкретного виду продуктів. Для цього на плані камери наносять схему розміщення продуктів, що зберігаються, з урахуванням тари і всіх необхідних бічних відступів, а потім підраховують обсяг отриманого штабеля (V_гр^*) з урахуванням відступів по висоті. Тоді

(9)

Наближене значення місткості камери, якщо відомо її будівельну площу, можна визначити за допомогою приведених вище формул. Наприклад, для камер схову заморожених продуктів

(10)

Місткість холодильників вимірюють у тоннах умовного вантажу, для якого питома норма завантаження вантажного об'єму камери g_усл = 0,35 т ¤ м³. Місткість камери в тоннах умовного вантажу

(11)

Загальну місткість холодильника визначають підсумовуванням величин G_усл для всіх камер схову.

Місткість камер холодильної обробки продуктів, а також місткість допоміжних охолоджуваних приміщень при цих камерах не враховують при визначенні місткості холодильника.

1.4. ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ТЕПЛОІЗОЛЯЦІЙНОГО МАТЕРІАЛУ

Після складання планування холодильника і вибору всіх елементів його будівельно-ізоляційної конструкції визначають товщини ізоляційних шарів огороджень. Для цього необхідно знати коефіцієнти теплопередачі всіх огороджень холодильника – зовнішніх і внутрішніх.

Коефіцієнти теплопередачі огороджень визначають техніко-економічними розрахунками, або по довідкових таблицях. Значення цих коефіцієнтів повинні враховувати реальні товщини ізоляційних і інших шарів огороджень.

Нижче приведені отримані автором аналітичні залежності, що дозволяють з достатньою точністю визначати розрахункові значення коефіцієнтів теплопередачі для огороджень холодильних камер.

Більша частина території України відноситься до середньої кліматичної зони, де середньорічна температура повітря позитивна, але нижче 9 ºС (див. таблицю 6). Для цієї зони коефіцієнти теплопередачі зовнішніх стін холодильних камер к_нс можна обчислити по формулі

[Вт /(м² К)] (12)

Для південної кліматичної зони значення к_нс, отримані по формулі (12), варто зменшити на 20 %.

Коефіцієнти теплопередачі покрить холодильників, які не мають горищ,

(13)

Коефіцієнти теплопередачі горищних покрить холодильників

(14)

Коефіцієнти теплопередачі внутрішніх стін і перегородок, що відокремлюють охолоджувані приміщення від неохолоджуваних, але неопалюваних

(15)

Коефіцієнти теплопередачі внутрішніх стін, перегородок і межповерхових перекриттів між охолоджуваними приміщеннями можна обчислити по формулі

[Вт /(м² К)] , (16)

де Dt_п – різниця між температурами повітря більш теплого і

холодного охолоджуваних приміщень по оба боки

огородження.

Обчислені значення коефіцієнтів теплопередачі стін, перегородок, покрить і межповерхових перекриттів холодильних камер перевіряють на недопущення конденсації вологи з навколишнього повітря на теплому боці зазначених огороджень

, (17)

де к^* - коефіцієнт теплопередачі відповідного огородження,

наприклад, к^* = к_нс);

a¢_н - мінімальне значення коефіцієнта тепловіддачі від

повітря до теплої сторони огородження; можна приймати

a¢_н = 6 Вт /(м² К);

t_н - розрахункова літня температура зовнішнього повітря

(для зовнішніх огороджень), або температура приміщення з

теплого боку внутрішньої стіни, перегородки або

межповерхового перекриття;

t_р - температура крапки роси, що відповідає температурі

і відносної вологості повітря з теплого боку

огородження холодильної камери.

Указівки на вибір t_н див. на с. (31...33) даного навчального посібника.

Відносна вологість зовнішнього повітря для міст України дана в таблиці 6. Відносну вологість неохолоджуваних, але неопалюваних приміщень можна приймати рівною 90 % .

Температуру t_р визначають за допомогою діаграми d – h (вологовміст – ентальпія) вологого повітря.

Якщо нерівність (17) не виконується, то обчислене значення к^* зменшують настільки, щоб вираз (17) перетворився в рівність.

Знаючи розмір коефіцієнта теплопередачі, розраховують для кожного багатошарового огородження товщину теплоізоляційного шару по формулі

(18)

де a_н і a_к - розрахункові значення коефіцієнтів тепловіддачі з

зовнішнього і внутрішнього боків огородження;

d_і і l_i - товщина і коефіцієнт теплопровідності кожного

будівельного шару конструкції огородження;

l_из - розрахункове значення коефіцієнта теплопровідності

обраного ізоляційного матеріалу огородження.

Наближені значення a_н і a_к дані в таблиці 2.

Більш точно величини a_н для зовнішніх поверхонь холодильника можна розрахувати по формулі ( 30 ).

Значення d_i приймають у залежності від обраної ізоляційної конструкції огороджень холодильника (див. рекомендовану літературу (2 ¸ 5)). Значення коефіцієнтів теплопровідності ізоляційних і будівельних матеріалів наведені в таблиці 3.

Таблиця 2. Коефіцієнти тепловіддачі біля поверхонь огороджень

холодильних камер

Для урахування впливу теплопровідних включень в ізоляційному шарі розрахункове значення l_из визначають як:

(19)

де l - коефіцієнт теплопровідності теплоізоляційного

матеріалу, наведений у таблиці 3.

Якщо застосований теплоізоляційний матеріал випускається у вигляді плит, то розмір d_из, одержаний з виразу (18), звичайно збільшують таким чином, щоб він був кратним товщині плит. При цьому якщо прийнята збільшена товщина ізоляції d^*_из відрізняється від d_из більш

ніж на 5 % , то необхідно визначити дійсне значення коефіцієнта теплопередачі по формулі

(20)

Таблиця 3. Коефіцієнти теплопровідності l і середня об'ємна маса r основних ізоляційних і будівельних матеріалів у сухому стані.

1. 5. ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ПАРОІЗОЛЯЦІЙНОГО МАТЕРІАЛУ

Ізоляційні конструкції холодильних камер включають пароізоляційний шар, установлюваний для захисту холодильної ізоляції від зволоження. Звичайно пароізоляцію встановлюють з теплого боку теплоізоляційного шару.

Для того щоб пароізоляція виконувала свої захисні функції, недостатньо установити її стосовно теплоізоляційного шару з боку більшого парціального тиску водяної пари в повітрі. Потрібно також вибрати товщину пароізоляції, що забезпечує необхідний опір проходженню водяної пари крізь ізольоване огородження.

Графічний метод розрахунку товщини пароізоляції [2] не забезпечує необхідну точність навіть при великих розмірах графіків.

Розглянемо запропонований автором аналітичний метод розрахунку товщини пароізоляційного шару в огородженнях холодильних камер, що запобігає конденсації водяної пари, що дифундує крізь ізоляцію. Він простіше і точніше графічного, а також добре погодиться із сучасними системами автоматичного проектування.

Цей метод заснований на тім, що пароізоляційний шар повинен запобігати утворенню початкової зони конденсації водяної пари в теплоізоляційному матеріалі навіть при самому несприятливому співвідношенні парціальних тисків водяної пари в повітрі навколо зовнішньої і внутрішньої поверхонь ізоляції.

Вираз для визначення товщини пароізоляційного шару d_п має вигляд

, (21)

де m_п і m_из – коефіцієнти паропроникності пароізоляційного

і теплоізоляційного матеріалів; чисельні значення цих

коефіцієнтів наведені в таблиці 4;

t_ин – температура зовнішньої поверхні шару теплової ізоляції;

t_ив – температура внутрішньої поверхні шару теплової ізоляції;

b, c, m, n – коефіцієнти, що залежать від t_ин і t_ик ; чисельні

значення цих коефіцієнтів зведені в таблицю 5.

При розрахунках ізоляції огороджень холодильних камер відомі температури повітря (t_{н ,} t_к), і коефіцієнти тепловіддачі з боку повітря (a_н, a_к) по обох боках огородження, коефіцієнти теплопровідності і товщини окремих шарів огородження, а також загальний коефіцієнт теплопередачі (к) ізоляційної конструкції. По цим даним, використовуючи відомий метод теплопередачі, легко розрахувати температури зовнішньої і внутрішньої поверхонь шару теплової ізоляції t_ин і t_ик

, (22)

, (23)

де

d_ВН, l_ВН - товщина і коефіцієнт теплопровідності внутрішнього

лицювального шару огородження;

d_З, l_З - товщина і коефіцієнт теплопровідності шару теплової

ізоляції.

Як приклад використання аналітичного методу розглянемо розрахунок товщини пароізоляційного шару для зовнішньої стіни камери схову заморожених продуктів (t_к = -20 °С, j_к = 0,95), розташованої в м. Одесі (t_н = 32 °С, j_н = 0,66).

Таблиця 4. Коефіцієнти паропроникності основних