Расчет теплопритоков в охлаждаемые помещения, установление равновесных температуры и влажности воздуха

Тема 4. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРИТОКОВ В ОХЛАЖДАЕМЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ. УСТАНОВЛЕНИЕ РАВНОВЕСНЫХ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА 4.1. Основные понятия. 4.2. Теплоприток от окружающего воздуха через ограждения охлаждаемых помещений. 4.3. Теплоприток от продуктов при их холодильной обработке. 4.4. Теплоприток с наружным воздухом при вентиляции помещений. 4.5. Эксплутационные теплопритоки. 4.6. Теплоприток, выделяемый фруктами и овощами при «дыхании». 4.7. Итоговые данные расчета теплопритоков. 4.8. Равновесная температура воздуха в охлаждаемом помещении. 4.9. Равновесная относительная влажность воздуха в охлаждаемом помещении. 4.1. Расчет теплопритоков состоит в последовательном учете количества теплоты, поступающей в охлаждаемое помещение (аппарат) от каждого из источников теплоты, которые могут оказать влияние на установление и поддержание заданного теплового режима в охлаждаемом объекте. В установившемся состоянии в охлаждаемое помещение будут проникать и возникать внутри самого помещения (аппарата) следующие виды теплопритоков: от окружающей среды Q₁ , вызванный проникновением теплоты через ограждения; от продуктов Q₂ при их холодильной обработке; с наружным воздухом Q₃ при вентиляции помещений; эксплутационный Q₄ от различных источников; теплоприток Q₅ от «дыхания» фруктов и овощей. Сумма всех теплопритоков Q_об=Q₁ +Q₂ +Q₃ +Q₄ +Q₅ (4.1) в каждую камеру определяет тепловую нагрузку на камерное холодильное оборудование и служит основанием для расчета и подбора камерных приборов охлаждения. Сумма теплопритоков на группу камер с примерно одинаковой температурой кипения хладагента в приборах охлаждения (аппаратах) определяет тепловую нагрузку на компрессор и служит основанием для подбора компрессоров и другого основного и вспомогательного оборудования: Q_км(t0) = Q_{1 км} + Q_{2 км} + Q_{3 км} + Q_{4 км} +Q_{5 км} , (4.2) где n – число охлаждаемых помещений, камерное оборудование которых работает с одной температурой кипения t₀. Холодильная установка будет способна отвести все теплопритоки в том случае, если ее холодопроизводительность будет определена по наиболее неблагоприятным условиям работы. Наиболее неблагоприятным условием будет тот период работы, в который сумма всех теплопритоков будет максимальной. Такой период называется расчетным, а максимальная сумма теплопритоков (но в общем случае не сумма максимальных значений) – расчетной тепловой нагрузкой. Поскольку из всех теплопритоков наибольшее численное значение имеют теплопритоки Q₁ и Q₂ , то при расчетах определяют значения теплопритоков от окружающей среды (Q₁ +Q₃ ) для наиболее жаркого времени года в данной местности, а Q₂ – из расчета максимального суточного поступления продукта в охлаждаемое помещение. Если максимальное значение обоих теплопритоков совпадают по времени, то расчетная нагрузка вычисляется путем суммирования максимальных значений теплопритоков: Q_p=Q_1max +Q_2max При несовпадении по времени максимальных значений теплопритоков расчетный период будет определяться временем, в котором сумма теплопритоков будет максимальной и расчетная нагрузка Q_р=(Q₁ +Q₂ )_max. Точный учет всех теплопритоков невозможен, поэтому приходиться сталкиваться с некоторыми упрощениями при расчете, предполагая стационарность теплового режима, хотя в действительности тепловой режим не стационарен. 4.2.Теплота от окружающей среды проникает внутрь охлаждаемых помещений в результате действия двух процессов: теплопередачи через ограждения вследствие наличия разности температур t_н окружающей среды и t_пм воздуха внутри помещения (аппарата) и поглощения наружной поверхностью ограждений теплоты солнечной радиации. Поэтому Q₁=Q_1т +Q_1с . (4.3) Теплоприток, возникающий под влиянием разности температур, определяют по выражению (4.4) где k – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²К);× F – площадь теплопередающей поверхности ограждения, м²; R – термическое сопротивление ограждения, м²К/Вт.× Общий теплоприток Q_1T в данное охлаждаемое помещение является суммой теплопритоков через каждое из ограждений, ограничивающих это помещение. Размеры поверхности ограждений определяют в соответствии со следующими правилами: для угловых помещений за длину наружных стен принимают расстояние от внешней поверхности наружной стены до оси внутренней стены (размеры а и б на рис. 4.1); для неугловых помещений длину наружной стены находят по расстоянию между осями внутренних стен (размер в); за длину внутренних стен (перегородок) принимают расстояние от внутренней поверхности наружных стен до оси перпендикулярных внутренних стен (размеры г и д), или между осями внутренних стен (размер в); размеры пола и потолка определяют по размерам внутренних стен (размеры г и д или в и е); высоту стен промежуточных этажей и первого этажа многоэтажного холодильника, имеющего пол, расположенный на грунте, считают от уровня пола одного этажа до пола вышележащего, т.е. в размер включается толщина перекрытия над данным помещением; в верхнем этаже многоэтажного холодильника и при определении высоты стен одноэтажного – от уровня пола до верха засыпки покрытия; в первом этаже над неохлаждаемым подвалом – от уровня потолка подвала до уровня пола вышележащего этажа. Если теплота передается через наружные ограждения, то температура t_н является расчетной температурой наружного воздуха. Ее расчет представляет определенные трудности даже в том случае, когда расчетный период установлен, например самый жаркий месяц года. Выбор среднемесячной температуры воздуха в качестве расчетной приводит к недочету возможных Рис. 4.1 Размеры поверхности ограждений на плане здания для расчета теплопритоков значительных колебаний температуры, вследствие чего в жаркие дни могут возникнуть теплопритоки, отвести которые с помощью холодильной установки будет невозможно из-за недостаточной ее холодопроизводительности. Возможное влияние, которое оказывают колебания температуры наружного воздуха на состояние воздуха внутри помещений, зависит от теплоустойчивости ограждения или, иными словами, его массивности. Чем легче ограждение, тем быстрее и с большей амплитудой передадутся через него к внутренней поверхности ограждения колебания температуры наружного воздуха. Напротив, в массивном ограждении температурные колебания будут затухать в большей степени и к внутренней поверхности проникать с более заметным отставанием по фазе. Таким образом, выбор расчетной температуры наружного воздуха связан с конструкцией ограждения, так как для каждой конструкции могут существовать такие колебания температуры наружного воздуха, которые могут привести к недопустимым колебаниям температуры на внутренней поверхности ограждения. Для массивных ограждений, какими являются ограждения обычных холодильных сооружений, кратковременные циклические изменения температуры наружного воздуха вызывают колебания теплового потока, существенно затухающие внутри ограждения. В связи с этим за расчетную температуру наружного воздуха t_н принимают среднюю температуру наиболее жаркой пятидневки (которую вычисляют как среднее значение для восьми наиболее жарких пятидневок за пятьдесят лет). При отсутствии этих данных можно пользоваться формулой: (4.5) где t_{ср. мес} – среднемесячная температура самого жаркого месяца; t_{аб. max} – температура абсолютного максимума, т.е. наивысшая температура воздуха, наблюдавшаяся в данном районе; а и б – коэффициенты. Формула (4.5) отражает влияние амплитуды колебаний ночных и дневных температур в данной местности на расчетное значение температуры. Одним из выражений этого типа, пригодным для массивных ограждений и ограждений средней массивности, является следующее: (4.5 а) Проектные организации используют зависимость: (4.5 б) Для местностей, характеризуемых высокой среднемесячной температурой t_ср.мес, более приемлема зависимость (4.5 б). Для легких ограждений проектные организации принимают расчетное значение температуры наружного воздуха на 10 К выше значения, полученного по зависимости (4.5 б) (4.5 в) Расчетную температуру, найденную по выражению (4.5), округляют до целых значений. Что касается температуры охлаждаемого помещения t_пм, то она задается технологическими условиями. При определении количества теплоты, проходящей через внутренние ограждения, отделяющие данное охлаждаемое помещение от других охлаждаемых или отапливаемых помещений, т.е. от помещений, где поддерживается вполне определенная температура, ее значение и подставляют в формулу (4.4) вместо температуры t_н. В ряде случаев при расчете приходиться вычислять теплопритоки из неохлаждаемых и неотапливаемых помещений, температура в которых не фиксирована (коридоры, вестибюли, тамбуры, лестничные площадки и т. п.). Температура в таких помещениях самоустанавливается в результате теплоподвода со стороны наружного воздуха и теплоотвода в смежные охлаждаемые помещения. Для определения теплопритоков через стены из неохлаждаемых помещений, имеющих непосредственный выход наружу, разность температур принимается равной 70 % от расчетной разности температур для наружных стен. Если неохлаждаемое помещение не имеет непосредственного выхода наружу, то разность температур принимается равной 60 % от расчетной разности температур. Например, между охлаждаемыми помещениями 1 и 2 расположены два неохлаждаемых вестибюля 3 (рис. 4.2), имеющие выход наружу, и неохлаждаемая экспедиция 4, непосредственно не соединяющаяся с наружным воздухом. Расчетная температура наружного воздуха t_н.р.= 30 ⁰С. Таким образом, для наружных стен помещения 1 расчетная разность температур t_н.р - t_пм=50 ⁰С, а для помещения 2 она будет 40 ⁰ 50=35×С. При определении теплопритока из вестибюлей 3 в помещение 1 разность температур будет 0,7  ⁰ 40=28×С, а для помещения 2 она окажется 0,7  ⁰ 50=30×С, для теплопритока из экспедиции 4 в помещение 1 расчетная разность температур – 0,6 ⁰ 40=24×С, а в помещении 2 – 0,6  ⁰С. При определении теплопритока через пол из неохлаждаемого подвала, не имеющего окон, разность температур составляет 50 % от расчетной разности температур для наружных стен. При наличии в подвале окон разность температур принимают равной 60 % от расчетной разности температур для наружных стен. Рис. 4.2. План, поясняющий пример определения теплопритока из неохлаждаемых (и неотапливаемых) помещений Теплоприток через пол, расположенный на грунте и имеющий обогревательные устройства: (4.6) где Q _пол – количество теплоты, проникающее через пол в охлаждаемое помещение, Вт; k_д – действительный коэффициент теплопередачи конструкции пола, принимаемый согласно расчетам (п.3.6.) Вт/(м²  К);× t_ср – средняя температура воздуха в каналах (t_ср =3 ⁰С) или средняя температура слоя с нагревательными устройствами (t_ср= 1 ⁰С); t_пн – температура воздуха в охлаждаемом помещении, ⁰С. Если пол, расположенный на грунте, не имеет обогревательных устройств, то теплоприток через него определяют суммированием теплопотерь через условные зоны шириной 2 м (рис. 4.3.а) по формуле: (4.7.) где k_усл. – условный коэффициент теплопередачи соответствующей зоны пола, Вт/(м²К);для неизолированного пола для 1, 2, 3, 4 зон× _{ki усл=} равен соответственно 0,45; 0,23; 0,12; 0,07 Вт/(м²К);× F_i – площадь соответствующей зоны пола, м²; особенностью расчета угловых помещений является то, что площадь 2 , примыкающего к углу наружных´заштрихованного квадрата размером 2 стен, учитывают дважды, чтобы учесть усиленный теплоприток через углы здания. Рис. 4.3 Пример разбивки на зоны: а - площадь пола; б - наружного ограждения подвала m – коэффициент, характеризующий относительное возрастание термического сопротивления пола при наличии изоляции, (4.8) где d_i – толщина i- го слоя конструкции пола, м; l_i  К).×– коэффициент теплопроводности i-го слоя конструкции пола, Вт/(м Для неизолированных полов m=1.Теплоприток через заглубленные неизолированные стены подвальных помещений определяют как для неизолированного пола по формуле (4.7), а соответствующие зоны отсчитывают от поверхности земли вниз, причем пол подвала учитывают как продолжение подземной части наружных стен (рис. 4.3.б). При расчете теплопритоков в камеру, расположенную рядом с другой, имеющей более низкую температуру воздуха, кроме положительных теплопритоков появляются отрицательные теплопритоки (потеря теплоты в соседнюю камеру с более низкой температурой). Нагрузку на камерное оборудование Q_{1т об}. находят как сумму положительных теплопритоков в данную камеру (отрицательные значения теплопритоков принимают равными нулю) и берут 100 % полученной величины. Нагрузку на компрессор Q_{1т км} рассчитывают как алгебраическую сумму теплопритоков через ограждения камеры (с учетом знака). Теплоприток от солнечной радиации через наружные стены и покрытия холодильников Q_{1 с} определяют по формуле: кВт, (4.9) где k_д – действительный коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м² К);× F – площадь поверхности ограждения, облучаемого солнцем, м²; tD_с – избыточная разность температур, характеризующая действие солнечной радиации в летнее время, ⁰С. (4.10) где J – напряжение солнечной радиации, Вт/м², количество теплоты, получаемое единицей поверхности под действием солнечной радиации; а - коэффициент поглощения поверхности, зависит от цвета и степени шероховатости поверхности; a_н – коэффициент теплоотдачи со стороны наружного воздуха, Вт/(м² К).× Теплоприток от солнечной радиации зависит от зоны расположения холодильника (географической широты), характера поверхности и ориентации ее по сторонам света. Для наружных стен избыточную разность температур принимают по данным, представленным в табл. 4.1. tDДля плоских кровель с темной окраской принимают _с=17,7 ⁰tDС, при светлой окраске - _с= 14,9 ⁰С, при покрытии плоской кровли асфальтом - tD_с= 18,5 ⁰С При определении теплопритока от солнечной радиации через чердачные покрытия принимают следующие значения избыточной разности температур: ,jГеографическая широта . ⁰ 10 20 30 40 50 60 tDИзбыточная разность температур _с, ⁰С 29 24 20 15 10 5 Таблица 4.1. Избыточная разность температур для наружных стен