САПР - оптимальное проектирование авторефрижераторов 2

Санкт-Петербургский Государственный Университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра холодильных установок

Оптимальное проектирование транспортных холодильных средств

Расчетная работа

Выполнил: __________

Студент 154 гр.

Принял: __________

С-Петербург

2004

1 Задание.

- расчет теплопритоков через ограждение;

- подбор основного холодильного оборудования;

- разработка математической модели холодильной установки.

2 Методика

Перевозка бекона копченого.

Температура хранения t_пм=-7 °С

Температура наружного воздуха t_нр=36°С

Кузов авторефрижератора 20 футовый.(6000х2400х2700)

- Выбираем теплоизоляционную конструкцию ограждения потолка, стен и пола контейнера для перевозки скоропортящихся продуктов. Вид теплоизоляционной конструкции представлен в приложении [1].

- Определим суммарную тепловую нагрузку на холодильное оборудование контейнера:

Q_Т  = Q₁+Q₂+Q_3ф+Q_от+Q’_от

где 

      Q_ОТ – теплоприток при оттаивании воздухоохладителя,

      Q₁ – суммарный теплоприток через ограждение,

      Q_3Ф – теплоприток от фильтрации воздуха в грузовом помещении,

      Q₂’ – теплоприток от продукта,

      Q’_от - теплоприток

Схема балансов теплопритоков и влагопритоков контейнера:

 SHAPE  \* MERGEFORMAT 

 Cсуммарная влажностная нагрузка:

G_W=  G_WФ+G_w.гр

G_WФ – влагоприток обусловленный фильтрацией;

G_w.гр-влагоприток от продуктов.

Расчет теплопритоков и влагопритоков представлен в приложении [2].

- Подбор оборудования.

Подбор осуществляется вручную по каталогам и с помощью существующего программного обеспечения по расчетному значению тепловой нагрузки Q_Т, температуре кипения t₀, которая определяется как t₀=t_пм-10 °С и температуре конденсации t_к. Результаты подбора представлены в приложении [3].

По информации для выбранного компрессора с помощью программы аппроксимации получаем значения коэффициентов уравнения для холодопроизводительности Q и мощности N:

Q=a₁+a₂t₀+a₃t₀²+a₄t₀t_k+a₅t_k

N= b₁+b₂t₀+b₃t₀²+b₄t₀t_k+b₅t_k

Текст программы аппроксимации:

Program М1;

Uses skmath2;

Procedure forma (t: massiv; var A:massiv);

Begin

A[1]:=1;

A[2]:=t[1]; 

A[3]:=t[1]*t[1];

A[4]:=t[1]*t[2];

A[5]:=t[2];

End;

Begin

Apro (Forma);

End.

Полученные коэффициенты аппроксимации:

а₁=35.3804;  а₂=0.9525;  а₃=0.0054;  а₄=-0.0084;  а₅=-0.4039;

b₁=7.7097;  b₂=0.118;  b₃=0.0012;  b₄=0.003;  b₅=0.093;

Подбор конденсатора осуществляется отдельно после подбора компрепсорно-конденсаторной группы. 

Q_K’=N b+Q_T

Q_K=Q_K’/f₂f₄

Где f₄- поправочный коэффициент, зависящий от марки хладагента, (для R404A f₄=1 )

       f₂ – поправочный коэффициент, зависящий от температуры конденсации и температуры наружного воздуха (определяется по графику, при t_k=45 °C и t_нр=33 °С f₂=0.81)

По марке выбранного конденсатора определяется площадь теплопередающей поверхности F_K, и объемный расход воздуха V_K.

Q_K=k_KF_Kn_Kθ_K

Q_K=V_Kn_Kc_Bρ_B(t_вк-t_нр)

θ_K=(t_вк-t_нр)/[ln(t_вк-t_нр)/(t_k- t_вк)]

Решив систему уравнений с двумя неизвестными, найдем коэффициент теплопередачи k_K

- Разрабатываем математическую модель холодильной установки:

1. Уравнение теплового баланса воздухоохладителя:

Q_T=V_ВОn_ВОc_Bρ_B(t_пм-t_B2)

Где t_B2 – температура воздуха на выходе из воздухоохладителя,

      V_ВО – объем воздухоохладителя,

       n_ВО – количество воздухоохладителей,

       c_B – теплоемкость воздуха,

       ρ_B – плотность воздуха.

2. Уравнение теплопередачи воздухоохладителя:

Q_T=k₀F_BOn_BOθ_BO

где k₀ – коэффициент теплопередачи воздухоохладителя,

      F_ВО – площадь теплопередающей поверхности воздухоохладителя,

      θ_BO – логарифмическая разность температур t_пм и t_B2,

      θ_BO=(t_пм-t_B2)/ln[(t_пм-t₀)/(t_B2-t₀)].

3. Холодопроизводительность компрессора:

Q₀=Qb

Где b – коэффициент рабочего времени.

4. Уравнение теплового баланса:

Q_K=Nb+Q_T

5. Уравнение теплового баланса воздушного конденсатора:

Q_K=V_Kn_Kc_Bρ_B(t_вк-t_нр)

Где V_К – объем конденсатора,

       n_К – количество конденсаторов,

       t_вк – температура на выходе из конденсатора.

6. Уравнение теплопередачи конденсатора:

Q_K=k_KF_Kn_Kθ_K

Где k_K – коэффициент теплопередачи конденсатора,

       F_K – площадь теплопередающей поверхности конденсатора,

       θ_K – логарифмическая разность температур t_вк и t_нр

θ_K=(t_вк-t_нр)/[ln(t_вк-t_нр)/(t_k- t_вк)]

 - Проводим оптимизацию эксплуатационных режимов холодильной установки:

Приведенные затраты

П=∑С_i/T+C_эτ∑N_ib_i

С_i – стоимость i-того вида оборудования,

T – срок окупаемости, 2-5 лет,

C_э – стоимость электроэнергии,

τ –время работы,

N_i – мощность i-того вида оборудования,

b_i – коэффициент рабочего времени,

Расчет сводится к минимизации приведенных затрат.

Оптимизацию проводим по С_э.

Берем производную по С_э от П

С_э τ∑N_ib_i=0

Проводим анализ для 6-ти вариантов.

3 Текст программы

program l155;

uses SKMATH2;

const V_ВО=3.29;    n_ВО=1;     c_В=1.005;     ρ_В=1.32;   t_пм=-7; 

          k₀=0.0327;    F₀=146;   V_K=1.44;      n_K=1;        t_нр=36;

          k_K=0.1397;    F_K=40;     

a₁=35.3804;  a₂=0.9529;  a₃=0.0054;  a₄=-0.0084;   a₅=-0.4039; 

b₁=7.7097;          b₂=0.118;       b₃=0.0012;        b₄=0.003;          b₅=0.093;

k’=0.36;             k’’=0.65;

F_CT=16.2;           F_БОК=6.48;        F_ПОЛ=14.4;        F=90;

E_П=0.7;              I=1080;             V=38.880;        G_Ф=2.7;               

Х=0.094;            N_ЭЛ=3;              τ_ОТ=4;               d_H=0.03;               

r=335;                d_B=0.0018;        i₁=75.3;              τ_ДОП=24;            

i₂’=45.3;             G=8.8e-4;         C=2.1;

var  k, T_НУ, Q₁, Mn,  Q_ОТ, Q_3F,  Q₂’, Q_T, Q₄ :real;

       x:massiv;

procedure sist (x:massiv; var f:massiv );

begin

f[1] :=V_ВО*n_ВО *с_В* ρ_В *(t_пм -x[2])-Q_Т ;

f[2]:=k₀*F₀*n_BO*( t_пм -x[2])/ln[(t_пм -x[1])/(x[2]-x[1])]-Q_T;

f[3]:=(a₁+a₂*x[1]+a₃*x[1]*x[1]+a₄*x[1]*x[4]+a₅*x[4])*x[3]-Q₀;

f[4]:=(b₁+b₂*x[1]+b₃*x[1]*x[1]+b₄*x[1]*x[4]+b₅*x[4])*x[3]+Q_T-x[6];

f[5]:=c_B* ρ_В *V_K*n_K*(x[5]- t_нр)-x[6];

f[6]:=k_K*F_k*n_K*(x[5]- t_нр )/ln[(x[4]- t_нр )/(x[4]-x[5])]-x[6];

end;

procedure tepl (var Q_T1: real);

begin

k:=(2*k’*F_СТ+2*k’*F_БОК+k’*F_ПОЛ+k’’*F_ПОЛ);

T_НУ:= t_нр +En*I/ α_H;

Q₁:=k*F*(T_НУ- t_нр)*1e-3;

Mn:=V*0.0004;

Q₂’:=Mn*(i₁-i₂’)/( τ_ДОП *3600);

Q_ОТ:=N_ЭЛ* τ_ОТ /24;

Q_3F:=G_F*[c_B*( t_нр -t_пм)+r*(d_H-d_B)]/3600;

Q₄:=G*(r+C*x[1]);

Q_T:=Q₁+Q₄+Q_ОТ+Q_3F+Q₂’;

end;

begin

tepl (Q_T1)

writeln (‘Q_T=’, Q_T);

writeln (‘t₀=’, x[1]);

writeln (‘t_B2=’, x[2]);

writeln (‘b=’, x[3]);

writeln (‘t_K=’, x[4]);

writeln (‘t_BK=’, x[5]);

writeln (‘Q_K=’, x[6]);

nelur(6, sist, x);

end.

4 Результаты расчета

х[1]=t₀=

x[2]=t_B2=

x[3]=b=

x[4]=t_K=

x[5]=t_BK=

x[6]=Q_K=

Q_T=

Приложение 1.

Теплоизоляционная конструкция пола:

1-корпус контейнера,

2-настил пола,

3-влагоизолирующие конструкции,

4-теплоизоляция,

5-настил,

6-защитное покрытие.

Теплоизоляционная конструкция стен и потолка:

1-корпус контейнера,

2-обрешетка,

3- теплоизоляция,

4- защитное покрытие.

 EMBED AutoCAD.Drawing.15  

Приложение 2.

Расчет теплопритоков.

Теплопритоки через ограждение

Q₁+Q_1c=kF(t_н.у-t_пм)

t_н.у=t_нр+En I/α_H

En=0.7

I=1080Вт/м²

t_н.у=111.6 °C

k – суммарный коэффициент теплопередачи,

k=к_ст^.F_ст+к_тс^.F_тс+к_кр^.F_кр+к_п^.F_п/F_ст+F_тс+F_кр+F_п

Определение коэффициента теплопередачи через ограждение(стена)

к_из=1/[(1/α_в)+(Σδ_i/λ_i)+(1/α_н)=1/[(1/10)+(0,001/75)+(0,15/0,032)+(0,001/75)+(1/15)]=0,31Вт/м²К

λ_ст=75Вт/мК

λ_ппу=0,032Вт/мК

λ_дер=0,12Вт/мК

Коэффициент теплопередачи через термомост

к_р=1/[(1/10)+(0,001/75)+(0,15/0,3)+(0,001/75)+(1/15)]=1,5Вт/м²К

к_ст=к_р^.F_р+к_из^.F_из/F_р+F_из=1,5^.0,54+0,21^.15,66/0,54+15,66=0,253Вт/м²К

к_п=1,5^.0,48+0,21^.13,92/0,48+13,92=0.36 Вт/м²К

Коэффициент теплопередачи пола

к_из=1/[(1/10)+(0,0012/75)+(0,02/0,12)+(0,15/0,032)+(0,025/0,12)+(0,0012/75)+(1/15)]=0,31Вт/м²К

к_р=1/[(1/10)+(0,0012/75)+(0,02/0,12)+(0,15/0,12)+(0,025/0,12)+(0,0012/75)+(1/ /15)]=0,56Вт/м²К

к_пл=0,56^.1,08+0,31^.13,32/1,08+13,32=0,65Вт/м²К

к=2^.0,253^.16,2+2^.0,253^.6,48+0,253^.14,4+0,22^.14,4/2^.16,2+2^.0,48+14,4+14,4=

=0,41Вт/м²К

20 футовый контейнер имеет размеры: 6х2.4х2.7

F=2^.16,2+2^.6,48+2^.14,4=90м²

Q₁+Q_1c=0.41^. 90^.(111.6+7)=4.4 кВт

Расчет теплопритока от груза

Q₂=m_г^.(i₂-i₁)τ_доп/3600

m_Г=0.4V

V – объем контейнера

V=6*2.7*2.4=38.88 м³

Норма загрузки 0.35-0.45 принимаем 0.4т/м³

m_Г=15.55 т

i₁=75.3кДж/кг-интальпия груза охлажденного

i₂=45.3кДж/кг-интальпия груза поступившего

Q₂=15550^.(75.3-45.3)^.10³/3600^.24=5.41 кВт

Интенсивность тепловыделений от вентиляторов

Для 20 футового контейнера принимаем Q₄=1.5 кВт

Теплопритоки при оттаивании

Q_ОТ= N_ЭЛ τ_ОТ /24

N_ЭЛ – мощность нагревательных элементов, принимаем 3 кВт

τ_ОТ – время оттайки в сутки

τ_ОТ=4 ч/сут

Q_ОТ=0.5 кВт

Теплоприток от фильтрации

Q_3Ф= G_F[c_B( t_нр -t_пм)+r(d_H-d_B)]/3600

G_F – массовый расход воздуха 2.5-3.5 кг/ч, принимаем G_F=2.7 кг/ч

r – теплота кипения воды

r=335 кДЖ/кг

d_Н – влагосодержание наружнего воздуха,

d_Н=30 г/кг

d_В – влагосодержание внутри контейнера

d_В=1.8 г/кг

Q_3Ф=0.04 кВт

Суммарный массовый поток влаги

G_wh=ΔG_wф+ΔG_wпрод

Изменение количества влаги обусловленное фильтрацией

G_WФ=2,5….3,5кг/г=8,05^.10^-4кг/с

Изменение количества влаги обусловленное испарением с поверхности

продукта

G_wпрод=β_n^.F_n(P_n’’-φ^.P_пм’’)

Парциальное давление насыщенного пара на поверхности продукта

P_n’’=642,3exp(0,096t)=642.3exp(0.096^.(-6))=361.06

Парциальное давление насыщенного пара в объеме помещения

P_пм’’=642,3exp(0,096^.(-7))=328,01

Площадь продукта

F_п=0.012^.m_г=0,012^.15,55^.10³=187,2м²

β_п=65^.10^-10кг/м²сПа

G_wпрод=65^.10^-10.187,2^.(361,06-0,8^.328,01)=1,9^.10^-4кг/с

G_wh=1.2^.10^-4+6.9^.10^-4=8.8^.10^-4кг/с

Q’_от=G_Wh(r_пл+с_п^.t₀)=8.8^.10^-4.(335-2,1^.17)=0.3кВт

Q_Т  =0.04+4.4+5.41+0.3+0.5=10.65кВт

Приложение 3.

Зная температуру кипения t₀=-17 °С и температуру конденсации t_K=45°С выбираем оптимальный хладагент на котором будет работать установка.

R404А

Подбор оборудования

Используя существующую программу обеспечения задав тип хладагента, значение тепловой нагрузки  Q_Т  =10.65 кВт и температуру кипения t₀=-17 °С

Подбираем воздухоохладитель.

AHBG-10-16Y-SSA-10-DN 32

Производительность:10.5 кВт

Температура воздуха на входе:-7 °С

Температура воздуха на выходе: -9.2 °С

Площадь теплопередающей поверхности: 146 м²

Суммарный расход воздуха: 3.29 м³/с

Коэффициент теплопередачи: 0.0327 кВт/м²К

Подбираем компрессорно-конденсаторный агрегат.

LH 114 H4FC-6.2Y-40S

Холодопроизводительность: 11.35 кВт

Потребляемая мощность:7.56 кВт

Температура конденсации: 46.7°С

Значения Q₀ в зависимости от t₀  и t_нр, кВт

	-10	-15	-20
30	16.805	13.965	11.417
36	14.879	12.304	9.994
40	13.602	11.205	9.057

Значения N в зависимости от t₀  и t_нр

	-10	-15	-20
30	8.54	7.65	6.82
36	8.92	7.94	7.02
40	9.17	8.13	7.15

Подбираем конденсатор:

Q_k’=Nb+Q_T

Q_k’=16.23

Q_K=Q_k’/f₄f₂

f₄=1

f₂=0.7

Q_K=20.64 кВт

GVM 042C/2 N

Q_K=19.3 кВт

V_K=1.44 м³/с

F=40 м²

t_BX-t_HP=10.13°С

t_BX=46.13°С

θ=3.45

k_K=0.1397 кВт/м²К

© 2005–2010 sarft.spb.ru