Расчет теплового баланса холодильных камер, помещений

Расчёт теплового баланса холодильной камеры — суммирование всех теплопритоков: через стены, пол и потолок, от продукта при охлаждении или замораживании, от дыхания плодов, с наружным воздухом при открывании дверей и вентиляции, от людей, освещения и двигателей вентиляторов. Сумму делят на время работы оборудования и получают требуемую холодопроизводительность.

Использование искусственного холода при хранении пищевых продуктов предполагает создание и поддержание в помещении для хранения (холодильной камере, кладовой, складе, торговой витрине, прилавке и т.п.) таких условий, которые обеспечивают сохранность биологических, санитарно-гигиенических, органолептаческих (вкусовых) свойств продукции, а также ее товарного вида и массы в течение всего периода хранения. С этой целью в помещении для хранения должны поддерживаться в достаточно узком диапазоне значения температуры, влажности, а в некоторых случаях — и химического состава окружающей среды, величины которых задаются видом, агрегатным состоянием и теплофизическимп свойствами продуктов, подлежащих хранению.

Ниже будет показано, что при тепловом расчете и выборе основных проектных параметров холодильных установок для хранения пищевых продуктов теплофизические свойства и требования к условиям хранения являются одной из главных составляющих при расчете теплового баланса помещения для хранения (холодильной камеры).

• Таблица 1.1. Животные продукты
• Таблица 1.2. Растительные продукты, овощи
• Таблица 1.3. Растительные продукты, фрукты
• Таблица 1.4. Прочие продукты
• Таблица 1.5. Рекомендуемая температура размещения продуктов

Внешние и внутренние тепловые нагрузки

Тепловые нагрузки разделяются на две категории: внешние и внутренние.

К категории внешних нагрузок относятся:

• нагрузки, вызванные теплопритоком за счет теплопередачи через стены, пол и потолок холодильной камеры, Q_стен,
• нагрузки от солнечного нагрева стен и потолка камеры, Q_солн,
• нагрузки от обменной вентиляции, обусловленные притоком свежего воздуха в камеру, Q_вен
• нагрузки от инфильтрации наружного воздуха в камеру вследствие открывания дверей, Q_инф

К категории внутренних нагрузок относятся:

• нагрузки от термообработки продукции, Q_прод,
• нагрузки, обусловленные «дыханием» хранящейся продукции (овощи и фрукты), Q_дых,
• нагрузки от освещения, Q_осв,
• нагрузки, обусловленные присутствием персонала, Q_перс,
• нагрузки от ПТС, Q_птс,
• нагрузки вследствие тепловыделения двигателей каждого испарительного вентилятора, Q_исп,
• нагрузки в результате тепловыделения испарительных электронагревателей во время подачи на них напряжения при оттаивании испарителей, Q_нагр,
• нагрузки в результате тепловыделения прочих механизмов, которые могут находиться в холодильной камере, Q_проч.

Этапы расчёта

Основные этапы расчета теплового баланса холодильной камеры:

• Расчет теплопритока в камеру через ее стенки
• Тепловая нагрузка от обменной вентиляции
• Тепловая нагрузка при термообработке продуктов
• Тепловая нагрузка от «дыхания» продуктов
• Тепловая нагрузка от освещения
• Тепловая нагрузка от персонала
• Тепловая нагрузка от ПТС
• Тепловая нагрузка от прочих механизмов
• Коэффициент безопасности
• Тепловая нагрузка от двигателей вентиляторов
• Уточняющий расчет потребной холодопроизводительности

Для машины, охлаждающей воду или другой хладоноситель, мощность считают по расходу и разности температур — см. расчёт мощности чиллера.

Тепловыделение холодильника в помещение

Холодильник и холодильная камера отдают в помещение, где стоит конденсатор, всё тепло, забранное из камеры, плюс мощность компрессора. Бытовой холодильник выделяет в среднем 30–60 Вт (потребление 250–500 кВт·ч в год плюс снятые теплопритоки), торговая витрина со встроенным агрегатом — 1–3 кВт. Это учитывают при расчёте кондиционирования магазина: витрины со встроенными агрегатами греют торговый зал.

Из чего складывается нагрузка: пример камеры хранения мяса

Тепловой баланс холодильной камеры удобно видеть целиком на одном примере: камера хранения замороженного мяса 12 × 15 × 6 м (1080 м³) при −18 °C, рассчитанная по шагам в статьях раздела, даёт суммарную нагрузку 16,4 кВт. Больше всего дают ограждения и продукт, заметную долю — вентиляция и двери, а люди, свет и погрузчик вместе — меньше 7 %. Такое распределение типично для низкотемпературных складов; у овощехранилищ на первое место выходят дыхание продукта и вентиляция.

Дальше сумму делят на время работы оборудования (18 ч/сут для морозильной камеры) и добавляют тепло вентиляторов и оттайки воздухоохладителей — это уточняющий расчёт холодопроизводительности (ссылка в списке этапов выше): 16,4 · 24 / 18 ≈ 21,8 кВт, с вентиляторами и оттайкой — около 24 кВт.

Сколько холода нужно на 1 м³ камеры: укрупнённые нормы

Укрупнённо холодопроизводительность для холодильной камеры оценивают по удельной нагрузке на кубометр объёма: для плюсовых камер хранения 0…+5 °C это 30–80 Вт/м³, для морозильных −18…−20 °C — 20–60 Вт/м³, причём чем меньше камера, тем выше удельная цифра, потому что у маленькой камеры больше площадь ограждений на единицу объёма и чаще открывается дверь. Нормы годятся для первого разговора с поставщиком и проверки готового проекта; для камер с заморозкой, с большим суточным оборотом или с вентилируемой продукцией считают по полной методике.

Для овощехранилищ и фруктохранилищ к нормам таблицы добавляют тепло дыхания — 10–100 Вт на тонну продукции в зависимости от культуры и температуры, и нагрузку от вентиляции наружным воздухом, если она предусмотрена технологией. Для камер охлаждения и заморозки продукт даёт 60–90 % всей нагрузки, и укрупнённые нормы по объёму не работают.

Какие ошибки чаще всего искажают расчёт

• Температура за стеной. Для стены, выходящей на солнце или в неотапливаемый цех, берут не +25 °C, а расчётную летнюю температуру с добавкой на солнечный нагрев; соседнюю камеру считают неработающей, если она может простаивать.
• Суточный оборот продукта. Грузооборот и температура закладки — самые «мягкие» исходные данные: разница между +5 и −5 °C при закладке мяса меняет нагрузку от продукта вдвое. Именно на них ставят коэффициент безопасности.
• Двери. Инфильтрация через часто открываемую дверь низкотемпературной камеры может превысить теплоприток через все стены; её либо считают, либо закрывают завесами и тамбуром.
• Тепло оттайки и вентиляторов. На складах с большим числом воздухоохладителей вентиляторы и ТЭНы дают 10–20 % нагрузки, и их добавляют после выбора оборудования.
• Двойной запас. Коэффициент безопасности 1,1 и коэффициент рабочего времени 24/18 уже дают запас 45 %; дополнительные «на всякий случай» 20–30 % ведут к частым пускам компрессора и пересушке продукта.

Когда камеры охлаждают гликолем от чиллера

Если плюсовых камер несколько — склад с 4–10 камерами хранения 0…+5 °C, камеры созревания, цех с холодильными столами и камерами, — их часто охлаждают не отдельными фреоновыми агрегатами, а одним чиллером для охлаждения гликоля с воздухоохладителями на гликоле в каждой камере. Тогда тепловой баланс считают для каждой камеры отдельно по этой же методике, нагрузки складывают с учётом неодновременности (обычно 0,8–0,9 от суммы) и добавляют тепло насосов и потери трубопроводов — 3–5 %. Например, восемь камер по 3–4 кВт дают 25–30 кВт расчётной нагрузки, и под неё подходит чиллер 30 кВт с гликолем −5 °C; для низкотемпературных камер нужны машины с температурой гликоля −25…−30 °C, которые подбирают отдельно. Проверить мощность под свои камеры можно через подбор чиллера; общая методика для водяных и гликолевых систем — в статьях расчёт тепловой нагрузки от оборудования и людей и тепловая нагрузка: теплоприток через стены.

Частые вопросы

Как рассчитать тепловой баланс холодильной камеры?

Сложить теплопритоки через ограждения, от продукта, от вентиляции и открывания дверей, от людей, освещения и двигателей; затем разделить суточную сумму на время работы оборудования, обычно 16–20 ч. Для камеры 1080 м³ при −18 °C из примера сумма составила 16,4 кВт, холодопроизводительность — около 24 кВт с учётом вентиляторов и оттайки.

Что такое тепловой баланс холодильной машины?

Равенство подведённой и отведённой энергии: тепло, отведённое в конденсаторе, равно холодопроизводительности испарителя плюс мощность, потребляемая компрессором. Для холодильной камеры баланс означает, что воздухоохладитель снимает ровно столько тепла, сколько поступает в камеру извне и изнутри.

Сколько тепла выделяет холодильник в помещение?

Тепло, забранное из камер, плюс мощность компрессора: бытовой холодильник — в среднем 30–60 Вт, витрина со встроенным агрегатом — 1–3 кВт. Выносной агрегат или чиллер отдают это тепло на улице, и помещение не греется.

Сколько кВт холода нужно на холодильную камеру?

Для камер хранения ориентир 30–80 Вт/м³ при 0…+5 °C и 20–60 Вт/м³ при −18 °C: маленькие камеры — ближе к верхней границе, склады от 500 м³ — к нижней. Камеры с заморозкой или большим оборотом считают только по полной методике: продукт даёт до 90 % нагрузки.

Что даёт больше всего тепла в холодильной камере?

В камерах хранения — ограждения и продукт (вместе 50–70 %), затем воздух через двери и вентиляцию; в камерах охлаждения и заморозки — продукт; во фруктохранилищах — дыхание плодов и вентиляция. Люди, свет и погрузчики обычно дают меньше 10 %.

Какой запас брать к расчётной нагрузке камеры?

Коэффициент безопасности 1,05–1,1 только на ненадёжные составляющие (оборот продукта, двери) и коэффициент рабочего времени 24/τ при τ = 16–20 ч. Вместе это уже 30–45 % запаса; дополнительный запас сверх этого вредит — компрессор часто пускается, продукт сохнет.