Топлинни изчисления на хладилни инсталации

От оптималната дебелина на топлоизолацията зависи техническата и икономическата ефективност на системата

Както е добре известно, производството на изкуствен студ е свързано с отвеждане на топлина от среда с по-ниско температурно ниво към среда с по-високо температурно ниво. За осъществяване на този процес се използват различни по конструкция и вид хладилни инсталации. Сред основните предпоставки за постигане на ефективна работа, ниска енергоемкост и ограничаване на загубите е доброто топлоизолиране на хладилните камери и съоръжения. По този начин се възпрепятства проникването на топлина и влага от външната среда към вътрешността на охлажданите помещения. Основният фактор, определящ ефективността на топлоизолацията, е нейната дебелина. За да се определи тя, е необходимо да се избере видът на топлоизолационния материал и да се приеме съответната изолационна конструкция. Необходимо е, също така, да се изяснят и отчетат физичните и топлофизичните свойства на топлоизолационните материали.
Етапът определяне на температурните разлики
След избора на топлоизолационен материал и конструкция се пристъпва към определяне на температурните разлики между двете страни на преградните хладилни стени. Изчисленията зависят от изискванията към съответните технологични режими. При определянето им се вземат предвид и температурата на външния въздух, на хладилните помещения и на неохлаждаемите помещения.
Температурата на външния въздух се пресмята в зависимост от метеорологичните условия на местността, в която ще се изгражда хладилната инсталация. Стойността на характеристиката се изчислява по зависимостта tв = tсрм + 0,25tам , където tсрм е средната месечна температура на най-топлия месец за района, оС, а tам  е абсолютния температурен максимум – най-високата температура на въздуха, която се достига в дадения район, оС.
Температура на хладилните помещения. Каква ще бъде стойността й зависи от провеждания технологичен режим. Известно е, че различните продукти изискват строго определена температура на съхранение. Например, в хладилните камери и тунели се поддържа температура от -30 до -40 оС, докато в универсалните камери температурата е от –3 до +4 оС. В камерите за съхранение на охладено месо се поддържа температура -2, -1 оС, в камерите за съхраняване на охладена риба (в лед) необходимата температура е -2оС, а в камерите за кулинарни изделия температурата е от 0 до +2 оС и т.н.
Температура на неохлаждаемите помещения. За определяне на стойността й в помещенията, които се намират в съседство с хладилните камери, се отчитат притокът на топлина и студ в тях. Температурната разлика Dt между тези помещения и хладилните камери се приема като процент от температурната разлика между външния въздух и камерите.

Топлопреминаването през изолационните конструкции
Изборът на най-целесъобразната от икономическа гледна точка дебелина на топлоизолацията е пряко свързан с определяне на оптималния коефициент на топлопреминаване на изолационните конструкции. Ако дебелината на топлоизолацията е по-малка от оптималната, ще се наблюдава по-голям разход на студ и по-големи загуби от влагообмен. Когато изолацията е с дебелина над необходимата, излишно се оскъпява конструкцията. Оптималният коефициент на топлопреминаване би могъл да се определи, като се използва предложената от Митрофанов зависимост - к = М/Ц(tв – tк), където М е технико-икономически коефициент. Стойността му варира от 1.6 до 2.5. Средно се приема за приблизително равен на 2.1, а за по-ефективни изолационни конструкции от 1.6 до 2.0. В повечето случаи, обаче, оптималната стойност на коефициента на топлопреминаване се отчита таблично.

Изчисляване дебелината на топлоизолацията
Дебелината на топлоизолационния слой се изчислява на базата на процеса на топлопреминаване през многослойна топлоизолационна конструкция - фиг. 1. През многослойната стена с повърхност F преминава количество топлина Q=(1/(1/a1+d1/a1+dиз/aиз+d2/a2+1/a2))F(tв-tк), W.
От теорията на топлопренасянето е известно, че коефициентът на топлопреминаване К в случая има следния вид К = 1/(1/a1+d1/a1+dиз/aиз+d2/a2+1/a2). От което следва, че термичното съпротивление на стената е
1/К = 1/a1+d1/a1+dиз/aиз+d2/a2+1/a2. И съответно дебелината на изолацията би могла да се представи като
dиз = lиз [1/К – (1/?1 + d1/a1 + d2/a2 + 1/a2)], където a1 е коефициентът на топлопредаване от външния въздух към повърхността на стената, W/(m2K). Стойността му обикновено се определя таблично; a2 е коефициент на топлопредаване от вътрешната повърхност на стената към въздуха в камерата W/(m2K); d1 и d2 са съответно дебелината на тухлената зидария  (или стоманобетонния панел) и на циментовата замазка, m; d1 и d2 са коефициентите на топлопроводност на тухлената зидария и на циментовата замазка, W/(mK);  dиз е коефициент на топлопреминаване на изолационната конструкция, W/(mK), а К е коефициентът на топлопреминаване на изолационната конструкция, W/(m2K).

Изчисляване на общите топлопритоци за хладилника
В хладилните камери непрекъснато проникват топлинни потоци от различни източници. В хладилната техника те се приемат за еквивалентни на разхода на студ. За всяка камера се определят поотделно, след което се сумират общите топлопритоци за целия хладилник. Разходът на студ се определя за сезон с максимално топлинно натоварване и при най-неблагоприятни условия на експлоатация на хладилната инсталация.
За всяка хладилна камера общата сума на топлинните притоци е Qt = Q1 + Q2 + Q3 + Q4, kW, където Q1 е топлинният поток, преминаващ от околната среда през стените, пода и тавана на хладилната камера, kW, Q2 – количеството топлина, отделено от хранителните продукти при тяхната обработка, kW, Q3 е количеството топлина, което се внася чрез външния въздух при вентилация, kW, и Q4 са експлоатационните притоци, предизвикани от различни източници, kW.
Топлопритоци от топлопреминаване през ограждащите конструкции - Q1. За определянето им обикновено се използва изразът Q1 = kF(tв – tк), kW, където к е коефициент на топлопреминаване през стените W/(m2K), а F е площта на стените, m. В случаите, в които стените са подложени на пряко слънчево греене, за определяне на топлопритоците се използва изразът Q1 = kF(Dt – Dtсл), kW, където стойностите на Dtсл за повърхнини с различно изложение се определят таблично.
Топлопритоци от обработка на хранителни продукти - Q2. Изчисляват се по формулата Q2 = Gc(tн - tк)/3600tц, kW, където G е количеството на продуктите, kg; c - специфичният топлинен капацитет, kJ/kgK; tн е началната температура на продукта оС; tк е крайната температура на продукта, оС.
Топлопритоци от вентилация - Q3. Вентилация се предвижда предимно за хладилни камери, в които се поддържа температура на въздуха tk і -5 оC. Топлопритоците за вентилирани хладилни камери се пресмятат по израза Q3 = VkrвnDHв, kW, където Vk е обемът на хладилната камера, Vk = Vn – Vпрод , m3; с rв е отбелязана плътността на въздуха при средна температура tв = 0.5(tв – tк), kg/m3; n е кратност на въздухообмена за 24 h (n = 3.4); DHв = Hв – Hк е разликата в топлосъдържанието на въздуха, kJ/kg. Необходимо е да бъде изпълнено условието -
Vkrвn = SG 24/1000, при което се осигурява минимум 1 kg пресен въздух на тон продукт за един час.
Експлоатационни топлопритоци - Q4. Към експлоатационните топлопритоци се включват топлопритоците от осветление, присъствие на хора, отваряне на врати и др. За изчисляването им се използва изразът Q4 = (0.1 ё 0.4)(Q1 + Q3), kW. При по-малки хладилници, Q4 обикновено е около 40%, а за по-големите около 10% от (Q1 + Q3).
За обобщаване на топлопритоците Qt, характерни за охладителните батерии и компресорите, се използват различни подходи. При охладителните батерии всички топлопритоци, участващи в уравнението, които са със знак минус, се приравняват на нула.

Студопроизводство и време на работа на компресорите
Обикновено в хладилната техника студопроизводството на компресорите се определя при зададени температурни условия – температура на изпарение tо и температура на кондензация и tк.
В продуктовите си каталози производителите обикновено посочват стандартното студопроизводство Qo ст на компресора при определени tо и tк. В този случай Qo бр = (lрабqхраб/ lстqхст)/Qo ст, където lраб и lст са коефициентите на подаване на компресорите – посочват се от производителя, а с qхраб и qхст са означени специфичното обемно студопроизводство, kJ/kg.
Студопроизводството на компресорите би могло да се определи и с израза Qo бр = Qt/fb, kW, където Qt = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 – топлопритоци за компресорите; f – коефициент, отчитащ загубите на студ по тръбопроводите и апаратите на хладилната инсталация (обикновено се взима таблично); b – коефициент на време на работа.
За големи хладилници се приема b = 0,9, а за малки хладилни инсталации b < 0.7.