153 LUCRAREA 16 DETERMINAREA NECESARULUI DE FRIG {I CALCULUL PARAMETRILOR INSTALA}IEI FRIGORIFICE TEMA: S\ se determine necesarul de frig pentru unul din spa]iile depozitului frigorific din fig.16.1, utilizat pentru stocarea unor produse alimentare. 16.1. Determinarea necesarului de frig Necesarul de frig se calaculeaz\ din bilan]ul termic, pentru un interval de 24 ore [kJ/24h], folosind rela]ia: Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 , `n care: • Q 1 – cantitatea de c\ldur\ p\truns\ din exterior; • Q 2 – necesarul de frig tehnologic; • Q 3 – necesarul de frig pentru ventilarea camerelor; • Q 4 – necesarul de frig pentru acoperirea pierderilor din timpul exploat\rii. Fig. 16.1 – Schema unui depozit frigorific: DC – depozit produse congelate; DR – depozit produse refrigerate; TC – tunel de congelare; TR – tunel de refrigerare.
`n care: • Q1 – cantitatea de c\ldur\ p\truns\ din exterior; • Q2 – necesarul de frig tehnologic; • Q3 – necesarul de frig pentru ventilarea camerelor; • Q4 – necesarul de frig pentru acoperirea pierderilor din timpul
exploat\rii.
Fig. 16.1 – Schema unui depozit frigorific: DC – depozit produse congelate; DR – depozit produse refrigerate; TC – tunel de congelare; TR – tunel de refrigerare.
154
1. Se determin\ suprafa]a util\ a depozitului:
β=
SSui ,
`n care S este suprafa]a depozitului, iar coeficientul β are valorile: • 1,4 – pentru tunele de refrigerare cu suprafa]a util\ sub 80 m2; • 1,4 – pentru tunele de congelare; • 1,3 – pentru depozite de produse refrigerate având suprafe]e `ntre 80 [i 200 m2; • 1,3 – pentru depozite de produse congelate cu suprafe]e sub 300 m2.
2. Cunoscând norma de `nc\rcare cu produse pe unitatea de suprafa]\ (tabelul 16.3), se determin\ cantitatea de produse stocate:
[ ]kgSNm ui⋅= .
3. Cantitatea de c\ldur\ p\truns\ din exterior prin izola]ii, datorat\ diferen]elor de temperatur\ [i radia]iei solare, se determin\ cu rela]ia:
( ) [ ]∑ ∆+∆⋅⋅⋅= hkJttSkQ riii 24/4,861 ,
unde: • ki – coeficientul global de schimb de c\ldur\ al elementului i; pentru
pere]i exteriori [i interiori se consider\ o structur\ multistrat (fig. 16.2), cu urm\toarele caracteristici:
• bariera de vapori cu λ4 = 0,384 W/m.K [i δ4 = 3…5 mm; • izola]ie din polistiren cu λ5 = 0,04 W/m.K [i δ5 = 10 cm; • tencuial\ finit\ cu λ6 = 1,16 W/m.K [i δ6 = 2…3 cm. Pere]i interiori: la fel ca mai sus, dar f\r\ bariera de vapori (stratul 4). Plafonul se va considera format din urm\toarele straturi (de la interior
spre exterior): • tencuial\ finit\ cu λ= 1,16 W/m.K [i δ = 2…3 cm; • izola]ie din polistiren cu λ = 0,04 W/m.K [i δ = 10 cm; • plan[eu din beton armat cu λ = 2,03 W/m.K [i δ = 25 cm; • strat de bitum cu λ = 0,17 W/m.K [i δ = 5 mm; • strat din pietri[ cu λ = 0,7 W/m.K [i δ = 4 cm. Podeaua se consider\ format\ din urm\toarele straturi (de la interior spre
exterior): • covor PVC cu λ= 0,33 W/m.K [i δ = 3 mm; • hidroizola]ie cu λ= 0,17 W/m.K [i δ = 2…3 cm; • plan[eu din beton armat cu λ = 2,03 W/m.K [i δ = 25 cm; • strat din pietri[ cu λ = 0,7 W/m.K [i δ = 4 cm. Coeficientul global de transfer se calculeaz\ pentru fiecare perete `n parte
cu rela]ia:
∑=
++= n
i ii
i
e
k
1
111
αλδ
α
,
`n care:
α - coeficien]i de transfer termic convectiv (pentru suprafa]a dinspre mediul exterior a pere]ilor αe = 29 W/m2.K; pentru suprafa]a exterioar\ a pere]ilor interiori αe = 12 W/m2.K; pentru suprafa]ele dinspre interior ale pere]ilor αi = 8 W/m2.K). Pentru pardoseal\ se admite 1/αe = 0.
• Si – suprafa]a elementului i; • ∆ti – diferen]a de temperatur\ la care se g\se[te peretele respectiv:
- pentru pere]i exteriori [i plafoane ce sunt `n acela[i timp [i acoperi[, diferen]a de temperatur\ pentru care se face calculul este ∆ti = ∆tc = 30 – ti (temperatura exterioar\ se consider\ 30 0C);
- pentru pere]i interiori, plafoane [i pardoseli ce separ\ spa]iul frigorific de unul nefrigorific care comunic\ direct cu exteriorul: ∆ti = (0,7…0,8)⋅∆tc;
- pentru pere]i interiori, plafoane [i pardoseli ce separ\ spa]iul frigorific de unul nefrigorific care nu comunic\ direct cu exteriorul: ∆ti = 0,6⋅∆tc;
- pentru pere]i interiori, plafoane [i pardoseli ce separ\ dou\ spa]ii frigorifice similare ∆ti = 0,4⋅∆tc;
- pentru pardoseli realizate pe sol se consider\ c\ temperatura solului este de 150C.
156
• ∆tr – diferen]\ de temperatur\ ce ]ine cont de influen]a radia]iei solare, care se ia `n calcul pentru pere]ii exteriori [i plafoanele ce sunt [i acoperi[:
- ∆tr = 0 pentru pere]i exteriori orienta]i spre N; - ∆tr = 5…100C pentru pere]i exteriori orienta]i spre E, V, SE, SV; - ∆tr = 150C pentru pere]i exteriori orienta]i spre S; - ∆tr = 15…180C pentru plafoane care sunt [i acoperi[ sau teras\.
Pentru u[urarea calculelor rezultatele se vor centraliza `ntr-un tabel, dup\ modelul de mai jos.
Elementul k [W/m2⋅K] S [m2] ∆ti [0C] ∆tr [0C] k⋅S⋅(∆ti+∆tr)
TOTAL
Pentru pere]i exteriori, valorile maxime admise pentru coeficientul global de transfer de c\ldur\ k sunt date `n tabelul 16.1.
Tabelul 16.1 Valori recomandate pentru k [W/m2.grd] – pere]i exteriori
Temperatura interioar\ [0C] Expunere: Nord Expunere: Sud Expunere: Medie
Pentru pere]i interiori, valorile maxime admise pentru k, `n func]ie de destina]ia spa]iului, sunt prezentate `n tabelul 16.2.
Tabelul 16.2
Valori recomandate pentru k [W/m2.grd] – pere]i interiori
Spa]iul r\cit Temperatura interioar\ [0C] k Spa]ii de congelare -23…- 35 0,35 Spa]ii de depozitare -18…-20 0,40
0 0,52 +4 0,70 Spa]ii de refrigerare
+12 0,91
4. Necesarul de frig pentru r\cirea produselor se determin\ cu rela]ia1: ( ) [ ]hkJQmiimQ cfi 24/]25[2 +∆⋅+−⋅= - pentru refrigerare,
1 pentru depozite de produse refrigerate sau congelate Q2 = 0 (deoarece produsele sunt deja r\cite pân\ la temperatura final\ corespunz\toare).
157
( ) [ ]hkJmiimQ fi 24/]35,28[2 ∆⋅+−⋅= - pentru congelare,
`n care: • m – cantitatea de produse [kg]; • ii, if – entalpia ini]ial\, respectiv final\2 a produselor (tabelul 16.5, `n
func]ie de temperaturile ini]iale [i respectiv finale ale produselor3) [kJ/kg]; • ∆m – pierderea de mas\ a produselor [%] (tabelul 16.6); • Qc – cantitatea de c\ldur\ degajat\ prin reac]ii biochimice de c\tre
produse (c\ldur\ de respira]ie) – tabelul 16.7. Deoarece regimul de r\cire este nesta]ionar, Q2 se majoreaz\ prin
`nmul]ire cu 1,5…1,8 (coeficient de neuniformitate a sarcinii termice). 5. Necesarul de frig pentru ventilarea spa]iilor ]ine cont de introducerea
unde: • V – volumul camerei ventilate [m3]; • a = 2…4 schimburi de aer/zi pentru depozitele de carne [i 1…5 pentru
cazul depozit\rii fructelor; • iex, ii – entalpia aerului din exterior, respectiv din interior [kJ/kg];
aceasta se determin\ cu ajutorul diagramei Mollier, pentru o umiditate relativ\ a aerului exterior de 60 %. Pentru aerul din interiorul spa]iului, umiditatea relativ\ se determin\ conform datelor din tabelul 16.8 pentru produsele refrigerate, iar pentru congelate se consider\ o umiditate relativ\ de 95 %.
• ρi – densitatea aerului din interiorul depozitului - rezult\ din ecua]ia de stare:
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅⋅
= 3
5
2871001325,1
mkg
Tiiρ .
6. Necesarul de frig pentru acoperirea pierderilor din timpul exploat\rii (aporturi de c\ldur\ din exterior la deschiderea u[ilor, aporturi de c\ldur\ datorate personalului care intr\ `n `nc\pere, aporturi de c\ldur\ de la sursele de iluminare [i motoarele electrice ale ventilatoarelor etc) se determin\ cu o rela]ie aproximativ\:
[ ]hkJQQ 24/14 ⋅= ξ ,
`n care ξ depinde de suprafa]a depozitului: S > 300 m2: ξ = 0,1; 150 <S< 300 m2: ξ = 0,2; 80< S < 150 m2: ξ = 0,3; S < 80 m2: ξ = 0,4.
2 la -200C, if = 0, cu excep]ia iaurtului, smântânii, chefirului, pentru care if = 0 la 00C. 3 - pentru refrigerare [i congelare [i carne `n carcase sau semicarcase, ti =35…380C; - pentru refrigerare tf = 0…40C, iar pentru congelare tf = -18…-250C.
158
7. Necesarul total de frig:
[ ]∑=
=4
124/
ii hkJQQ .
8. Sarcina frigorific\:
[ ]kWQ
c
05,13600
⋅⋅
=Φτ
,
`n care se consider\ c\ timpul de func]ionare este τc = 20…21 ore pe zi pentru produse refrigerate [i de 21…22 ore pe zi pentru produse congelate; necesarul a fost majorat cu 5% pentru a lua `n calcul [i pierderile de c\ldur\ pe conductele de la compresor la vaporizator.
Se presupune c\ r\cirea spa]iului frigorific considerat `n etapa anterioar\ se realizeaz\ cu aer; condensatorul instala]iei frigorifice este de asemenea r\cit cu aer. Se mai cunosc:
- coeficientul spa]iului mort σ = 0,03 (3%);
- exponentul politropic al destinderii md=1,08. Etape
1. Evolu]ia temperaturilor `n vaporizator este prezentat\ `n fig.16.3, temperatura aerului la intrarea `n vaporizator tai fiind temperatura din depozit ti (tai = ti). Pentru aplica]ii industriale avem:
• ∆ta0 = 3…5 0C; • diferen]a total\ de temperatur\ din vaporizator ∆ttot0 = 6…10 0C; rezult\
deci t0 = tai - ∆ttot0; • supra`nc\lzirea agentului frigorific ∆tsi = 3…6 0C.
Presiunea p1 corespunz\toare temperaturii de vaporizare t0 se determin\ din tabelele din pachetul CoolPack→Refrigeration utilities→Saturation table. Se neglijeaz\ supra`nc\lzirea vaporilor `n vaporizator (procesul 2-3, fig.16.3), astfel `ncât parametrii de intrare `n compresor vor fi p1, t0.
2. Evolu]ia temperaturilor `n condensator este prezentat\ `n fig.16.4. Temperatura aerului la intrarea `n condensator taik se adopt\ taik = 30 0C (temperatura mediului exterior).
159
Tabelul 16.3
160
Tabelul 16.4
161
Tabelul 16.5
162
Tabelul 16.6
Pierderi `n greutate la produse horticole, `n depozite frigorifice
Produsul Pierdere de mas\ (%/24h)
Produsul Pierdere de mas\ (%/24h)
cire[e 1,2…2,0 citrice 0,1 vi[ine 2,6…3,0 c\p[uni 3,6…4,0 caise 0,25…0,35 morcovi 0,04 mere 0,03 p\trunjel pere 0,05 ]elin\
0,05
pepeni galbeni 2,0…3,0 ceap\ 0,05…0,07
163
Tabelul 16.7
Tabelul 16.8 Condi]ii de p\strare a produselor alimentare refrigerate
Produsul Temperatura
[0C] Umiditatea relativ\ [%] Durata
Mere 1…4 85…90 2…8 luni Lapte 0…1 95 2…4 luni Brânz\ 1…4 65…70 6…18 luni Ou\ -1….0 80…85 5…6 luni Struguri 0…1 90…95 2…5 luni Pe[te 1…2 90…95 5…15 zile Carne de vit\ -1…1 85…90 1…6 s\pt. Carne de porc 0…1 85…90 3…7 zile Carne de pui -1…0 85…90 1 s\pt. Carne de miel 0…1 85…90 5…14 zile Ciuperci 0 90 1…4 zile Pere -1…1 90…95 2…6 luni Prune 0…1 85…90 2…8 s\pt. Ceap\ 0…1 65…70 1…8 luni Cartofi 1…3 90….95 6…10 luni C\p[uni 0…1 90…95 5…7 zile
164
Fig. 16.3 – Evolu]ia temperaturilor `n vaporizator: S0 – suprafa]a vaporizatorului; tai – temperatura aerului la intrare; tae – temperatura
aerului la ie[ire; t0 – temperatura de vaporizare a agentului frigorific; 1-2 – vaporizare; 2-3 – supra`nc\lzire.
Cre[terea de temperatur\ a aerului la trecerea prin condensator este,
pentru aplica]ii industriale, ∆tak = 5…10 0C, iar diferen]a maxim\ dintre temperatura de condensare tk a agentului frigorific [i temperatura aerului la intrarea `n condensator este ∆ttotk= 10…20 0C; rezult\ de aici temperatura de condensare a agentului (tk = taik + ∆ttotk), iar din tabelele din pachetul CoolPack se determin\ presiunea de satura]ie corespunz\toare p2. Subr\cirea agentului frigorific `n condensator este ∆tsr = 4…7 0C, dar `n cadrul acestei aplica]ii se neglijeaz\ efectul subr\cirii (procesul 3-4).
Fig. 16.4 – Evolu]ia temperaturilor `n condensator: Sk – suprafa]a condensatorului; taik – temperatura aerului la intrare; taek – temperatura
aerului la ie[ire; tk – temperatura de condensare a agentului frigorific; tref – temperatura la refularea din compresor; 1-2 – r\cirea vaporilor supra`nc\lziti; 2-3 – condensare;
3-4 - subr\cire.
165
3. Trasarea ciclului de func]ionare al instala]iei frigorifice Fosind pachetul CoolPack (Refrigeration utilities→log(p)-h diagram
→ Cycle input) se traseaz\ ciclul de func]ionare al instala]iei frigorifice `n coordonate lg p – h; randamentul izentropic al compresorului se va alege (valori uzuale 0,6..0,8).
Coeficientul de umplere al compresorului (]inând cont doar de existen]a spa]iului mort4) se determin\ cu rela]ia:
Cu ajutorul ecranului “Cycle info” (fig.16.5) din acela[i utilitar log (p)-h diagram, `n sec]iunea “Dimensioning” se introduce puterea frigorific\ determinat\ `n etapa anterioar\ (QE = Φ), iar `n sec]iunea “Volumetric efficiency” se introduce coeficientul de umplere “n_vol” (λ); cu aceste date rezult\:
• debitul masic de agent frigorific, m [kg/s]; • debitul volumic teoretic al compresorului “Displacement” [m3/h]; • debitul volumic real de agent frigorific V [m3/h]5; • fluxul de c\ldur\ pentru condensator Qc [kW]; • puterea absorbit\ de compresor W [kW].
4. M\rimi caracteristice ale compresorului {tiind c\ debitul volumic teoretic al compresorului este:
,
[i cilindreea compresorului Vh este:
6,
se pot determina caracteristicile compresorului `n func]ie de m\rimile cunoscute sau, din cataloagele firmelor produc\toare, se poate alege compresorul care asigur\ debitul teoretic necesar.
~n tabelul 16.9 sunt prezentate caracteristicile unor compresoare `n construc]ie etan[\, produse de firma Turk Electrik (http://www.tee.com.tr/p_copm_r134a_std_pd.php), ce func]ioneaz\ cu agent frigorific R134a. Pentru compresoarele produse de firma Copeland, cataloagele de produse pot fi consultate on-line: (http://www.ecopeland.com/prodcat.cfm?action=ref_power&type=c&fam=3)
4 `n realitate se ]ine cont [i de: pierderile prin neetan[eit\]i, rezisten]a introdus\ de supapa de aspira]ie, `nc\lzirea agentului pe conducta de aspira]ie. 5 Debitul volumic real este , unde Qt este debitul teoretic. 6 n – tura]ia arborelui cotit al compresorului [rot/min]; i – num\rul de cilindri ai compresorului; D-alezajul unui cilindru [m]; h – cursa pistonului [m].
166
Firma pune la dispozi]ie [i un utilitar gratuit care permite alegerea elementelor componente ale instala]iei frigorifice (http://www.ecopeland.com/download.cfm).
Fig. 16.5 – Fereastra “Cycle info”
16.3. Alegerea componentelor instala]iei frigorifice 16.3.1. Alegerea unui vaporizator prin programul de fabricaţie al firmei
Güntner Pentru alegerea vaporizatorului se utilizează pachetul software „Güntner Product Calculator Customer” (fig.16.6) .
Pentru alegerea vaporizatorului se introduc datele rezultate din calculul termic al ciclului frigorific (fig.16.7), programul oferind apoi o listă cu vaporizatoare care ar putea satisface condiţiile impuse (fig.16.8).
16.3.2. Alegerea grupului compresor-condensator Alegerea grupului de condensare se realizează cu ajutorul dezvoltat de către firma Bitzer (fig.16.9).
Dintre diferitele opţiuni oferite de către program se alege opţiunea „Condensing units” din fereastra din fig.16.10, ceea ce ne conduce către interfaţa ce permite selectarea grupului de condensare (fig.16.11).
167
Fig. 16.6 - Utilitarul firmei Güntner pentru alegerea vaporizatorului
Fig. 16.7 - Fereastra pentru introducerea datelor iniţiale
168
Fig. 16.8 - Modele de vaporizatoare disponibile
Fig. 16.9 - Utilitarul firmei Bitzer
Ca date iniţiale pentru alegerea grupului de condensare se introduc:
169
• tipul agentului frigorific; • tipul compresorului; • puterea frigorific\; • temperatura de vaporizare a agentului frigorific; • temperatura agentului frigorific la aspiraţia în compresor.
Acţionarea butonului „Calculate” conduce la afişarea, în zona din dreapta, a unităţilor de condensare care satisfac cerinţele impuse.
Fig. 16.10 - Fereastra pentru selectarea aplicaţiei dorite
Fig.16.11 - Fereastra “Condensing units”
170
16.3.3. Alegerea condensatorului şi compresorului În cazul unor puteri frigorifice necesare mari este posibil ca firmele să nu
ofere unităţi copresor-condensator în programul de fabricaţie. În acest caz copresorul şi condensatorul vor trebui alese separat.
Condensatorul se poate alege din programul de fabricaţie al firmei Güntner, folosind opţiunea „Condenser” – fig. 16.9.
În fereastra de calcul deschisă (fig. 16.12) se introduc următoarele date iniţiale:
• puterea termică la condensator „Capacity”, kW; • agentul frigorific utilizat „Medium”; • temperatura de condesare „Cond. temp.”, 0C;
Fig.16.12 - Fereastra pentru introducerea datelor necesare selectării condensatorului
• temperatura aerului din mediul înconjurător „Air temp.”,0C; • umiditatea relativă a aerului „Rel. humidity”,%; • altitudinea la care se găseşte depozitul „Altitude”: la nivelul mării.
Rezultatele căutării în baza de date a programului sunt obţinute după acţionarea butonului „OK”, fiind prezentate în fig. 16.13.
Alegerea compresorului se va face din gama de produse a firmei Bitzer, cu ajutorul programului dezvoltat de către firmă (fig. 16.9).
Dintre diferitele opţiuni oferite de către program se alege opţiunea „Semi-herm. Recips.” – compresoare semiermetice - (fig. 16.10), ceea ce ne conduce către interfaţa ce permite selectarea compresorului. (fig. 16.14.) .
171
Fig.16.13- Fereastra cu rezultatele căutării
Principalele elemente avute în vedere pentru alegerea compresorului sunt:
• Agentul frigorific; • Puterea frigorifică, kW; • Subrăcirea agentului frigorific lichid, K; • Temperatura de condensare, 0C.
Fig.16.14- Fereastră pentru selectarea compresorului
172
16.4. Observaţii finale
• În cazul unor puteri frigorifice mari este posibil să se impună utilizarea unui condensator răcit cu apă, care se va alege din programul de fabricaţie al firmei Bitzer, din care se va alege opţiunea “Water cooled condensers”.
• Pentru alegerea compresorului se pot folosi şi utilitarele firmelor Bock şi Frascold (în special pentru compresoare în tandem sau în două trepte).
• Puterile frigorifce mari pot impune utilizarea a două sau mai multe răcitoare pentru aer (vaporizatoare), ale căror puteri frigorifice însumate să fie cel puţin egale cu puterea frigorifică necesară.
• Proiectul final va fi redactat cu MS Word şi va conţine toate calculele efectuate şi diagramele obţinute.
173
Tabelul 16.9 Caracteristicile unor compresoare etan[e
