9. CALCULUL INSTALAŢIEI FRIGORIFICE

CALCULUL DE DIMENSIONARE

al depozitului de refrigerare

Calculul izolaţiilor termice pe conturul construit al spaţiilor răcite – depozitul de

refrigerare. Calculul coeficienţilor globali de transfer termic

Se consideră depozitul de refrigerare conform planşei nr. 1, anexată (amplasarea fluxului

tehnologic).

Pentru izolarea pereţilor şi a plafoanelor se foloseşte ca material izolant polistirenul

expandat, obţinut prin expandarea perlelor de polistiren.. Are o bună rezistenţă la acţiunea apei,

prezentând însă câteva dezavantaje:

- rezistenţă mecanică redusă;

- punct de topire coborât (80oC );

- coeficient de dilatare termică mare.

Caracteristici fizice:

- conductivitate termică: = 0,03 – 0,035 W/(m grd);

- coeficient global de transfer termic: ka = 0,2 – 0,5 W/ (m2 grd);

- densitate de flux termic: qa = 8 – 10 W/m2;

- temperatura maximă de utilizare: 60oC.

Pardoseala se izolează cu plăci de plută expandată şi impregnată. Este obţinută din bucăţi

de plută naturală cu dimensiuni de 3 – 8 mm, prin expandare la 400oC şi impregnare cu răşini

proprii (pluta Superex) sau cu bitum (pluta Asko).

Caracteristici fizice:

- conductivitate termică: = 0,04 – 0,06 W/(m grd);

- densitate: = 150 – 160 kg/m3;

- rezistenţă mecanică: = 3 – 4 kgf/cm2;

- coeficient global de transfer termic: ka = 0,3 – 0,7 W/ (m2 grd);

- densitate de flux termic: qa = 10 - 12 W/m2.

Se adoptă o densitate de flux optim qo:

- pentru polistiren expandat: qo = 8 – 10 [W/m2];

- pentru plută expandată: qo = 10 – 12 [W/m2];

Dar qo = k t , unde: t = tec – ti

Temperatura exterioară de calcul se va calcula conform STAS 6648/2-82 astfel:

tec = tem + c Az [oC]

unde tem este temperatura medie zilnică, pentru zona Sucevei fiind 26oC;

c – coeficient de corecţie pentru amplitudinea oscilaţiei zilnice a temperaturii aerului

exterior;

c = 1,2

Az – amplitudinea oscilaţiei zilnice de temperatură, pentru zona Sucevei fiind de 3oC.

Rezultă tec = 26 + 1,2 . 3 = 29,6oC

Izolaţia termică se calculează pentru un element construit cu n straturi, folosind relaţiile:

ka = qo/ t = 1/(1/ ext + i/ i+ iz / iz +1/ int) [W/m2grd],

unde: ext este coeficien parţial de transfer termic pe suprafaţa exterioară a peretelui, în

W/m2grd;

int – coeficient parţial de transfer termic pe suprafaţa interioară a peretelui, în W/m2grd.

De aici rezultă formula de calcul a grosimii izolaţiei:

iz = iz [ t/qo – (1/ ezt + i/ i+ 1/ int)] [m].

Coeficienţii depind de viteza aerului din incintă şi de amplasarea elementului izolat

termic, astfel:

- = 25 W/m2grd, dacă aerul are o circulaţie forţată (pereţi exteriori supuşi acţiunii vântului);

- = 12 – 15 W/m2grd, pentru circulaţia moderată a aerului în depozite, camere frigorifice,

spaţii de producţie;

- = 5 – 8 W/m2grd, încăperi în care ventilaţia este foarte redusă (depozite frigorifice în care

sunt montate baterii de răcire şi pardoseli).

Pentru pereţii depozitului de refrigerare, se va ţine seama de orientarea acestora şi de

temperatura spaţiilor vecine, astfel:

perete orientare N :

tmax = tex – ti = 29,6 – 0 = 29,6oC

deoarece acest perete separă spaţiul de refrigerare de exterior.

Structura pereţilor exteriori şi interiori este redată mai jos [Tofan I., pag.122] :

6

1

7 4

2 3 4 5

Figura 9.1.1.. Structura peretelui: 1 – strat de tencuială; 2 – strat de cărămidă; 3 – strat de

tencuială; 4 – barieră de vapori; 5 – strat de izolaţie; 6 – plasă de rabiţ; 7 – strat de tencuială.

Tabel 9.1.1.Structura peretelui[Tofan I., 2002, pag. 123] 

Caracte-ristici fizice

Tencuială exterioară

Zidărie de cărămidă Tencuială de egalizare

Izolaţie Strat tencuială pe plasă de rabiţPerete

interiorPerete

exterior[mm] 20 250 375 20 iz 20

[W/Mk] 0,85 0,6 0,6 0,85 0,03 0,85

iz = iz [ t/qo – (1/ ezt + i/ i+ 1/ int)] [m].

iz = 0,035 [29,6/8 – (1/25 + (0,02/0,85 + 0,375/0,6 + 0,02/0,85 + 0,02/0,85 )+ 1/15)]

= 0,035 [3,7 – (0,04 + 0,695 + 0,066)] = 0,10 m

După calcularea grosimii izolaţiei, aceasta se standardizează la valoarea următoare, ca

multiplu de 0,02 (0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12 etc.).

iz ASRO = 0,10 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează apoi coeficientul global de

transfer termic, kr:

kr = 1/(1/ ext + i/ i+ izASRO / iz +1/ int) [W/m2grd],

kr = 1/(1/25 + 0,695+ 0,10/0,035 +1/15) = 1/3,658 =0,273

kr = 0,273 W/m2grd

Calculele se repetă, ţinând seama de caracteristicile fiecărui element de construcţie, după

cum urmează:

perete orientare S (interior):

t = 0,6 tc - pentru pereţi interiori, plafoane ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică,

dar care nu comunică cu exteriorul;

t = 0,6 . 29,6 = 17,8 oC

iz = 0,035 [17,8/8 – (1/15 + (0,02/0,85 + 0,250/0,6 + 0,02/0,85 + 0,02/0,85 )+ 1/15)]

= 0,035 [2,225 – (0,066 + 0,487 + 0,066)] = 0,056 m

iz ASRO = 0,06 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează, kr:

kr = 1/(1/15 + 0,487+ 0,06/0,035 +1/15) = 1/2,334 =0,428

kr = 0,428 W/m2grd

perete orientare E (interior):

t = 0,6 tc - pentru pereţi interiori, plafoane ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică,

dar care nu comunică cu exteriorul;

t = 0,6 . 29,6 = 17,8 oC

iz = 0,035 [17,8/8 – (1/15 + (0,02/0,85 + 0,250/0,6 + 0,02/0,85 + 0,02/0,85 )+ 1/15)]

= 0,035 [2,225 – (0,066 + 0,487 + 0,066)] = 0,056 m

iz ASRO = 0,06 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează, kr:

kr = 1/(1/15 + 0,487+ 0,06/0,035 +1/15) = 1/2,334 =0,428

kr = 0,428 W/m2grd

perete orientare V (exterior):

t = 0,8 tc - pentru pereţi exteriori ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică, dar care

comunică cu exteriorul;

t = 0,8 . 29,6 = 23,7 oC

iz = 0,035 [23,7/8 – (1/25 + (0,02/0,85 + 0,375/0,6 + 0,02/0,85 + 0,02/0,85 )+ 1/15)]

= 0,035 [2,962 – (0,04 + 0,695 + 0,066)] = 0,075 m

iz ASRO = 0,08 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează, kr:

kr = 1/(1/25 + 0,695+ 0,08/0,035 +1/15) = 1/3,087 =0,324

kr = 0,324 W/m2grd

plafon:

Tabel 9.1.2.Structura plafonului [Tofan I., 2002, pag. 123] 

Caracteristici fizice

Strat de uzură Placă de beton armat

Tencuială Izolaţie Tencuială pe plasă de rabiţ

[mm] 20 - 30 20 - 30 20 iz 20

[W/mK] 0,12 1,25 0,85 0,03 0,85

12

34

8 5

7

6

Figura 9.1.2. Structura plafonului: 1 – strat de uzură; 2 – placă de beton armat; 3 – strat

de tencuială; 4 – barieră de vapori; 5 – strat de izolaţie; 6 – plasă de rabiţ; 7 – strat de tencuială; 8

– mustăţi.

t = 0,6 tc – pentru plafoane ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică, dar care

nu comunică cu exteriorul;

t = 0,6 tc = 0,6 . 29,6 = 17,8oC

iz = 0,035 [17,8/8 – (1/15 + (0,03/0,12 + 0,03/1,25 + 0,02/0,85 + 0,02/0,85 )+ 1/15)]

= 0,035 [2,225 – (0,066 + 0,321 + 0,066)] = 0,062 m

iz ASRO = 0,08 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează, kr:

kr = 1/(1/15 + 0,321+ 0,08/0,035 +1/15) = 1/2,740 =0,365

kr = 0,365 W/m2grd

pardoseală:

Structura pardoselei [Tofan I., 2002, pag.123]:

4 1 2 3

5

6

7

8

9

Figura 9.1.3.. Structura pardoselii: 1 – strat de uzură; 2 – placă de egalizare beton armat;

3 – strat de izolaţie; 4 – plasă de sârmă de oţel; 5 – barieră de vapori; 6 – placă de beton armat; 7

– placă de beton cu rezistenţă electrică; 8 – strat de balast; 9 – strat de pământ compact.

Tabel 9.1.3.Structura pardoselei[Tofan I., 2002, pag. 124] 

Caracteristici fizice Strat de uzură

Placă de egalizare din beton armat

Strat de izolaţie

Placă din beton armat

Placă de beton cu rezistenţă

electrică

Strat de balast

Strat de pământ

[mm] 20-30 60-80 iz 50-80 50 200-400 500

[W/mK] 0,62 0,9 0,035 1,25 1,25 0,75 0,7

Pentru pardoseli plasate pe sol, te se consideră la nivelul solului şi este 15oC pe timpul

verii şi 5oC pe timpul iernii. La 3,00 m subsol, te(v,I) = 0oC.

iz = 0,06 [15/10 – (1/8 + (0,03/0,62 + 0,08/0,9 + 0,08/1,25 + 0,05/1,25 + 0,30/0,75 +

0,50/0,7 )+ 1/15)]= 0,06 [1,5 – (0,125 + 1,119 + 0,066)] = 0,06[1,5 – 1,31] = 0,011 m

iz ASRO = 0,02 m

Cu valoarea standardizată a izolaţiei termice se recalculează, kr:

kr = 1/(1/8 + 1,119+ 0,02/0,06 +1/15) = 1/1,643 =0,608

kr = 0,608 W/m2grd

Calculul izolaţiei depozitului de frig

Denumirea suprafeţei delimitate

Perete N Perete S Perete E Perete V Plafon Pardo-

Seală

tex [oC] 29,6 29,6 29,6 29,6 29,6 15

ti [oC] 0 0 0 0 0 0

t [oC] 29,6 17,8 17,8 23,7 17,8 15

Caracteristi-cile

materialului

izolant

Tipul izolaţiei Poli-

stiren

Poli-stiren Poli-

stiren

Poli-stiren Poli-stiren Plută

expandată

[W/mgrd]

0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,06

qa

[W/mgrd]

8 8 8 8 8 10

k

[W/m2grd]

0,2-0,5 0,2-0,5 0,2-0,5 0,2-0,5 0,2-0,5 0,3-0,7

Valori ale

coeficienţi-lor i,

e şi R

i

[W/m2grd]

15 15 15 15 15 15

e

[W/m2grd]

25 15 15 25 15 8

i/ i0,695 0,487 0,487 0,695 0,321 1,119

Grosimea izolaţiei iz calculat 0,01 0,056 0,056 0,075 0,062 0,011

iz SR 0,01 0,06 0,06 0,08 0,08 0,02

kr [W/m2grd] 0,273 0,428 0,428 0,324 0,365 0,608

CALCULUL NECESARULUI DE FRIG

9.2.1. Calculul necesarului de frig pentru acoperirea căldurii pătrunse prin pereţi,

plafon şi pardoseală

Necesarul de frig se calculează cu ajutorul ecuaţiei de bilanţ termic de forma:

Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kJ/24 h].

Necesarul de frig pentru acoperirea căldurii pătrunsă prin conducţie, convecţie şi

radiaţie este:

Q1 = F · kr ( t + tr) · 86,4 [kJ/24 h],

unde: F – suprafaţa de schimb de căldură maxim expusă transferului termic, respectiv a pereţilor,

pardoselii şi a plafonului corespunzătoare fiecărui spaţiu în parte, [m2];

k – coeficient global de transfer termic prin elementul delimitator dintre suprafaţa

climatizată şi spaţiul exterior recalculat după standardizarea grosimii izolaţiei, [W/(m2grd)];

t – diferenţa de temperatură dintre temperatura exterioară (a mediului) şi temperatura

interioară a spaţiului (aceeaşi de la calculul grosimii izolaţiei), [oC];

tr – adaos de temperatură ce ţine cont de căldura pătrunsă prin radiaţie, [oC].

Acţiunea radiaţiei solare asupra intensităţii transmiterii căldurii se ia în consideraţie

numai la pereţi exteriori şi plafoane ce sunt acoperiş, astfel:

tr = 0oC – pentru pereţi exteriori orientaţi spre N, N-E, N-V;

tr = 5…10oC – pentru pereţi exteriori orientaţi spre E, V;

tr = 5…10oC – pentru pereţi exteriori orientaţi spre S-E, S-V;

tr = 15oC – pentru pereţi exteriori orientaţi spre S;

tr = 15…18oC – pentru plafoane ce sunt acoperiş.

S-au avut în vedere valori medii pentru latitudinea de 45o la care se situează ţara noastră.

De menţionat că pentru schimbul de căldură între elementele de structură ce separă

spaţii interioare, tr = 0oC.

Calculul se face separat pentru fiecare peret, pentru plafon şi pardoseala din spaţiul de

refrigerare:

pentru perete N:

tmax = tex – ti = 29,6 – 0 = 29,6oC

deoarece acest perete separă spaţiul de refrigerare de exterior.

tr pentru perete N = 0oC;

Q1N = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 36 . 0,273 (29,6 + 0) . 86,4

Q1N = 25134 kJ/24 h

pentru perete S:

t = 0,6 tmax,

deoarece acest perete comunică cu un culoar interior;

t = 0,6 . 29,6 = 17,8 oC

tr pentru perete S = 0 oC, deoarece este interior.

Q1S = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 36 . 0,428 (17,8 + 0) . 86,4

Q1S = 23696 kJ/24 h

pentru perete E:

t = 0,6 tmax,

deoarece acest perete comunică cu un culoar interior;

t = 0,6 . 29,6 = 17,8 oC

tr pentru perete E = 0 oC, deoarece este interior.

Q1E = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 24 0,428 (17,8 + 0) . 86,4

Q1E = 15797 kJ/24 h

pentru perete V:

t = 0,8 tmax,

deoarece acest perete comunică cu un culoar interior;

t = 0,8 . 29,6 = 23,7 oC

tr pentru perete V = 0 oC, deoarece este interior.

Q1S = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 24 0,324 (23,7 + 0) . 86,4

Q1S = 12382 kJ/24 h

pentru plafon:

t = 0,6 tmax,

deoarece acest perete comunică cu un culoar interior;

t = 0,6 . 29,6 = 17,8 oC

tr pentru plafon = 0 oC, deoarece nu comunică cu exteriorul.

Q1plafon = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 54 0,365 (17,8 + 0) . 86,4

Q1plafon = 30312 kJ/24 h

pentru pardoseală:

t = 15 oC – temperatura solului la baza construcţiei;

Q1pardoseală = F · kr ( t + tr) · 86,4 = 54 0,608 (15 + 0) . 86,4

Q1pardoseală = 42550 kJ/24 h

Se calculează necesarul zilnic de frig pentru depozitul de refrigerare şi se centralizează:

Elementul

izolat

kr

[W/m2grd]

F

[m2]

t

[oC]

tmax

[oC]

tr

[oC]

Q1 [kJ/24 h]

Aparate Compre-

soare

Perete N 0,273 36 29,6 29,6 0 25134 25134

Perete S 0,428 36 17,8 29,6 - 23696 -

Perete E 0,428 48 17,8 29.6 - 31595 -

Perete V 0,324 48 23,7 29,6 - 31845 31845

Plafon 0,365 108 17,8 29,6 - 60625 -

Pardoseală 0,608 108 15 15 - 85100 -

Total 257995 56979

9.2.2. Calculul necesarului de frig tehnologic

Calculul necesarului de frig pentru acoperirea căldurii degajate în timpul procesului

tehnologic pentru procesul de refrigerare se efectuează cu relaţia:

Q2r = (m c + ma ca + mt ct)(ti - tf) 24/ r [kJ/24 h]

în care: m este masa produselor refrigerate introduse în spaţiul frigorific în 24 de ore, [kg/24 h];

m = 35000 kg

ma, mt – masa ambalajelor şi a mijloacelor de transport ce intră cu produsul în spaţiul

frigorific, [kg/24 h];

ma = 750 0,3 = 225 kg

mt = 100 kg

c, ca, ct – căldurile masice specific a produselor refrigereate, ale materialului din care sunt

confecţionate ambalajele şi mijloacele de transport, [kJ/kg grd],

c = 3,266 kJ/kg grd

ca = 1,920 kJ/kg grd

ct = 0,477 kJ/kg grd

ti, tf – temperaturile pe care le au produsele la intrarea şi ieşirea din spaţiul frigorific, [oC];

temperatura iniţială se ia temperatura mediului ambiant, în cazul brânzei de vacă ti =

10oC, iar temperatura finală tf = 0-4oC.

Q2r = (35000 3,266 + 225 1,920 + 100 0,477)(10 - 0) 24/20

Q2r = 1377476 kJ/24 h

9.2.3. Calculul necesarului de frig pentru răcirea aerului folosit la ventilarea

spaţiilor frigorifice

Se calculează pentru camerele de depozitare a produselor refrigerate ventilate şi pentru

spaţiile de producţie răcite cu formula:

Q3 = V a (hext – hint) [kJ/24 h]

în care: V este volumul interior al camerei ventilate (L x l x h), [m2];

V = 9 x 12 x 4 = 432 m3

a – numărul de schimburi de aer proaspăt în spaţiul răcit timp de 24 ore;

a = 2 – 4 schimburi pe zi pentru depozitele de lapte şi produse lactate;

- densitatea aerului corespunzător temperaturii din incintă, [kg/m3];

= 1,2928 kg/m3

hext, hint – entalpiile aerului din exteriorul, respectiv interiorul spaţiului răcit, [kJ/kg]

hext = 29,78 kJ/kg

hint = 4,02 kJ/kg

Q3 = 432 4 1,2928(29,78 – 4,02)

Q3 = 57547 kJ/24 h

9.2.4.Calculul necesarului de frig pentru acoperirea căldurii pătrunse în timpul

exploatării spaţiilor răcite

Necesarul de frig pentru acoperirea căldurii degajate prin exploatarea spaţiilor frigorifice

se calculează pentru fiecare spaţiu frigorific în parte şi rezultă dintr-o ecuaţie de bilanţ cu patru

sarcini termice:

Q4 = Q41 + Q42 + Q43 + Q44 [kJ/24h],

în care: Q41 reprezintă consumul de frig necesar acoperirii căldurii degajate de corpurile de

iluminat din încăpere şi se calculează cu relaţia:

Q41 = q F 24 [kJ/24h],

în care: q este cantitatea de căldură degajată de corpurile de iluminat pe m2 de suprafaţă,

[kJ/m2h];

q = 4 – 5 kJ/m2h pentru iluminatul spaţiilor de depozitare;

F – suprafaţa pardoselii spaţiului răcit, [m2];

F = 9 x 12 = 108 m2

Q41 = 5 108 24

Q41 = 12960 kJ/24h

Q42 reprezintă consumul de frig necesar acoperirii căldurii degajate de motoarele electrice ale

diverselor aparate în funcţiune (ventilatoare, pompe, electrocare) şi se calculează cu relaţia

Q42 = 3600 N ku 24 [kJ/24h],

unde:

N este puterea motoarelor electrice aflate în spaţiul răcit, [kW]

N = 2,2 kW

ku – coeficient de utilizare, cu valori cuprinse între 0,3 şi 0,9.

Q42 = 3600 x 2,2 x 0,3 x 24

Q42 = 57024 kJ/24h

Q43 reprezintă consumul de frig necesar acoperirii căldurii degajate de personalul care lucrează

în spaţiul frigorific şi se calculează cu relaţia

Q43 = n qs co 24 [kJ/24h],

unde:

n – numărul maxim de persoane ce se află simultan în spaţiul frigorific;

n = 2

qs – căldura sensibilă degajată de personal în funcţie de munca depusă (500…1200 kJ/h)

qs = 500 kJ/h

co – coeficient de corecţie ce ţine cont de timpul de ocupare al spaţiului.

Q43 = 2 x 500 x 0,2 x 24

Q43 = 4800 kJ/24h

Q44 reprezintă consumul de frig necesar acoperirii căldurii pătrunse în spaţiul răcit prin

deschiderea uşilor şi se calculează cu relaţia

Q44 = q F 24 [kJ/24h],

unde: q este sarcina termică specifică la deschiderea uşilor spaţiului frigorific, [kJ/m2 h]

pentru F >150 m2, q = 20 kJ/m2 h

Q44 = 20 x 432 x 24 [kJ/24h],

Q44 = 207360 kJ/24 h

Q4 aparate = Q41 + Q42 + Q43 + Q44

Q4 aparate = 12960 + 57024 + 4800 + 207360

Q4 aparate = 282144 kJ/24h

Q4 compresoare = (0,5-0,75) Q4 aparate

Q4 compresoare = 0,5 282144

Q4 compresoare = 141072

9.2.5. Stabilirea necesarului zilnic de frig, a sarcinii instalaţiei şi alegerea acesteia

Necesarul zilnic de frig al spaţiilor frigorifice se calculează astfel:

Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kJ/24 h].

Pe baza calculelor termice prezentate anterior, rezultatele se centralizează tabelar pentru

fiecare spaţiu frigorific în parte.

Tabel centralizator final pentru necesarul de frig

Sistemul de răcire Denumire spaţiu frigorific – depozit

refrigerare

tc [oC]

Sistemul de răcire Răcire directă

Q1

[kJ/24 h]

la aparate 257995

la compresoare 56979

Q2

[kJ/24 h]

1377476

Q3

[kJ/24 h]

57547

Q4

[kJ/24 h]

la aparate 282144

la compresoare 141072

Qnec

[kJ/24 h]

la aparate 1975162

la compresoare 198051

Sarcina frigorifică a instalaţiei se calculează în funcţie de necesarul şi solicitările

consumatorului, după cum urmează :

0L = 1,05 Qnec /c [kJ/h]

unde: 0L este sarcina frigorifică a instalaţiei pentru răcire în sistem direct şi indirect, într-o

singură treaptă;

c – durata de funcţionare a compresoarelor, [h]. pentru depozitele de produse refrigerate,

durata de funcţionare a compresoarelor se ia 20-22 h/24h; 2-4 h zilnic se prevăd pentru

întreţinere şi reparaţii.

0L = 1,05 1975162/20 = 103696 kJ/h

în spaţiile frigorifice sunt amplasate, după caz, răcitoarele de aer sau bateriile de răcire.

Restul echipamentului frigorific este montat în centrala frigorifică, spaţiu special amenajat pentru

montarea aparaturii din componenţa instalaţiei în condiţii optime de siguranţă şi protecţia

muncii.