DETERMINAREA NECESARULUI DE FRIG ŞICALCULUL PARAMETRILOR INSTALAŢIEI

FRIGORIFICETEMA:Să se determine necesarul de frig pentru spatiul DR1 al depozitului

frigorific din fig.16.1, utilizat pentru stocarea carnii de vita, la o temperatura interioara ti = -5oC.

1. Determinarea necesarului de frigNecesarul de frig se calculează din bilanţul termic, pentru un interval de

24 ore [kJ/24], folosind relaţia:Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4,

în care: Q1 – cantitatea de căldură pătrunsă din exterior; Q2 – necesarul de frig tehnologic; Q3 – necesarul de frig pentru ventilarea camerelor; Q4 – necesarul de frig pentru acoperirea pierderilor din timpul

exploatării.

153

1. Cantitatea de căldură pătrunsă din exterior prin izolaţii, din cauza diferenţelor de temperatură şi a radiaţiei solare, se determină cu relaţia:

Perete exterior: tencuială exterioară cu 1 = 1 W/m.K şi 1 = 2 cm; zidărie din beton expandat cu 2 = 0,23 W/m.K şi 2 = 25 cm; tencuială suport cu 3 = 1,16 W/m.K şi 3 = 2cm; bariera de vapori cu 4 = 0,384 W/m.K şi 4 = 3 mm; izolaţie din polistiren cu 5 = 0,04 W/m.K şi 5 = 10 cm; tencuială finită cu 6 = 1,16 W/m.K şi 6 = 2 cm.Coeficientul global de transfer se calculează pentru fiecare element de

construcţie în parte, folosind relaţia:

, in care:

- coeficienţi de transfer termic convectiv (pentru suprafaţa dinspre mediul exterior a pereţilor ext = 29 W/m2.K; pentru suprafaţa exterioară a pereţilor interiori ext = 12 W/m2.K; pentru suprafaţele dinspre interior ale pereţilor int = 8 W/m2.K). Pentru pardoseală se admite 1/ext = 0.

Pentru peretele exterior am obtinut valoarea: k=0,262

Fig. 16.2 – Structura multistrat a peretelui

Pereţi interiori: la fel ca pentru pereţii exteriori, dar fără bariera de vapori (stratul 4).

k=0,263

1

Plafonul se va considera format din următoarele straturi (de la interior spre exterior):

tencuială finită cu = 1,16 W/m.K şi = 2 cm; izolaţie din polistiren cu = 0,04 W/m.K şi = 10 cm; planşeu din beton armat cu = 2,03 W/m.K şi = 25 cm; strat de bitum cu = 0,17 W/m.K şi = 5 mm; strat din pietriş cu = 0,7 W/m.K şi = 4 cm. k=0,346

Podeaua se consideră formată din următoarele straturi (de la interior spre exterior):

covor PVC cu = 0,33 W/m.K şi = 3 mm; hidroizolaţie cu = 0,17 W/m.K şi = 2 cm; planşeu din beton armat cu = 2,03 W/m.K şi = 25 cm; strat din pietriş cu = 0,7 W/m.K şi = 4 cm. k=2,320

Si – suprafaţa elementului i (perete, podea sau plafon); ti – diferenţa de temperatură la care se găseşte peretele respectiv:

- pentru pereţi exteriori şi plafoane ce sunt în acelaşi timp şi acoperiş (terase), diferenţa de temperatură pentru care se face calculul este ti = tc = 35 – ti (temperatura exterioară se consideră 35 0C);

tc = 35 – ti = 40 0C- pentru pereţi interiori, plafoane şi pardoseli ce separă spaţiul

frigorific de unul nefrigorific care comunică direct cu exteriorul: ti = (0,7…0,8)tc;

ti = 0,740=28 0C- pentru pereţi interiori, plafoane şi pardoseli ce separă două spaţii

frigorifice similare ti = 0,4tc;ti = 0,440=16 0C- pentru pardoseli realizate pe sol se consideră că temperatura solului

este de 150C.ti = 15-(-5)=20 0C

tr – adaos de temperatură ce ţine cont de influenţa radiaţiei solare, care se ia în calcul pentru pereţii exteriori şi plafoanele ce sunt şi acoperiş:

- tr = 0 pentru pereţi exteriori orientaţi spre N;- tr = 50C pentru pereţi exteriori orientaţi spre E, V, SE, SV;- tr = 150C pentru pereţi exteriori orientaţi spre S;- tr = 150C pentru plafoane care sunt şi acoperiş sau terasă.

Pentru uşurarea calculelor rezultatele se vor centraliza într-un tabel, după modelul de mai jos.

2

Elementul k [W/m2K] S [m2] ti [0C] tr [0C] kS(ti+tr

)Perete 1 0,263 42 16 0 176,736Perete 2 0,262 42 40 5 495,18Perete 3 0,262 42 40 15 605,22Perete 4 0,263 42 28 0 309,288Plafon 0,346 144 40 15 2740,32Podea 2,320 144 20 0 6681,6

TOTAL 11008,344 W

Pentru pereţi exteriori, valorile maxime admise pentru coeficientul global de transfer de căldură k sunt date în tabelul 16.1.

Tabelul 16.1Valori recomandate pentru k [W/m2.K] – pereţi exteriori

Temperatura interioară [0C]

Expunere: Nord Expunere: Sud Expunere: Medie

-30…-18 0,32 0,25 0,23-10 0,40 0,35 0,30- 4 0,46 0,40 0,350 0,53 0,46 0,40

+4 0,64 0,58 0,49

Pentru pereţi interiori, valorile maxime admise pentru k, în funcţie de destinaţia spaţiului, sunt prezentate în tabelul 16.2.

Tabelul 16.2Valori recomandate pentru k [W/m2.k] – pereţi interiori

Spaţiul răcit Temperatura interioară [0C] kSpaţii de congelare -23…- 35 0,35Spaţii de depozitare -18…-20 0,40

Spaţii de refrigerare0 0,52

+4 0,70+12 0,91

2.Verificarea fluxului termic unitar prin elementele de constructie:

q0=k(ti + tr) 10...15

3

q0 (perete 1)=0,263∙16=4,20

q0 (perete 2)=0,262∙45=11,79

q0 (perete 3)=0,262∙55=14,41

q0 (perete 4)=0,263∙28=7,364

q0 (plafon)=0,346∙55=19,03 este necesara o izolatie mai groasa; q0 (podea)=2,320∙20=46,4 este necesara o izolatie mai groasa;

3. Se determină suprafaţa utilă a depozitului:

,

în care S este suprafaţa depozitului, iar coeficientul are valorile: 1,3 – pentru depozite de produse refrigerate având suprafeţe între 80 şi 200 m2;

S=144 m2

Sui=110,78

4. Cunoscând norma de încărcare cu produse pe unitatea de suprafaţă (tabelul 16.3), se determină cantitatea de produse stocate:

.

m=180∙110,76=19936,8 Cantitatea de produse se poate determina şi cu ajutorul indicelui de

încărcare i, unele valori fiind prezentate în tabelele 16.3b şi 16.4. Volumul efectiv ocupat de către produse va fi dat de relaţia:

în care Vtot este volumul total disponibil, iar coeficientul de utilizare k are valorile următoare:Suprafaţa totală a pardoselii [m2] Înălţimea spaţiului [m] Indicele de utilizare, k

< 100 < 4 0,56

100...250< 4 0,56...0,60> 4 0,63...0,68

> 250 > 4 0,68

4. Necesarul de frig pentru răcirea produselor se determină cu relaţia1:

1 pentru depozite de produse refrigerate sau congelate Q2 = 0 (deoarece produsele sunt deja r\cite pân\ la temperatura final\ corespunz\toare).

4

- pentru refrigerare,în care:

m – cantitatea de produse [kg]; ii, if – entalpia iniţială, respectiv finală2 a produselor (tabelul 16.6, în

funcţie de temperaturile iniţiale şi respectiv finale ale produselor3) [kJ/kg]; m – pierderea de masă a produselor [%] (tabelul 16.7); Qc – cantitatea de căldură degajată prin reacţii biochimice de către

produse (căldură de respiraţie) – tabelul 16.8.

Q2=0

5. Necesarul de frig pentru ventilarea spaţiilor ţine cont de introducerea de aer proaspăt:

,unde:

V – volumul camerei ventilate [m3]; a = 4 schimburi de aer/zi pentru depozitele de carne, lapte şi produse

lactate; iex, ii – entalpia aerului din exterior, respectiv din interior [kJ/kg];

aceasta se determină cu ajutorul diagramei Mollier, pentru o umiditate relativă a aerului exterior de 60 %. Pentru aerul din interiorul spaţiului, umiditatea relativă se determină conform datelor din tabelul 16.9 pentru produsele refrigerate, iar pentru congelate se consideră o umiditate relativă de 95 %.

i – densitatea aerului din interiorul depozitului - rezultă din ecuaţia de stare:

.

V=504 m3

i=1,31 kg/m3

iex ; t=35oC iint ; t=-5oCPvs=5533,2 Pvs=413,74 Pv=3319,92 Pv=351,92x=0,02 x=0,002i=87,43 i=0,367

Q3=229948,38 [kJ/24h]

2 la -200C, if = 0, cu excep]ia iaurtului, smântânii, chefirului, pentru care if = 0 la 00C.3 pentru refrigerare tf = 0…40C, iar pentru congelare tf = -18…-250C.

5

6. Necesarul de frig pentru acoperirea pierderilor din timpul exploatării (aporturi de căldură din exterior la deschiderea uşilor, aporturi de căldură datorate personalului care intră în încăpere, aporturi de căldură de la sursele de iluminare şi motoarele electrice ale ventilatoarelor etc) se determină cu o relaţie aproximativă:

în care depinde de suprafaţa depozitului: S > 300 m2: = 0,1; 150 <S< 300 m2: = 0,2; 80< S < 150 m2: = 0,3; S < 80 m2: = 0,4.

7. Necesarul total de frig:

.

Q=1466405,57 [kJ/24h]

8. Sarcina frigorifică:

,

ϕ=21,4 [kW]

în care se consideră că timpul de funcţionare este c = 20 ore pe zi pentru produse refrigerate.

16.2. Calculul parametrilor instalaţiei frigorificeSe presupune că răcirea spaţiului frigorific considerat în etapa anterioară

se realizează cu aer; condensatorul instalaţiei frigorifice este de asemenea răcit cu aer.

Se mai cunosc:

- coeficientul spaţiului mort = 0,03 (3%);- exponentul politropic al destinderii md=1,08.

Etape

6

1. Evoluţia temperaturilor în vaporizator este prezentată în fig.16.3, temperatura aerului la intrarea în vaporizator, tai, fiind temperatura din depozit, ti

(tai = ti). Pentru aplicaţii industriale avem:

ta0 = 3…5 0C; diferenţa totală de temperatură din vaporizator ttot0 = 6 0C; rezultă deci

t0 = tai - ttot0.Fig. 16.3 – Evoluţia temperaturilor în vaporizator:S0 – suprafaţa vaporizatorului; tai – temperatura aerului la intrare; tae – temperatura aerului la ieşire; t0 – temperatura de vaporizare a agentului frigorific; 1-2 – vaporizare; 2-3 – supraîncălzire.

t0= -11oC

Presiunea p1 corespunzătoare temperaturii de vaporizare t0 se determină din tabelele din pachetul CoolPackRefrigeration utilitiesSaturation table. Se neglijează supraîncălzirea vaporilor în vaporizator (procesul 2-3, fig.16.3), astfel încât parametrii de intrare în compresor vor fi p1, t0.

7

2. Evoluţia temperaturilor în condensator este prezentată în fig.16.4. Temperatura aerului la intrarea în condensator taik se adoptă taik = 35 0C (temperatura mediului exterior).

Fig. 16.4 – Evoluţia temperaturilor în condensator:Sk – suprafaţa condensatorului; taik – temperatura aerului la intrare;taek – temperatura aerului la ieşire; tk – temperatura de condensare a agentului frigorific; tref – temperatura la refularea din compresor; 1-2 – răcirea vaporilor supraîncălziti; 2-3 – condensare; 3-4 - subrăcire

Diferenţa de totală de temperatură (ttot0) în vaporizatorttot0, 0C 4,0...5,5 5,5...6,5 6,5...8,0 8,0...9,0 9,0...10,0

Umiditatea relativă, % 95...91 90...86 85...81 80...76 75...70

Creşterea de temperatură a aerului la trecerea prin condensator este, pentru aplicaţii industriale, tak = 5…10 0C, iar diferenţa maximă dintre temperatura de condensare tk a agentului frigorific şi temperatura aerului la intrarea în condensator este ttotk= 10 0C; rezultă de aici temperatura de condensare a agentului (tk = taik + ttotk), iar din tabelele din pachetul CoolPack se determină presiunea de saturaţie corespunzătoare p2. Subrăcirea agentului frigorific în condensator este tsr = 4…7 0C, dar în cadrul acestei aplicaţii se neglijează efectul subrăcirii (procesul 3-4)

Se calculeaza pentru spaţiul DR 1 unde se afla urmatoarele valori:- temperatura interioară: tai = - 50 C

8

- temperatura totală: ttot0 = 60 CRezultă temperatura de vaporizare t0 = - 110 C

- temperatura mediului exterior: tak = 350C- temperatura totala: ttotk = 100 C

Rezultă temperatura de condensare tak = 450 C

3. Trasarea ciclului de funcţionare al instalaţiei frigorificeFosind pachetul CoolPack (Refrigeration utilitieslog(p)-h diagram

Cycle input) se trasează ciclul de funcţionare al instalaţiei frigorifice în coordonate lg p – h; randamentul izentropic al compresorului se va alege (valori uzuale 0,6..0,8).

Coeficientul de umplere al compresorului (ţinând cont doar de existenţa spaţiului mort4) se determină cu relaţia:

Cu ajutorul ecranului “Cycle info” (fig.16.5) din acelaşi utilitar log (p)-h

diagram, în secţiunea “Dimensioning” se introduce puterea frigorifică

determinată în etapa anterioară (QE

= ), iar în secţiunea “Volumetric efficiency”

se introduce coeficientul de umplere “n_vol” (); cu aceste date rezultă: 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 căldură pentru condensator Qc [kW]; puterea absorbită de compresor W [kW].

Qe=21,4[ kW]

Qc=30,288 [kW]

m=0,162 [kg/s]

V=61,81 [m3/s]

W=8,888 [kW]

4

5

9

16.3. Alegerea componentelor instalaţiei frigorifice16.3.1. Alegerea unui vaporizator prin programul de fabricaţie al firmei

GüntnerPentru 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 , programul oferind apoi o listă cu vaporizatoare care ar putea satisface condiţiile impuse .

Vaporizatorul ales este de tipul GHN 071.2E/14-AHU50.M ,caracteristicile sale fiind prezentate in anexa urmatoare.

10

16.3.2. Alegerea grupului compresor-condensatorAlegerea grupului de condensare se realizează cu ajutorul dezvoltat de

către firma Bitzer .Ca date iniţiale pentru alegerea grupului de condensare se introduc: tipul agentului frigorific; tipul compresorului; puterea frigorifică; 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.

16.3.3. Alegerea condensatorului şi compresorului

În cazul unor puteri frigorifice necesare mari este posibil ca firmele să nu ofere unităţi compresor-condensator în programul de fabricaţie. În acest caz compresorul 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 condensare „Cond. temp.”, 0C; temperatura aerului din mediul înconjurător „Air temp.”,0C; umiditatea relativă a aerului „Rel. humidity”,%; altitudinea la care se găseşte depozitul „Altitude”: la nivelul mării.

11

Principalele elemente avute în vedere pentru alegerea compresorului sunt: Agentul frigorific; Puterea frigorifică, kW; Subrăcirea agentului frigorific lichid, K; Temperatura de condensare, 0C.

Compesorul ales este de tipul: 6J-22.2Y.40P

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.

12