Параметры охлаждаемых помещений

Холодильные установки любой отрасли промышленности в зависимости от характера технологического процесса могут быть предназначены как для непрерывного понижения температуры охлаждаемого объекта от начальной до необходимой конечной температуры (охлаждение продуктов, воздуха в помещениях и жид­костей в аппаратах) — такие холодильные установки работают в условиях нестационарного теплового состояния, так и для поддержания постоянных параметров (термостатирования) охлаждаемой среды (для осуществления химических реакций или хранения веществ, требующих для сохранения их качества постоянства температур в аппаратах и охлаждаемых помещениях) — такие установки работают в условиях стационарного теплового состояния.

Так, в термостатируемых помещениях должны устанавливаться идлительное время поддерживаться определенные параметры воздушной среды, отвечающие технологическим условиям обработки и хранения тех или иных продуктов, материалов, изделий, находящихся в данном помещении. К таким параметрам относятся, прежде всего, температура и относительная влажность воздуха. При этом охлаждаемым помещением следует считать лишь такое, в котором поддерживается в определенных установленных пределах некоторая температура, более низкая, чем температура окружающей среды.

Третьим параметром воздушной среды является скорость движения воздуха. Кроме того, в ряде случаев приходится поддерживать определенный состав газовой среды, а также очищать воздух помещения от механических и бактериальных загрязнений и запаха.

Равновесная температура воздуха в охлаждаемом помещении. Для понижения температуры воздуха в замкнутом помещении (аппарате) и поддержания еена заданном уровне помещение (аппарат) необходимо охлаждать, т. е. отводить теплоту с помощью системы охлаждения, обеспечивающей температуру охлаждающей среды t_o. С момента начала понижения температуры помещения (аппарата) t_пм в него начинает проникать теплота из окружающей среды с температурой t_н, возникают и другие теплопритоки. При этом t_н > > t₀. Скорость изменения температуры dt/dt прямо пропорциональна разности между теплопритоком Q_п в помещение и теплоотводом Q_o из него, осуществляемым системой охлаждения, и обратно пропорциональна коэффициенту тепловой емкости С объекта

(1)

Здесь коэффициент тепловой емкости С (Дж/К) представляет собой количество теплоты, которое нужно подвести к объекту или отвести от него, для того чтобы изменить температуру помещения (аппарата) на 1 К.

Равенству / = 0 соответствуют наступление равновесия между теплопритоком и теплоотводом, характеризуемое уравнением теплового баланса (2) исамоустановление определенной температуры воздуха в охлаждаемом помещении (или любой среды в охлаждаемом аппарате), называемой равновесной температурой. Уравнение теплового баланса, включающее теплопритоки от различных источников при стационарном режиме, может иметь следующий вид

. (3)

Схема теплового баланса охлаждаемого помещения показана на рис. 1. Такое равновесие, однако, является временным, преходящим. Холодильные установки работают при переменных внешних условиях, т. е. неизменно выводятся из состояния равновесия, что может вызывать изменение теплоотвода. Если теплоприток Q_п становится больше теплоотвода Q_о, то это вызывает повышение температуры t_пм. Если же теплоприток оказывается меньше теплоотвода, то результатом такого неравенства будет понижение температуры в помещении. В связи с этим важно знать, как ведет себя данная система, будучи выведенной из состояния равновесия. Для простоты рассуждения можно считать, что в охлаждаемое помещение проникает теплота от единственного источника — только через наружные ограждения. С этой же целью расчет ведется по зависимостям стационарного режима. Количество теплоты, проникающее через ограждения в единицу времени,

Q_п = Q₁=k_н×F_н×(t_н- t_пм), (4)

где k_н — коэффициент теплопередачи ограждений; F_н — площадь поверхности ограждений; t_н — температура наружного воздуха.

С другой стороны, количество теплоты, отводимое охлаждающими приборами, определяется выражением

Q_n = Q_o=k₀×F₀×(t_пм-t₀), (5)

где k₀ — коэффициент теплопередачи охлаждающих приборов; F₀ — площадь поверхности охлаждающих приборов; t₀ — температура охлаждающей среды (если пренебречь термическими сопротивлениями внутренней теплоотдачи и стенок трубы, температуру поверхности охлаждающих приборов можно принять равной температуре охлаждающей среды). Тогда, согласно выражению (2),

k_нF_н(t_н- t_н) = k₀F₀(t_пм-t₀), (6)

Если внешние условия изменились, например повысилась температура наружного воздуха, то это вызовет возрастание теплопритока Q_п, как следует из выражения (4), и его превышение над теплоотводом Q₀, в результате чего произойдет повышение температуры воздуха в помещении. Последнее, в свою очередь, вызывает рост теплоотвода, характеризуемого выражением (5). Но повышение температуры воздуха t_пм будет замедлять рост теплопритока через ограждения до тех пор, пока теплоприток не сравняется с растущим теплоотводом (т. е. с возрастающим тепловым потоком к охлаждающим приборам) при новом значении температуры t_пм.

Такое самоустановление температуры охлаждаемого помещения (объекта) не всегда решает задачу регулирования этого параметра. Значение саморегулируемого параметра может выйти за установленные в данном случае пределы (при длительном хранении про­дуктов обычно допускают колебания температуры воздуха ± 0,5 К, при кратковременном ± 1 К), и для ее сохранения внутри этих пределов надо располагать соответствующими средствами. Если из уравнения теплового баланса (6) найти равновесную температуру воздуха в помещении

(7)

то выражение (7) включает и величины, воздействуя на которые, можно добиться изменения температуры t_пм в желаемом направлении. Регулирующим воздействием выбирается теплоотвод Q₀, поэтому для регулирования температуры t_пм следует изменять величины, k₀, F₀ и t₀, так как воздействовать на k_н, F_н и t_н не представляется возможным. Изменяя скорость циркуляции воздуха (например, остановкой или пуском вентилятора), можно изменять интенсивность теплопередачи у охлаждающих приборов и, следовательно, величину k₀; выключением части или всех охлаждающих приборов можно менять площадь их теплопередающей поверхности F₀. Температура охлаждающей среды t₀ в общем случае непостоянна и также саморегулируется при изменениях k₀ и F₀. Если охлаждающей средой является кипящий хладагент, температуру t₀ можно непосредственно изменять, например, увеличением или уменьшением температуры кипения, а если охлаждающей средой является хладоноситель, то изменением его температуры (в этом случае температура поверхности охлаждающих приборов будет соответствовать не температуре кипения хладагента, а температуре хладоносителя).

Если в выражении (7) разделить все члены на k₀, F₀, то оно примет вид (8)

При значительном превышении k₀F₀ над , т. е. если k₀F₀ >> равновесная температура , как это видно из выражения (8), будет стремиться к t₀. Аналогичными рассуждениями можно показать, что при k₀ F₀<< равновесная температура воздуха будет стремиться к t_н. Таким образом, температура t _пм может устанавливаться в пределах от температуры поверхности охлаждающих приборов t₀ до температуры наружного воздуха t _н. Изменяя значение теплоотвода Q₀, можно добиться установления в помещении температуры на желаемом уровне.

Наличие других теплопритоков в охлаждаемое помещение не вносит качественных поправок в приведенные выводы. Равновесная температура в этом случае может быть определена по выражению, аналогичному (1.7),

(8а)

Так как теплопритоки являются внешними возмущениями, то и их влияние будет компенсироваться изменением Q₀.

Равновесная относительная влажность воздуха в охлаждаемом помещении. Относительная влажность воздуха _пм в охлаждаемом помещении самоустанавливается в результате стремления к равенству между влагопритоком W в помещение и влагоотводом из него. Скорость изменения относительной влажности

(9)

где D — коэффициент емкости помещения по влаге, определяющий количество влаги, которое нужно подать в воздух помещения или отвести от него для того, чтобы изменить относительную влажность воздуха на единицу (например, на 1 % относительной влажности). При установившемся состоянии, т. е. при постоянной от­носительной влажности,

и (10)

Один из важнейших источников влагопритока — испарение влаги с поверхности продуктов (усушка) . Кроме того, влагопритоки W могут быть от других источников, в частности при подаче влаги в помещение. Влагоотвод W₀ в охлаждаемом помещении осуществляется конденсацией водяного пара из воздуха на поверхности охлаждающих приборов. Следовательно, баланс влаги будет иметь вид

+ W = W₀ (11)

При всяких нарушениях влажностного баланса, связанных с изменением влагопритока или влагоотвода, в системе, обладающей свойством саморегулирования, возникают процессы, стремящиеся восстановить равновесие, но при новом значении относительной влажности. Так, при увеличении влагопритока, например, из-за внесения в камеру влажных продуктов, левая сторона равенства (11) окажется больше правой. Это повлечет за собой увеличение влажности воздуха в помещении, а следовательно, и влагоотвода W, продолжающееся до тех пор, пока вновь не будет достигнуто равновесие при некоторой повышенной влажности, которая и будет новой равновесной влажностью воздуха охлаждаемого помещения. Количество влаги , теряемое продуктами, подчиняется закономерностям поверхностного испарения влаги (закон Дальтона)

= (12)

где - коэффициент испарения с поверхности продуктов, кг/(м²×с×Па); F_n-площадь поверхности продуктов, м²; -давление насыщенного водяного пара над поверхностью продуктов при температуре поверхности, Па; р_пм — парциальное давление водяного пара в воздухе охлаждаемого помещения вдали от продукта, Па.

Численное значение коэффициента испарения для воды при свободном движении воздуха по данным Леви кг/(м²×с×Па), а для поверхности неупакованных продуктов (в частности, мяса) кг/(м²×с×Па). При достаточно длительном хранении продуктов в помещении можно допустить, что температура поверхности t_n за счет испарения влаги понижается ниже температуры воздуха помещения t_пм и приближается к температуре мокрого термометра. Состояния влажного воздуха в помещении и насыщенного воздуха над продуктом показаны на диа­грамме i — d точками к и п (рис. 2). Тогда взаимосвязь между параметрами этих состояний можно получить из теплового баланса мокрого термометра, в соответствии с которым теплота, передаваемая от воздуха помещения к единице поверхности продукта, целиком идет на испарение влаги с этой поверхности: , где — коэффициент теплоотдачи; r — теплота парообразования.

В несколько преобразованном виде эта зависимость носит название психрометрической формулы

(13)

где А – психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха, .

При барометрическом давлении 0,1 МПа и скорости воздуха 4 м/с А = 67,7; при скорости воздуха 0,8 м/с А = 73,5; при скорости воздуха примерно 1 м/с А = 133,5. Так как , то

(12а)

(13а)

Для упрощения задачи и для получения более простых уравнений, которые позволили бы получить ясные качественные зависимости процессов установления и регулирования влажности, можно принять для интервала температур приближенную линейную зависимость между давлениями температурой насыщения водяного пара, т.е. считать

, (14)

где a и b – коэффициенты, постоянные в данном интервале температур, значения которых представлены в таблице (Курылев).

Интервалы температур	a, Па	b, Па
0…-10	589,16	34,90
-11…-20	392,67	14,89
-20…-30	220,21	6,21

Подставляя в уравнение (13а) значение температуры насыщения водяного пара, можно получить

, тогда , (15)

где М = 1 + b/А.

Уравнение (15) показывает, что испарение влаги с поверхности продуктов уменьшается с возрастанием влажности воздуха и полностью прекращается в насыщенном воздухе с j_пм = 1. Усушка зависит от p”_пм, которая, в свою очередь, зависит от t_пм, и уменьшается с ее понижением. Это одна из причин стремления к понижению температуры в помещениях для хранения продуктов. Естественно, что потеря влаги продуктами пропорциональная площади поверхности, с которой происходит испарение. Наконец, коэффициент испарения b_п зависит от скорости воздуха в помещении. Вследствие этого усушка продуктов в единицу времени увеличивается при усилении циркуляции воздуха.

Количество влаги, отводимое путем конденсации водяного пара на поверхности охлаждающих приборов определяется соотношением

(16)

Где b₀ – коэффициент конденсации водяного пара на поверхности охлаждающих приборов; р₀” – давление насыщенного водяного пара над поверхностью охлаждающих приборов при температуре поверхности t₀.

Влагоприток от прочих источников обычно невелик и величину W в уравнении (11) можно не расписывать.

С учетом выше представленных соотношений и ряда математических преобразований можно записать соотношение для определения равновесной относительной влажности воздуха охлаждаемого помещения j_пм:

(17), где для упрощения введены следующие обозначения:

и .

Выражение (17) позволяет проанализировать ряд положений, полезных для рассмотрения условий установления влажности воздуха в охлаждаемых помещениях. Вначале следует рассмотреть простой случай, имеющий место при отсутствии каких-либо влаговыделений в помещении, кроме усушки продуктов, т. е. когда W = 0. Тогда равновесная влажность воздуха j_пм, связанная только с испарением влаги с поверхности продуктов,

(18)

Как видно из уравнения (18), равновесная влажность j_пм зависит от соотношения между поверхностью продуктов и поверхностью охлаждающих приборов и от величины j₀. Существенное значение имеют два случая, соответствующие минимальному и мак­симальному значениям f(F).

Если площадь поверхности охлаждающих приборов очень велика по сравнению с площадью поверхности продуктов, то f(F)»0. Величина f(F) строго равна нулю для незагруженного помещения, т. е. такого, в котором нет никаких продуктов. Но f(F) может быть равной нулю и при хранении продуктов в герметичной упаковке. В этом случае j'_пм = j₀ Таким образом, оказывается, что j₀ — равновесная влажность воздуха охлаждаемого помещения, устанавливающаяся при отсутствии в помещении влаговыделений. При '_пм = j₀ должно соблюдаться и равенство парциальных давлений, что пара влечет за собой равенство влагосодержаний d_пм = d₀. Это означает, что на диаграмме i — d влажного воздуха точка к, соответствующая состоянию воздуха в охлаждаемом помещении, будет лежать на линии постоянного влагосодержания, проведенной через точку 0, характеризующую состояние насыщенного воздуха над поверхностью охлаждающих приборов при их температуре t₀ (рис.). Можно сказать, что j₀ — самая низкая относительная влажность воздуха, какая может установиться в охлаждаемом помещении с температурой t_пм при температуре охлаждаемой поверхности t₀.

Если площадь поверхности охлаждающих приборов очень мала по сравнению с площадью поверхности продуктов, то f(F) =∞. В этом случае '_пм =1.

Применение зависимости (18) не ограничивается этими двумя случаями. Она позволяет анализировать не только условия установления равновесной влажности воздуха, но и ее изменения в желаемом направлении. Прежде всего, можно утверждать, что равновесная относительная влажность воздуха охлаждаемого помещения устанавливается в пределах j₀ < j_пм≤1. При единственном источнике влагопритока (испарении влаги с поверхности продуктов), а также при постоянных температурах воздуха в помещении и поверхности охлаждающих приборов она зависит только от соотношения между поверхностью продуктов и поверхностью охлаждающих приборов. Чем меньше продуктов находится в охлаждаемом помещении, тем ниже будет в нем относительная влажность воздуха. При хранении упакованных продуктов коэффициент испарения для них будет мал по сравнению с коэффициентом конденсации на поверхности охлаждающих приборов. Это вызовет уменьшение f(F) и приближение влажности воздуха в помещении _пм к ₀.

В случае необходимости удерживать относительную влажность воздуха на заданном уровне между ₀ и 1 по выражению (18) можно найти величины, на которые следует воздействовать для изменения относительной влажности в желаемом направлении; такими величинами являются f(F) и j₀. Функция f(F) может менять свое значение при изменении не только F₀, но и b₀. Влажность же ₀ зависит от температуры поверхности охлаждающих приборов t₀.

Таким образом, относительная влажность воздуха регулируется при помощи тех же самых факторов, которые используются при регулировании температуры воздуха в охлаждаемом помещении, т. е. изменением площади и температуры поверхности охлаждающих приборов; только в данном случае эти факторы вызывают изменение влагосодержания воздуха (количества влаги), увеличивая или уменьшая интенсивность испарения влаги с поверхности продуктов и интенсивность конденсации водяного пара на поверхности охлаждающих приборов. Такое наложение процессов затрудняет регулирование не только относительной влажности, но и температуры.

Особенностью регулирования влажности воздуха в охлаждаемых помещениях является его практически постоянная односторонность, связанная с постоянным влагоотводом в результате непрерывной конденсации водяного пара на охлаждающих приборах. По этой причине в подавляющем большинстве случаев требуется только увлажнять воздух помещения и повышать тем самым его относительную влажность. В тех же случаях, когда требуется понижение влажности, осушать воздух можно понижением температуры поверхности, увеличением площади охлаждающей поверхности (при той же ее температуре) и интенсификацией влагообмена, например, повышением скорости движения воздуха.

Воздух может увлажняться не только вышеуказанными средствами, но и подачей количества влаги W в помещение в соответствии с зависимостью (1.17). Влага в помещение может подаваться в виде водяного пара или капельной воды, распыляемой, например, в форсунках.

C учетом выражений (17) и (18) количество подаваемой влаги для поддержания заданной влажности _пм может быть написано следующим образом:

(19)

Выражение (19) позволяет предотвратить возможный неправильный вывод из баланса влаги (11). Можно предположить, что для прекращения усушки ∆G в помещении для хранения продуктов при любой, даже очень небольшой, влажности воздуха до­статочно подавать в помещение количество влаги, равное количеству, теряемому при усушке. Однако оказывается, что уменьшить усушку добавлением влаги в воздух можно только в том случае, если в помещении будет поддерживаться влажность воздуха j_пм, более высокая, чем j’_пм, так как значение W может быть положительным только при j_пм> j'_пм.

Максимальное количество влаги, необходимое для доведения воздуха до насыщенного состояния

(20)

Все это количество влаги будет конденсироваться на охлаждающих приборах. Если в помещении хранится груз, с поверхности которого не происходит испарения влаги, а заданная влажность воздуха _пм больше, чем ₀, то для ее установления потребуется подача влаги в количестве

________________ (1.21)

Итак, количество влаги, подаваемое для увлажнения воздуха помещения, зависит не только от заданной влажности. Оно возрастает при повышении температуры воздуха, при увеличении площади поверхности охлаждающих приборов и повышении интенсивности влагоотвода. Повышение влажности воздуха в помещении путем подачи в него влаги не требует увеличения площади поверхности охлаждающих приборов, однако при этом возрастает интенсивность выпадения инея на охлаждающей поверхности, что требует увеличения холодопроизводительности компрессора. Последнее обстоятельство является серьезным недостатком этого метода. При достаточной холодопроизводительности установки увлажнение воздуха путем подачи влаги не оказывает существенного влияния на температуру воздуха в помещении. Этим последний способ выгодно отличается от способов, рассмотренных выше.

Приведенные рассуждения справедливы для холодильной установки, обеспечивающей термостатирование охлаждаемых помещений, т. е. поддержание в них равновесной температуры и относительной влажности. В случаях, когда технологический процесс предусматривает непрерывное понижение температуры охлаждаемого объекта от начальной до необходимой конечной, холодильная установка в соответствии с выражением (1) должна обеспечивать превышение теплоотвода над теплопритоком во всем диапазоне необходимых температур охлаждаемого объекта.

Для осуществления охлаждения при понижении температуры охлаждаемого объекта должна понижаться температура поверхности охлаждающих объектов, что может быть достигнуто снижением температуры кипения хладагента, сопровождающимся уменьшением холодопроизводительности холодильной установки, т. е. уменьшением количества отводимой теплоты. Охлаждение объекта прекратится, если величина теплопритока и теплоотвода сравняются в соответствии с выражением (2). При этом в процессе охлаждения объекта влагосодержание воздуха в нем будет уменьшаться соответствуя состоянию насыщения, а избыток влаги будет конденсироваться на поверхности охлаждающих приборов.

Лекция 11. Теплопоступления в помещения холодильников от окружающей среды

 

Теплоприток от окружающего воздуха через ограждения охлаждаемых помещений

Теплота от окружающей среды проникает внутрь охлаждаемых помещений в результате действия двух процессов: теплопередачи через ограждения вследствие наличия разности температур t_н окружающей среды и t_пм воздуха внутри помещения (ап­парата) и поглощения наружной поверхностью ограждений теплоты солнечной радиации. Поэтому

(1)

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: