Выбор температурного режима работы морозильных аппаратов

УД К
621.56/ 664.95
Выбор температурного режима работы
морозильных аппаратов
Д-р техн. наук В . Н . Э РЛ И ХМА Н , д-р техн. наук Ю.А. ФАТ Ы ХОВ
Кал иlllmградский государствеииьиi технический уииверситет
The calculation m ethod for optimal tempe rature of cooling medium for freezing
appara tus, taking into ac c ount annua l performance costs is given. An example
of calculation of annual performance costs for иMiritaf" air freez ing appar atus
has been prese nted
р , коэффициента те пло провощ юсти Л, э н тал 1, пии
СущеСТ IJС нн у ю долю в себ естоимости произ водства nи ­
щс iJОЙ нродук ции занимают затраты н а ее холод иль н ую об­
коэффици ента теnлоотда'lи а ;
работку. П р 1·1 существующем росте це н н а :т е ргоносители
к- корре кти р у ющий коэффиш1 с 11т;
IJЫIIYCK ко н к у рс нтоспособной nродукции 1юзможен nри
Т., _, - те~111ература н а ч ала за м е рза ния nродукта. К ;
llpi1MCIICHIOI
:т ергосбе ре гающи х тех н ологий, np oцecCO IJ ,
оборудова ни я
11
реж им ов его ра боты, обес n сч и ваю111иХ ми ­
III I М<IJIЫIЫ C экс nлуатационн ы е затраты с дост иж е ни ем н с­
обход н мо l·о качества nроду кции .
В 1 1ро юводствен н ой n ра ктике замораж и ва н ия П 11щевы х
11родуктов 11 р и ~ 1 е няют разл ичны е мороз ильны е а пп а раты ,
отл и•1 а ющи сся nрои зводитель ност ыо, ед и н овремен н ой
/1)
и
Т0 ,- температура охлаждаю щс ii среды, К .
Дл я nлос ко параллельн о i,i н со грш 1и ч е 1н юй п ласт ин ы и з
класс ич еского решении Р. П ла нка следует:
А = (qр8/2)[8/ (4Л) + 1 /а\ ,
f/- теnлота, отвод им а~• от еЛ11 1 1 11цы
где
(3)
масс ы продукта при
за мора жива ни и от н ачальн ой Т. , до ко н е чной сред н е­
объем ной тем n е ра тур ы
Tv, Дж/к г,
вмест и мостью (е мкостью) , в идом охлаждаюшей с р ед ы , ее
q = II( Т. ,)- h(T).
тсм н срату рой, нидом nроду кта и тол щино й его слоя , nсри­
Корре кт ир у ющий коэффици е нт к введе н с Ltсл ыо при бл и ­
од н • н юстыо загруз ки,
сте п е нью м еха н и за ции
и д руг ими
же ни я резул ьтатов ра с чет н о го и практич сс кого о пределен ия
nродолж и тел ьност и за мораж ива ни н. ДлSI IIOЗдY LIIHЫ X моро­
характер и стикам и .
Н аиболее рас про стран е н о замораж и1за ни е в возду ш н ы х
моро з и ль н ых
(4)
а н пар атах
при
темпер атурах
воздуха
- 30... - 38 о с и п л и то•1 н ых а ппаратах при тем п ерату рах хлад­
ш·е iiТ<t - 40 ... - 45 ос. П ри ме н е ни е так и х тем п ератур nоз во­
лнет лo cпl'll> тр ебуе~юй кон е ч1-юй темп е ратур ы nродукта.
Од н ако чи слс 1 111Ые зн аче ния те мn ератур охлажда ющей сре­
д ы JКО I IО~н1 • 1 еск и н е обосновывались.
П риме11 е 1шс ~•м е н н о эти х тем n е ратур обусловле н о ря дом
з ил ь н ы х а nп ара тов при и с пол ьзОIJаJIИИ форм улы Р. П ла н ка
к ~ I ,З.
И з ф ормул
( 1)
и
(2)
следует,
'ITO дл я
зада 1 1 1 10 й производ и ­
тел ьност и n ри nриня той те мнературс охлажда юнt сй сред ы
Т0, ед иновре .\1е нн а~l вмсст и мосп, моро з илыюга апnа рата
долж н а составлять:
Е = АРк!( Т., _ ,- Т0.}.
И з за в и с имости
(5)
(5)
вид 11 о, •по с IIOШI ЖC IIИ C~I те мnерату­
факторон , к которым относятся: возможность подде ржа ни я
ры о хлажда юшей среды Т0 , потреб 1 1а~1 емкость а nпарата
Ш11JЛС 1111Я в и с п а ри тел ьной с исте м е хлада ге нта, близкоi"О к
уменьшается
aт \l ocфcpiiO~I Y (во избежан и е nодеоса воздуха ч е рез нcnлoт­
и э кс nлуатационные затраты ю1 11сго .
и соответстве 11 н о сок ра ша ютСfl каnитал ьны е
относительно н е высокие J 1 1 ергозатраты
С другой сто роны , nо н и жен и е тем nературы охлаждающей
на IIOЛY' I C HI1 C ни з ких тем ператур охлаждаю щей с реды; от­
с реды Т0, и соответстве нн отем n ературы киn с ню1 хладаге н та
IIOCTII IJ с 11 стсм е) ;
сутстви е н еобход и мости nрим е не 11и я с п е ци альны х матер и ­
nри вод и т к росту расхода на эле ктроэ н с рги ю дл я производ ­
ало в (м еталло в , с ма з ки и д р. ), работающ и х в 11ИЗкотс мn с­
спза холода , а также каг1и ПJЛЫiЫ Х и э кс плуата щ ю н11 ых за ­
рату р н ых усло вин х.
трат н а холодил ьное обо рудо ва 11и е.
П ри ор га низа нии в ыn ус ка зам оро же нн ых п родукто в зa­
Так им образом, вар ьировани е те~тс рату ро й охлажда юще й
LШ IIHШI 1 1р011З IЮ!liПСЛЬ Н ОСТЬ р МОЖеТ быть ДОСТ ИП·I ута П р И
с реды Т0, nри усл овии обес п е ч с н иSI задан н о й производ и ­
И С I I ОJI I,:юва ни и м ороз ильны х а nn а ра то 1з с различн ы м и сд и ­
тель ности мороз и л ь н о 1·о апп а рата привод и т к у вел и че ни ю
I Ю в рс м с н ны м и вм ести мастями Е nри соответству ющ и х
од ни х и ум е ньш е н и ю дру г и х затрат, •1 то укю ываст н а суше­
11родолж 1псл ыюстях замора жива ния
Р=
E/'t.
Для у прощении форм ула
(1)
вых 1ютс рь , 11 мсющ 11 х м есто
ствовани е оnт имал ь н ого вар и а н та . Его можно уста н овить,
't:
( 1)
рассч итав годовые э кс nлуата ll И О ННI>I С затраты 11 а э ксп луа­
nриведс на без уч ета ШIКЛО­
таци ю мороз ильного an п а рата , холош1л ы юго оборудо ван и я
13 nроцесс е
работы моро зил ь­
П родолж ител ьн ость за мораживан ия т , исходя и з теорс­
Т11'1ССК 11 Х за вн с ~1 мосте й для ее о nределения, в обобщенной
форм е
Годовые экс nл уатационные затраты н а м орозил ьный апnа­
рат и холодильн ое оборудова шtе оп рсдел~I ЮТС ~I в ыражение м
3 1 = с3 Ек 1 /та + crFк-J'tr+
IIM CCT В ИД
т= А к/( Т. •.• - Т0 ,) ,
и элек троэ н е ргию , n отребляемую для н ро шводства холода
при разл ичны х темn е ратурах охлаждающс i1 с реды.
ного а пn арата.
с, ЕкJiт,,
(6)
(2)
где с3 , сr и с, - соответстве нн о СТО I I\ЮСть ед 111н1цы ед ино ­
- всли ч 1 1 11а , за ви с ищая от фор~1 ы продукта, е го тoл­
llli1HI>I 8. те nлофизических ха рактери стик (nлотности
време нной в~1 ест и~юсп1 аn п арата, р уб/ кг; ед ини цы
где А
nлошали nомещени я, руб/~t 2 , холод нт,н ого оборудо-
на н ия , приходящегос я на единиц у емкости , руб/ к г;
N",
с уч етом формул
и
(9)
( 10)
определ я етс я IJыраже ни ем:
1с- площадь , зан имаемая аппаратом , м 2 ;
t.Nк .a
к 1 , к2 и к3 - коэффици е н ты , уч итывающи е затраты на
П осле п одста н овк и вы ражений
тех нич еское обслуживани е и ремонт;
1:.,,
= N./E = N.,[ (Т -
То )/( ТоТJ )
1.
( 12)
( 11)
и
( 12)
в форм улу
(7)
зависимость дл я расчета годов ы х затрат н а электроэ нер г ию
1: .- и 'х - соответственно срок э ксп луатации а ппара ­
1
будет им еть ви д:
~
та , пом е щения и холод ильного оборудования , лет.
Стоимость холод и ль ного оборудован ия ( ко м прессоров,
= с,т,{[Еq( Т, , 3 -
- Т0 ) /(Т0 11)1 + N.ТJ,}.
Т0)( Т - Т0 )/(АТ0 ТJ)I к4
+
Nл ,
+ Naf<T ( 13)
ко нденсаторов и д р . ) определяют по сл е его подбор а, выпол ­
Для и лл юстрации п редставлен но го метода определим о п ­
н е нн ого н а ос но ван ии ра счета цикла холодильной м а шины
тим ал ьн ую те мп е ратуру охлаждающе й среды и соответству ­
по и з вес тной те мпературе кон ден са ции Т, и темпе ратуре
ющую е й ед иноврем е нн у ю вместимость возду шного моро ­
к ипения хл адаге~п·а Т0 , которую при н и мают 13 зав исимости
з и л ыi о го аппарата производительн остью
600
к г/ч
(0, 17
кг/с)
Т0х ­
nри заморажива нии рыбы в блоках тол щиной 8 = 6-I0- 2 м
от н ачаль ной температуры Т, , = 293 К до конечной сред н е­
Годовые затраты на электроэнергию , потребляе мую ком ­
р = 1000 кгjм 3 , коэффициенттеплопроводности Л. = 1 Вт/(м· К) ,
коэффициент теплоотда'I И а = 50 Вт/(м 2 · К) , удел ыюе ко­
от температуры охлаждаю ше й среды Т0 , :
' f для во здушных мороз ильных а ппар атов Т0
- (7 ... 10)
=
К;
' f дли пли то чны х мороз иfll,ных аппаратов Т0 = Тох ·
объемной температуры Т,, =
прессорам и , электродвигателями мороз ил ьного а пп а рата и
л иче ст во те п ла ,
дру 1·ого IJспомогатсльн ого оборудова ния , мож но оп ределит ь
({ = 336· 103 Дж/кг.
32 = c,r.,(N. +
Nл ,
+ t.Nк .allэ +
N"ТJ, ),
( 7)
где с,- та риф на электроэнер г ию , руб/ (к Вт · ч) ;
мощность , пот ребл я емая электродвигател е м ком­
рата , кВт ;
t.Nк.a - доп ол ни тельная мощность , потребляемая ком ­
прессор а ми холодильн ой установки ~1 а компенсацию
тепла , э квив але нтного мощ но ст и электродвигателе й
мороз иfll,н ого а пп арата, кВт;
мощность эл е ктрод вигателей вс помогательного
оборудова ни я холод ил ьной установки , кВт.
М ощ но ст ь , п отребляемая компрессорами холод ильной
установк и н а замора живание проду кта, равна:
N. = ( Qз/Е)К4 = ( Pq/E)K4,
Q3 -
где
(8)
те п ло при то к от замораживаемого продукта , кВт ;
Е - холод и л ьный ко эффици е нт цикла холодиль ной
машин ы ;
к4 - ко эффици е нт, учит ывающий дополнител ьное по­
сту п ле ни е тепла в мороз илы1ый аппарат и з-за раз но­
сти температур
13
пом еще нии и ап п арате , инфильтра ­
ции воздуха 13 аппа рат, от м еталлически х бл ок - форм ,
ВВОДИМЫ Х В аппарат, И др. ;
q-
+ 1/ al = 336·10 3-I0 3x
+ 1/ 50 1 = 352,8- 103 С · К.
торы х на ос но ва нии обработки да нн ы х уста иовлены следу­
Стоимость единицы емкости
аппарата са, руб/кг
КПД эле кт родвигателя;
N" -
(qр8/ 2)[8/(4Л.)
х(6·1 Q- 2/ 2)16-I0- 2/ (4· 1)
ющие ха ракте ри стики.
мощност ь электродв игателей морозильного аппа­
11, -
продукта,
ных а пп аратов, вып уска е мых фирмой <• Мириталь•>, дл н ко ­
прессора , кВт;
N., -
=
массы
В ка ч естве протот ипа приня т ряд возду шны х мороз иль ­
т., - продолжи тельность работы аппар ата за год, ч;
N. -
К . П лот но ст ь продукта
отводимое от сд иНИilЫ
Коэфф и ци е нт А
по зав и с им ости
248
удел ьная теп л ота , отвод имая от ед иницы массы за­
- 10,41 -I0- 3 E + 328,34
П ло щадь , занимаемая
3,07-I0- 3 E + 7,85
аппаратом F, м 2
Сто им ость холодильного
обо руд ования , nри ходя ще гося
на ед ини цу емкости
аппарата сх, руб/к г
- 17- I0- 3 E + 375,8
Мощн ост ь электродв игателей
аппарата Na, кВт
3,856·I0- 3 E - 0,931
Для расчетов принято
Тем n е ратура конде н сац ии
хладаге нта Т, , К
310
З н ач ения коэффициентов
к1
Срок э ксплуатации апп арата
= к2 = к 3 = 1,2; к4 = 1, 1
и холодильн ого оборудования
Та= т,, л ет
7
Срок эксnлуатации помещения
t c, лет
25
Время работы аппарата т.,. , ч jгод
4000
мораживае мого п родукта, Джjкг.
Холод и л ьный коэффи ци е н т, определяемый для каждой
З,
morc
руб
1000
r--_
те мп е ратуры охлаждающей сред ы и з рас чета цикл а холо­
д и л ьной машины , прибл и же нно может быть рассчитан по
формул е
Е = 11 Ек,
ше
11 -
(9)
коэффициен т обратимости , для ра с четов приним а­
е мый
0,6 ... 0,8;
Е, - холод и л ь н ы й коэффициент цикла Карно , равный
Ек
= Т0/ (Т - Т0 ) .
То гда с у •1 етом выражений
принимает ви д
N = 1Eq(7;, 3
-
( 1), (2) , (9)
111:
Т0)( Т - T0 )/ (AT0Jl }l к4 .
и
( 10)
( 10)
(8)
формула
( 11 )
~-- -- - 1-
800
600
но го мощности эле ктродвигателе й мороз ильного а пп арата
з~
---
r---- -
400
-ю
- -
з~<
--4
з~
Рис.
-
-
1 __2 jуб/ (к8т· ч)l
200
Дополнителыыя мощность, потре бляемая компрессорами
холод ил ьной устаноiJКИ н а компенсацию те пл а, эквивалент­
- - -7- - - --·
-~
--
-е
~ с
/. Годовые экcnлyamш(UOitNЫe зшnршnы 1ю
30JitOfJOЖU60NUe ( р
= 600 кгjч)
З, тыс руб
в ы n ол н ены nри тари фе н а электроэ н е ргию с,= 4 руб/ (к Вт·ч)
(см. ри с.
""-з,
(0 ,28
1), а такжедля n ро и з вод и телыюсти Р = 1000 к г/ч
2).
к г/с) (р и с.
П олуче нн ы е да нн ы е nоказ ывают, что в общих финан со ­
1200
в ы х затратах н а за моражива ние n роду ктов nревали руют за­
траты н а эл е ктроэ н е рг и ю. П овы ш ение та р ифа н а эл е ктро­
1000 1--
э н ер ги ю н а
1 р уб.
за 1 кВт· ч nр ивод ит к росту общ и х годо­
- 200 ты с .ру б . , •по у вел и чи вает себесто имост ь
nродук ции всего н а 8 ... 10 коп.
в ы х затрат н а
1 кг
Зz
Оnтимальная вели чина те мnературы охл аЖда юше й среды н е
800
за ви сит от про из вод ител ь н ости
ны х аппаратов составляет
ос , что н иже и спользуе­
мой в nрактике. Од н а коприме не н ие повы ш е нной до
- 30...
- 35 ос температур ы охлаЖда юше й среды н е п р ивод и т к су­
600
з,""
400
Рис.
- 40
2.
ществе н н ому росту фи нан еон ы х затрат, у вел и чен и е которы х
L------"
~
r- 45
со ставляет
в год. П ри этом улуч ш аются ус­
в ы соких тем п е ратур и давле ни я ки n е ни я хлада ге н та.
Соответствующ и е о n т и м ал ь н ы м темп е ратура м о хл ажда­
Годовые :жсплуатационные затраты на
юше й с ред ы е мк ости мороз ильны х а nn а ратов долж ны со ­
( Р = 1000 кгjч)
ста влять Е =
= 1000
Тариф на электроэ н е рг и ю
Результаты ра с ч етов годовых э ксnлуатацио н ных затрат
дл я ра зличных те м n е ратур охлаждающей с р ед ы представ­
2000 к г для Р = 600 кг/ ч и Е = 3300 кг дл я Р =
кгj ч.
П риведе н н ая метод и ка оnределения оnти мал ь ной тем n е­
3
руб/(к Вт·ч)
ле н ы в таблице и 1-1а р ис.
10 ... 30 тыс. руб.
л овия э к с nл уата JJИИ холодильной установк и и з-за более
-35
залюраживание
cJ,
и для воздушны х морозиль­
- 39 ... -41
ратур ы охлаждаюшей с ред ы может быть та кже nриме н с н а
для сравни тель н о го анали за разл и ч ных типов мороз и л ь ны х
аnnа ратов по э ко н ом и ч ес кой э ффект ивности с цел ью и х
1.
выбора.
Аналогичн ы е ра с четы для принят ы х ис х од ны х да н н ы х
Годовые :жсплуатационные затраты на заJнораживание в воздуаuю,н морозилыюм аппарате производит ел ыюстью
Р = бООкг/ч
(0, 17 кг/с)
Те мnература охлаждаю ше й сред ы Т,", К
('С )
П оказатели
Темпе рату ра к и n е ния хладагента Т0 , К ("С)
Еди новреме н ная вместимость апп арата
Е. кг
Сто имость ед ив ины емкости а г• па рата
с,. руб/ к г
П лощадь, зан и маемая а ппаратом
F.
м2
213 (- 60)
223 (- 50)
228 (- 45)
225 (-38)
24 1 (-32)
203 (-70)
213 (-60)
218 (-55)
225 (- 48)
23 1 (- 42)
1322
159 1
1772
2107
25 15
3 14,6
3 11 ,8
309.9
306,4
302.2
11 ,9
12,7
13,3
14.3
15,6
353,3
348,8
345,7
340
330,3
165,6
195,4
215, 1
250,6
292.6
53,9
46,5
43 , 1
38.6
34,8
4, 17
5,2
5,9
7, 19
9,7
724,8
649,7
6 18,5
58 1.4
572,4
890,4
845, 1
833,6
832
865
Сто имость холод ил ьн ого оборудова ни я.
n ри ходя шая ся н а ед и ни цу е мкос т и
с,, руб/кг
Годов ы е
зат рат ы н а эксплуатацию а n п арата
И ХОЛОд 11Л Ь Н ОГО обо рудО Ва НИЯ
3,.
Т Ы С. руб
Мощн ост ь, n отребляемая ком п рессо ра м и
N,.
кВт
Мощн ость, эле ктродвигателе й а ппа рата
N,. кВт
ГодОIJ ы е затрат ы 11 а электроэ нергию
3), т ы с.
руб.
Су ммарные годоu ы с эксnлуатац и о н ны е
затраты
3
=
3 1 + 32'
ты с. руб .