Лекция 13. Теплотехнический расчет изотермических фургонов

Теплотехнический расчет изотермических фургонов при проекти­ро­вании производят для оценки теплоизоляции кузова, определения требуемых хладопроизводительности или мощности приборов отопления установок микроклимата.

Исходные данные для расчета:

• размеры грузового помещения;

• требуемый коэффициент теплопередачи;

• наибольшее и наименьшие значения температур снаружи и внутри рефрижератора;

• требуемая кратность обмена воздуха внутри грузового помещения;

• принятые системы охлаждения или отопления;

• скорость охлаждения груза;

• при необходимости – дополнительные показатели скоропортящихся грузов.

Наличие в конструкции кузова различных перемычек, элементов крепления оборудования, нескольких слоев различных материалов и других конструктивных особенностей затрудняет прослеживание тепловых потоков.

Для расчетов чаще всего применяют зональный метод. При этом поверхность ограждения грузового помещения (стены, пол, потолок) делят на зоны, близкие по конструктивному исполнению.

Для каждой j-ой зоны рассчитывают коэффициент теплопередачи (Вт/(м² К) по выражению:

, (1)

где α_н – коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха к наружной поверхности фургона при охлаждении или наоборот при отоплении кузова, Вт/(м² К); в_i – толщина i-гo однородного слоя конструкции, м; λ_i – коэффициент теплопроводности этого слоя, Вт/(м² К); α_в – коэффициент теплопередачи от внутренней стенки ограждения к воздуху внутри кузова при охлаждении или наоборот при отоплении грузового помещения, Вт/(м² К); n – число слоев ограждения в рассматриваемой зоне.

Коэффициент α_H для фургонов, имеющих гладкие и ровные поверхности, находят по эмпирической зависимости

, (2)

где _в – скорость движения воздуха относительно поверхности кузова, м/с.

Коэффициент α_в зависит от скорости воздушного потока внутри кузова и определяется по формуле

, (3)

где _ц – скорость движения воздуха, которую принимают 0,1–0,3 м/с при естественной и 0,5–0,8 м/с при искусственной циркуляции (вентиляции).

Средний коэффициент теплопередачи для кузова фургона:

, (4)

где – расчетная площадь теплопередающей поверхности кузова фургона, м²; m – число рассматриваемых зон ограждения.

Расчетная площадь теплопередающей поверхности в j-ой зоне

, (5)

где А_нj и A_вj – площадь соответственно наружной и внутренней поверхности в рассматриваемой зоне ограждения.

Брусья и элементы жесткости создают "тепловые мостики", по которым тепловой поток проходит значительно интенсивнее, чем по теплоизоляции. Они учитываются увеличением среднего коэффициента теплопередачи на 10–30%, т. е. действительный коэффициент теплопередачи

. (6)

Кроме того, ежегодно за счет увлажнения, усадки и старения теплоизо­ляции тепловой поток через нее возрастает на 3–5%. Отсюда расчетный коэф­фициент теплопередачи

, (7)

где τ_ЭК – количество лет эксплуатации фургона до капитального ремонта.

Полученные значения расчетных коэффициентов теплопередачи не должны превышать стандартизованного показателя. Так, например, для рефрижератора с теплоизоляцией класса С с температурой внутри кузова от плюс 12 до минус 20°С при температуре окружающего воздуха плюс 30°С коэффициент теплопередачи не должен превышать 0,33 Вт/(м² К).

Определение хладопроизводительности Q_o холодильной установки производится при наиболее неблагоприятных условиях, т. е. при максимально возможной потере тепла.

Тепловой поток (Вт), отводимый холодильной установкой рефрижера­тора, перевозящего низкотемпературные грузы, определяют по формуле

. (8)

Здесь I – первый режим перевозки (доставка низкотемпературных, предварительно замороженных, грузов).

Теплоприток в грузовое помещение фургона через его ограждение за счет различия температур наружного t_н и внутреннего t_в воздуха определим по выражению

. (9)

Температуры t_н и t_в принимаются наибольшими и наименьшими соответственно по условиям перевозки.

Теплоприток с наружным воздухом через неплотности корпуса кузова находим:

, (10)

где _во – скорость воздухообмена через неплотности кузова, м³/c; ρ_н – плотность воздуха при температуре t _н, кг/м³; i_н и i_в – энтальпия соответственно наружного воздуха и воздуха в фургоне, Дж/кг.

Дополнительный приток тепла от воздействия солнечной радиации

, (11)

где A_c – расчетная площадь, освещаемая солнцем (сумма площадей крыши, боковой и торцевой стен), м²; ∆t_c – разность температур поверхности фургона, подверженной солнечной радиации и наружного воздуха, °С:

, (12)

где μ – коэффициент проницания солнечной радиации через ограждение кузова; I – средняя интенсивность солнечной радиации, Вт/м²; а – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью фургона, зависящий от материала, цвета, состояния поверхности; τ_c – продолжительность солнечного облучения в течение суток, ч.

Теплоприток от нагревающихся электродвигателей вентиляторов

, (13)

где Р – мощность, потребляемая электродвигателем вентиляторов, Вт; η – КПД электродвигателя; τ_дв – продолжительность работы двигателя в течение суток, ч.

Теплоприток, образующийся при оттаивании "снеговой шубы" испари­теля принимают равным 200 Вт

Тогда потребная хладопроизводительность холодильной установки (Вт) на I режиме работы будет

, (14)

где τ_x – продолжительность работы холодильной установки в течение суток, ч.

При расчетах можно принимать:

t_Н = 36 °С; t_В = –20°С; V_ВО = 0,008–0,12 м³/с; ρ_Н = 1,27 кг/м³;

i_Н = 60 кДж/кг; i_В = 18 кДж/кг; I = 640 Вт/м²; а = 0,7–0,8;

_С = 16 ч; η = 0,85–0,95; τ_ДВ = _х = 22 ч; μ = 0,75–1,0.

При перевозке неохлаждаемых плодов и овощей (II режим перевозки) общий тепловой поток больше на два слагаемых:

. (15)

Первые пять слагаемых рассчитывают также, как и для режима I, с учетом соответствующих исходных данных.

При перевозке плодов и овощей широко применяют охлаждение их в пути.

Скорость аккумуляции теплоты в грузах и таре

, (16)

где m_г и m_т – соответственно масса груза и тары, причем принимают массу тары в 15% от массы груза, кг; С_г и С_т – удельные теплоемкости: С_т = 2,7 кДж/(кг.К); t_{г. н} и t_{г. к} – начальная и конечная температура груза, ˚С; τ_охл – продолжительность охлаждения груза, зависящая от температуры наружного воздуха и мощности холодильной установки (указывается в задании на проектировании), с.

Так как при перевозке незамороженных овощей и фруктов их жизне­де­ятельность не прекращается, учитывают выделяемое при этом биологическое тепло

, (17)

где q_б – количество биологической теплоты, выделяемое плодами и овощами, Вт/кг; m_г – масса перевозимых плодов и овощей, кг.

Для подбора компрессора потребную хладопроизводительность установки на I и II режимах приводят к стандартной, принимают большее ближайшее значение.

Конденсатор рассчитывают по рабочей хладопроизводительности для режима охлаждения, а испаритель – для режима перевозки мороженых грузов и проверяется на допустимую тепловую нагрузку при II режиме.

При перевозке грузов с отоплением кузова необходимая мощность обогревателя (Вт) определяется по формуле

, (18)

где Q_от – тепло, образуемое отопителем, Вт; η_об – КПД системы обогрева.

. (19)

Значения Q₁, Q₂, Q₄ и Q₇ определяются по формулам, приведенным выше, причем в них при определении Q₁ и Q₂ t_н, i_н и t_в, i_в меняются местами (поток направлен в другую сторону), а КПД обогревателя принимают η_об = 0,83–0,87.

Затраты теплоты (Вт) на подогрев наружного воздуха, поступающего в помещение для груза определяют по зависимости

, (20)

где n – кратность воздухообмена в грузовом помещении в течение суток (n = 10); V – объем грузового помещения, м³.