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1、第9章 食品冷冻与冷藏装置 第一讲 装置设计与静态负荷 第一节：制冷装置的设计原则,一、制冷装置设计基本原则 1、使用要求和使用条件 2、保证在一定工况范围内的稳定性 3、性能指标和经济指标优化,制冷装置类型具有多种形式，在装置设计时，需要在分析使用条件与使用要求的前提下，确定装置类型，并进行设计计算。,保证一定工况范围内的稳定性 实际装置不可能固定工作在某一个工况下，而且在使用环境变化或其他干扰因素影响下，这种偏离有时还较大。如果制冷设备只能工作在某一个设计工况下，而在其它工况下因振荡或出现其它问题而难以工作，那么这样的装置在实际中是行不通的。因此必须保证所设计的装置在一定工况范围内都能稳定
2、的工作。,寻求性能与经济性最优化： 性能的优化：比如对于空调而言，使温度波动范围尽可能小，使人体舒适性提高。 经济性：装置的投资与节能。,第一节：制冷装置的设计原则,二、制冷装置设计的一般步骤 1、确定装置的类型和结构 2、确定设计工况、确定负荷（重点学习） 3、制冷系统各部件性能确定、形式与大 小的确定（课程设计） 4、非设计工况下的校核（仿真：重点学习）,1. 得热量与冷负荷 得热量：进入建筑（冷间内）的热量 冷负荷：维持环境(室内、冷间内空气温度达到所要求的值而需要的冷量)需取走的热量,例子：负荷计算 夏季空调/冷库负荷计算方法,冷负荷一般不是恒定不变的。空调/冷库设计负荷一般指的是冷负
3、荷的最大值。,前3项热量均以2种方式给予空气： 1. 对流部分全部成为瞬时冷负荷 2. 辐射部分既向邻室传热,又按一定比例分配到各内表面，再通过对流放热形成冷负荷。,得热包括： (1) 围护结构传热 (2) 窗透过辐射 (3) 室内人员、设备、灯光 (4) 渗漏空气,夏季空调负荷计算方法,得热是怎样变成冷负荷的?,夏季空调负荷计算方法 1. 得热量与冷负荷,冷库冷负荷计算方法,1、围护结构传热：包括玻璃 2、货物热（冷却、冻结、冷加工） 3、换气热（空气更换） 4、操作热（人员操作、各种设备工作发热、操作开门进气）,稳态（静态）负荷计算方法,1、围护结构传热： 室（冷间）内外存在温差：,稳态（
4、静态）负荷计算方法,围护结构传热组成：,墙壁,地坪,屋顶,窗户,（1）围护结构的传热系数,2 冷间,1 外界,1 1,（1）围护结构的传热系数k,低温室：通常 外墙：对流传热系数812w/( m2K) 内墙：对流传热系数12w/( m2K) 影响因素：结构、温差、风速 工程设计中：忽略,（2）围护结构的传热面积A,不同的面，材料可能不同，故导热系数不同；内外温差不同。 需要分别进行计算,墙壁,地坪,屋顶,窗户,（3）外界环境温度,过高 过低 一年中夏季空气调节日运行天数中的平均温度作为外界环境空气的设计温度 t=0.4*该地区十年中最热月份的月平均温度0.6*极端最高温度,（4）太阳辐射热的计
5、算,冷间外壁因吸收太阳辐射热而使渗入热量增加，计算时认为： 外墙外表面的温度增加了一定值ts; tz=th+ ts ts同：围壁朝向、表面颜色、材料、粗糙度有关,太阳辐射热的计算,P是围壁外表面太阳辐射吸收系数 Jp是冷库各朝向每昼夜的平均辐射强度值w/m2 H是外表面的放热系数,2、货物热的计算,冷却过程 冻结过程 回冷过程 对每个过程，具体计算为：,冷却过程,式中，平均一昼夜的最大进货量或最大生产量（冷却货物），kg 被冷却货物的比热容，kJ/(kgK) 货物被冷却前的温度， 货物被冷却后的温度，,冻结过程,冻结过程可分为三个阶段：,冻结过程,回冷过程,货物热的大小与每小时冷却货物的数量有
6、关.为了使冷间冷负荷计算时货物热不致太大，通常对分配冷库和生产冷库，应该限制每昼夜的进货量：规定 库容200t的冷库，6%;,3换气热的计算,一些储藏蔬菜、水果的冷库，需要定时定量地补充外界新鲜空气，排除库内的二氧化碳，以便保持蔬菜和水果的新鲜； 同时满足库内人员的通风卫生要求，通风量应按每人每小时30m3的新鲜空气来计算。 进入冷库内外界新鲜空气需要被冷却到库内的空气温度，同时含湿量也要降到库内空气含湿量的水平。,4、操作热的计算,冷间中操作人员、各种发热设备 41 照明热 Q4_1按配用照明功率乘以工作系数而定,单位面积冷间所需照明热,42动力热,43人体热,44开门热,F为冷库面积，m2
7、；q4-4为单位面积的平均开门热，取值见表所示。当层高高于3.6m时，取值成比例的增加。,单位面积平均开门热(层高3.6m),总负荷：Q,面积冷间的统计性指标,单位面积冷间冷负荷综合性指标（w/m2）,1. 得热量与冷负荷 得热量：进入建筑（冷间内）的热量 冷负荷：维持环境(室内、冷间内空气温度达到所要求的值而需要的冷量)需取走的热量,第二讲 动态负荷计算方法,冷负荷一般不是恒定不变的。空调设计负荷一般指的是冷负荷的最大值。,得热量与冷负荷,从静态的观点： 得热冷负荷 从动态的观点： 得热是产生冷负荷的根源，存在传递关系，二者不等，只有得热的一部分变为负荷。进入冷间内的得热并不马上引起冷间内温
8、度的变化，当中存在延迟，故得热与冷负荷并不完全相等。,举例： 太阳光照射到冷间（房间）里，进入太阳光的能量属于得热。但这部分能量可能先被墙壁、冷间内其他货物所吸收，并不马上散发到空气中去，而只有散发到空气中的部分才成为冷负荷。 冷负荷：维持室内（冷间内）空气温度达到所要求的值而需要从空气中需取走的热量,计算渗入热的方法不够精确：,1、渗入热（围护结构传热）： 室（冷间）内外存在温差：,围护结构的传热系数,2 冷间,1 外界,1 1,实际上已经假定： 传热温差的变化马上引起传热量的变化。 传热过程存在延迟环节，传热温差的变化并不马上引起传热量的变化。对于冷库来说，通过墙体进入冷间的热量最多的时刻
9、，并不是外界综合温度最高的时刻。,动态负荷计算方法的优点：,1、较好的反映实际情况 2、计算精度更好,前3项热量均以2种方式给予空气： 1. 对流部分全部成为瞬时冷负荷 2. 辐射部分既向邻室传热,又按一定比例分配到各内表面，再通过对流放热形成冷负荷。,得热包括： (1) 围护结构传热 (2) 窗透过辐射 (3) 室内人员、设备、灯光 (4) 渗漏空气,空调得热是怎样变成冷负荷的?,空调得热量与冷负荷,冷库得热组成：,1、渗入热（围护结构传热）：包括玻璃 2、货物热（冷却、冻结、冷加工） 3、操作热（人员操作、各种设备工作发热） 4、换气热（渗漏空气）,从得热的组成部分，分别研究得热与负荷的关
10、系： 1、渗入热（围壁） 2、照明、人体及设备（货物） 换气热：因外部空气直接与室内空气进行热交换，静态与动态相同。,围壁、设备对外扰和内扰的作用：衰减、延迟（材料蓄能作用） 非均匀板壁的不稳定传热：,第三类边界条件：,太难求解了！,根据基本方程求动态负荷： 1、求解上述偏微分方程； 2、在特定的情况下才有解析解； 3、一般情况下，数值求解：需要计算不同时刻的热流量，计算时刻点多，计算工作量大。,工程算法(估算法) 冷负荷指标估算法：装机容量调查统计值。,负荷计算方法,计算机模拟软件 DOE2(美国)、HASP(日本)、 DeST(清华),工程算法(稳态算法) QKFT 不考虑建筑蓄热，负荷预
11、测值偏大,工程算法(动态算法)：目前应用最广 冷负荷系数法、谐波反应法： 夏季设计日动态模拟。,冷负荷的动态工程计算法： 谐波反应法： 把外扰分解为余弦波，负荷为对各阶余弦波的响应之和。,负荷计算方法,反应系数法(冷负荷系数法)： 把外扰分解为脉冲，负荷为对各阶脉冲的响应之和。 简化算法的原则： 整理出简单的表达式，为工程设计人员提供工具。,冷负荷系数法(反应系数法) （a）原理： 任何连续曲线均可分解为脉冲波之和。将外扰分解为脉冲，分别求得脉冲外扰的室内响应，再进行叠加 室内负荷 反应系数的大小即反应了某一项因素对某时刻负荷大小的影响程度。 CLQ(t) = a Q(t) + b Q(t-1
12、) + c CLQ(t-1) = CLQ Q(t) Q(t)输入干扰 CLQ(t)响应 CLQ反应系数,负荷计算方法,设备使用1小时的室内负荷响应,得热：Q(t)输入干扰 负荷：CLQ(t)响应,反应系数法原理图示(1),设备使用2小时的室内负荷,反应系数法原理图示(2),CLQ(t),(b) 日射冷负荷(外扰) CLQ(t) = F Cs Cn Dtmax CLQ(t) F为窗面积，Dtmax是日射得热因素最大值 CLQ(t)是冷负荷系数，与纬度、朝向有关。 Cs为玻璃遮挡系数，Cn为遮阳系数。,Dmax,F Cs Cn,CLQ(),(c) 内扰冷负荷 CLQ(t) = Q CLQ(t) Q
13、为内热源散热量 CLQ(t)是冷负荷系数 CLQ(t)与开始使用时间和连续使用时间有关，与建筑热特性有关。,Q,CLQ(),CLQ(t),谐波反应法： (1) 原理： 任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。分别求出每个正(余)弦波外扰的室内响应，并进行叠加。,负荷计算方法,冷负荷系数法(反应系数法) 围壁渗入热的反应系数计算,书中191194内容： 基于控制理论的传递函数； （偏微分方程的求解的方法） 传递函数（连续）反应系数（离散） 传递函数输入函数进行卷积求输出函数； 实际：直接给出温度连续输入函数比较困难；通常只是给出离散时刻点的温度,传递函数：与热力系统的特性有关 离散输入：此
14、时反应系数即为传递函数； 扰量分解的方法： 单位三角波、单位矩形波,冷负荷系数法(反应系数法) 围壁渗入热的反应系数计算,分析得热变为冷负荷的传递过程：,计算时刻n,(N-3),(N-2),(N-1),时间,围壁渗入热的反应系数的实际应用,考虑到t=0以后温度扰量(j)对t=n时刻的反应，通过围护结构的热流量为： Y(j)反应系数： 与热力系统的特性有关，也与时间步长有关，与输入参数值无关； 物理意义：延续一定时间的具有单位强度的标准扰量引起的输出量的变化值。,分析：,1、实际计算时，只能求有限项的和，且项数应少一些； 2、如果数列Y(j)很快趋于0，则计算的项数就少； 3、实际上， Y(j)
15、在一定的项数后，单调减小，但速度不快，必须多项才误差不大； 4、 Y(j)的比例性：在一定的项数之后，下面相邻的各个反应系数之间的比例近于固定。,设对于Y(j)，当j=k后，有 Y(j+1)=CY(j) C为公比,用n-1代替上式中的n，则,将q(n)-Cq(n-1)，则得,这是一种经过改进后的反应系数法，一般称为采用公比的反应系数法。 反应系数法举例说明： 1动态负荷计算中的一个重要方法，在空调中应用较广； 2对于常见的建筑结构，有成熟的计算结果，可查手册，也有标准程序；,3表86列出典型墙体的反应系数： X(j) 外墙吸热反应系数 Y(j) 传热吸热反应系数 z(j) 内墙吸热反应系数 4
16、 对于通过围护结构的动态传热计算，只用Y(j) 5 表86中，时间间隔为1小时，Y(j)只列出8项，以后看成固定比例，可以算出。,举例81,分析：温差变化,照明产生的动态冷负荷,分析： 1、照明是间断的；（发热量不等于冷负荷）； 2、放热过程：照明的热量有一小部分通过辐射作用于冷间内空气；大部分被冷间内的围护结构、设备、地面等吸收。 当吸收热量的物体被加热至高于室内空气温度时，以对流的方式把热量传给冷间中的空气，构成冷间的冷负荷。 3、时间上滞后，数量衰减。当关闭照明后，冷负荷下降，但并不马上变为0，物体蓄热量陆续放出。,寻找冷负荷与发热量的关系:,引入类似于围壁反应系数意义的权系数： 1、权系数与冷间有关：围护结构、设备、地面，主要是围护结构（围壁）（冷间隔热体）的蓄放热的性质有关,冷负荷与发热量的关系
