UNIVERSITATEA BIOTERRA BUCUREŞTI FACULTATEA CONTROLUL ŞI EXPERTIZA PRODUSELOR ALIMENTARE
PROIECT: PROIECTAREA UNUI DEPOZIT FRIGORFIC
CEPA ANUL II FR
BUCUREŞTI 2009
DATE INIŢIALE DE PROIECTARE
Tema proiectului : POIECTAREA UNUI DEPOZIT FRIGORIFIC Să se calculeze şi să se aleagă izolaţia termică a pereţilor unui tunel de refrigerare. Refrigerarea se face cu ajutorul răcitoarelor de aer carcasate, de perete. Temperatura aerului exterior este de 23°C.
Elemente iniţiate de proiectare: Unitatea pentru care se realizează proiectarea este amplasata în localitatea Craiova. Caracteristicile materiilor prime si ale produselor finite sunt cele corespunzătoare normelor in vigoare. Instalaţia frigorifica şi cea de condiţionare a aerului trebuie să asigure desfăşurarea procesului tehnologic si depozitarea produselor finite in condiţii optime. Echipamentul necesar instalaţiei frigorifice si de condiţionare se va alege pe considerente economice, atât din producţia internă şi din import. Pentru instalaţiile frigorifice, la condensatoare, se dispune de apă de răcire de la reţeaua de apă industrială a oraşului. Consumul de apa proaspătă de la reţea este limitat la maximum 30% din necesarul de apa la condensatoare pe timpul verii. Pentru completarea necesarului de agent de răcire se recomandă utilizarea condensatoarelor cu evaporare forţată sau a turnurilor de răcire.
2
CONŢINUTUL PROIECTULUI
A.
Piese scrise Rolul izolaţiilor termice în structura pereţilor si principiul de calcul al grosimii izolaţiei si al coeficienţilor de transfer termic.
B. Calcule 1. Calculul grosimii izolaţiei termice pentru pereţii laterali si tavane. 2. Calculul sarcinii frigorifice necesare dimensionării şi sarcina frigorifică necesară dimensionării răcitoarelor.
C. Bibliografie
3
CALCULUL DE PROIECTARE A. PIESE SCRISE 1. CALCULUL CARACTERISTICILOR AERULUI ATMOSFERIC PE
TIMPUL VERII SI AL IERNII
Se alege gradul de asigurare, în funcţie de localitate şi de varianta de amplasare a clădirii. Temperatura exterioara de calcul se va calcula conform STAS 6648/2-82 astfel:
tec = tem+c*Az [°C] unde: tem - este temperatura medie zilnica, în funcţie de localitate şi de gradul de asigurare în care este încadrată clădirea; c - coeficient de corecţie pentru amplitudinea oscilaţiei zilnice a temperaturii aerului exterior; Az- amplitudinea oscilaţiei zilnice de temperatură, în funcţie de localitate, în °C. Pe timpul de vară, aerul atmosferic mai este caracterizat de: conţinutul de umiditate la ventilaţie mecanică : xevm; conţinutul de umiditate la climatizare : xeci; Pe timpul de iarna, aerul atmosferic este caracterizat de: temperatura în luna ianuarie, care, conform STAS 6648/1-82, este ti = - 12o...-15°C; conţinutul de umiditate în luna ianuarie, conform STAS 6648/1-82, este xe =1- 0,8 g/kg.
2. CALCULUL IZOLAŢIILOR TERMICE PE CONTURUL CONSTRUIT AL SPAŢIILOR RACITE SI/SAU CONDIŢIONATE. CALCULUL COEFICIENŢILOR GLOBALI DE TRANSFER TERMIC. Regimul de funcţionare al spatiilor frigorifice şi climatizate, caracterizat prin valori coborâte ale temperaturii, prin variaţia rapidă a acesteia şi printr-o umiditate mare a aerului din încăperi, impune pentru izolarea te rmică a pereţilor, plafoanelor şi a pardoselilor condiţii deosebite, a căror realizare practică o serie de dificultăţi. Rolul izolaţiei termice constă în reducerea fluxului de căldură ce pătrunde prin pereţii camerelor frigorifice, în vederea menţinerii unui regim de microclimat cât mai stabil, indiferent de condiţiile de mediu.
4
Pentru izolarea pereţilor şi a plafoanelor se foloseşte ca material izolant polistirenul expandat, obţinut prin expandarea perlelor de polistiren. Are o buna rezistenta la acţiunea apei, prezentând însă câteva dezavantaje : rezistenţă mecanică redusă; punct de topire coborât ( 80°C); coeficient de dilatare termica mare.
Caracteristici fizice: λ = 0,03- 0,035 W/(mK); conductivitate termica : coeficient global de transfer termic: k a = 0,2 - 0,5 W/(m2K); densitate de flux termic: qa= 8 W/m2; temperatura maximă de utilizare: 60°C. Pardoseala se izolează cu plăci de plută expandată şi impregnată. Este obţinută din bucăţi de plută naturală cu dimensiuni de 3 - 8 mm, prin expandare la 400°C şi impregnare cu răşini proprii (pluta Superex) sau cu bitum (pluta Asko). Caracteristici fizice: λ = 0,04 - 0,06 W/(mK); conductivitate termica : densitate : p = 150-1 60 kg/m3; σ = 3-4 kgf/cm2; rezistenţă mecanică redusă: coeficient global de transfer termic: k a = 0,3-0,7 W/<;m2K); densitate de flux termic: qa =11-12W/m2; Fig.1 Structura peretelui: 1 - start de tencuială; 2 - zidărie de cărămida ; 3 - tencuiala de egalizare; 4 - bariera de vapori; 5 - strat de izolaţie; 6 - plasa de rabiţ;., 7 - strat de tencuială. Zidărie de cărămidă Tencuială Caracteristici Tencuială de Izolaţie Perete fizice exterioara Perete interior exterior egalizare
Strat de tencuiala pe plasă de rabiţ
[mm] 20 λ [W/(mK)] 0,85
20 0,85
δ
250 0,6
375 0,6
20 0,85
Fig.2 Structura plafonului: 1-start de uzură; 2- placă de beton armat; 3- strat de tencuială; 4- barieră de vapori; 5- strat de izolaţie; 5
iz 0,03 δ
6- plasă de rabiţ; 7- strat de tencuială; 8- mustăţi. Caracteristici fizice δ λ
mm W/ mK
Placă Tencuială Izolaţie de beton armat δ iz 20-30 20 1,25 0,85 0,03
Strat de uzură 20-30 0,12
Tencuială pe placa de rabiţ 20 0,85
Fig. 3 Structura pardoselii 1 - start de uzură; 2 - placă de egalizare beton armat; 3 - strat de izolaţie; 4 - plasă de sârma de oţel; 5 - bariera de vapori ; 6 - placa de beton armat; 7 - placă de beton cu rezistenta electrica; 8 - strat de balast; 9- strat de pământ compact. Strat Placă de Caracteristici de egalizare Strat de fizice uzură beton izolaţie armat
Placă de beton armat
[mm] 20-30 60-80 λ fW/(mK)] 0,62 0,9
50-80 50 1,25 1,25
iz 0,035
δ
δ
Placă de beton cu Strat de Strat de rezistentă balast pământ electrică 200-400 500 0,75 0,7
Izolaţia termică se poate calcula în două variante: a) în funcţie de valoarea coeficientului global de transfer termic; b) în funcţie de valoarea impusa densităţii de flux termic q a; a) Se acordă un coeficient global de transfer termic k a: - pentru polistiren expandat k a = 0,2-0,5 W/(m2K); - pentru pluta expandata k a = 0,3-0,7 W/(m2K) K a
=
1 1 α exi
n−1
+ ∑ δ i + δ iz + i =1
λ i
λ iz
1
[W / m 2 K ]
α int
6
Din această relaţie rezultând relaţia de calcul pentru grosimea izolaţiei: δ iz
= λ iz [
1
k a
1 n−1 δ i 1 − +∑ + ][m] α λ α exi i =1 i int
Valoarea calculată a grosimii izolaţiei se standardizează ca multiplu de 0,02 m, după care se recalculează valoarea coeficientului global de transfer k cu valoarea STAS a grosimii izolaţiei. c) Se acorda o densitate de flux optim q 0: - pentru polistiren expandat: q0 = 8-10 [W/m2] - pentru plută expandată: q0 = 10-12 [W/m2] Dar q0 = k* ∆t, unde ∆t = tec – ti. Pentru un element de construcţie cu n straturi, avem:
k a
=
q0
∆t
=
1 1 aext
n−1
+ ∑ δ i + δ iz + i =1
λ i
λ iz
1
[W / m 2 K ]
aint
unde: aext este coeficient parţial de transfer termic pe suprafaţa exterioară a peretelui, în W/m2K; aint coeficient parţial de transfer termic pe suprafaţa interioara a peretelui, în W/m2K. De aici rezultă formula de calcul a grosimii izolaţiei: n −1 1 1 δ ∆t δ iz = λ iz [ ][m] − + ∑ i + qa α exi i =1 λ i α int
Coeficienţii α depind de viteza aerului din incintă şi de amplasarea elementului izolat termic, astfel: - α = 25W/m2K, daca aerul are o circulate forţată ( pereţi exteriori supuşi acţiunii vântului): - α = 12-15W/m2K, pentru circulaţia moderata a aerului în depozite, camere frigorifice, spatii de producţie; - α = 5-8W/m2K, pentru încăperi în care ventilaţia aerului este foarte redusă (depozite frigorifice în care sunt montate baterii de răcire şi pardoseli). După calcularea grosimii izolaţiei, aceasta se standardizează la valoarea imediat următoare, ca multiplu de 0,02 (0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12, etc.). Cu valoarea standardizata a izolaţiei termice se recalculează apoi coeficientul global de transfer termic, k r : 7
k r
=
1 n −1
1 a aet
+∑ i =1
δ i
+
λ i
δ izASRO λ iz
+
1
[(W / m 2 K )]
a int
Pentru o camera frigorifică, ∆t se calculează ca diferenţă de temperatură pe cele doua feţe ale peretelui. Pentru cazul în care nu se cunoaşte temperatura în spaţiile vecine, se foloseşte un ∆t calculat în condiţiile cele mai defavorabile: ∆t = ∆tc = ∆tec- ti - pentru pereţi exteriori ce separă camere frigorifice de exterior, plafoane, acoperiş; ∆t = 0,8 ∆tc - pentru pereţi interiori, plafoane ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică, dar care comunica cu exteriorul; ∆t = 0,6 ∆tc - pentru pereţi interiori, plafoane ce separă camera frigorifică de una nefrigorifică care nu comunica cu exteriorul; ∆t = 0,4 ∆tc - pentru pereţi interiori şi plafoane ce separă două camere frigorifice cu regim termic apropiat. Pentru pardoseli plasate pe sol, te se consideră la nivelul solului şi este 15°C pe timpul verii şi 5°C pe timpul iernii. La 3,00 m subsol, t e(v.i) = 0°C. Coeficientul parţial de transfer termic pentru pardoseală este infinit: α
pardoseală
=∞
Verificarea izolaţiei la apariţia condensului pe suprafaţa caldă a peretelui. Condensul apare când t p1 < tr Ştim că:
q = const = α (W – t p1) = k(text – tc). ext
Condiţia sa nu apară condensul este: α ext
(t ext − t p 1) > k (t ext − t c )
,
de unde rezultă : t ext − t r [W / m 2 K ] t ext − t c
k < α ext
Temperatura tr se determină din diagrama h-x. În proiectare, inegalitatea este completată cu o serie de coeficienţi ce depind de structura globală a pereţilor în care este inclusă izolaţia. Inegalitatea devine astfel: t ext − t r 1 ⋅ ⋅ α ext [W / m 2 K ] , t ext − t c m
k < 0.95
unde: m este coeficient ce variază între 1 si 1,15, în funcţie de masivitatea pereţilor, pentru pereţi groşi: m=1. Dacă inegalitatea nu este verificată, se revede calculul grosimii izolaţiei, mărindu-se aceasta până când se verifică inegalitatea. 8
Verificarea izolaţiei la pătrunderea umidităţii în materialul izolant. Umezirea materialelor izolatoare folosite în structura pereţilor scade rezistenta termica a acestora. Cauza principală a acestei deteriorări o reprezintă condensarea vaporilor de apa. Din această cauză se impune verificarea izolaţiei calculate astfel încât sa se preîntâmpine condensarea vaporilor. Dacă se consideră un perete cu o structură dată (fig 4,5), atunci putem scrie pentru cele doua variaţii de presiune:
p = f( δ ); p" = f( δ ), p
p
unde : p - este presiunea de vapori în diferite puncte ale peretelui; p" - presiunea de saturaţie. Condensul apare când p"< p
Fig.4 Schema transferului termic printr-un perete plan, neomogen, izolat: t p1...6- temperatura straturilor ce alcătuiesc structura pereţilor; q - fluxul termic unitar; text - temperatura aerului exterior; tc - temperatura din spatiul conditional
Deci, condiţia ca umiditatea să nu pătrundă în materialul izolant este: pv
1
Fig.5 Graficul
evoluţiei
presiunilor parţiale ale vaporilor de apă printr-un perete prevăzut cu izolaţie şi hidroizolaţie p=f( δ ); p"=f( δ ), p< p" p
p
Se determină graficul de variaţie a presiunilor parţiale prin structurile peretelui şi, dacă pv
Bariera de vapori este obligatorie, deoarece are rolul de a opri migrarea umidităţii în zona izolaţiei termice. Calculul se va sintetiza sub forma tabelară în tabelul 1.
Calculul izolaţiei
Nr crt
Denumire spaţiu
tex °C
ti °C
∆t
°C
Tabelul 1
Denumire Caracteristicile materialului Valori ale Grosi- k r 2 asuprafata izolat coeficienţil me [W/m delimitata or α 1 , α e izolaţie K ] şi R Tip ∧ q q K izolaţie W/m W/m2 K K Perete N Perete S Perete E Perete V Plafon Pardoseală 2
B. CALCULE 1. CALCULUL GROSIMII IZOLATIEI TERMICE PENTRU PERETII LATERALI SI TAVANE 2. CALCULUL SARCINII FRIGORIFICE NECESARE 10
DIMENSIONARII ŞI SARCINA FRIGORIFICĂ NECESARĂ DIMENSIONARII RĂCITOARELOR Se consideră tunelul de refrigerare din următoarea figură:
Refrigerarea se face cu ajutorul răcitoarelor de aer carcasate, de perete. Temperatura mediului exterior text = 28°C. Se cere: 1. Să se calculeze izolaţia termică necesară tunelului pentru pereţii laterali şi tavan, ştiind că deasupra sa există construit un pod tehnologic. Pentru izolaţie se folosesc panouri de polistiren expandat cu δ = 4;6;8;10;12;14 cm şi λ = 0,04 kcal/m*h*grad. Pereţii si tavanul au următoarea structură: - cărămidă roşie cu δ = 100 mm şi λ = 0,8 kcal/m*h*grad; - straturi de cărămidă cu δ = 10 mm şi λ = 0,1 kcal/m*h*grad; - plăci de beton armat cu δ = 200 mm şi λ = 1,2 kcal/m*h*grad 2. Considerând pentru pereţi, plafon şi pardosea k =0,8 kcal/m 2* h*grad, să se găsească sarcina frigorifica necesară dimensionării compresoarelor şi sarcina frigorifică necesară dimensionării răcitoarelor, considerând că tunelul funcţionează gol şi că nu mai există alte aporturi de căldură în afară de ∑Q . 1
Se mai cunosc: coeficientul de convecţie pe faţa exterioara a peretelui, aex = 30W/m2*grad, precum si coeficientul de convecţie pe faţa interioara a peretelui, a in = 20W/m2*grad, lungimea tunelului fiind egală cu lăţimea şi înălţimea = 6 m. Rezolvare: Calculul izolaţiei termice se referă la determinarea valorilor coeficientului total de transfer termic pentru pereţii şi plafonul tunelului de refrigerare considerat. Astfel, vom considera o structură a pereţilor şi a tavanului ce vor conţine: - strat de tencuială - strat de cărămidă - strat de tencuială - strat de izolaţie - strat de tencuială 11
Transformări: 1 mm= 0,001 m; 1 cm = 0,01 m; 1 kcal/m*h*grad = 1,163 W/m*grad. Se tabelează valorile grosimii straturilor pereţilor, respectiv ale plafonului, rezultând mai multe variante de calcul, funcţie de grosimea izolaţiei, astfel:
Varianta I de calcul: Straturi Tencuială
Cărămida roşie
Tencuială
Izolaţie
Tencuială
0,01 0,116
0,1 0,928
0,01 0,116
0,04 0,0464
0,01 0,116
Parametri δ [mm] λ [W/m*grad
K iz
=
1 4
1
+∑
i =1 λ i
aext K iz
=
=
δ i
+
δ iz λ iz
+
1
[(W / m
2
∗ grad )]
ain 1
0.01 0.1 0.01 0.01 0.04 1 + + + + + + 30 0.116 0.928 0.116 0.116 0.0464 20 1
1 0.448 +
0.04
=
=
1 1.31
0.0464
= 0.763W / m 2 ∗ grad Deoarece în cazul pereţilor şi al plafonului K iz are următoarele valori: - pentru pereţi exteriori K iz = 0,28-0,35 W/m2*grad; - .pentru pereţi interiori K iz = 0,35-0,47 W/m2*grad; - pentru plafoane K iz = 0,47-0,58 W/m2*grad, rezultă că în varianta I K iz are o valoare foarte mare, astfel ignorându-se
Varianta II de calcul:
12
Straturi
Tencuială
Parametri δ [mm] 0,01 λ [W/m*grad] 0,116 K iz
=
Cărămidă roşie
Tencuială
Izolaţie
Tencuială
0,1 0,928
0,01 0,116
0,06 0,0464
0,01 ^ 0,116
1 1 0.01 0 .1 0.01 + + 30 0.116 0.928 0.116 1
=
=
0.01 + 0.116
+ 0.06 + 1 0.0464 20
=
1 1.741
0.06 0.0464 K iz = 0.574 W / m 2 ∗ grad 0.448
+
În această variantă, valoarea K iz pentru plafon se încadrează între 0,47 §i 0,58 W/m2*grad, deci grosimea izolaţiei plafonului este de 0,06 m.
Varianta III de calcul:
13
Straturi Tencuială
Cărămidă roşie
Tencuială
Izolaţie
Tencuială
0,01 0,116
0,1 0,928
0,01 0,116
0,08 0,0464
0,01 0,116
0.01 + 0.116
+ 0.08 + 1 0.0464 20
Parametri δ [mm] λ [W/m*grad] K iz
=
1 1 0.01 0.1 0.01 + + 30 0.116 0.928 0.116 1
=
=
=
1 2.741
0.08 0 .0464 K iz = 0.46W / m 2 ∗ grad 0.448
+
In această variantă, valoarea K iz se încadrează în valorile pentru pereţi interiori, deoarece K iz = 0,35- 0,47 W/m2*grad, şi deci, grosimea izolaţiei pereţilor interior S, E şi V este de 0,08 m.
Varianta IV de calcul: Straturi Tencuială
Cărămidă roşie
Tencuială
Parametri δ [mm]
0,01
0,1
0,01
0,10
0,01
[W/m*grad]
0,116
0,928
0,116
0,0464
0,116
λ
Izolaţie
Tencuială
În urma calculului se observă că valoare K iz pentru peretele exterior N nu se încadrează în valorile pentru pereţi exteriori, K iz = 0,28- 0,35 W/m2*grad.
Varianta V de calcul:
14
Straturi Tencuială Cărămidă roşie Parametri δ mm 0 01 λ [W/m*grad] 0,116
01 0,928
Tencuială
Izolaţie
Tencuială
0 01 0,116
0 12 0,0464
0 01 0,116
15
K iz
=
1 1 0.01 0. 1 0.01 + + 30 0.116 0.928 0.116 1
=
=
0.01 + 0.116
+ 0.12 + 1 0.0464 20
=
1 2 .631
0.12 0.0464 K iz = 0.38W / m 2 ∗ grad 0.448
+
În urma calculului se observă că valoare K iz pentru peretele exterior N nu se încadrează în valorile pentru pereţi exteriori, K iz = 0,28- 0,3W/m2*grad.
Varianta VI de calcul: Straturi Tencuială Cărămidă roşie Parametri δ mm 0 01 λ [W/m*grad] 0,116
K iz
=
01 0,928
Tencuială
Izolaţie
Tencuială
0 01 0,116
0 14 0,0464
0 01 0,116
1 1 0.01 0. 1 0.01 + + 30 0.116 0.928 0.116 1
=
=
0.01 + 0.116
+ 0.14 + 1 0.0464 20
=
1 3.062
0.14 0.0464 K iz = 0.326 W / m 2 ∗ grad 0.448
+
În această variantă, valoarea K iz se încadrează în valorile pentru perete exterior, deoarece K iz = 0,28- 0,35 W/m2*grad, şi deci, grosimea izolaţiei peretelui exterior N este de 0,14 m. În final se va construi următorul tabel centralizator:
16
Suprafaţă
δ iz
Perete N Perete S Perete E Perete V Plafon
[mm]
∧iz
0,14 0,08 0,08 0,08 0,06
[W/m*grad] 0,326 0,46 0,46 0,46 0,574
2. Se ştie că: ∑ Q1 = ∑* F * k r ( ∆t + ∆t r )
unde: F este suprafaţa de transfer termic, F = L-H sau B-H sau L-B si are, în oricare din aceste cazuri, aceeaşi valoare, F = 36 m2 , deoarece L = B = H = 6m. K r - coeficientul total de transfer termic; este identic atât pentru pereţi, plafon cât şi pentru pardoseala şi are valoare constantă, egală cu 0,8-1,16= 0,928 W/m2*grad. Să se facă calculul diferenţiat pentru fiecare perete, pentru plafon şi pentru pardoseala din tunelul de refrigerare: Pentru perete N: ∆t = t − t = 28 - (-5) = 33°C = ∆t. deoarece acest perete separă tunelul de refrigerare de exterior; ∆tr - pentru perete N=0°C; max
ex
r
∑Q1 N = ∑ F * k r ( ∆t + ∆t r ) = 36*0,928*(33+0)= 1102,46W.
Pentru perete S: ∆t = 0,6- ∆tmax , deoarece acest perete comunică cu un culoar interior; ∆tr pentru perete S = 15°C; ∑Q1S = ∑ F * k r ( ∆t + ∆t r ) = 36*0,928*(19,8+15)= 1 162.6W.
Pentru perete E: ∆tmax = tex – tr = -1 - (-5) = 4°C = ∆t. deoarece acest perete separă tunelul de refrigerare de altă cameră frigorifică; ∆tr pentru perete E şi V = 10°C; ∑Q1 E = ∑ F * k r (∆t + ∆t r ) = 36*0,928*(4+10)= 467,712W.
Pentru perete V calculul este identic cu cel de la peretele E: ∑Q = ∑ F * k ( ∆t + ∆t ) = 36*0,928-(4+10)= 467,71 2W 1V
r
r
Pentru plafon: ∆t = 0,6- ∆tmax, deoarece plafonul se învecinează cu un spaţiu nerăcit, ce nu comunică cu exteriorul; ∑Q1 plafon = ∑ F * k r (∆t + ∆t r ) =
36-0,928-19,8= 661,478W
Pentru pardoseală: ∆t = 15°C- temperatura solului la baza construcţiei; ∑Q = ∑ F * k (∆t + ∆t ) = 36-0,928-15 = 501,12W 1 pardoseala
r
r
Se calculează necesarul zilnic de frig pentru refrigerare şi se centralizează apoi rezultatele obţinute într-un tabel: K r Nr Spatiul Elementul F ∆t ∆tma ∆tr , [W/m2 crt frigorific izolat [m2] [°C] x [°C] [°C] grad]
∑Q1 [W ]
Aparate Compresoare 1 Perete N 2 Tunel de Perete S 3 refrigera- Perete E re 4 Perete V Plafon 5 6 Pardoseal
0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 0,928 TOTAL
36 33 33 36 19,8 33 36 4 4 36 4 4 36 19,8 33 36 15 15
0 1102,16 15 112,16 10 467,712 10 467,712 661,478 - 501,12 4363
Sarcina frigorifică a instalaţiei în sistem de răcire indirect este: φ 0 = 1.2
Qnec r c
; [W ]
Pentru aparate:
φ oA
= 1,2
Q1 A
Pentru compresoare: φ C = 1,2 0
r c Q1C r c
= 1,2
4363
= 1,2
20 3428 20
= 262W = 206W
18
1102,16 1102,16 661,476 501,12 3428
BIBLIOGRAFIE
Operaţii Unitare în Industria Alimentară – Dr. Ing. OPREA ALEXANDRU
Calculul Termic – lucrare de licenţa
19
