（制冷及低温工程专业论文）微型冷库系统优化研究.pdf

摘要 为适应我国农业生产模式下的果蔬采后贮藏，减小采后损失，本文以微型 冷库为研究对象，详细分析了其各个子系统的传热和传质关系，建立了完整的 微型冷库建造体系，为微型冷库的推广和使用提供了理论基础，涉及的理论有 热力学、传热学、流体力学、材料学、食品学及生物学等，主要内容和结论如 下： 1 对微型冷库的围护结构进行了研究，提出了微型冷库体型系数概念，规范了 围护结构的构造，有利于微型冷库的节能：在生命周期内最佳经济性概念下， 推导了围护结构经济热阻厚度的计算公式；建立了微型冷库空库降温模型， 对不同的影响因素进行了分析，这些工作为微型冷库的建造提供了指导性原 则，为快速推广微型冷库准备了理论基础；提出了一种新型的便携式冷库概 念，并对设计过程中的主要的要点进行了分析，为微型冷库进一步的发展奠 定了基础。 2 对微型冷库内不同送风模式下的气流组织进行了c f d 模拟计算和实验测 量，结果表明夹套式送风模式具有较为稳定的温度场和速度场；通过在不同 送风模式下的果蔬贮藏实验表明，夹套式送风模式下的微型冷库具有最小的 果蔬失重率；最后建立了微型冷库内的准球形果蔬强迫对流预冷时间模型， 并进行了实验证明，结果表明当预冷风速在1 1 m s 左右时，微型冷库制冷 机组能从系统上取得最优。 3 对微型冷库内非连续运行工况下的冷风机表面结霜进行了分析，在结霜动力 学分析基础上，对结霜影响因素进行了分析，建立了结霜的一维简单模型： 进行了非连续运行工况下的结霜实验，提出了结霜量的关联式；对不同容积 的微型冷库的制冷机组选型进行了计算和说明，给出了具体配制。 关键词：微型冷库便携库果蔬保鲜 c f d预冷结霜 a b s t r a c t i no r d e rt o a d a p t t h e s t o r a g et e c h n o l o g y o fp o s t h a r v e s tu n d e rt h e p r e s e n t s i t u a t i o no ft h ea g r i c u l t u r ep r o d u c t i v em o d e la n dr e d u c et h ew a s t ea n dl o s so ft h e v e g e t a b l ea n df r u i t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a tt r a n s f e r a n dm a s st r a n s f e ri n s u b - s y s t e m s i nt h em i n i - c o l d s t o r a g e i s a n a l y z e d i n d e t a i l s ，a n d a p e r f e c t c o n s t r u c t i o ns y s t e mi ss e t u pf o rm i n i - c o l ds t o r a g e a l lt h e s ew o r k sp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s ef o rt h ep o p u l a r i z a t i o na n dt h eu s eo fm i n i - c o l ds t o r a g e t h em a i n r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s h a v i n g r e l a t i o n st o t h e r m o d y n a m i c s ，h e a tt r a n s f e r ， h y 。d r o m e c h a n i c s ，m a t e r i a ls c i e n c e ，b r o m a t o l o g ya n db i o l o g y a r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 b a s e do nt h es t u d yo f t h e e x t e r i o r - p r o t e c tc o n s t r u c t i o n ，t h ec o e f f i c i e n to fs h a p e i s d e f i n e d i tc a r ts p e c i f yt h es t r u c t u r eo fm i n i - c o l ds t o r a g ea n db eb e n e f i tt ot h e e n e r g ys a v i n go f m i n i - c o l ds t o r a g e ，u n d e rt h ec o n c e p t i o no f t h e b e s te c o n o m i c a l e f f i c i e n c yd u r i n gt h es e r v i n gl i f e ，t h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o no ft h ee c o n o m i c a l t h e r m o r e s i s t a n c et h i c k n e s si sd e r i v e d n em o d e lo f c o o l i n gt i m eo f t h ee m p t y s t o r a g ei ss e tu p ，a n dd i f f e r e n tf a c t o r sa f f e c t i n gc o o l i n gt i m ea r ed i s c u s s e d a l l t h ew o r k s p r o v i d et h eg u i d e l i n e sf o rb u i l d i n gm i n i c o l ds t o r a g e ，a n dp r e p a r et h e t h e o r e t i c a lb a s ef o rt h e q u i c k l yp o p u l a r i z a t i o n o fm i n i - c o l d s t o r a g e t h e c o n c e p t i o no f t h em o b i ls t o r a g ei sp o i n t e do u ta n dt h em a i nd e s i g n e dg i s t sa r e a n a l y z e d i tp r o v i d e st h e b a s ef o rt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to ft h em i n i - c o l d s t o r a g e 2 t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nu s i n gc f da n dt h ee x p e r i m e n t a lt e s to ft h ea i r f l o w d i s t r i b u t i o na r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n ts u p p l y i n ga i rm o d e l si nm i n i - c o l d s t o r a g e t h er e s u l t ss h o w t h a ti th a sas t e a d i e rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l di n t h ej a c k e t e ds u p p l ya i rm o d e l i ta l s os h o w st h a tt h et e s t e dv e g e t a b l e sh a v et h e l e a s tw e i g h tl o s si nt h ej a e k e t e dt h r o u g ht h es t o r i n ge x p e r i m e n t si nm i n i - c o l d s t o r a g e w i t hd i f f e r e n t s u p p l y i n g a i rm o d e l s t h em o d e lo f c a l c u l a t i n g t h e p r e - - c o o l i n g t i m eo ft h e q u a s i s p h e r e f n i t si ss e t u pu n d e r t h ef o r c e d - - a i r c o n v e c t i o np r e - c o o l i n g n i ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei sab e s t p e r f o r m a n c eo f t h er e f r i g e r a t i n gu n i tw h e n t h e v e l o c ：i t yi sa b o u t1 1 m s 3 t h ef r o s t i n go nt h es u r f a c eo ft h ec o o l e df a ni sa n a l y z e dt r a d e rt h ei n t e r m i t t e n t r u n n i n gc o n d i t i o ni n m i n i - c o l ds t o r a g e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ff r o s t i n g k i n e t i c s ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gf r o s t i n g a r ed i s c u s s e d ，a n dt h eo n e d i m e n s i o n 1 1 f r o s t i n gm o d e li s s e tu p t h ef r o s t i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu a d e rt h e i n t e r m i t t e n tr u n n i n gc o n d i t i o n ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge q u a t i o ni sf i t t e db a s e do n e x p e r i m e n t a l d a t a a tl a s tt h e l e c t o t y p e o f r e f r i g e r a t i n g u n i ti s d i s c u s s e d i n c l u d i n gt h ec o o l i n gl o a d ，t h eh e a tt r a n s f e r r i n ga r e aa n d t h ec o m p r e s s o rp o w e r a h e md i f f e r e n tv o l u m em i n i - c o l d s t o r a g e k e yw o r d s ：m i n i c o l d s t o r a g e v e g e t a b l e s c f d p r e - c o o l i n g m o b i ls t o r a g e p r e s e r v a t i o no f f r u i t sa n d f r o s t i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茎或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的浣明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字同期：p 帅弓年7 月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂 有关保掣、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：扫时；年 导师签名：并易般导师签名：听彩舱 j 签字同期：扫咿；年7 月同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 农村产业结构的调整及“菜篮子”等一系列国家政策的执行，我国果蔬种植 面积和产量得到迅速的增长。图1 - 1 和图1 - 2 显示了我国近几年果蔬产量和种植 面积的变化曲线”。 啻6 r5 r 6 竖5 5 蚓5 _ l 4 5 4 35 3 t 9 9 41 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 1 9 9 41 9 9 5t 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 年份年份 图i - 1 水果产量变化曲线图1 2 蔬菜栽培面积变化曲线 到2 0 0 0 年，我国蔬菜产量增加到4 4 亿吨，年人均增至3 0 0 公斤以上，为 世界人均量1 0 2 公斤的近3 倍，居世界第一：果品总产量为6 7 0 0 万吨，其中苹 果、梨、红枣、柿子和板栗产量已居世晃第一【2 。有关专家预测，到2 0 1 0 年， 我国水果总产量将近1 亿吨，人均占有量将接近或超过世界人均水平。但是与我 国果蔬产量大国不相称的是我国果蔬产后处理技术的落后，我国果蔬在采后的损 失过大。按目前技术处理水平，水果的产后损失率在2 0 - 2 5 ，蔬菜的产后损 失奉在2 5 。3 0 ；若按现有生产水平计算，仅蔬菜年损失量就超过1 亿吨，水 果和蔬菜的损失价值上千亿元( r m b ) ，这与国外采后损失水平1 7 一5 相比较， 我国采后处理水平还有很大的提高空间。目前，我国果品总贮量约1 2 0 0 万吨， 水果产后机械化商品处理量不足1 0 ，加工转化率不足1 5 ，预冷处理尚属空 白。要满足今后优质水果生产发展的需要，维持目前鲜果贮量比例，则目前和 2 0 1 0 年需净增贮库量分别为8 0 0 万吨和1 8 0 0 万吨【3 】。从整体上分析，我国农产 品保鲜生产落后于发达国家5 0 - 6 0 年，若达到发达国家中等水平，仅果、菜、粮 三大类农产品总贮量郎4 2 5 0 亿公斤( 为产量的3 0 ) ，按一座微型库贮量1 5 万 公斤，微型库市场占有率为2 0 计算，则需要微型库4 0 0 万座。因此，微型冷库 技术的应用市场潜力巨大。 咖啪蝴脚帅脚唧 吲引圳引9l o 9 8 一登句十一氍旧 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 果蔬在成熟以后，一般要经历采摘、产地处理、加工、物流分配及商店、 最后才能到达家庭或消费。在这些过程中，其中产地处理过程是较为重要的。果 蔬在采摘以后，进行有效的产地处理，有利于果蔬在以后的过程中保持品质。产 地处理主要是指产地预冷和贮藏，与产地规模、科技水平及经济能力存在着紧密 的关系。 果蔬储藏过程中主要是保证果蔬储藏过程中的温度、湿度、空气成份及防腐， 果蔬储藏技术就是沿着这一技术路线发展的。在低温储藏中，四个因素中温度影 响具有主要作用，湿度和空气成份调节起辅助作用。自1 8 5 1 年澳大利亚的詹姆 斯哈里斯研制发明了第一台冷冻机后，冷藏技术就迅速地应用于商业冷藏，当 时主要通过制冷方法来控制冷库内温度卜5 1 。在t 9 2 4 年f f b l a c k m a n 在实验中发 现冷库中的氧气浓度对库内的水果的呼吸强度及发酵有影响，他的研究开创了气 调库的运用n j 。 在经济发达国家，农业具有高度的机械化、生产规模化和市场化程度高等特 点，果蔬储藏库的容积较大，表1 1 和表1 2 分别列出了美国不同容积冷库的分 布情况和储藏苹果用的气调库分布情况1 7 1 。 表1 1 ：美国冷库分布情况表 l 容积( m 3 ) _ 1 4 1 5 8三2 8 3 1 6夕0 7 9 1 1 4 1 5 8 3 1 数量( 座) 4 7 82 3 63 7 52 6 41 4 6 e 表1 2 ：苹果用气调库分布情况 容积( m 3 ) 1 0 0 0 0 大中型冷库 5 0 0 0 1 0 0 0 0 中小型冷库1 0 0 0 一5 0 0 0 小型冷库 2 0 0 1 0 0 0 微型冷库 6 0 2 0 0 一8 5 0 0 驾7 5 0 0 冀6 5 0 0 5 5 0 0 4 5 0 0 3 5 0 0 2 5 0 0 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 】 年份 图1 - 3 微型冷库增长曲线 微型冷库迅速增长的主要原因是微型冷库适合我国目前的农业生产体制。在 今后相当长的时间内家庭承包仍将是我国农业生产的主体形势，农民进入市场， 进行农产品商品化生产，只能是自种、自产、自贮、自销、而且只有减少中间环 苎二童丝堡 节，才能保证生产者和消费者的利益。在这样的基础上提出了农产品产后处理的 模式，如图卜4 ，在今后一定时间内，产后处理技术将从这方面发展口“。 图i - 4 我国产地保鲜工程化技术模式 我国产后处理技术主要集中在理论研究，如采后生理技术和保鲜材料技术 3 9 - - 4 5 。也有一些学者对库体进行过研究，主要是指库的设计和库内流场的研究 4 乒s 0 1 ，对库体整体结构特别是微型冷库整体结构没有研究，这和微型冷库快速 增长形成了鲜明的对照。由于缺乏微型冷库研究方面的内容，在建造微型冷库时 没有可循的方法，不同结构的库体都存在，不利于微型冷库的设计的标准化及运 行过程中的管理和节能。 1 3 本文的研究内容、意义和方法 1 3 i 研究内容 本文的研究内容主要包括微型冷库系统内传热和传质的分析，图i - 5 显示 了微 图i - 5 微型冷库内能质循环示意图 第一章绪论 从图l - 5 可以看出，微型冷库内能质循环主要包括三个方面：围护结构、流 场和冷风机，第一部分研究集中在这三个方面。 1 3 1 1 微型冷库围护结构的研究 以微型冷库外得热面积为优化目标，计算了不同容积的微型冷库在不同形状 时的外得热面积，提出了体型系数概念，规范了不同容积的微型冷库的最大体型 系数。通过对围护结构的不同保温材料的热物理性能( 导热系数) 的研究，计算了 微型冷库生命周期内的经济性。在此基础上，从理论上分析了围护结构性能对空 库降温性能的影响，并通过实验对理论结果进行了验证。 1 3 1 。2 微型冷库内的流场分析 在分析库内空气参数对果蔬品质影响的基础上，利用c f d 对三种不同送风 模式下的微型冷库内的流场进行了模拟，并通过实验对这三种送风模式下的微型 冷库内的温度场进行了测量。通过不同送风模式的生物储藏实验，比较了这三种 不同送风模式的优缺点。最后对球状果蔬在强制通风预冷条件下的温度变化进行 了理论分析，并通过实验对模型结果进行了检验。 1 3 1 3 非连续性工况下冷风机表面结霜研究 通过水蒸汽在冷表面结霜过程的热力学分析，从理论上讨论了空气与冷风机 表面温差、空气含湿量、冷风机表面光洁度及冷风机表面疏水性对冷风机表面结 霜的影响，并通过对结霜条件的简化，建立了连续工况下结霜过程的理想模型。 通过对实际微型冷库中冷风机表面结霜过程晦实验模拟，得出了非连续运行工况 下结霜量的关联式。 1 3 2 研究意义 本文的研究意义在于规范我国微型冷库的建造和推广，提高我国果蔬采后 贮藏水平。作为国家级科技成果重点推广计划( 9 9 1 2 0 2 2 1 a ) ，微型冷库应具有规 范性、节能性和环保性。通过本文的研究，对微型冷库的体型系数、保温层最 佳经济厚度、空库降温性能、库内送风方式及冷风机的换热温差作出了说明，这 为微型冷库在推广提供了依据，有利于微型冷库的标准化，从而为果蔬产后储藏 提供了发展空间，提高了我国果蔬在全球经济中的竞争力。同时对于提高我国农 业收入，改善农民生活有着重要意义。 在经济全球化的今天，各行业只有融入到国际经济社会中去，才能得到发展， 这需要各行业具有足够的技术实力和经济实力。本研究成果能为果蔬采后储藏提 供技术支持，具有很好的前景。 6 第章绪论 1 3 3 研究方法和技术路线 本论文是多个学科交叉研究的结果，涉及到热力学、传热学、流体力学、材 料学、食品学及生物学等。通过理论分析，讨论了微型冷库系统内各个子系统的 热质循环过程( 如图1 5 ) ，多数在实验基础上进行了验证。首先通过有关传热学 和材科学知识，研究了不同的围护结构对微型冷库降温性能的影稿，建立了一个 与库型结构和材料有关的微型冷库降温过程模型，并通过实验进行了检验。利用 流体力学有关知识和理论，对微型冷库内不同送风模式下的流场进行了模拟( 包 括温度场和速度场) ，并对不同送风模式下的冷库进行了果蔬储藏实验，利用食 品学有关知识分析了不同送风模式下的果蔬质量变化，分析了微型冷库内的最佳 送风模式。利用传热学和生物学有关知识对强制通风预冷条件下的球状果蔬的温 度变化进行了理论分析，建立了相关的模型，并通过实验进行了验证。利用传热 学和流体力学有关知识对影响微型冷库相对湿度的结霜过程进行了分析，在简化 的基础上建立了冷风机表面结霜模型；在实验的基础上拟合了非连续工况下冷风 机表面结霜量的关联方程。 1 4 本章小结 本章首先分析了目前我国果蔬储藏市场的的现状和发展趋势，解释了本文研 究的背最。分析了国内外关于果蔬储藏技术的现状及新技术，如p e f 、h p p 和 u v 技术等，在分析我国果蔬储藏的现有技术及现状的基础上，介绍了我国果蔬 储藏技术的发展模式和方向，提出了微型冷库的热质循环图，并详细介绍了本文 此方面的研究内容。最后介绍了本文的研究意义、方法和路线。 第二章冷库围护结构优化分析 第二章微型冷库围护结构优化分析 微型冷库围护结构的主要作用在于隔离冷库内环境与冷库外环境之间的质 和热交换，以保持库内环境的稳定。在冷库运行过程中，当库内外温度差及贮藏 果蔬品种定时，冷库用制冷机组的冷负荷由围护结构所选用材料的性质和厚度 决定。微型冷库的性质如降温性能除了与所选用的冷风机的冷负荷大小有关外， 还有另外一个主要因素是围护结构热物理参数，如蓄热性能等参数。国内外一些 学者对此进行过一些研究【5 卜5 3 】，但此类研究大多数集中于大中型冷库。微型冷 库有其自身的特点，主要是其容积小，造成其结构上与大型冷库不一致，如微型 冷库多数为单层、围护结构简单等等。在本章中将重点研究微型冷库的体型结构 及围护结构材料对微型冷库的影响，为微型冷库的建造和推广提供理论基础，同 时提出一种新型微型冷库的构造思路。 2 1 微型冷库体型优化 冷库按其容积大小可分为四类：大型冷库、中型冷库、小型冷库和微型冷库。 当冷库的库内贮藏容积小于2 0 0 m 3 时被定义为微型冷库，主要用于果蔬产地保 藏。在具体使用时，微型冷库可以单独使用也可以串联形式使用，形成微型冷库 群。对于串联使用的冷库群由于围护结构存在着相互邻接处，在这里只以单独使 用的微型库为研究对象。对于单一的微型冷库结构上主要包括机房、过渡问及贮 藏间，通常机房和过渡间合为一体，其结构示意图如图2 1 ： 图2 1 a 微型冷库平面图 图2 1 b 微型冷库主视图 图2 - 1 微型冷库结构示意图 对于单独使用的微型冷库，假定其体积容量和库体高度已知，分别为v ( m 3 1 和 ( n 1 ) ，长和宽分别为口( m ) 和6 ，当围护结构厚度一定时，则微型冷库表面 第二章冷库围护结构优化分析 积最小时具有最小的库外热负荷。按照此设定，可以建立以下数学关系式 口b h = v 从而有：口b = v h 此时对于微型冷库的表面积以m 2 ) 则可按下式计算 ( 2 - 1 ) ( 2 2 1 f = 2 ( 口x b + 口h + b 向) ( 2 。3 ) 考虑微型冷库内温度较低，各个方向的围护结构都存在着热传递，并认为各 个方向的热传递条件一致，则由式( 2 3 ) 所计算的微型冷库的表面积就是所要优化 的热传递面积。按照优化理论1 ，冷库热传递表面积的优化可以表达为如式( 2 4 ) 的优化方程： r a i nf = 2 x f d x b + 口h + b x h l ( 2 - 4 ) 条件为a , b o 式( 2 4 ) 为优化目标方程，把式( 2 2 ) 代入此优化目标方程则有： r a i nf = 2 x i h + v b + h x b ) ( 2 - 5 ) 根据最小化原理有： 一o f ：0 ，从而有： ：，vb。(2-6) = 弋fn 。 式( 2 6 ) 代入目标方程式( 2 5 ) ，则最佳库体表面积可按式( 2 7 ) 计算： ( 等+ z 历 陋， 式( 2 6 ) 表达了库体容积和库体高度一定时，库体最佳宽度的计算式，式( 2 - 7 ) 则表达了库体最佳表面积的计算式。图2 - 2 显示了按式( 2 6 ) 所计算的不同容积的 微型冷库在不同的高度下的最佳宽度： 名 燃 耦 3 o 2 一。 6 0 宽度随高度觌曲线 挖( m 3 ) 宽度随高度变化曲线 ”u “ 图2 2 不同高度下的最优化宽度 9 第二章冷库屡护结构优化分析 从图2 2 可以看出，对于同一容积的微型冷库，随高度的升高，冷库的宽度 随着降低，并且随着高度越来越高，宽度的降低率越来越小。微型冷库宽度的选 择将影响着库内冷风机的选择、布置及冷库内的气流场分布，如温度场、速度场 等。以库容为9 0 m 3 为例，当高度为3 m 时，宽度在5 4 5 m 左右，高度为4 5 m 时 宽度为4 4 8 m 左右，这时库内的流场将会在一定的程度上受到宽度变化的影响。 图2 3 和图2 - 4 显示了在同样条件下不同宽度时微型冷库中间断面的温度场分 布。 图2 - 3 高度为3 m 时的温度场 图2 4 高度为4 5 m 时的温度场 比较图2 - 3 和图2 _ 4 可以发现，当库容一样，库体高度不一至时，温度场有 明显的区别。图2 - 5 显示了按照式( 2 7 ) 所计算的在一定库容条件下，库体表面积 随着库体高度的变化关系： f 引弋：二：二= 窖1 3 0 僻1 1 0 l 9 0 l = 2 ! ! 。= e # ! j = _ 一 2 533 5 44 555 5 表面积髓高度变化益线圈 高度m ) 图2 - 5 库体表面积随高度变化曲线 从图2 - 5 可以看出，无论库容多大，在随库体高度的变化过程中总是存在着 一个最小的库体表面积，如库容为6 0 m 3 的微型冷库，其高度在4 m 左右时具有 最小的表面积。为表达库容与库体表面积之间的关系，引进民用建筑里采用的建 筑物体形系数概念s ( s h a p ec o e f f i c i e n to f b u i l d i n g ) ，定义为库体所有外表面积之和 与库容之比，表达式如( 2 8 ) ： s = 吾= z ( 去+ ：j 軎) c ：- s ， 】o 第二章冷库围护结构优化分析 按式( 2 8 ) 计算可知体形系数与库体条件( 库容和高度) 的关系，图2 - 6 显示了 库容一定时，体形系数随高度变化的关系： _ 一h = 3 一h = 3 5 _ 一h = 4 国一h = 4 5 1 6 1 4 瓤 溪1 2 蛙 0 8 6 09 01 2 01 6 0 2 0 0 微型冷库体形系数圈 俅榭( mj 图2 - 6 不同容积库的体形系数 图2 - 6 显示了库容不同的微型冷库在不同库高时的优化体形系数。从图中可 以发现，不同库容微型冷库的体形系数随库体高度的变化规律不一致。对于库容 较小的冷库，其体形系数变化较小，而库容较大的冷库其体形系数则变化较大。 以6 0 m 3 的冷库例，当库体高度在3 m 或是4 m 时，其体形系数相差无几，在1 ，5 3 左右，而库容在2 0 0 m 3 的冷库，其体形系数相差o 1 2 ，这将会影响库体的热负荷。 通过计算可知，如果体形系数每增大o i ，则冷库的表面积增大6 - 1 0 ，当围 护结构厚度不变时，则通过围护结构的得热量也要增大6 - 1 0 ，这将消耗更多 的冷量以保持微型冷库内的低温效果，从而增加冷库运行成本。在实际微型库的 建造中由于不同的原因，微型冷库的体形系数通常不具有最小值，表2 - 1 列出了 不同库容的微型冷库建造时应具有体形系数，实现微型冷库的节能运行： 表2 - 1 ：不同库容的微型冷库的体形系数 库容( m 3 ) 6 09 01 2 01 6 02 0 01 l 体形系数 1 5 41 4 01 2 71 1 81 0 7 i 2 2 围护结构的确定 2 2 1 围护结构热负荷计算 分析图2 2 和图2 5 可知，对于一定容积的冷库，其表面积是随着高度变化 并存在最小值，在其它条件不变的情况下，表面积最小时库体从外界得到的传热 量最小。从传热公式可知，传热量与三个因素有关，即传热面积f ( m 2 ) 、传热系 数k ( w m 2 ) 和传热温差( ) 。传热面积已经讨论过，而传热温差不能人为确 第二章冷库围护结构优化分析 定，它与库外环境温度和贮藏果蔬所需要的库内温度有关。传热系数主要由围护 结构内外壁面的对流换热系数及围护结构热阻构成。围护结构热阻与围护结构的 构成有关，图2 7 显示了微型冷库围护结构的一般组成。在围护结构中保温材料 的性质和厚度决定了主要热阻，表2 2 列出了不同保温材料的性质。 表2 2 ：不同保温材料的性质表 保温材料容重p导热系数比热c吸湿性 名称 o c e c m 3 )( w m - 、( k j ，k g )( k g k g ) 硅酸铝1 5 0 1 8 00 0 3 6 4 聚氨酯 4 0 8 0o 0 2 3l - 2 62 泡沫石棉 2 0 3 0o 0 2 8 o 0 4 01 2 2 5 橡塑海绵 7 0 1 2 0o 0 3 1 o 0 3 63 岩棉 0 0 2 每田0 3 50 8 8 22 玻璃棉 1 8 j 9 6o 0 3 m m 0 3 41 0 9 25 聚苯乙烯2 5 6 00 0 2 5 o 0 4 1 1 7 61 j 8 对于库体所能得到的热负荷可认为是通过平壁的导热问题，按照导热定律， 在稳态条件下单位围护结构的面积得热量有： a ， 9 2 丁= 考_ t ( 2 _ 9 ) i + 乙才+ i 其中q 为单位表面积所得的热量( w 虹2 ) ：a l 为库内表面对流换熟系数( w ，m 2 ) ； 口2 为库外表面对流换热系数( w m ：) ；而为库体第f 层结构的厚度( m ) ； 为第 i 层结构的导热系数( w 胁2 ) ；五t 为传热温差( ) 。以一般的冷库围护结构为 例，考虑承重和防湿，主要包括2 4 0 m m 的承重墙、双层薄膜防潮层、保温层、 双层薄膜防潮层和1 2 0 m m 内墙，结构如图2 7 所示。 庶 1 水泥砂浆2 外墙3 单层大棚膜 4 保温层5 内墙 内 1l o o m m 水泥砂浆2 双层大棚膜 3 保温层4 夯实土层 图2 7 a 冷库外墙结构图 图2 - 7 b 冷库基础保温构造图 图2 7 冷库围护结构图 第二章冷库围护结构优化分析 忽略防潮层的热阻，普通粘土砖墙的导热系数为o 8 1 ( j m s ) ，对流换热 系数取为5 ( j m a s ) 则( 2 8 ) 式改写成式( 2 - 1 0 ) ： g = 尘( 2 1 0 )g 。f 一( 2 。 o 8 4 + = 业 五 占为保温材料的厚度( m ) ：a 一为保温材料的导热系数( j m s ) 。 将表2 - 2 所列的不同保温材料的导热系数代入式( 2 一1 0 ) ，并考虑不同的厚度 和温差，按图2 5 选取库体的表面积，就可以得出库体的外热负荷。以库容为6 0 m 3 为例，温差为1 5 c ，选取不同的保温材料的厚度( 1 0 0 m m 、1 2 0 m m 、1 5 0 m m 和 1 8 0 m m ) ，库体的外热负荷变化如图2 - 8 。 基3 7 0 逵童 n一=!橡塑海绵+一岩棉聚笨乙烯；z 董彝of e 遥兰孝鬻 驶2 8 引0 茜蚤刍薏 蝗2 4 0 | “、h b = ；* 一* 爿誓 2 0 0 一 一r 图2 8 c 图2 8 b 2 ，533 544 555 5 保温层】8 0 日f 库外负荷齄高度变化曲线高度( m ) 图2 8 d 图2 86 0 r n 3 库外负荷的变化曲线 从图中可以发现，随着保温层厚度的增加，冷库的热负荷减小，这意味着冷 库运行过程中运行费用减小，但由于保温层厚度的增加，初投资也增加，这两者 的关系将在后面的章节中讨论。在相同的保温厚度和温差条件下，由于聚氨脂和 聚苯乙烯有较低的导热系数，因而有较低的热负荷。图2 - 9 显示了高度为4 m 的 6 0 d 的微型冷库在保温层分别为聚氨脂和聚苯乙烯时的热负荷随不同温度及厚 度下的变化曲线。 第二章冷库围护结构优化分析 ：剐 童8 0 0 ： 躲f 2 0 0 _ 一1 5 2 0 一2 5 - - ) e - 3 0 一3 5 一4 0 卜_ 4 5 i 0 01 2 01 5 01 8 0 保温材料为聚苯乙稀库外负荷 随温差变化曲线 保温层厚度( 衄) 一8 ，2 器 占5 8 0 辩 鬣 一1 5 一2 0 一2 5 卜3 0 1 0 01 2 01 5 01 8 0 保温材料为聚氨酯库外负荷 随温差变化曲线保温层厚度 图2 - 9 热负荷随温差变化曲线 考虑库外最不利因素，如果温差为4 0 c ，图2 1 0 分别显示了不同库容在不 同保温材料情况下的热负荷： 型。 保温翟鐾妻蠢署囊不同 保温层厚度( 衄) 库容的热负荷 吓帆肛斤取”叫7 2 0 0 0 譬1 5 0 0 1 0 0 0 辗5 0 0 0 1 0 01 2 01 5 01 8 0 保温材料为聚苯乙烯不同 保温层厚度( m ) 库窑的热负荷 图2 1 0 不同库容的库外热负荷随保温厚度的变化曲线 从图2 1 0 中可以发现，在相同保温层厚度的情况下，冷库的热负荷随着库 容增大而增大，但并非和库容成线性的正比关系，这其中原因是随着库容的增大， 冷库的体形系数在降低所导致。 2 2 2 围护结构经济厚度的确定 如2 2 1 所述，库体外热负荷与库体围护结构的厚度成反比关系。随着围护 结构厚度的增大，库体外热负荷将变小，这可以减小制冷系统投资和制冷系统运 行费用，但是围护结构的增厚，将会增加围护结构的初投资，因此如何确定围护 结构的厚度对于指导建设微型冷库是十分重要的。前苏联制冷设计院制定的“ 冷库围结构层设计指南 提出了蔬菜类冷库围护结构经济传热系数计算公式，认 为经济传热系数与围护结构传热系数，围护结构材料价格，传热温差、运行时间 等有关。国内有关学者也提出过相关公式，他们在前苏联的基础上考虑了运行费 用及可能产生干耗等影响因素，还有学者直接从建筑热工规范中引进度日数和复 利数概念，建立