6.6. Zasady projektowania i wykonawstwa urządzeń oraz instalacji chłodniczych

6.6.1. Wiadomości ogólne

Prawidłowe zaprojektowanie urządzenia chłodniczego wy­maga przeprowadzenia szczegółowej analizy procesu technolo­gicznego chłodzenia; od tego bowiem zależy działanie i koszt urządzenia chłodniczego.

Urządzenia i aparaty chłodnicze dobiera się na podstawie przeprowadzonego szczegółowego bilansu cieplnego chłodni. Zmniejszenie bilansu cieplnego, wpływającego na wielkość urzą­dzeń chłodniczych, osiąga się stosując właściwe ocieplenie prze­gród konstrukcyjnych komór chłodniczych oraz w miarę możli­wości ograniczając do minimum zyski ciepła od ludzi, urządzeń mechanicznych i oświetlenia elektrycznego. Przegrody budowla­ne powinny być tak ocieplone, aby nie następowało skraplanie się pary wodnej na zimnych powierzchniach ścian i stropów. Ze względu na bezpieczeństwo komory chłodnicze i urządzenia w nich zainstalowane powinny być tak zaprojektowane, aby:

a) drzwi komór prowadzące do korytarzy lub przedsionków otwierały się na zewnątrz,

b) rozmieszczenie urządzeń chłodniczych nie ograniczało ga­barytów przejść i nie przeszkadzało w normalnej komunikacji,

c) komory chłodnicze, chłodzone czynnikami o działaniu tok­sycznym i drażniącym lub tworzącym z powietrzem mieszaniny łatwo palne i wybuchowe, powinny mieć wywiewną wentylację mechaniczną awaryjną zapewniającą co najmniej 10 wym/h po­wietrza,

d) komory, w których wymaga się temperatury poniżej +5°C i nie mające zamków umożliwiających otwarcie drzwi od we­wnątrz, wyposaża się w sygnalizację elektryczną świetlną i dźwiękową, wyprowadzoną do miejsca stałego pobytu perso­nelu; sygnalizacja ta jest niezbędna do zasygnalizowania za­mknięcia człowieka w komorze.

Projekt urządzenia chłodniczego powinien zawierać:

1. obliczenia cieplne wraz z analizą procesu chłodniczego,

2. dobór podstawowych urządzeń i aparatury chłodniczej,

3. niezbędne rysunki rzutów i przekroju instalacji chłodni­czej,

4. schemat automatyzacji urządzeń,

5. instrukcję obsługi urządzeń i instalacji chłodniczej.

Typową chłodnię dla zakładu żywienia zbiorowego przedsta­wiono na rys. 6-30, natomiast schemat instalacji chłodniczej ­na rys. 6-31. W instalacji tej do zabezpieczenia pracy sprężarki przed nadmiernym wzrostem ciśnienia tłoczenia, co może nastą­pić np. w razie przerwy w dopływie wody do skraplacza, prze­widziano wyłącznik wysokiego ciśnienia 9. Zadaniem jego jest wyłączenie sprężarki w razie wzrostu ciśnienia tłoczenia. Wyłącz­nik ciśnienia 8 zainstalowany w przewodzie ssawnym sprężarki służy do wyłączenia jej, gdy ciśnienie parowania czynnika chłod­niczego spadnie do wymaganego minimum, w warunkach któ­rego w komorze będzie utrzymana najniższa dopuszczalna tem­peratura.

Stałą temperaturę w komorach chłodniczych otrzymuje się instalując na przewodach ssawnych przy parownikach regula­cyjne zawory rozprężne 6 i elektromagnetyczne zawory odcina­jące 5. Impulsem wywołującym działanie zaworu rozprężnego jest temperatura odpływającego z parownika czynnika. Działa­nie zaworu polega na zwiększeniu lub zmniejszeniu dławienia pary czynnika zależnie od temperatury skroplin. Temperatura powracającego z parownika czynnika chłodniczego zależy od ob­ciążenia cieplnego komory, tj. od ilości zimna, jaką należy w da­nej chwili doprowadzić do komory, aby utrzymać w niej założoną temperaturę. Jeżeli więc obciążenie cieplne wzrasta, to zawór przymyka się powodując tym samym spadek ciśnienia czynni­ka, jak wynika z wykresu i-lg p (tab. 6-1), spadek tempera­tury parowania.

W razie spadku obciążenia cieplnego następuje zmniejszenie stopnia zdławienia czynnika, a więc wzrost temperatury parowa­nia. Zadanie zaworu elektromagnetycznego 5 polega na zamknię­ciu dopływu pary do parownika w warunkach wzrostu tempe­ratury w komorze ponad wartość założoną i otwarcie przepływu, jeżeli temperatura się obniża. Zawór jest sterowany termosta­tem komorowym 7 umieszczonym bezpośrednio w komorze.

6.6.2. Obliczenie cieplne chłodni

Utrzymanie stałej temperatury w pomieszczeniu chłodni osią­ga się tylko wówczas, gdy urządzenie chłodnicze może wypro­dukować tyle zimna, ile ciepła napływa do pomieszczenia i wy­dziela się w nim.

• Łączną ilość zimna, jaką należy doprowadzić do poszcze­gólnych komór chłodniczych, oblicza się ze wzoru

kJ/dobę (6-18)

w którym: Q₁ - ilość ciepła napływającego przez przegrody budowla­ne, w kJ/dobę,

Q₂ - ilość ciepła, odprowadzana z komory chłodni, aby produkt schłodzić do żądanej temperatury lub zamrozić, w kJ/dobę,

Q₃ - ilość ciepła wprowadzonego z powietrzem ze­wnętrznym w wypadku wentylacji komór, w kJ/dobę,

Q₄ - zyski ciepła, wydzielające się podczas eksploa­tacji chłodni (podczas otwierania drzwi, od pra­cujących ludzi, oświetlenia elektrycznego itp.), w kJ/dobą.

• Ilość ciepła napływającego przez przegrody budowlane ob­licza się ze wzoru

(W/dobę) (6-19)

w którym: F - powierzchnia przegród budowlanych, w m²,

k - współczynnik przenikania ciepła dla odpowied­nich przegród, w Vf1/(m' · K),

t_z - temperatura powietrza zewnętrznego przyjmo­wana dla najcieplejszego miesiąca wg normy PN-82B-03420 w °C,

t_k - temperatura powietrza w komorze w °C; dla chłodni artykułów żywnościowych przyjmuje­my t_k = 0 ÷ 4°C - dla komór na nabiał i ry­by,

t_k = -18 ÷ -22°C - dla komór na mrożonki.

Dla przegród zewnętrznych nasłonecznionych, w obliczeniach zysków ciepła, uwzględnia się dodatkowo zyski od promienio­wania słonecznego.

• Ilość ciepła, odprowadzoną z komory, aby produkt schło­dzić do żądanej temperatury lub zamrozić, oblicza się:

- w razie schładzania produktów

kJ/dobę (6-20)

- w razie zamrażania produktów

kJ/dobę (6-20a)

Przyjęte oznaczenia we wzorach (6-20) i (6-20a):

G - masa produktów przechowywanych w ciągu doby, w kg,

c - ciepło właściwe produktów podczas schładzania, w kJ/kg; dla mięsa c = 3,33 kJ/(kg·K), nabiału c = 3,47 kJ/(kg·K), ryb c = 3,43 kJ/(kg·K),

G_u - masa opakowania w kg; zazwyczaj przyjmuje się G_u= 0,1G,

t_p - temperatura początkowa produktów i opakowań, w °C,

c_u - ciepło właściwe opakowania w kJ/(kg·K),

w - ilość wymrożonej z produktu wody, w % od zawar­tości wilgoci,

W - zawartość wody w produkcie, w kg/kg,

334,4 - ciepło zamrażania wody, w kJ/kg,

c' - ciepło właściwe produktów podczas zamrażania w kJ/(kg·K), dla mrożonek c' = 1,46 kJ/(kg·K),

t_zm - temperatura zamrażania w °C; dla mrożonek przyjmuje się t_zm +2°C.

• Ilość ciepła wprowadzanego do komory z powietrzem wen­tylacyjnym oblicza się ze wzoru

kJ/dobę (6-21)

w którym:
- gęstość powietrza w kg/m³,

V - objętość komory chłodniczej, w m³,

n - liczba wymian powietrza na dobę; zazwyczaj przyjmuje się dla komór na nabiał, ryby i mię­so 10 wym/dobę, dla komór na mrożonki 1 wym/dobę,

i_z, i_k - odpowiednio entalpia powietrza zewnętrznego i w komorze w kJ/kg.

• Zyski ciepła powstające w czasie eksploatacji i związane z pracą urządzeń (wentylatorów, pomp), ludzi lub z oświetleniem pomieszczenia można określić dokładnie. Ilość ciepła, jaką wy­dzielają wentylatory i pompy, oblicza się ze wzoru

kW/dobę (6-22)

w którym: N₁ - moc na wale wentylatora pracującego Z₁ godzin na dobę,

N, -moc na wale pompy pracwjącej Z, godzin na dobę.

• Ciepło wydzielane przez ludzi i oświetlenie oblicza się ze wzoru

kW/dobę (6-23)

w którym: m - liczba ludzi jednocześnie pracujących w komorze,

Z - czas przebywania jednego pracownika w komo­rze, w h,

N₃ - moc zainstalowanych żarówek, w kW,

Z₃ - czas oświetlenia pomieszczenia komory, w h.

Przykład 6-3. Obliczyć ilość zimna, jaką należy doprowadzić do kamory chłodniczej na mięso, aby schłodzić je do tem­peratury t_k = +2°C, mając dane: objętość komory chłodniczej V = 9 m³, ilość wprowadzonego produktu G = 500 kg/dobę, temperatura wprowadzonego mięsa t_p = +20°C, zyski ciepła przez przegrody budowlane Q = 1,032 kW, temperaturą zewnętrzną powietrza t_z = +20°C.

W komorze przewiduje się pracę jednego człowieka w ciągu jednej godziny na dobę. Moc zainstalowanego wentylatora wynosi 0,1 kW; czas pracy wentylatora 12 godzin na dobę. Oświetlenie komory żarówką o mo­cy 100 W. Oświetlenie będzie czynne jedną godzinę na dobę.

1. Dobowa ilość ciepła napływającego do komory przez przegrody budowlane:

Q_l = 1,032·24 = 24,77 kW/dobę.

2. Ilość ciepła, jaką należy odprowadzić z komory, aby produkt schłodzić do temp. +2°C.

= (500⋅3,33+0,1·500·0,46·(20-2) = (1665+23)18 = 30384 kJ/dobę = 8,44 kW/dobę.

Masę opakowania przyjęto G_u = 0,1 G kg/dobę. Ciepła właściwe mięsa przyjęto c = 3,33 kJ/(kg·K), opakowania c_u = 0,46 kJ/(kg·K).

3. Ilość ciepła wprowadzanego z powietrzem wen­tylacyjnym:

= 1,2·9·10·(46-8,4) = 4050,0 kJ/dobę = = 1,13 kW/dobę.

Liczbę wymian powietrza w komorze przyjęto n = 10 wym/dobę; entalpia powietrzna odczytana z wy­kresu i-x Moliera wynosi:

jeżeli t_z = 20°C i
= 75%, i_z = 46 kJ/kg

jeżeli t_p = 20°C i
= 75%, i_k = 8,4 kJ/kg

4. Zyski ciepła od mocy wentylatora i oświetlenia elektrycznego:

= 0,1·12+0,1·1 = 1,3 kW/dobę

5. Zyski ciepła od ludzi:

= 0,23·m·Z = 0,23·1·1 = 0,23 kW

6. Łączna ilość zimna, jaką należy doprowadzić do komory chłodniczej:

= 24,77+8,44+1,13+1,3+0,23 = 35,87 kW/dobę.

6.6.3. Obliczanie i dobór urządzeń chłodniczych

Głównymi czynnikami wpływającymi na dobór urządzeń chłodniczych są:

• temperatury w poszczególnych komorach chłodniczych,

• zapotrzebowanie zimna,

• czas pracy urządzenia chłodniczego.

W celu uproszczenia układu chłodniczego dla komór chłod­niczych o zbliżonych temperaturach powietrza, np. dla komór na nabiał, mięso i ryby, w miarę możliwości projektuje się jedną wspólną instalację. Temperaturą określającą temperaturę paro­wania czynnika chłodniczego jest najniższa temperatura jednej z komór t_min. Temperatury parowania czynnika chłodniczego przyjmuje się: w urządzeniach z chłodzeniem bezpośrednim o 9÷10°C niższą od temperatury komory t_min, w urządzeniu z chłodzeniem pośrednim o 13÷15°C niższą od t_min. Dobierając sprężarkę oprócz zysków ciepła (p. 6.8.2.) należy dodatkowo uwzględnić przenikanie ciepła z otocznia do przewodów i pa­rowników, tj. straty zimna samego urządzenia chłodniczego. Sta­nowią one zazwyczaj w urządzeniach chłodniczych bezpośrednich 5÷7%, pośrednich 10÷12% łącznego zapotrzebowania zimna.

Godzinową wydajność chłodniczą agregatu sprężarkowego Q_a oblicza się ze wzoru

kW (6-24)

w którym:
- łączne dobowe zapotrzebowanie zimna dla grupy komór obsługiwanych przez jeden agre­gat, kW/dobę,

Z - czas pracy urządzenia chłodniczego w h/dobę; dla chłodni dużych przyjmuje się 20÷22 h/do­bę, dla małych 14÷15 h/dobę,

- współczynnik uwzględniający straty zimna w samym urządzeniu chłodniczym; w urządze­niach z chłodzeniem bezpośrednim
= 0,95÷0,93, pośrednim
= 0,90÷0,88.

Przykład 6-4. Dla komory chłodniczej o zapotrzebowaniu zimna jak w przykładzie 6-3 określić godzinową wydajność chłodniczą agregatu chłodniczego przy założeniu, że urządzenie jest z chłodzeniem bezpośrednim, a czas je­go pracy wynosi 14 h/dobę; współczynnik
uwzględ­niający straty zimna w samym urządzeniu chłodniczym przyjęto 0,94.

Godzinowa wydajność agregatu chłodniczego wy­nosi:

=
= 2,73 kW.

6.6.4. Wykonawstwo urządzeń i instalacji chłodniczych

Urządzenia chłodnicze sytuuje się w miejscu ich użytkowa­nia w obudowie zamkniętej, w przestrzeni wydzielonej w po­mieszczeniu ochłodzonym oraz w maszynowni i aparatowni.

Większe urządzenia chłodnicze instaluje się w wyodrębnio­nych pomieszczeniach w maszynowni i aparatowni. Pomieszcze­nia przeznaczone na maszynownie i aparatownie powinny odpo­wiadać niżej omówionym warunkom budowlanym i instalacyj­nym.

1. Wysokość pomieszczeń w świetle nie powinna być mniej­sza: dla maszynowni od 4,0, dla aparatowni od 3,0 m. Możliwe jest zmniejszenie wysokości pomieszczeń:

a) do 3,0 m pod warunkiem, że: ilość czynnika chłodniczego (freonu) w instalacji nie przekracza 500 kg,

b) do 2,2 m pod warunkiem, że ilość czynnika chłodniczego w instalacji nie przekracza 250 kg, a samo urządzenie pracuje automatycznie.

2. Pomieszczenia powinny mieć co najmniej jedno wyjście na zewnątrz. Maszynownie o powierzchni ponad 80 m² powinny mieć dwa wyjścia położone daleko od siebie, tak aby możliwa była szybka ewakuacja pracujących ludzi.

Wyjścia z maszynowni i aparatowni mogą prowadzić albo bezpośrednio na zewnątrz budynku, albo do korytarzy lub kla­tek schodowych użytku ogólnego, prowadzących na zewnątrz. Wyjścia powinny być zaopatrzone w drzwi stalowe otwierające się na zewnątrz i zamykane samoczynnie. W maszynowniach dla urządzeń, w których czynnikiem chłodniczym są związki che­miczne mogące spowodować wybuch, co najmniej jedne z drzwi powinny prowadzić bezpośrednio na zewnątrz.

3. Pomieszczenia powinny być oświetlone światłem sztucz­nym, przy czym minimalne natężenie oświetlenia elektrycznego powinno wynosić dla maszynowni 100 lx, a dla aparatowni ­60 lx. Jeżeli łączna powierzchnia aparatowni i maszynowni prze­kracza 60 m², to wykonuje się oświetlenie awaryjne głównej tab­licy rozdzielczej, wyłączników, zaworów sprężarek, wyjść itp. Instalacja oświetlenia awaryjnego powinna być wyłączana samoczynnie w razie zaniku napięcia w sieci energetycznej.

4. Pomieszczenia powinny mieć ogrzewanie zapewniające utrzymanie w zimie, w razie chłodzenia aparatów wodą, tempe­ratury +5°C, a w urządzeniach stale obsługiwanych +15°C.

5. Maszynownie i aparatownie powinny mieć zapewnianą wentylację stale czynną i awaryjną.

Wentylacja stale czynna maszynowni dla urządzeń chłodni­czych, w których czynnikiem chłodniczym są związki chloropo­chodne (freony) lub amoniak, powinna zapewniać co najmniej 3-krotną wymianę powietrza w ciągu godziny; jeżeli czynnikiem chłodniczym są związki silnie trujące metylopochodne (etan, propan, etylen itp.), to wentylacja powinna zapewniać co naj­mniej 7 wym/h. Może być ona naturalna lub mechaniczna.

Wentylacja awaryjna mechaniczna powinna zapewnić wyciąg powietrza z pomieszczenia w ilości obliczonej ze wzoru

(6-25)

w którym: G - ilość czynnika chłodniczego w instalacji i urządzeniach znajdujących się w maszynowni lub aparatowni.

Wentylację naturalną bezpośrednio przez otwory można sto­sować tylko wówczas, gdy łączna powierzchnia otworów drzwi i okien prowadzących na wolne powietrze jest F > 0,14 G.

Urządzenia chłodnicze w maszynowniach i aparatowniach tak rozmieszcza się, aby możliwa była dogodna obserwacja i obsługa urządzeń. Szerokość przejść w maszynowni i aparatowni wynosi co najmniej:

a) 1,50 m pomiędzy głównymi rozdzielniami i tablicami kon­trolno-sterowniczymi a najdalej występującymi częściami ma­szyn, aparatami, słupami itp.,

b) 1,00 m pomiędzy maszynami i aparatami mierzona w miej­scach najdalej wystających części; 0,75 m w miejscach zwężenia pod warunkiem, że przejście ma z dwóch stron dojście o prze­pisowej szerokości,

c) 0,80 pomiędzy gładką ścianą a najdalej położonymi częściami maszyn i aparatów.

Przewodów czynników chłodniczych nie można prowadzić przez szyby dźwigów i szyby mające otwory prowadzące do kla­tek schodowych, w których przebywają osoby nie zatrudnione bezpośrednio w eksploatacji obiektu obsługiwanego urządzeniem chłodniczym. Przewody z czynnikiem chłodniczym w postaci freonu lub amoniaku można prowadzić w korytarzach i przed­sionkach pomieszczeń bez instalacji chłodniczych.

W razie prowadzenia przewodów w tunelach i korytarzach komunikacyjnych powinny one mieć szerokość przejścia co naj­mniej 1,2 m, a wysokość w świetle nie mniejszą niż 2,15 m oraz dwa wyjścia, z tym że nie muszą one koniecznie prowadzić bezpośrednio na wolne powietrze. Warunki powyższe nie odno­szą się do sytuacji, gdy przez tunele i korytarze komunikacyjne prowadzi się przewody, na których nie zainstalowano uzbrojenia lub urządzeń wymagających obsługi.

Przewody prowadzone poniżej 2,15 m nad poziomem posadz­ki zabezpiecza się osłonami, jeżeli zachodzi obawa uszkodzenia przewodów.

Przewody powinny być podwieszane lub podpierane w takich odstępach, aby ugięcie ich między podporami nie przekradało 1/350 odstępu między podporami.

Przewody o małych średnicach (miedziane poniżej d_z = 25 mm i stalowe poniżej d_z = 15 mm powinny być w miejscach przejść przez przegrody budowlane zabezpieczone osłoną przed uszko­dzeniem.

Przewody skroplin, po stronie wysokiego ciśnienia, na od­cinkach pomiędzy zaworami odcinającymi powinny być zabez­pieczone przed rozerwaniem na skutek wzrostu temperatury za­worami bezpieczeństwa lub w inny skuteczny sposób. Warunek powyższy nie dotyczy przewodów pomiędzy dwoma zaworami, z których co najmniej jeden jest podczas eksploatacji stale otwarty i zaplombowany w tym położeniu.

Przewody powinny być tak prowadzone, aby nie mogło po­wstać ich uszkodzenie pod wpływem zmian temperatury czyn­nika chłodniczego. Odcinki proste przewodów o długości przekra­czającej 80 m powinny mieć kompensatory.

Zawory odcinające i urządzenia zabezpieczające dobiera się odpowiednio dla stosowanych czynników. Połączenia zaworów z przewodami powinny być zupełnie szczelne. Zawory odcinają­ce zainstaluje się na przewodach pary i cieczy wszystkich urzą­dzeń chłodniczych i sprężarek. Zamocowanie zaworów nie może powodować podczas ich obsługi nadmiernego obciążenia prze­wodów. Zwłaszcza zawory zainstalowane na przewodach z me­tali miękkich (miedź lub aluminium) mocuje się w uchwytach. Zawory umieszczone na rozdzielaczach oznacza się napisami lub liczbami określającymi ich przeznaczenie.

Sprężarki i urządzenia chłodnicze zabezpiecza się przed wzro­stem ciśnienia i zaworami bezpieczeństwa, płytkami pękającymi lub korkami topliwymi. Urządzenia zabezpieczające instaluje się bezpośrednio przy sprężarkach lub aparatach na przewodach wysokiego ciśnienia.

Budowa urządzeń zabezpieczających powinna odpowiadać ak­tualnym przepisom Urzędu Dozoru Technicznego.

Szersze omówienie wykonawstwa urządzeń i instalacji chłod­niczych czytelnik może znaleźć w PN-72/M-04601. Warunki bez­pieczeństwa w urządzeniach chłodniczych.

---