冷庫的優化設計與應用冷庫安裝冷庫工程
冷庫是冷鏈體系的關鍵設備之一,其設計技術的優劣,將直接關系到冷庫的初期建設總投資、后期冷庫的運行費用、管理費用等一系列重要的經濟指標;在一定程度上決定了冷庫在食品的加工、存儲過程中的經濟效益。本文通過對冷庫的計算機優化設計結果和工程實例進行對比分析,證明了優化設計在冷庫設計中的可行性,并得出了一些對工程設計具有指導意義的結論和圖表。
目前,全國城鎮居民和農村居民全年用于飲食的消費約為16140 億元人民幣,到2000 年底我國僅禽畜產量一項就達6000 萬噸以上,而蔬菜、水果等的產量也在逐年遞增,使與之相配的食品加工、儲藏的食品冷鏈體系,在全國范圍內得到快速發展和完善。冷庫作為冷鏈體系的關鍵設備之一,自90 年代以來,在全國各地興建約4000 余座,冷藏容量達450 萬噸/ 次[11 ] 。冷庫制冷裝置在日常運行管理中,電耗是冷庫生產成本的主要部分,約占總成本的25 %～30 %或更多[10 ] ;顯而易見,冷庫設計技術的優劣,將直接關系到冷庫的初期建設投資費用、后期冷庫的運行費用、管理費用等一系列重要的經濟指標。通過大量的實踐證明:采用計算機輔助軟件,進行冷庫的優化設計,是降低冷庫綜合費用的有效辦法之一。
2、冷庫結構和優化目的
2. 1 冷庫根據用途的不同分類
(1) 生產性冷庫 生產性冷庫是食品企業生產加工工藝組成的一部分。它的主要任務是對企業所加工的食品進行冷卻和凍結,并作短期的儲存。
(2) 分配性冷庫 這類冷庫建在大、中城市,水陸交通樞紐和人口較多的工礦區,它的任務主要是接受儲藏已經冷卻或凍結的食品,以保證市場的需要、出口計劃的完成和長期儲備。
(3) 綜合性冷庫 這類冷庫設有較大的庫容量,應有一定的冷卻和冷凍能力,它能起到生產性冷庫和分配性冷庫的雙重作用,是普遍應用的一種冷庫類型。
2. 2 冷庫根據結構的不同分類
(1) 土建式冷庫 冷庫的墻、柱、樓板等主體采用鋼筋混凝土結構,冷庫墻內側鑲貼隔熱層;當隔熱層采用松散材料時,墻體則采用內夾隔熱層的雙層結構。
(2) 裝配式冷庫
近年來,為了滿足缺乏建筑材料的邊遠地區和經濟快速發展城市,對食品加工、冷藏、保鮮冷庫的迫切需求。室內裝配式冷庫被廣泛使用在各行各業。它用以聚氨酯作為芯材的預制隔熱板,在現場組裝而成,聚氨酯的容重小于45 kg/ m3 ,導熱系數小于0. 02 kcal/ m·h·℃,厚度100～150 mm ,板寬1000～1200 mm ,板高6～8 m。墻、頂板均由鋼架支撐,采用內框架和外包隔熱層的形式。小型裝配式冷庫設在室內,由預制隔熱板快速拼接、組合而成,結構簡單,如小型商場、酒店的食
品儲藏庫。室外大型裝配式冷庫,結構相對要復雜一些,設有土建地基,冷庫地坪采用軟木或聚氨酯光板隔熱,下設防潮層、防凍通風管或地壟墻架空層。房頂為防止日曬雨淋,設有波紋壓型薄鋼板制成的屋面。
2. 3 優化設計目的
裝配式冷庫的墻板、地板、頂板均由以聚氨酯材料為主的預制隔熱板制成,但是,由于不同位置、結構和輔助材料的不同,使其單位面積的建設成本差別較大。一般來講由于冷庫地板采用了多種材料,其單位面積的建設成本要比冷庫的墻體要高得多。顯然,減少占地面積會使冷庫的建設投資較小,但是,占地面積的縮小,會使冷庫的高度增加,從而使由冷庫圍護結構的傳熱而引起的耗冷量增大,用戶的運行使用費用提高,冷庫的鋼架立柱等方面的投資也會加大。因此,必須采用優化設計的計算方法,才能得到的冷庫結構,即使用戶建設冷庫的投資少,又使用戶的運行費用省,這就是本文要討論的主要問題。
以下以室外聚氨酯預制隔熱板裝配式冷庫為研究對象進行詳細討論。
3、優化設計及其常用方法
優化設計是以數學規劃理論為基礎,以數字計算機為輔助工具的一種設計方法。優化設計大體上有兩種方法:
(1) 直接法:不用計算目標函數的導數值,而是通過直接計算函數值,并以之作為迭代、收斂根據,終求出優值的方法。有模式搜索法、轉軸法、單純形法、Powell 直接法等[2 ] ,這類算法比較簡單、編程容易;但其主要問題是:收斂的速度比較慢,特別是當自變量個數較多或目標函數形態較好時,其效率比較低。
(2) 求導法:以多變量函數極值理論為根據,利用函數性態并以之作為迭代、收斂根據的方法。包括速下降法、Newton 法、共軛梯度法、DFP 法等。這類方法的收斂速度至少是線性收斂,工作效率較好,極值的計算精度也比較高。其中DFP 法由Davidon 首創,后經Fletcher Powell 修訂而成,在求解多元函數無約束極小化問題時,收斂快、計算穩定性高,是目前被普遍采用的有效的優化算法之一[5 ] 。本文主要介紹這種算法。
