Теплопритоки из окружающей среды составляют значительную часть общей тепловой нагрузки холодильной установки. Тепловой поток ив окружающего воздуха постоянно проникает в камеры холодильника за счет теплопроводности.
Количество теплоты, передаваемой через поверхности наружного, внутреннего шкафа и слой теплоизоляции в камеры холодильника (Q ), является функцией трех факторов: коэффициента теплопередачи (К ), площади соответствующей наружной поверхности ( F ) и разности температур окружающего воздуха и воздуха и внутри соответствующей камеры ( i)
(2)
где n - количество теплопередающих поверхностей холодильной установки.
(3)
Расчет коэффициента теплопередачи производится по формуле (4)
(4)
где - коэффициенты теплоотдачи соответственно внешней и внутренней стенки i-ой теплопередающей поверхности;
- толщина стенки соответственно наружного и внутреннего шкафа холодильника;
- коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен наружный и внутренний шкаф холодильника;
- толщина слоя теплоизоляционного материала;
- коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.
Знаменатель формулы (4) представляет собой сумму термических сопротивлений плоской многослойной стенки, включая сопротивление тонкого слоя воздуха, непосредственно прилегающего к наружной и внутренней поверхности. Термическое сопротивление отдельного материала равно отношению , а сопротивление слоя воздуха на обеих сторонах теплопередающей поверхности представляет собой отношение 1/ .
Расчет термических сопротивлений стен наружного и внутреннего шкафа холодильника производится с учетом теплофизических свойств материала из которых они изготовлены.
Наружные шкафы бытовых холодильников изготавливают в основном из листовой стали толщиной 0,8 …1мм. Двери наружных шкафов изготавливают из стального листа толщиной 0,8 мм, в некоторых моделях холодильников их выполняют из древесностружечной плиты или ударопрочного полистирола. Коэффициент теплопроводности для стали в расчетах можно принять pавным 20 Вт/м*К, для древесностружечной плиты - 0,087 Вт/м*К, для полистирола - 0,038 Вт/м*К.
Внутренние шкафы в настоящее время изготавливают в основном из ударопрочного полистирола методом вакуумного формования, толщина листа составляет 2…3 мм. В некоторых моделях бытовых холодильников применяют металлические внутренние шкафы из стального листа толщиной 0,7…0,9 мм.
Термическое сопротивление изоляции рассчитывается на основе заданной толщины слоя теплоизоляции соответствующей теплопередающей поверхности и свойств применяемого теплоизоляционного материала. В качестве теплоизоляционного материала наиболее ,широко применяется пенополиоретан с коэффициентом теплопроводности, равным 0,029…0,035 Вт/м*К, и пенополистирол с коэффициентом теплопроводности, находящимся в пределaх 0,038…0,041 Вт/м*К.
Расчет коэффициентов теплоотдачи наружных и внутренних стенок теплопередающих поверхностей ,холодильника производится на основе уравнения, теплового баланса:
(5)
где - температура окружающего воздуха на расстоянии 5…10 мм от i-ой теплопередающей поверхности;
- температура наружной стенки i-ой теплопередающей поверхности
- температура воздуха внутри соответствующей камеры на расстоянии 5…10 мм от внутренней стенки i-ой поверхности;
- температура внутренней стенки i-ой теплопередающей поверхности;
- плотность теплового потока через 1-ю теплопередающую поверхность.
При проведении расчетов температура принимается равной заданной температуре окружающей среды ( ) для большинства теплопередающих поверхностей бытового холодильника. В случае расположения конденсатора вдоль задней стенки холодильника при применении естественной циркуляции охлажденного воздуха в камерах значение температуры для данной поверхности следует принимать, в среднем, на 1…3 градуса выше значения . Для компрессионного отделения принимаемое значение на 2…4 градуса превышает температуру окружающей среды. При расчетах поверхности дна холодильника температура задается на 1..3 градуса выше температуры . При применении системы охлаждения с принудительной циркуляцией охлажденного воздуха ( No frost) температура для задней стенки холодильника равна температуре окружающей среды, значение для компрессионного отделения принимается на 1…3 градуса выше .
Значение температуры воздуха внутри соответствующей камеры при расчётах большинства теплопередающих поверхностей принимается равным заданным температурам внутри соответствующих камер ( , , ).
В случае, если поверхность испарителя непосредственно прилегает к внутренней стенке теплопередающей поверхности, значение соответствует температуре воздуха на расстоянии 5…10 мм от поверхности испарителя и принимается на 0,5…2;0 градуса ниже заданной температуры внутри камеры. При расчетах холодильной камеры для поверхности двери на 0,5…1,5 градуса выше , а при нижнем расположении холодильной камеры для поверхностей компрессионного отделения и дна значение может на 0,5…1,5 градуса превышать величину температуры .
Определение значений температур наружных и внутренних стенок камер холодильника производится расчетным путем с учетом сопротивления слоя воздуха, прилегающего к данным поверхностям. Для этого вычисляются предварительные значения термического сопротивления наружного ( ) и внутреннего ( ) слоя воздуха:
; (6)
где - толщина слоя воздуха, прилегающего к наружной и внутренней стенке i-ой теплопередающей поверхности.
- коэффициенты теплопроводности слоя наружного воздуха и слоя воздуха внутри соответствующей камеры.
При проведении расчетов термических сопротивлений и принимается допущение о том, что толщина воздушной прослойки, прилегающей к наружной стенкe i-ой теплопередающей поверхности, равна толщине слоя воздуха, прилегающего к внутренней стенке ( = ), и составляет 0,005 м для вертикальных поверхностей и 0,01 м для горизонтально ориентированных поверхностей. Значения коэффициентов теплопроводности воздуха и выбираются из таблицы ( приложение 5 ) в зависимости от значений температур , и относительной влажности наружного воздуха в расчетах принимается равной 50…70% для воздуха внутри холодильной камеры = 70…80 %, для низкотемпературной и морозильной , камер = 80…90%.
Суммарное термическое сопротивление i-ой теплопередающей поверхности ( ) с учетом принятых допущений определяется суммой термических сопротивлений ее элементов:
(7)
где - термическое сопротивление соответственно стенки наружного шкафа, слоя теплоизоляции и стенки внутреннего шкафа i-ой теплопередающей поверхности.
Разность температур по обе стороны каждого из элементов i-ой теплопередающей поверхности ( ) пропорциональна термическому сопротивлению данного элемента ( ):
(8)
(9)
Температура стенки наружного шкафа i-ой теплопередающей поверхности холодильника ( ) с учетом соотношения (8) определяется следующим образом:
(10)
Температура стенки внутреннего шкафа i-ой теплопередающей поверхности холодильника ( ) вычисляется из соотношения (11) :
(11)
После вычисления температур и по уравнению теплового баланса (5) рассчитывается плотность теплового потока i-ой теплопередающей поверхности:
(12)
Значения коэффициентов теплоотдачи наружной и внутренней стенок i-ой теплопередaющей поверхности также вычисляется из уравнения теплового баланса:
; (13)
На основе полученных значений коэффициентов теплоотдачи и с помощью уравнения (4) рассчитываются значения коэффициента теплопередачи для i-ой поверхности .
Площади наружных стенок теплопередающих поверхностей в уравнении (3) вычисляются по заданным геометрическим, размерам наружного шкафа холодильника.
Значения разности температур в уравнении (3) определяются по соотношению (9).
После вычисления составляющих уравнения (3) рассчитываются значения теплопритоков для каждой теплопередающей поверхности холодильника и по соотношению (2) определяются суммарные теплопритоки из окружающей среды.