冷库的优化设计与应用冷库安装冷库工程
冷库是冷链体系的关键设备之一,其设计技术的优劣,将直接关系到冷库的初期建设总投资、后期冷库的运行费用、管理费用等一系列重要的经济指标;在一定程度上决定了冷库在食品的加工、存储过程中的经济效益。本文通过对冷库的计算机优化设计结果和工程实例进行对比分析,证明了优化设计在冷库设计中的可行性,并得出了一些对工程设计具有指导意义的结论和图表。
目前,全国城镇居民和农村居民全年用于饮食的消费约为16140 亿元人民币,到2000 年底我国仅禽畜产量一项就达6000 万吨以上,而蔬菜、水果等的产量也在逐年递增,使与之相配的食品加工、储藏的食品冷链体系,在全国范围内得到快速发展和完善。冷库作为冷链体系的关键设备之一,自90 年代以来,在全国各地兴建约4000 余座,冷藏容量达450 万吨/ 次[11 ] 。冷库制冷装置在日常运行管理中,电耗是冷库生产成本的主要部分,约占总成本的25 %～30 %或更多[10 ] ;显而易见,冷库设计技术的优劣,将直接关系到冷库的初期建设投资费用、后期冷库的运行费用、管理费用等一系列重要的经济指标。通过大量的实践证明:采用计算机辅助软件,进行冷库的优化设计,是降低冷库综合费用的有效办法之一。
2、冷库结构和优化目的
2. 1 冷库根据用途的不同分类
(1) 生产性冷库 生产性冷库是食品企业生产加工工艺组成的一部分。它的主要任务是对企业所加工的食品进行冷却和冻结,并作短期的储存。
(2) 分配性冷库 这类冷库建在大、中城市,水陆交通枢纽和人口较多的工矿区,它的任务主要是接受储藏已经冷却或冻结的食品,以保证市场的需要、出口计划的完成和长期储备。
(3) 综合性冷库 这类冷库设有较大的库容量,应有一定的冷却和冷冻能力,它能起到生产性冷库和分配性冷库的双重作用,是普遍应用的一种冷库类型。
2. 2 冷库根据结构的不同分类
(1) 土建式冷库 冷库的墙、柱、楼板等主体采用钢筋混凝土结构,冷库墙内侧镶贴隔热层;当隔热层采用松散材料时,墙体则采用内夹隔热层的双层结构。
(2) 装配式冷库
近年来,为了满足缺乏建筑材料的边远地区和经济快速发展城市,对食品加工、冷藏、保鲜冷库的迫切需求。室内装配式冷库被广泛使用在各行各业。它用以聚氨酯作为芯材的预制隔热板,在现场组装而成,聚氨酯的容重小于45 kg/ m3 ,导热系数小于0. 02 kcal/ m·h·℃,厚度100～150 mm ,板宽1000～1200 mm ,板高6～8 m。墙、顶板均由钢架支撑,采用内框架和外包隔热层的形式。小型装配式冷库设在室内,由预制隔热板快速拼接、组合而成,结构简单,如小型商场、酒店的食
品储藏库。室外大型装配式冷库,结构相对要复杂一些,设有土建地基,冷库地坪采用软木或聚氨酯光板隔热,下设防潮层、防冻通风管或地垄墙架空层。房顶为防止日晒雨淋,设有波纹压型薄钢板制成的屋面。
2. 3 优化设计目的
装配式冷库的墙板、地板、顶板均由以聚氨酯材料为主的预制隔热板制成,但是,由于不同位置、结构和辅助材料的不同,使其单位面积的建设成本差别较大。一般来讲由于冷库地板采用了多种材料,其单位面积的建设成本要比冷库的墙体要高得多。显然,减少占地面积会使冷库的建设投资较小,但是,占地面积的缩小,会使冷库的高度增加,从而使由冷库围护结构的传热而引起的耗冷量增大,用户的运行使用费用提高,冷库的钢架立柱等方面的投资也会加大。因此,必须采用优化设计的计算方法,才能得到的冷库结构,即使用户建设冷库的投资少,又使用户的运行费用省,这就是本文要讨论的主要问题。
以下以室外聚氨酯预制隔热板装配式冷库为研究对象进行详细讨论。
3、优化设计及其常用方法
优化设计是以数学规划理论为基础,以数字计算机为辅助工具的一种设计方法。优化设计大体上有两种方法:
(1) 直接法:不用计算目标函数的导数值,而是通过直接计算函数值,并以之作为迭代、收敛根据,终求出优值的方法。有模式搜索法、转轴法、单纯形法、Powell 直接法等[2 ] ,这类算法比较简单、编程容易;但其主要问题是:收敛的速度比较慢,特别是当自变量个数较多或目标函数形态较好时,其效率比较低。
(2) 求导法:以多变量函数极值理论为根据,利用函数性态并以之作为迭代、收敛根据的方法。包括速下降法、Newton 法、共轭梯度法、DFP 法等。这类方法的收敛速度至少是线性收敛,工作效率较好,极值的计算精度也比较高。其中DFP 法由Davidon 首创,后经Fletcher Powell 修订而成,在求解多元函数无约束极小化问题时,收敛快、计算稳定性高,是目前被普遍采用的有效的优化算法之一[5 ] 。本文主要介绍这种算法。
