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。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,最優化設計在冷庫設計中是可行,并對工程設計具有指導意義。
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。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。
冷庫結構和優化目的
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 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 3 ,導熱系數小于0. 02 ℃,厚度100～150 ,板寬1000～1200 ,板高6～8 。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。
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,才能得到最佳的冷庫結構,即使用戶建設冷庫的投資最少,又使用戶的運行費用最省,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。
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,最終求出最優值的方法。有模式搜索法、轉軸法、單純形法、直接法等 ,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
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