冷庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用冷庫(kù)安裝冷庫(kù)工程
冷庫(kù)是冷鏈體系的關(guān)鍵設(shè)備之一,其設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)劣,將直接關(guān)系到冷庫(kù)的初期建設(shè)總投資、后期冷庫(kù)的運(yùn)行費(fèi)用、管理費(fèi)用等一系列重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo);在一定程度上決定了冷庫(kù)在食品的加工、存儲(chǔ)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)對(duì)冷庫(kù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析,證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)在冷庫(kù)設(shè)計(jì)中的可行性,并得出了一些對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論和圖表。
目前,全國(guó)城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民全年用于飲食的消費(fèi)約為16140 億元人民幣,到2000 年底我國(guó)僅禽畜產(chǎn)量一項(xiàng)就達(dá)6000 萬(wàn)噸以上,而蔬菜、水果等的產(chǎn)量也在逐年遞增,使與之相配的食品加工、儲(chǔ)藏的食品冷鏈體系,在全國(guó)范圍內(nèi)得到快速發(fā)展和完善。冷庫(kù)作為冷鏈體系的關(guān)鍵設(shè)備之一,自90 年代以來(lái),在全國(guó)各地興建約4000 余座,冷藏容量達(dá)450 萬(wàn)噸/ 次[11 ] 。冷庫(kù)制冷裝置在日常運(yùn)行管理中,電耗是冷庫(kù)生產(chǎn)成本的主要部分,約占總成本的25 %～30 %或更多[10 ] ;顯而易見(jiàn),冷庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)劣,將直接關(guān)系到冷庫(kù)的初期建設(shè)投資費(fèi)用、后期冷庫(kù)的運(yùn)行費(fèi)用、管理費(fèi)用等一系列重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通過(guò)大量的實(shí)踐證明:采用計(jì)算機(jī)輔助軟件,進(jìn)行冷庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),是降低冷庫(kù)綜合費(fèi)用的有效辦法之一。
2、冷庫(kù)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化目的
2. 1 冷庫(kù)根據(jù)用途的不同分類
(1) 生產(chǎn)性冷庫(kù) 生產(chǎn)性冷庫(kù)是食品企業(yè)生產(chǎn)加工工藝組成的一部分。它的主要任務(wù)是對(duì)企業(yè)所加工的食品進(jìn)行冷卻和凍結(jié),并作短期的儲(chǔ)存。
(2) 分配性冷庫(kù) 這類冷庫(kù)建在大、中城市,水陸交通樞紐和人口較多的工礦區(qū),它的任務(wù)主要是接受儲(chǔ)藏已經(jīng)冷卻或凍結(jié)的食品,以保證市場(chǎng)的需要、出口計(jì)劃的完成和長(zhǎng)期儲(chǔ)備。
(3) 綜合性冷庫(kù) 這類冷庫(kù)設(shè)有較大的庫(kù)容量,應(yīng)有一定的冷卻和冷凍能力,它能起到生產(chǎn)性冷庫(kù)和分配性冷庫(kù)的雙重作用,是普遍應(yīng)用的一種冷庫(kù)類型。
2. 2 冷庫(kù)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分類
(1) 土建式冷庫(kù) 冷庫(kù)的墻、柱、樓板等主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),冷庫(kù)墻內(nèi)側(cè)鑲貼隔熱層;當(dāng)隔熱層采用松散材料時(shí),墻體則采用內(nèi)夾隔熱層的雙層結(jié)構(gòu)。
(2) 裝配式冷庫(kù)
近年來(lái),為了滿足缺乏建筑材料的邊遠(yuǎn)地區(qū)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展城市,對(duì)食品加工、冷藏、保鮮冷庫(kù)的迫切需求。室內(nèi)裝配式冷庫(kù)被廣泛使用在各行各業(yè)。它用以聚氨酯作為芯材的預(yù)制隔熱板,在現(xiàn)場(chǎng)組裝而成,聚氨酯的容重小于45 kg/ m3 ,導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)框架和外包隔熱層的形式。小型裝配式冷庫(kù)設(shè)在室內(nèi),由預(yù)制隔熱板快速拼接、組合而成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如小型商場(chǎng)、酒店的食
品儲(chǔ)藏庫(kù)。室外大型裝配式冷庫(kù),結(jié)構(gòu)相對(duì)要復(fù)雜一些,設(shè)有土建地基,冷庫(kù)地坪采用軟木或聚氨酯光板隔熱,下設(shè)防潮層、防凍通風(fēng)管或地壟墻架空層。房頂為防止日曬雨淋,設(shè)有波紋壓型薄鋼板制成的屋面。
2. 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)目的
裝配式冷庫(kù)的墻板、地板、頂板均由以聚氨酯材料為主的預(yù)制隔熱板制成,但是,由于不同位置、結(jié)構(gòu)和輔助材料的不同,使其單位面積的建設(shè)成本差別較大。一般來(lái)講由于冷庫(kù)地板采用了多種材料,其單位面積的建設(shè)成本要比冷庫(kù)的墻體要高得多。顯然,減少占地面積會(huì)使冷庫(kù)的建設(shè)投資較小,但是,占地面積的縮小,會(huì)使冷庫(kù)的高度增加,從而使由冷庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱而引起的耗冷量增大,用戶的運(yùn)行使用費(fèi)用提高,冷庫(kù)的鋼架立柱等方面的投資也會(huì)加大。因此,必須采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,才能得到的冷庫(kù)結(jié)構(gòu),即使用戶建設(shè)冷庫(kù)的投資少,又使用戶的運(yùn)行費(fèi)用省,這就是本文要討論的主要問(wèn)題。
以下以室外聚氨酯預(yù)制隔熱板裝配式冷庫(kù)為研究對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)討論。
3、優(yōu)化設(shè)計(jì)及其常用方法
優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ),以數(shù)字計(jì)算機(jī)為輔助工具的一種設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)大體上有兩種方法:
(1) 直接法:不用計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)值,而是通過(guò)直接計(jì)算函數(shù)值,并以之作為迭代、收斂根據(jù),終求出優(yōu)值的方法。有模式搜索法、轉(zhuǎn)軸法、單純形法、Powell 直接法等[2 ] ,這類算法比較簡(jiǎn)單、編程容易;但其主要問(wèn)題是:收斂的速度比較慢,特別是當(dāng)自變量個(gè)數(shù)較多或目標(biāo)函數(shù)形態(tài)較好時(shí),其效率比較低。
(2) 求導(dǎo)法:以多變量函數(shù)極值理論為根據(jù),利用函數(shù)性態(tài)并以之作為迭代、收斂根據(jù)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(jì)算精度也比較高。其中DFP 法由Davidon 首創(chuàng),后經(jīng)Fletcher Powell 修訂而成,在求解多元函數(shù)無(wú)約束極小化問(wèn)題時(shí),收斂快、計(jì)算穩(wěn)定性高,是目前被普遍采用的有效的優(yōu)化算法之一[5 ] 。本文主要介紹這種算法。
