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冷库的最优化设计
冷库的最优化设计
来源:中制冷设备网    2009-6-3
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一 冷库结构和优化目的

    1. 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。

  1. 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。

  1. 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,才能得到最佳的冷库结构,即使用户建设冷库的投资最少,又使用户的运行费用最省,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。

二  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,最终求出最优值的方法。有模式搜索法、转轴法、单纯形法、Powell 直接法等 ,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。包括最速下降法、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最有效的优化算法之一 。本文主要介绍这种算法。

  DFP 法基本思想

  有多元函数可表示为f ( x )  x = ( x1 , x2 , x3 , ..x n) T  x ∈Rn

  上式亦即n 维无约束设计问题的一般表达式, f ( x) 为目标函数, x1 , x2 , x3 , ..x n 为诸设计变量。

  则:构造如下迭代公式:[ X K 1 ] = [ X K ] - λK ·[ HK ] ·[ ?I>f ( X K) ]

  式中:

  [ X K, K 1 ] :变量矩阵

  [ HK ] :n ×n 阶矩阵。[ H0 ] = I , I 为幺阵

  λK :迭代步长

  [ ?I>f ( X K) ] :为目标函数f ( x ) 在[ X K ]处的n

  阶偏导矩阵

    [ ?I>f ( X K) ] =9f (xk)9x19f ( x k)9x2 ′ ′9f ( x k)9x n

  [ HK ]矩阵依迭代过程产生的修正矩阵[ CK ]逐次修正, 由以下矩阵方程式组获得新矩阵

    [ HK 1 ] ,逐步搜索优化点[ X3] 。

    [ HK 1 ] = [ HK ] [ CK ]

    [ CK ] =[ΔX K ] ·[ΔX K ] T[ΔX K ] T ·[ Q K ]-( [ HK ] ·[ Q K ]) ·( [ HK ] ·[ Q K ] T)[ Q K ] T ·[ HK ] ·[ Q K ][ΔX ] = [ X K 1 ] - [ X K ][ Q K ] = [ ?I>f ( x k 1) ] - [ ?I>f ( x k) ]

  DFP 法计算程序具体工作流程参见文献[ 1 ] ;迭代步长λK 在运算中可采用:最小函数数值步长确定法求解 。


编审: 申伯勋

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