Судовые холодильные установки

Реферат на тему:

Судовые холодильные установки, системы кондиционирования воздуха, типы систем, управление и обслуживание

Судовые холодильные установки, как и энергетические, в отличие от стационарных имеют ряд особенностей в отношении общего расположения охлаждаемых помещений, размещения оборудования и выбора его типа.

При проектировании и постройке стационарных холодильников желательно придавать им форму куба, чтобы при наибольшей емкости получить минимальную величину внешних ограждающих поверхностей. На судах общее расположение охлаждаемых грузовых помещений, соотношение их размеров и форма зависят-от соотношения размеров корпуса судна и его формы, которые определяются мореходными качествами судна, необходимой прочностью корпуса, его живучестью, районом плавания и многими другими факторами. И все же при проектировании грузовых рефрижераторных судов следует по возможности стремиться к наиболее выгодному соотношению между объемом грузовых помещений и размерами ограждающих поверхностей.

На судах, где производят термическую обработку груза, расход холода через внешние ограждения по сравнению с расходом холода на охлаждение и особенно замораживание сравнительно мал, поэтому высказанные выше соображения имеют меньшее значение. В этом случае при выборе общего расположения грузовых охлаждаемых помещений следует считаться с поточностью технологического процесса и грузовых операций, производимых' на судне.

Кроме того, при выборе системы набора следует избегать применения высоких стальных элементов набора, создающих, несмотря на изоляцию, весьма значительный теплоприток в охлаждаемые помещения. С этой точки зрения для рефрижераторных судов наиболее целесообразна поперечная система набора.

Что касается провизионных камер, то их общее расположение, а также система их набора особого значения не имеют, так как расход холода на них невелик. В этом случае принимают во внимание только удобство пользования ими.

Стальное судно, разделенное на отсеки поперечными и продольными переборками и промежуточными палубами, представляет собой разветвленную теплопроводную систему, внутри которой находятся помещения с весьма высокой температурой и источниками тепла (машинные и котельные отделения, электростанции, аккумуляторные и т. д.). Очевидно, что охлаждаемые помещения независимо от их назначения необходимо располагать дальше от этих источников тепла.

Другой особенностью судовой Холодильной установки в отличие от стационарной являются повышенные требования к надежности и безопасности ее работы, которые определяются Правилами Регистра, а также Правилами классификационных обществ других стран.

Конструкция отдельных механизмов, аппаратов и других элементов судовой холодильной установки, их размещение и крепление должны обеспечивать надежную и бесперебойную работу установки в условиях шторма, крена и дифферента. Это требование важно еще и потому, что к некоторым элементам установки нет доступа для осмотра и ремонта в случае их выхода из строя во время рейса (например, к охлаждающим батареям и воздухопроводам, расположенным в трюмах). В связи с этим Правила Регистра предусматривают повышенные пробные давления при испытании отдельных элементов установки и трубопроводов на прочность и плотность.

Правила Регистра предусматривают значительное резервирование механизмов, входящих в состав холодильной установки. Электроэнергия для механизмов холодильной установки должна подаваться не менее чем от двух генераторов, а мощность каждого из генераторов -- быть достаточной для работы установки на полную производительность. Такое нерациональное с точки зрения стационарной практики резервирование оправдано мировым опытом эксплуатации рефрижераторного флота; известны случаи порчи (из-за неправильного выбора холодопроизводительности и плохой эксплуатации установки) больших партий груза; убытки в этом случае превышали стоимость судов, осуществлявших перевозку. В морских условиях при полном или даже частичном выходе холодильной установки из строя перемещения груза на самом судне или перегрузка на другое судно, особенно при автономном плавании, практически невозможны. Исключение составляют небольшие рефрижераторные суда, базирующиеся в море на плавучие базы и не удаляющиеся от них на большие расстояния (например, малые и средние траулеры).

К судовой холодильной установке независимо от ее типа и назначения предъявляются следующие общие требования: малые весогабаритные показатели, простота устройства, "низкая первоначальная стоимость и малые эксплуатационные расходы, в частности расход электроэнергии.

Холодильные установки получают соответствующий класс Регистра или другого классификационного общества, если они рассчитаны, построены и смонтированы на судне в соответствии с Правилами этих обществ.

Обязательному надзору Регистра подлежат и неклассифицируемые холодильные установки, если в системе находится более 300 кг холодильного агента.

Кондиционирование воздуха осуществляется с целью поддержания в помещениях наиболее благоприятных для человека так называемых комфортных условий. Эти условия в первую очередь определяются температурой и влажностью воздуха в сочетании с его скоростью движения, а также определенным химическим составом воздуха и очисткой его от вредных примесей. Кондиционирование воздуха является развитием техники отопления и вентиляции служебных (машинные отделения, рулевые рубки, камбузы, госпитали и т. д.) и бытовых (каюты, кают-компании, салоны, кинотеатры) помещений. Весьма существенное, а иногда и решающее значение имеет кондиционирование воздуха в помещениях, где расположены различные вычислительные приборы, так как точность результатов вычислений во многом зависит от постоянства температуры и влажности воздуха в этих помещениях. В некоторых приборах осуществляется непосредственное охлаждение отдельных деталей.

При кондиционировании воздуха в зимнее время года производятся его подогрев и увлажнение, а в летнее -- охлаждение и осушка. Для этого на судах используются холодильные машины, которые в технике кондиционирования воздуха играют большую роль. Производительность холодильных машин, установленных на некоторых судах для кондиционирования воздуха, превышает 1 млн. ккал/час.

Следует сказать, что использование холодильных машин на судах не ограничивается перечисленными областями их применения. В некоторых случаях холодильные машины используются для охлаждения питьевой воды, грузовых танков бензиновозов и спиртовозов, для создания искусственных катков на крупных пассажирских лайнерах и других целей.

Перспективно использование холодильных машин для опреснения забортной воды путем вымораживания из нее кристаллов пресного льда.

Для получения пресной воды, а также отопления помещений весьма эффективно применение на некоторых судах холодильных машин, работающих по циклу теплового насоса, так как в этом случае количество тепла, выдаваемого машиной, в несколько раз больше теплового эквивалента затрачиваемой электроэнергии.

В последние годы ведутся исследования по использованию холодильных машин в составе судовых энергетических установок для повышения их мощности и экономичности. Здесь намечаются два пути.

Первый путь -- использование отбросного тепла для охлаждения трюмов и получения холода для систем кондиционирования воздуха с помощью так называемых теплоиспользующих холодильных машин, а также для получения дополнительной энергии в прямых циклах, где рабочим делом являются холодильные агенты.

Второй путь -- охлаждение воздуха, подаваемого для сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установках (ГТУ). Так, испытания дизеля Д-50 показали, что при охлаждении наддувочного воздуха, имеющего давление 2 кГ/см², до 5^е С мощность повысилась с 1200 до 1800 э. л. с. Эффективность применения холодильных машин для этих целей значительно возрастает, если холодильные машины работают за счет тепла отработавших газов.

Приведенными примерами не исчерпываются все возможности использования холодильных машин на судах. Развивающаяся газовая промышленность требует перевозки сжиженных газов (пропана, бутана, метана и т. д.), что выгоднее осуществлять без избыточного давления в емкостях, а для этого необходимо охлаждение газа до весьма низких температур, примерно до --160° С. В этом случае используют каскадные холодильные машины, которые, несмотря на значительные габариты и вес, оправдывают себя, так как перевозка газа под высоким давлением требует стальных танков с большой толщиной стенок. Кроме того, благодаря искусственному охлаждению значительно сокращаются потери газа.

На судах получили распространение абсорбционные холодильные щкафы.

В схеме пароэжекторной холодильной установки рис. 1 насосом 1 прокачивается через змеевик 2 охлажденная вода которая с помощью регулирующего клапана 4 подается к разбрызгивающему устройству 6 испарителя 3.

Рабочий пар из котла направляется к эжектору 5, создающему вакуум в испарителе 3, где за счет активно проходящего испарения разбрызгиваемых струй воды происходит ее охлаждение, Уровень воды в испарителе поддерживается постоянным посредством поплавкового регулирующего клапана 7, Запас охлаждающей воды пополняется за счет частичного возврата конденсата. Смесь рабочего пара и отсасываемых из испарителя 3 паров поступает в конденсатор 9, откуда конденсат насосом 8 подается через невозвратный клапан 12 в котел.

Непрерывность процесса поступления откачиваемых паров в конденсатор обеспечивается вторым конденсатором 9', обслуживаемым двумя эжекторами 10. Постоянство уровня конденсата в данном случае достигается благодаря водяному затвору 11с поплавковым клапаном.

Тепловая энергия рабочего пара в эжекторе преобразуется в кинетическую, которая затем в расширительной насадке (диффузоре) переходит в механическую работу сжатия паров; отсасываемых из испарителя.

Рабочим телом в пароэжекторных холодильных установках могут быть и другие вещества.

Эффективность пароэжекторной холодильной машины так же, как и абсорбционной, повышается, если для приготовления пара используются источники бросовой теплоты (выпускные газы двигателей и т. п.).

Работа термоэлектрических холодильных установок основана на эффекте Пельтье -- появлении разности температур на спаях, двух веществ при пропускании через них электрического тока. Практическое использование этого явления стало возможным с промышленным изготовлением полупроводников электрического тока.

Для судовых условий несомненный интерес представляют батареи термоэлектрических элементов, утилизирующие бросовую теплоту (горячей воды, выпускных газов, пара).

Охлаждение продуктов в холодильных камерах осуществляется циркулирующим в них воздухом. Циркуляция может происходить естественным путем (конвекцией) или принудительно.

В системе воздушного (принудительного) охлаждения воздух, воспринявший теплоту охлаждаемой камеры, вентилятором прокачивается через канал камеры, где омывает змеевиковый испаритель, отдавая теплоту хладагенту. Компрессором хладагент прогоняется через конденсатор и регулирующий вентиль.

Рис. 1. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки

Воздух в камере может охлаждаться при контакте его либо с поверхностью испарителя, либо с радиаторами, омываемыми с внутренней стороны хладоносителем (рассолом). Система трубопроводов, рассольных батарей и насоса действует здесь как водяное отопление с той лишь разницей, что в ней циркулирует не горячая вода, а охлажденный рассол. Использование такого посредника (хладоносителя) хотя и утяжеляет судно, но дает холодильной установке некоторые дополнительные преимущества:

- она приобретает большую аккумулирующую способность и выполняет свои функции даже при кратковременном выходе из строя или вынужденной остановке компрессора холодильной машины;

- обеспечивается возможность регулирования отбора теплоты в камере путем изменения подачи рассола насосом;

- плотность соединений рассольных трубопроводов при качке, крене и дифференте судна менее уязвима, чем трубопроводов, по которым циркулирует хладагент.

Система рассольного охлаждения (рис. 2) работает следующим образом. Холодный рассол насосом 4 подается в рассольные батареи 2, расположенные в холодильной камере 3, откуда, отняв теплоту от окружающего воздуха, возвращается в испаритель / холодильной установки.

Принудительная циркуляция воздуха в холодильной капере (трюме) может быть осуществлена так же, как и при воздушном охлаждении.

Цифрой 5 на рис. 9 обозначен регулирующий вентиль; 6 -- конденсатор; 7 -- компрессор.

В качестве хладоносителя (рассола) применяют водные растворы поваренной соли NaCl, хлористого кальция СаСl₂ и некоторые комбинации растворов солей различного состава (например, смесь хлористого магния и хлористого кальция с присадками).

Концентрация рассола должна быть такой, чтобы он не замерзал в системе при температуре на 6--8°С ниже температуры кипения хладагента в испарителе.

Концентрацию рассола измеряют ареометром в градусах Боме (°Ве) при температуре 15°С. Плотность рассола ?_р кг/м³ с его концентрацией связана следующей зависимостью

?_р = 1000*(145/(145- °Ве)

В установках с температурой кипения хладагента в испарителе ниже --15°С раствор поваренной соли не применяют, а используют раствор хлористого кальция или смесь различных солей.

Для ослабления коррозионного воздействия рассола на трубопроводы и арматуру рассольной системы в него добавляют присадки, замедляющие химическую реакцию. Такие присадки (ингибиторы) содержат хромат натрия NaCrO₄ и едкий натр NaOH.

Ряс. 2. Система рассольного охлаждения

Хладоносителями называют вещества, которые отводят теплоту от охлаждаемых объектов и передают ее хладагенту. Хладоносители должны иметь следующие свойства: низкую температуру замерзания, высокие теплоемкость и теплопроводность, небольшие вязкость и плотность, быть безопасными и химически нейтральными по отношению к металлам и прокладочным материалам, быть безвредными для человека и недорогими.

Самый дешевый, доступный и безвредный хладоноситель - вода, но из-за высокой температуры замерзания ее применение ограничено. Вода как хладоноситель используется в основном в установках кондиционирования воздуха.

В холодильных установках на рыбопромысловых судах в качестве хладоносителей применяют воду к водные растворы солей СаС2₂ и NаС1, называемые рассолами: водный раствор NaCl применяется в установках с температурой не ниже - 10 ^оС.

Физические свойства рассолов зависят от концентрации соли в растворе. Концентрация рассола - это отношение массы безводной соли к массе рассола (умноженное на 100, оно выражает концентрацию рассола в процентах). Концентрация рассола при постоянной температуре обусловлена его плотностью.

Снижение температуры замерзания раствора в зависимости от концентрации происходит только до некоторого предела, который называется криогидратной или эвтектической точкой. Раствор, соответствующий криогидратной точке, называется эвтектическим.

Криогидратная точка К показывает самую низкую, температуру замерзания раствора и соответствующую ей концентрацию. С увеличением концентрации выше предела, определяемого криогидратной точкой, температура замерзания раствора повышается.

При охлаждении раствора, имеющего концентрацию, соответствующую эвтектической точке, выпадения льда и соли из раствора не происходит. В криогидратной точке весь раствор замерзает, имея вид однородной массы-эвтектики.

Криогидратная точка водного раствора СаС1₂ характеризуется температурой замерзания - 55 °С и концентрацией соли 29,9 %, а водного раствора NaCl - температурой - 21,2 °С и содержанием соли в растворе 23,1 %.

Концентрация раствора должна соответствовать заданному режиму работы холодильной установки. Во избежание замерзания хладо-носителя в испарителе температура его замерзания должна быть ниже рабочей температуры кипения хладагента на 5-10 ^оС. Например, если рабочая температура кипения хладагента - 35 ^оС, используется рассол СаС1₂ с температурой замерзания на 8 ^оС ниже, т. е. - 43 ^оС. Плотность такого рассола при 15 ^оС будет 1,269 г/см³, а концентрация 28,3 %.

Поддержание концентрации выше требуемой увеличивает плотность и вязкость рассола, снижает его теплоемкость, что приводит к излишнему расходу электроэнергии на перекачку рассола.

Уменьшение теплопроводности рассола и скорости его перемещения в связи с повышением концентрации снижает коэффициент теплоотдачи от рассола и соответственно уменьшает эффективность тепло-обменных аппаратов. Кроме того, увеличение концентрации выше криогидратной способствует выпадению соли и отложению ее на поверхностях, омываемых рассолом. Кристаллы соли на теплообмен-ных поверхностях уменьшают коэффициент теплопередачи и выводят их из работы.

Водные растворы солей химически активны с металлами, применяемыми в системах охлаждения холодильных установок. Для снижения коррозионного воздействия рассола на металл поверхности окрашивают суриком (свинцовым или железным); вводят вещества, называемые ингибиторами или пассиваторами, замедляющие коррозию; используют протекторную защиту; уменьшают возможность проникновения кислорода воздуха в рассольную систему холодильной установки. Добавление ингибиторов обеспечивает нейтральную или слабощелочную реакцию рассола.

Характеристикой кислотности растворов служит водородный показатель рН. При обычной температуре для нейтральных растворов рН = 7, для кислых растворов рН < 7 и для щелочных растворов рН > 7. При добавлении ингибиторов рассол доводят до слабощелочной реакции, при этом рН = 8,5. Для снижения щелочной реакции (при рН > 10) в рассол вводят углекислый газ (С0₂). Углекислота из баллона в рассол подается через редуктор по трубке, при этом пузырьки С0₃ не должны выходить на поверхность, а должны растворяться в рассоле. Для определения рН к пробе фильтрованного рассола добавляют индикатор. Сравнивая цвет пробы с эталонными цветами, характерными для определенной реакции рассола, находят величину рН. На практике для определения реакции рассола в качестве индикаторов используют фенолфталеин и лакмус. Изменение цвета фенолфталеина начинается при

рН > 8, а лакмуса при рН < 7. При изменении раствора от кислого до щелочного окраска фенолфталеина изменяется от бесцветной (кислый и нейтральный растворы) до красновато-розовой (щелочной раствор), а цвет лакмуса - от красного (кислый раствор) и фиолетового (нейтральный раствор) до синего (щелочной раствор).

Введение ингибиторов, периодически добавляемых в рассольные системы при их эксплуатации, предотвращает развитие точечной коррозии.

Протекторная защита основана на создании гальванической пары из металлической конструкции (катод) и активного металла протектора (анод). В рассольной среде анод как более активный металл разрушается, а катод разрушаться не будет,

Попадание кислорода в рассол уменьшается при сокращении поверхности контакта рассола с воздухом. В рассольных закрытых системах этот контакт минимальный.

Литература

1. О.Г.Колесников, Судовые вспомогательные механизмы и системы, М.,Транспорт, 1977

2. А.Е.Богомольный, Судовые вапомогательные и рыбопромысловые механизмы, Л., Судостроение, 1971

3. Л.И.Токарев, Судовые электрические приборы управления, М., Транспорт, 1988

4. М.М.Баранников, Электрооборудование и вспомогательные механизмы промысловых судов, М., Агропромиздат, 1987