книги из ГПНТБ / Нестеров, Ю. Ф. Судовые холодильные установки учебник для институтов водного транспорта
.pdf
Ю. Ф. НЕСТЕРОВ
СУДОВЫЕ
ХОЛОДИЛЬНЫЕ
УСТАНОВКИ
Утверждено Управлением кадров и учебных заведений МРФ в качестве учебника для институтов водного транспорта
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974
УДК 621.565:629.122(075.8)
Н Е С Т Е Р О В Ю. Ф. Судовые холодильные установки. М., «Транспорт», 1974 г., с. 248.
Рассматриваются основы теории и расчета судовых |
холодиль |
ных и кондиционирующих установок, их конструкции, автоматиза |
|
ция, испытания и эксплуатация. Наибольшее внимание |
уделяется |
паровым компрессорным холодильным машинам.
Предназначается в качестве учебника |
для студентов судомеха |
|
нических факультетов институтов водного |
транспорта. Может быть |
|
использована инженерно-техническими |
работниками речного флота, |
|
а также студентами судостроительных |
и |
морских высших учебных |
заведений.
Рис. 92, табл. 19, список лит. 38 назв.
Г*С. публичная |
I |
научна-' |
* |
библ£-:0 1*па ССd |
|
ЭКЗЕМПЛЯР |
: |
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА >
Щ- 2 > З б О
31807-360 Н 049(01)—74 360—74
© Издательство «Транспорт», 1974
ВВЕДЕНИЕ
Консервирующее действие холода — основная причина его ши рокого применения в народном хозяйстве. Холод замедляет раз витие микроорганизмов и распад составных частей продуктов (бел ков, жиров и углеводов).
Для правильной организации снабжения населения скоропор тящимися продуктами нужна непрерывная холодильная цепь от места их производства до места потребления. В состав этой цепи входят: производственные холодильники, водный, железнодорож ный и автомобильный холодильный транспорт, распределительные, и портовые холодильники, торговые и домашние холодильники и т. д. Водный холодильный транспорт — одно из звеньев непрерыв
ной холодильной цепи. |
холода — с помо |
Существуют различные способы получения |
|
щью водного и углекислотного (сухого) льда, |
ледосоляных охлаж |
дающих смесей, холодильных машин и др. На судах в настоящее |
|
время применяют только машинное охлаждение. |
|
Для охлаждения судовых помещений и рабочих веществ можно использовать:
фазовые превращения, сопровождающиеся поглощением тепла (кипение хладагента, плавление водного льда, сублимацию сухого льда, растворение соли);
адиабатное расширение сжатого воздуха с отдачей внешней ра боты;
дросселирование хладагента, сопровождающееся понижением температуры без совершения внешней работы;
термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).
Наиболее часто используют теплоту парообразования легкокипящих веществ.
Холодильные машины и устройства, применяемые на судах, можно разделить на четыре типа: компрессорные, эжекторные, аб сорбционные и термоэлектрические.
По роду работающих в них веществ компрессорные холодиль
ные машины делят на воздушные и паровые. |
|
В качестве хладагента для |
воздушных компрессорных машин |
используют обычный воздух, |
а для паровых — легкокипящие ве |
щества, обладающие низкой температурой кипения при атмосфер ном давлении (аммиак, фреоны — фторохлоропроизводные угле водородов — и др.).
Для производства холода в компрессорных машинах затрачи вают механическую энергию (на сжатие пара в компрессоре), а в
з
эжекторных и абсорбционных — тепловую. Поэтому холодильные машины двух последних типов называют теплоиспользующими. Термоэлектрические охлаждающие устройства работают за счет затраты электрической энергии.
Наибольшее распространение в холодильной технике получили паровые компрессорные машины, как самые экономичные.
Холодильные установки в настоящее время применяют почти на всех судах. Назначение их зависит от типа судна.
Рефрижераторные суда делят на транспортные и промысловые. На транспортных рефрижераторных судах холодильные установки предназначены для еохранения скоропортящихся грузов. В отличие от транспортных на промысловых судах холод используют не толь ко для хранения, но и для первоначальной обработки улова ры бы — ее охлаждения и замораживания в специальных рыбоморози льных аппаратах (потоком охлажденного воздуха). Для получения низких температур на рыбопромысловых судах устанавливают двухступенчатые паровые компрессорные машины. Холод приме няют также для приготовления искусственного льда в специальных ледогенераторах.
Для речного флота перспективны перевозки скоропортящихся грузов в холодильных контейнерах.
Холодильные машины устанавливают также на грузовых, пас сажирских и других судах. Здесь они охлаждают провизионные ка меры, предназначенные для хранения запаса продуктов экипажа и пассажиров.
В последние годы различные суда оборудуют установками для
кондиционирования воздуха, |
создающими |
искусственный |
климат |
в помещениях. Для хорошего |
самочувствия |
людей зимой |
воздух |
необходимо подогревать и увлажнять, а летом — охлаждать и осу шать. Поэтому кондиционирующие установки всегда обслужива ются холодильными машинами.
На некоторых 'судах холодильные машины применяют для про изводства как холода, так и тепла. Холодильную машину, исполь зуемую для отопления помещений, называют тепловым насосом.
Развитие холодильной и судовой техники значительно расшири ло область применения холода на водном транспорте. Холодильные машины используют для увеличения мощности ДВС (и газотур бинных установок) путем охлаждения наддувочного воздуха; для повышения экономичности судовых энергетических установок и по лучения дополнительной энергии в таких прямых циклах, в кото рых рабочим телом служит хладагент; для перевозки сжиженного газа на судне (пропана, бутана, метана, аммиака и др.); для оп реснения забортной воды методом вымораживания; для глубокой закалки металлов; для осуществления холодных посадок и т. д.
На современных рефрижераторных и других судах широко при меняют фреоновые машины, используют автоматику, внедряют кондиционирование воздуха, применяют интенсивные охлаждаю щие и замораживающие устройства, рефрижераторные трюмы приспособляют к перевозкам любых грузов.
Глава I. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
§ 1. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО
Обратный обратимый цикл Карно является наивыгоднейшим циклом холодильных машин, а прямой цикл Карно — тепловых двигателей.
Холодильными называют машины, непрерывно переносящие тепло от охлаждаемого помещения с низкой температурой к более теплой окружающей среде (забортной воде или воздуху). Рабо чее вещество, отводящее тепло от охлаждаемого помещения и осуществляющее непрерывный замкнутый круговой процесс, назы вают хладагентом.
Согласно второму закону термодинамики невозможен самопро извольный переход тепла от холодной к более нагретой среде. Что бы такой переход оказался возможным, одновременно необходимо затрачивать энергию на работу холодильной машины.
Цикл Карно состоит из двух изотерм, по которым хладагент вступает в теплообмен попеременно то с охлаждаемой, то с внеш ней средой (в испарителе и конденсаторе), и двух адиабат, по ко торым он подвергается лишь механическому воздействию со сто роны окружающей среды (в компрессоре и расширительном цилин дре). Обратный цикл совершается против часовой стрелки (в отли чие от прямого цикла, являющегося образцовым для тепловых дви гателей) .
Теплообменные аппараты, через которые циркулирует хлад агент, работают при постоянном давлении. Однако цикл Карно требует, чтобы процессы подвода и отвода тепла были изотермичес кими. Изобарный процесс одновременно оказывается изотермиче ским лишь в области влажного насыщенного пара. Поэтому вооб ражаемая машина Карно должна работать на парах легкокипящих веществ.
Схема машины (с непосредственной системой охлаждения по мещения), позволяющей осуществлять необратимый цикл Карно, изображена на рис. 1. Обратный цикл Карно в диаграмме
sT показан на рис. 2. Левее нижней пограничной кривой, для |
ко |
торой степень сухости х = 0 , лежит область жидкости, между |
по |
граничными кривыми — область влажного насыщенного пара, пра вее и выше верхней пограничной кривой со степенью сухости х = \—
5
область перегретого пара; К — критическая точка. При адиа батном сжатии и расширении энтропия s не меняется. Поэтому эти процессы в диаграмме sT изображаются вертикальными ли ниями 1-2 и 3-4. В области влажного насыщенного пара изотермы и изобары совпадают.
|
Рис. |
2. |
Обратный |
необратимый |
|||
|
цикл Карно в диаграмме sT: |
|
|
||||
|
1, 2, 3, |
4 — точки, |
определяющие |
соот |
|||
|
ветственно |
состояние |
хладагента |
между |
|||
|
испарителем и компрессором, между комп |
||||||
|
рессором и конденсатором, между конден |
||||||
|
сатором и расширителем, между расши |
||||||
|
рителем |
и |
испарителем |
(см. |
рис. 1); |
||
Рис. 1. Схема холодильной машины |
1- |
2 |
— адиабатное |
сжатие |
в |
компрес |
|
2- |
3 — изобарно-изотермическая конд |
||||||
Карно: |
ция; 3-4 |
— адиабатное расширение в де |
|||||
1, 2, 3, 4 — характерные состояния хлад |
тандере; |
4-1 — изобарно-изотермическое |
|||||
агента (см. рис. 2) |
кипение |
в испарителе |
|
|
|
||
Для производства холода в рассматриваемой машине исполь |
|||||||
зуется процесс кипения. Холод вырабатывается в |
испарителе |
И, |
|||||
расположенном в охлаждаемом помещении ОП. Через изоляцию в помещение непрерывно проникает тепло извне. Холодная жид кость в испарителе кипит при низкой температуре to- В идеальном обратимом цикле Карно температуры хладагента в процессах под вода и отвода тепла равны температурам охлаждаемого помеще
ния и окружающей среды. |
Однако |
постоянная |
температура |
|
t0 должна быть более низкой, |
чем |
температура |
в |
охлажда |
емом помещении 0О. Перепад 0О—10 нужен для подвода |
тепла к |
|||
хладагенту. Теплоту парообразования, необходимую для кипения, хладагент отнимает от воздуха охлаждаемого помещения ОП. Вследствие этого помещение охлаждается. Образующийся холод ный влажный пар состояния 1 (ом. рис. 1 и 2), имеющий ту же температуру to, непрерывно отсасывается из испарителя И ком прессором КМ (в результате чего жидкость кипит). Чтобы хлад агент смог отдать воспринятое тепло забортной воде, следует по высить его температуру до температуры t, более высокой, чем тем пература охлаждающей воды tB. Для этого в компрессоре пар ади-
6
абатно сжимают до соответствующего давления р и перехода в конце сжатия в состояние сухого насыщенного пара 2. Далее пар поступает в конденсатор КД, где от него охлаждающей водой от нимается теплота конденсации при постоянной температуре t, со ответствующей давлению р. Из конденсатора выходит жидкость со
стояния 3 |
при давлении и температуре |
конденсации р~Д>Ро и t> |
|||
> t0. Для |
охлаждения |
хладагента |
и замыкания |
цикла конденсат |
|
адиабатно |
расширяют |
в цилиндре |
РЦ, |
где за |
счет отдачи рабо |
ты внутренняя энергия хладагента понижается. В конце расшире ния, вследствие частичного испарения, образуется парожидкостная
смесь состояния 4 (с небольшим количеством пара |
и первона |
|
чальными |
низкими значениями давления и температуры кипения |
|
Ро и t0). |
Эта холодная смесь вновь возвращается в испаритель И. |
|
Далее цикл повторяется в той же последовательности. |
|
|
Как в испарителе, так и в конденсаторе хладагент находится в |
||
состоянии насыщения. При этом каждой температуре |
насыщения |
|
to или t соответствует одно единственное значение давления насы щения ро или р, и наоборот.
Площади диаграммы sT характеризуют количества тепла. Ко личество тепла, отнимаемое 1 кг кипящего хладагента в испарите ле, называют удельной массовой холодопроизводительностью или холодильным действием qo■На диаграмме sT это количество тепла определяется площадью прямоугольника, лежащей под линией кипения 4-1 (см. рис. 2):
q0= пл. 4-1-s2-Si ккал/кг (кДж/кг).
Количество тепла, отнимаемое машиной от охлаждаемого по мещения в течение 1 ч, называют часовой холодопроизводитель ностью Qo ккал/ч (кВт).
Количество тепла q, отдаваемое 1 кг конденсирующегося хлад агента забортной воде, в диаграмме sT измеряется площадью, ле
жащей под |
линией конденсации 2-3: q= nn. 2-<5-sr s2 ккал/кг |
(кДж/кг). |
|
Работа в тепловых единицах А1К, затрачиваемая на сжатие 1 кг |
|
хладагента |
в компрессоре, соответствует площади криволинейной |
трапеции 1-2-3-а (А — тепловой эквивалент работы). Работа, А1Р, возвращаемая расширительным цилиндром, определяется площа дью криволинейного треугольника 3-4-а. Работа А1, затрачи ваемая на совершение цикла в двигателе Д, равна разности работ компрессора А1Ки расширителя А1Р:
At = A lK— Alp = пл. 1-2-3-4 ккал/кг.
Поэтому шатунные механизмы компрессора и расширителя (де тандера) имеют общий коленчатый вал.
Из компрессора выходит сухой насыщенный пар состояния 2. В расширитель же поступает жидкость, состояние которой ха рактеризует точка 3. Удельный объем жидкости во много раз мень ше, чем пара. Поэтому размеры детандера значительно мень ше размеров компрессора. В связи с указанным работа А1Р, возвра
7
щаемая расширителем, значительно меньше работы А1К, затрачи ваемой в компрессоре.
Из диаграммы sT видно, что
q = q0 + Al.
Данное уравнение называется тепловым балансом холодиль ной машины. Оно справедливо и для действительных компрессор ных машин. Из теплового баланса следует, что количество тепла q, отдаваемое окружающей среде, всегда больше количества тепла q0, отнимаемого от охлаждаемого помещения. Забортной воде пе
редается еще тепло А1, эквивалентное работе, |
затрачиваемой на |
|
осуществление цикла. Из теплового баланса |
работа цикла |
А 1 ~ |
= q—90- |
|
тео |
Эффективность работы компрессорных машин оценивают |
||
ретическим холодильным коэффициентам &t, представляющим |
со |
|
бой отношение количества выработанного холода к затраченной работе:
Для цикла Карно легко получить зависимость холодильного коэффициента от абсолютных температур подвода и отвода тепла
То я Т:
8К = д о _ |
ПЛ, 4 - I - S 2 - S 1 |
_ |
T o ( S 2 — S i ) |
_ |
Al ~ |
пл. 1-2-3-4 |
~ |
(Т — Тo)(s2 — Si) |
~ |
|
Т0 |
|
1 |
|
То
Полученное выражение позволяет проанализировать влияние температур /0 и i на экономичность работы машины. Качествен ное влияние этих температур будет справедливым и для действи тельных машин. Из последней формулы следует, что холодильный коэффициент увеличивается при повышении температуры кипения to и понижении температуры конденсации t.
Холодильный коэффициент имеет то же значение для холоди льных машин, что и термический к. п. д. для тепловых двигателей. Однако в отличие от термического к. п. д., который всегда меньше единицы, холодильный коэффициент может принимать любые зна
чения: e t^ l . Обычно ег> 1. |
|
Температура кипения to зависит от температуры |
охлаждаемо |
го помещения 0о, а температура конденсации t — от |
температуры |
забортной воды tB. Вследствие изменения температуры воды од на и та же холодильная машина работает с неодинаковой эконо мичностью в разные времена года и в различных районах плава ния.
Из сказанного вытекает основное правило холодильной техни ки: никогда не следует занижать температуру в охлаждаемом по-
мегцении 0оНеобходимо также стремиться к тому, чтобы темпе ратура воды, охлаждающей конденсатор, не была излишне высо кой (из-за недостатка ее).
Для повышения холодильного коэффициента &t и уменьшения
расхода энергии на получение холода А1— — |
нужно стремить- |
St |
|
ся к |
увеличению температуры подвода тепла к хладагенту (в пре |
деле |
до 2“о = 0о = const для получения обратимого цикла) и к сни |
жению температуры отвода тепла (в пределедо t = /B= const), т. е. следует стремиться к снижению разностей температур 0о— U и t —
—tB. Однако в процессах теплообмена температуры хладагента t0
иt невозможно поддерживать практически равными температурам 0о и tB, так как это резко снизило бы интенсивность перехода тепла и увеличило бы поверхность, размеры, массу, металлоемкость
истоимость испарителя и конденсатора. Поэтому с теплопередачей при конечных разностях температур неизбежно приходится мирить ся. Для действительных машин наиболее выгодные разности тем ператур 0О—U и t—tB определяют специальными технико-экономи ческими расчетами.
Теплообмен при конечной разности температур приводит к вне шней необратимости цикла. Потери, вызываемые отклонением цик ла от обратимого, на рис. 2 изображены площадками, заштрихо ванными вертикально. Следовательно, переход от обратимого цик ла Карно к необратимому уменьшает холодильное действие на ве личину, эквивалентную нижней такой площадке, и увеличивает затрачиваемую работу на величину, эквивалентную сумме двух указанных площадок.
Обратимый цикл Карно позволяет подсчитывать ту наибольшую экономичность, которая вообще может быть достигнута при работе холодильной машины. Холодильный коэффициент действительных машин всегда значительно меньше, чем идеальной машины Карно. Любое отклонение от цикла Карно понижает экономичность рабо ты машины.
§ 2. ВОЗДУШНЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Хладагентом в таких машинах служит воздух, поэтому они и называются воздушными. Применение безвредного, бесплатного, всегда в изобилии имеющегося хладагента — воздуха — основное преимущество рассматриваемых машин.
Схема воздушной компрессорной холодильной машины изобра жена на рис. 3. На рис. 4 показаны совмещенные теоретические ин дикаторные диаграммы компрессора и расширителя, а также цикл воздушной машины в координатах Vp.
Помещение 0/7 охлаждается холодным воздухом. Проходя че рез него, воздух нагревается, а помещение охлаждается. Для ох лаждения воздуха используют процесс адиабатного расширения его
9