книги из ГПНТБ / Нестеров, Ю. Ф. Судовые холодильные установки учебник для институтов водного транспорта

Хладагент должен хорошо растворять воду, что позволяет из­

водой аммиак образует окись аммония, разрушающую смазку и загрязняющую компрессор. Поэтому содержание воды в аммиаке не должно превышать 0,2% по массе.

Растворимость воды во фреоне-22 и особенно во фреоне-12 очень мала. Во фреонах вода, помимо закупорки дроссельного клапана льдом, вызывает также коррозию металлов. Поэтому со­ держание ее во фреонах не должно превосходить 0,0025%.

Хладагент должен плохо растворяться в смазочном масле, чтобы уменьшить унос последнего вместе с хладагентом из комп­ рессора в конденсатор и испаритель и, следовательно, исключить необходимость принятия специальных мер, обеспечивающих воз­ врат масла в компрессор. В минеральном масле аммиак растворяет­ ся плохо. Фреон-12 и масло взаимно растворяются друг в друге не­ ограниченно, а фреон-22 — частично (см. § 13).

Физиологические свойства. Хладагент должен быть безвред­ ным для людей и пищевых продуктов. Наиболее ядовитым явля­

Меньшей токсичностью обладают хладагенты, относящиеся к более высокому классу. Класс вредности определяют объемной кон­ центрацией пара хладагента в воздухе и временем воздейтвия его на морских свинок, приводящими к их смерти или тяжелому от­ равлению.

Аммиак относят ко 2-му классу вредности, объемная концентра­ ция его от 0,5 до 1,0% смертельна при воздействии в течение 1 ч Углекислоту, фреоны Ф-11, Ф-22, Ф-113 и Ф-142 относят к 5-mv классу; при концентрации до 20% они не вызывают вредных пос­ ледствий при действии в течение 2 ч. Фреон-12 относят к высшему, 6-му классу; при концентрации свыше 20% он не оказывает вред­ ного действия в течение 2 ч.

Аммиак раздражает глаза и верхние дыхательные пути, вызы­ вает отек легких. Поэтому во время ремонта аммиачных машин следует обязательно пользоваться специальными противогазами (марки КД) •

При атмосферном давлении аммиачный пар легче воздуха (см. табл. 1). Поэтому при утечках он скапливается в верхней части рефрижераторного отделения.

Пары углекислоты и в особенности фреонов значительно (при­ близительно в 4 раза) тяжелее воздуха, поэтому они оседают внизу.

41

При чрезмерно больших объемных концентрациях фреонов в возду­ хе (более 30%) их пары приводят к удушью человека из-за недо­ статка кислорода.

Аммиак портит пищевые продукты при относительно высокой концентрации в воздухе. На вкусовые качества продуктов фреон-12 никакого действия не оказывает.

Хладагент не должен иметь резкий неприятный запах во избе­ жание передачи его грузу. Раздражающий запах служит помехой при эксплуатации и разборке машины, но зато позволяет легко обнаружить малейшие утечки хладагента. У аммиака резкий запах.

аммиачных машинах нужны тщательные уплотнения. Фреоны же имеют чрезвычайно большую текучесть. Они способны проникать через малейшие неплотности, даже через поры чугуна. Поэтому фреоновые машины изготовляют из газоплотного (мелкозернисто­ го) чугуна. Текучесть обусловливается исключительной растворяю­ щей способностью фреонов, которые как бы очищают себе про­ ходные пути, растворяя масло и грязь в щелях и порах и смывая

метно из системы исчезает почти весь фреон. Следовательно, на уплотнение сальников и фланцевых соединений трубопроводов у фреоновых машин необходимо обращать серьезное внимание. Бес­ цветность и отсутствие запаха сильно затрудняют борьбу с утеч­ ками фреонов через неплотности.

Хладагент должен быть дешевым и недефицитным. Наиболее дешевыми хладагентами являются углекислота и аммиак. Фреоны же самые дорогие хладагенты (см. табл. 1).

Выбор хладагента. Ни один из хладагентов не удовлетворяет

вещества мало пригодны, в связи с чем хладагент для судовых ма­ шин выбирают с учетом указанных свойств.

Безвредность и низкая стоимость углекислоты обусловили ши­ рокое распространение углекислотных холодильных машин до 30-х годов нашего столетия. Однако в настоящее время углекисло­ ту уже не применяют на судах из-за слишком высоких рабочих давлений и низкой критической температуры. Углекислотные ма­ шины используют только в промышленных установках.

На грузовых рефрижераторных судах все еще применяют ам­ миак, так как он очень дешев.

Для судовых поршневых холодильных машин наиболее подхо­

42

дящими хладагентами являются фреон-12 н фреон-22, несмотря на их высокую стоимость, так как они наименее ядовиты и безопасны.

В настоящее время на судах из фреонов в основном применяют фреон-12. Однако более перспективным является фреон-22, соче­ тающий в себе положительные свойства фреона-12 (невысокую температуру в конце сжатия и др.) и аммиака (с высокой объем­ ной холодоироизводителыюстью qv) .

же часовом объеме, описываемом всеми поршнями компрессора, увеличивает холодопроизводптельность машины в 1,6— 1,7 раза. При этом потребляемая компрессором мощность также возрастает приблизительно в 1,6 раза. Фреон-22

следует проверить прочность компрессора и конденсатора. В случае необходи­ мости надо понизить температуру конденсации t (увеличением количества ох­

лаждающей воды). Желательно также усилить охлаждение цилиндров компрес­ сора в связи с тем, что температура в конце сжатия фреона-22 несколько боль­ ше температуры фреона-12.

Кроме того, надо проверить достаточность установленной мощности элек­ тродвигателя компрессора. Электродвигатель подбирают из условия максималь­

не-22. Проверяют также защиту электродвигателя от перегрузки. При отсутствии резерва мощности электродвигатель заменяют.

верхности. Поэтому площади поверхности могут оказаться достаточными и при

компрессором должен быть установлен маслоотделитель с автоматическим пе­ репуском масла в картер компрессора.

При переводе машины с фреон-12 на фреон-22 обычно заменяют и регулируют терморегулирующий клапан ТРК. Заново также регулируют прессостат реле давления.

этом холодопроизводптельность уменьшается приблизительно в 2 раза. Для со­ хранения холодопроизводительности повышают частоту вращения компрессора

так же, как и при работе на фреоне-12.

§8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ДЛЯ ХЛАДАГЕНТОВ

Диаграммы sT и ip. Для расчета холодильных машин и пост­

роения их циклов используют таблицы и тепловые диаграммы [5], характеризующие основные термодинамические свойства хлад-

43

агентов. Наиболее распространены две диаграммы: энтропия — температура sT и энтальпия — давление ip (рис. 14, а и б). Для всех хладагентов, кроме углекислоты, эти диаграммы имеют оди­ наковый вид.

На диаграмме sT (см. рис. 14, а) изобары р в области жид­ кости сливаются с нижней пограничной кривой (у всех хладаген­ тов, кроме углекислоты), в области влажного пара идут горизон­ тально и совпадают с изотермами t, а в области перегретого пара круто поднимаются вверх. Кроме изобар, на диаграмму нанесены семейства изохор v, кривых постоянного паросодержания х и по­ стоянной энтальпии i. Изохоры о расположены круче изобар р. На верхней пограничной кривой изохоры и и кривые постоянной эн­ тальпии i преломляются. Промежуточные кривые постоянной сте­ пени сухости пара х располагаются так же, как ближайшая пог­ раничная кривая. Все эти кривые позволяют определять в любой точке параметры р, v, х, i и др.

Цикл одноступенчатой паровой компрессорной машины в диаг­ рамме sT показан на рис. 9.

В холодильной технике шире применяют более удобную диаг­ рамму ip, где (см. рис. 14, б) по оси абсцисс отложены энтальпии i, а по оси ординат — абсолютные давления р в логарифмической

ничные кривые на диаграмме ip имеют иной вид. На этой диаграм­

44

линий постоянной степени сухости пара х. На верхней пограничной кривой изохоры v преломляются, адиабаты же s нет. В отличие от диаграммы sT на диаграмме ip адиабаты s изображаются кривы­ ми линиями.

точке 2 с изобарой р, соответствующей температуре конденсации t. Точка 3, определяющая состояние жидкого агента после переох­ лаждения, находится на пересечении изобары р с изотермой, соот­ ветствующей температуре переохлаждения tn. Дросселирование хладагента в регулирующем клапане протекает при постоянной энтальпии i и потому на диаграмме ip изображается вертикальной прямой, проходящей из точки 3 вниз до пересечения с изобарой ро

ризонтальными отрезками прямых по оси энтальпий. Кроме того, на диаграмме ip три процесса из четырех, составляющих цикл хо­ лодильной машины, изображаются прямыми линиями, в связи с чем диаграммой ip пользоваться проще и применяют ее чаще, чем диаграмму sT.

Количество тепла, отнимаемое 1 кг хладагента от рассола в испарителе, на диаграмме ip измеряется отрезком 4-1, так как qo~ii—г4. Проекция адиабаты 1-2 на ось энтальпий эквивалентна

45

работе, затрачиваемой на сжатие хладагента в компрессоре, пото­ му что A l— i2—i\. Общее количество тепла, отдаваемое 1 кг хлад­ агента воде .в конденсаторе, изображается горизонтальной прямой 2-3, равной q— l2—1з- По диаграмме ip легко убедиться в том, что тепловой баланс теоретического цикла соблюдается: q=qo+Al.

§ 9. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА

Когда непосредственное охлаждение помещения хладагентом нежелательно, применяют промежуточные теплоносители. В таких случаях за счет теплоты кипения хладагента в испарителе охлаж­ дают теплоноситель, который затем насосом подается в охлаж­ дающие батареи, размещенные в помещении.

При положительных температурах кипения (в кондиционирую­ щих установках) теплоносителем является вода, а при отрицатель­ ных — рассолы, т. е. растворы различных солей в воде. В качест­ ве рассолов применяют водные растворы хлористого натрия NaCl, магния MgCK и кальция СаСВ.

Свойства рассолов характеризует диаграмма замерзания \t (рис. 16), на которой по оси абсцисс отложены концентрации раст­ вора | (содержание соли, кг, на 100 кг раствора), а по оси орди­ нат — температуры начала замерзания t. Температурой замерзания считается та предельная температура, при которой начинается вы­ падение одного из компонентов раствора — кристаллов льда или соли. Полностью же раствор замерзает только после достижения эвтектической температуры, соответствующей точке Э. Эвтекти­ ческой называют однородную смесь кристаллов льда и соли. Соот­ ветствующую концентрацию раствора также называют эвтектичес­ кой. Диаграмма замерзания У состоит из двух ветвей Л и С, пере­ секающихся в эвтектической точке Э. Левую ветвь Л называют ли­ нией выделения льда (или кривой замерзания), а правую С — линией соли (или кривой насыщения). Левее эвтектической точки Э расположена область ненасыщенного, а правее — насыщенного раствора. Кривая Л пересекает ось ординат при 0°С, так как чистая вода замерзает при указанной температуре.

Из рис. 16 видно, что температура замерзания рассола пони­ жается с увеличением его концентрации. По достижении эвтекти­ ческой концентрации температура замерзания повышается. Увели­ чение концентрации рассола при данной температуре возможно лишь до линии насыщения С, так как после насыщения соль начи­ нает выделяться из раствора кристаллами.

При охлаждении ненасыщенного раствора концентрация его остается неизменной до тех пор, пока не будет достигнута кривая льда. При дальнейшем охлаждении из него начинают выделяться кристаллы чистого льда. По мере вымерзания воды концентрация остающегося раствора увеличивается. Температура замерзания при этом не остается постоянной, а постепенно понижается. Состо­ яние остающегося жидкого раствора характеризуется точками, ле­

46

жащими на кривой выделения льда Л. Однако такой процесс воз­ можен лишь до тех пор, пока концентрация охлаждаемого раство­ ра не станет эвтектической, при которой одновременно отвердевают оба компонента в виде однородной смеси.

Во время охлаждения насыщенного раствора, концентрация ко­ торого выше эвтектической, из него выделяется уже не лед, а соль. По мере выделения избыточного ко­ личества ее концентрация раствора уменьшается. При этом соответствую­ щая точка, характеризующая состоя­ ние остающегося жидкого рассола, смещается по кривой насыщения С влево. Когда концентрация раствора опять станет эвтектической, он весь застынет.

55,0°С при 29,9%.

Спонижением температуры плотность рассола р увеличивается,

атеплоемкость Ct уменьшается. При повышении концентрации рас­ солов их плотность и вязкость ц также увеличиваются, а теплоем­ кость уменьшается. Вследствие этого возрастают гидравлические потери, увеличиваются необходимый напор, подача й мощность

рассольного насоса и понижается коэффициент теплопередачи в испарителе. Следовательно, излишнее увеличение концентрации рассола вредно. Поэтому при выборе ее ограничиваются областью ненасыщенного раствора, лежащей над кривой выделения кристал­ лов льда Л.

Во избежание аварий рассол не должен замерзать в трубках испарителя, для чего концентрацию рассола выбирают такой, что­ бы температура начала замерзания его t оказалась на 8°С ниже рабочей температуры кипения агента в испарителе ta: t — U—8°С.

В связи с относительно высокой предельной температурой за­ мерзания раствор поваренной соли NaCl можно использовать лишь при температурах кипения хладагента не ниже— 15°С. На судах применяют раствор хлористого кальция СаСЬ, так как он имеет наинизшую предельную температуру замерзания.

Температуры начала замерзания при различных концентраци­ ях приводят в таблицах физических свойств водного раствора СаС12 [5], пользуясь которыми, определяют необходимую концен­ трацию и плотность рассола в зависимости от выбранной тем­ пературы начала замерзания.

47

Недостатком рассолов является их коррозионное действие на металлы, в особенности на черные. Для предохранения труб ох­ лаждающих батарей от разъедания в рассол вводят различные антикоррозионные добавки (например, бихромат натрия или др.). Крышки же испарителей снабжают цинковыми протекторами.

Иногда вместо рассолов применяют другие теплоносители (например, водный раствор этиленгликоля, температура замерза­ ния которого ниже —60°С).

§10. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ ТРЮМОВ И ПРОВИЗИОННЫХ КАМЕР

Классификация систем охлаждения помещений. Системы ох­ лаждения предназначены для отвода тепла из помещений. На су­ дах применяют следующие системы охлаждения: непосредствен­ ную, рассольную, воздушную и смешанные. В зависимости от типа охлаждающих приборов непосредственные и рассольные системы бывают батарейные и панельные.

Наибольшее распространение получили рассольные и, в осо­ бенности, воздушные системы охлаждения.

Непосредственное охлаждение. Система, в которой хладагент кипит в самом охлаждаемом помещении, называется непосредст­ венной. При такой системе по стенкам охлаждаемого помещения устанавливают гладкотрубные, а чаще ребристые батареи-змееви­ ки (иногда обдуваемые вентиляторами) или листотрубные панели, по которым протекает кипящий агент (рис. 17, а). Эти приборы охлаждения выполняют функции испарителя. (В холодильных ус­ тановках, изображенных на рис. 1 и 5, также применена непосред­

тем, что 1 кг кипящего хладагента отнимает значительно больше тепла, чем 1 кг рассола; поэтому диаметры трубопроводов для жидкого хладагента оказываются меньше, чем для рассола.

Преимущество непосредственной системы по сравнению с рас­ сольной заключается также в том, что она обычно дает возмож­ ность поддерживать более высокую температуру кипения U при сохранении той же температуры в трюме 0О, так как для теплопе­ редачи требуется лишь один перепад температур (между возду­ хом трюма и хладагентом). Повышение же температуры кипения увеличивает холодопроизводительность машины, уменьшает расход мощности на производство холода, повышает холодильный коэффициент (т. е. экономичность работы машины) и сокращает размеры и массу компрессоров. В отличие от непосредственного рассольное охлаждение имеет два перепада температур: между воз­ духом и нагревающимся рассолом в охлаждаемом помещении и между охлаждающимся рассолом и кипящим хладагентом в ис­

48

парителе.. Поэтому при одной и той же температуре в охлаждае­ мом помещении 0о в случае рассольной системы общая разность температур 0о—U обычно оказывается выше, а температура кипе­ ния t0— ниже, чем в случае непосредственной системы, что невы­ годно.

Рис. >17. Системы охлаждения помещений:

а — непосредственная; б — рассольная батарейная; в — рассольная панельная; г — воз­ душная; 0/7 — охлаждаемое помещение; Б — охлаждающие батареи (испарительные или

рассольные); П — экранирующие панели; К — воздушные каналы (нагнетательные и вса­ сывающие; II — испаритель; ВО — воздухоохладитель; II — рассольный насос: В —- вен­

тилятор; КМ — холодильный компрессор; КД — конденсатор; Р К — регулирующий клапан

Однако способность непосредственной системы аккумулировать холод значительно меньше, чем у рассольной. На заполнение не­ посредственной системы расходуется много хладагента.

Основной же недостаток этой системы состоит в том, что при длинных трубопроводах хладагент может проникать в охлаждае­ мое помещение из-за утечек через неплотности фланцевых и шту­ церных соединений.

Непосредственную систему применяют для охлаждения прови­ зионных и морозильных камер, а также небольших грузовых трю­ мов. Холодильную машину располагают вблизи обслуживаемых помещений и в их пределах трубопроводы соединяют сваркой. В небольших грузовых помещениях трубопроводы оказываются ко­ роткими, вследствие чего вибрация и деформации корпуса судна на них сказываются меньше.

Рассольное охлаждение. При данной системе помещения ох­ лаждают холодным рассолом, имеющим низкую темпера­ туру замерзания. Охлаждающие рассольные батареи равномерно устанавливают по стенкам рефрижераторных трюмов (по бортам, переборкам, под палубами), кроме днищ, создавая у них тепловой экран. Холодильная установка имеет два контура циркуляции — агента и рассола (см. рис. 17, б). Проходя через батареи, холодный рассол нагревается, а помещение охлаждается. Отепленный же рассол охлаждается кипящим хладагентом в специальном испари­ теле, в который хладагент поступает после регулирующего клапа­

49

на, а отсасывается из него компрессором. Теплоту парообразова­ ния, необходимую для кипения, хладагент берет от рассола, про­ текающего через испаритель, так как его корпус изолирован и пото­ му приток тепла из внешней среды ничтожен. Циркуляция рассола через испаритель и батареи обеспечивается специальным рассоль­ ным насосом.

В настоящее время применяют закрытые системы, в которых устраняется контакт рассола с воздухом, что позволяет предотвра­

тить выпадение влаги из воздуха б холодный рассол и понижение его концентрации.

Рассольная система обладает наибольшей аккумуляционной способностью, поэтому она облегчает поддержание постоянной температуры в охлаждаемом помещении. Аккумулятором холода является холодный рассол, содержащийся в трубах. Вследствие большой теплоемкости на нагревание холодного рассола требуется значительное количество тепла, поэтому после остановки холо­ дильной машины температура в трюме возрастает медленно. Преи­ мущество рассольного охлаждения заключается также в меньшем объеме системы хладагента.

Однако длина рассольных труб на крупных рефрижераторных судах достигает нескольких километров, а их масса превышает об­ щую массу холодильной машины. Поэтому рассольная система по­ лучается громоздкой и тяжелой. Для размещения холодильного оборудования требуется большая площадь машинно-аппаратного отделения. Кроме того, такая система увеличивает потребную холодопроизводительность машины на тепловой эквивалент работы рассольных насосов, нагревающих рассол. К недостаткам системы относится также дополнительная затрата мощности на рассольные насосы.

В последнее время начали применять новые панельные, системы охлажде­ ния, в которых обычные рассольные батареи заменены листотрубными панелями, обеспечивающими хорошее тепловое экранирование ограждающих поверхностей трюма (рис. 17,в). Панельные приборы охлаждения представляют собой сталь­ ные или алюминиевые листы, к которым приварены или припаяны трубы для циркуляции рассола. Каналы для рассола могут также иметь овальную, пря­

внутренним поверхностям трюма так, что между его тепловой изоляцией и па­ нелями остается небольшая воздушная прослойка толщиной около 4 см. Внеш­ ние теплопритоки, проникающие через изоляцию, при самом поступлении в трюм сразу перехватываются в воздушной прослойке рассолом, циркулирующим в каналах панелей.

По сравнению с обычными рассольными батареями панельные охлаждаю­

Кроме того, панельная система охлаждения создает равномерный температурный режим в трюме, уменьшает усушку перевозимых продуктов, улучшает санитарногигиеническое состояние трюма и, главное, увеличивает полезную вместимость его. (Усушка происходит вследствие испарения влаги с поверхности продуктов и непрерывного переноса ее на поверхность охлаждающих приборов, где водя­ ной пар конденсируется в виде снеговой шубы. Чем выше разность между тем­

50