Книга Вальт ЖД Хладотранспорт

3. ХОЛОДИЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

3.1. Назначение и строительные особенности холодильных сооружений

Холодильные сооружения (холодильники, станции предварительного охлаждения, льдохранилища, льдовозы и др.) предназначены для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящихся грузов, а также для заготовки, хранения и использования льда. В помещениях (камерах) холодильников предусмотрены постоянные, довольно низкие температуры (от +12 до –400С) при большой относительной влажности. При возведении холодильных сооружений наряду с обычными строительными, применяют теплоизоляционные материалы для улучшения теплоизоляции зданий. Хорошая теплоизоляция экономит холод, удешевляет эксплуатацию сооружений и способствует хранению продуктов. На теплоизоляцию приходится 25-30 % стоимости холодильных сооружений. На 1 т ёмкости холодильника расходуется до 0,6 м3 теплоизоляционных материалов. Это вызвано тем, что у холодильных сооружений должен быть достаточно мощный слой теплоизоляции, так как основные потери холода происходят через наружные ограждения. Кроме того, величина естественной убыли (усушки) пищевых продуктов при заданной температуре в камерах хранения зависит от количества проникающего в неё наружного тепла. Следовательно, толщина теплоизоляционного слоя наружных ограждений холодильников влияет на качественные и количественные изменения продуктов при хранении в замороженном состоянии. Из-за низкой температуры в холодильных сооружениях основные строительные конструкции их сильно увлажняются не только от конденсации влаги, но и от диффу-

131

зии паров через теплоизоляцию. Чтобы предотвратить это, предусматривают пароизоляцию. Укладывая теплоизоляционный и пароизоляционный слои, обращают внимание на тщательную заделку швов в них, чтобы избежать мостиков холода и увлажнения конструкций.

Постоянная низкая температура в холодильных сооружениях настолько сильно сказывается на температурном режиме грунта под ним, что вызывает образование слоя вечной мерзлоты большой толщины. Глубина промерзания грунта может быть больше, чем зимнее промерзание почвы в том или ином районе. Глубокое промерзание грунта, сильное увлажнение строительных конструкций, своеобразные условия работы теплоизоляции, сложное оборудование, условия эксплуатации определяют собой специфические особенности конструкций холодильных сооружений.

3.2. Теплоизоляционные и пароизоляционные материалы

Известно, что процесс перехода от тёплого тела к холодному состоит в том, что частицы тёплого тела, обладая большей скоростью при соприкосновении, вызывают ускорение движения частиц холодного тела, тем самым повышается его температура. Поэтому, чем меньше частиц находится в соприкосновении, тем медленнее идёт процесс перехода энергии от тёплого тела к холодному. В связи с этим, лучшим теплоизолятором является вакуум. Но достичь вакуума при сооружении теплоизоляции практически невозможно. Другой средой с малым количеством частиц является воздух. Этим объясняется строительство домов в северных районах с двухили трёхрамными окнами. Но при сооружении холодильных объектов (камер хранения грузов, изотермических вагонов) конструкции, подобные таким окнам, создать невозможно. Поэтому используют другие изоляционные материалы, но обязательным элементом этих

132

материалов является наличие пустот, заполненных воздухом. Таких материалов в природе, а также изготовленных промышленностью, достаточно много и они обладают различными свойствами.

С точки зрения опыта строительства и эксплуатации холодильных, промышленных, жилых объектов, теплоизоляционные материалы должны обладать следующими свойствами: возможно меньшим коэффициентом теплопроводности, малой плотностью, невысокой стоимостью. Кроме того, они должны быть неводопоглощающими и гидроскопичными, так как с повышением содержания влаги повышается коэффициент теплопроводности материала; морозоустойчивыми, огнестойкими, устойчивыми против загнивания и распада; не обладающими запахами, которые передаются скоропортящимся грузам, хранимым на холодильниках и перевозимым в изотермических вагонах; не съёживающимися и не смещаемыми, то есть постоянного объёма, с достаточной механической прочностью и однородными по структуре. Недопустимо, чтобы они привлекали насекомых и грызунов (крыс и мышей) или служили удобной средой для их поселения и размножения. Одним из лучших теплоизоляционных материалов, как было сказано выше, является неподвижный воздух. Теплоизоляционные свойства материалов, главным образом, обеспечиваются наличием воздушных пор, если воздух в них малоподвижен. Лёгкие и пористые материалы обладают, как правило, наиболее высокими теплоизоляционными свойствами. Если внутри материала происходит движение воздуха (конвекция), то изоляционные свойства его резко снижаются. Подвижный воздух из теплоизолятора превращается в хороший проводник тепла. С увеличением влажности коэффициент теплопроводности материала увеличивается. Ещё больше он увеличивается, если вода, находя-

133

щаяся в порах, под влиянием низких температур замерзает. Влажный материал пропускает тепло лучше, чем сухой и вода в отдельности. Так, коэффициент теплопроводности сухого кирпича равен 0,41, воды – 0,66, а влажного кирпича – 1,22 Вт/м2 0К. По строению теплоизоляционные материалы разделяются на жёсткие (плиты, щиты) и гибкие (маты, рулоны); по виду основного сырья – на неорганические и органические.

К неорганическим относятся: пенобетон, стекловолокно и изделия из них, керамзитобетон, шлак, пемза, пеностекло и др. Эти материалы малогидроскопичны, огнестойки, не подвержены загниванию.

Пенобетон получают смешиванием цементного молока с мыльной пеной. Цемент, обволакивая взболтанную пену и затвердевая, образует пористую массу, которая в известных условиях является теплоизоляцией для стационарных холодильных сооружений.

Минеральная вата представляет собой волокнистый высокопористый материал, полученный из жидкого металлургического шлака, путём продувки через него холодного воздуха. Тонкие остывшие нити шлака образуют минеральную вату. Охлаждая таким же образом жидкое стекло, получают стекловату. В такой вате 95-96% воздушных пустот. Для изготовления из ваты теплоизоляционных изделий применяют связующие вещества (нефтебитумы, синтетические смолы). Из ваты делают гибкие (войлок, маты) и жёсткие (плиты) теплоизоляционные материалы.

Пеностекло представляет собой затвердевшую стеклянную пену ячеистого строения. В качестве сырья используется бой стекла и древесный уголь. При нагревании этой массы уголь возгорается, стекло становится жидким. При выделении пузырьков газа стекло вспенивается, затем охлаждается в виде однообразной ячеистой массы.

134

Алюминиевая фольга является отражательным теплоизоляционным материалом. Теплоизоляционные свойства её основаны, главным образом, на способности отражать до 95% лучистой энергии благодаря блестящей (зеркальной) поверхности листов.

К органическим теплоизоляционным материалам относятся пробковые плиты, торфоплиты, камышит, мипора, пенопласты, древесные опилки и др. Пробковые плиты получают путём прессования измельчённой пробки с добавлением вяжущих веществ – смолы клея и др. Такие плиты применяют для изоляции холодильников, однако они весьма дефицитны.

Торфоплиты изготавливают из торфа в виде плит. Их недостаток – большая горючесть и быстрое увлажнение. При использовании обязательна защита от увлажнения.

Камышит представляет собой прошитые проволокой плиты из сухого камыша. Он легко поражается грибком. Если же исключить увлажнение, то он может служить хорошим теплоизоляционным материалом.

Шевелин, названный по имени предложившего его русского инженера В.М. Шевелина, – это простёганные полотнища. Его получают из отбросов льнопроизводства. Обработанное полотно раскладывают в три слоя и более, прокладывая между ними бумагу, а затем обвёртывают с внешней стороны водонепроницаемой бумагой. Шевелин гигроскопичен, сгораем, гниёт. Широко использовался при строительстве вагоновледников.

Мипора представляет собой вспененную массу из мочевиноформальдегидной смолы и порообразователя. Она отличается малым объёмом и очень хорошими теплоизоляционными свойствами. Недостаток – большая влагоёмкость и распад под влиянием влаги. Применяют, глав-

135

ным образом, для холодильных шкафов, обшитых тонкими листами стали, а также для изотермических вагонов и автомобилей-рефрижераторов.

В последнее время получили развитие теплоизоляционные материалы на основе полимеров. Теплоизоляционные, вспененные пластмассы (пенопласты) имеют ряд свойств, особенно ценных для холодильной изоляции – низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент конструктивного качества (отношение к объёмному весу). Пенопласт – жёсткий плиточный материал белого цвета с замкнутой крупноячеистой структурой. Но он дорогой, это сдерживает его использование в холодильной промышленности. Заливочные и напыляемые пенопласты относятся к новой группе материалов, получаемых на месте производства изоляционных работ путём переработки различных жидковязких сырьевых смесей, поставляемых предприятиями химической промышленности. Эти материалы используются в производстве теплоизоляционных конструкций типа «сендвич». Технология производства таких конструкций такова: пространство, ограждённое тонкими металлическими листами, заливается жидким пенополиуретаном. При заливке он вспенивается, застывает и придаёт конструкции жёсткость. Эти конструкции используют для ограждения кузовов изотермических вагонов, авторефрижераторов, холодильников.

К гидроизоляционным и пароизоляционным материалам относятся битумы (нефтяные, дёгтевые), рубероид, толь. Битум находит самостоятельное применение и как важнейшая составляющая пароизоляционных материалов. Рубероид – картон, пропитанный нефтяными битумами и покрытый сверху тонким слоем тугоплавкого битума. Толь – картон, пропи-

136

танный каменноугольной смолой и покрытый песком. Теплопроводность изоляционных и строительных материалов приведена в таблице 3.1.

3.3. Расчёт теплоизоляции холодильных сооружений

Процесс передачи энергии из одной среды в другую через ограждение показан на рис. 3.1. Этот процесс представляет передачу энергии от среды к стенке отражения (α1), передачу энергии от одной стенки к дру-

гой (λ) и от стенки к другой среде (α2). На рис. 3.1.б показан наиболее интенсивный переход энергии, так как материал, из которого выполнено ограждение, более плотный и поэтому обладает лучшими теплопроводными свойствами. Каждый материал обладает индивидуальными теплопрово-

137

дящими свойствами, которые характеризуются коэффициентом теплоот-

дачи (α), теплопроводности (λ). В целом, процесс теплообмена между одной точкой (точка а) и другой (точка в) средой через ограждение характеризуется коэффициентом теплопередачи (К), который является функцией коэффициентов α и λ:

где К – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м2 0К;

αн и αв – коэффициенты теплоотдачи соответственно от воздуха к стенке и от стенки к воздуху, Вт/м2 0К;

σиз, σ1, σп – толщина слоя основного изоляционного и других строительных материалов, м;

λиз, λ1, λп – коэффициент теплопроводности изоляционного и других строительных материалов, Вт/м2 0К.

Проектируя холодильные сооружения, подбирают род изоляционного материала и намечают конструкцию ограждения. По справочным данным определяют для принятых изоляционных и строительных материалов значения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности. Затем принимают значение коэффициента теплопередачи и, в соответствии с вышеприведённой формулой, определяют толщину изоляционного слоя

138

Толщина теплоизоляционного слоя конструкции должна соответствовать оптимальному значению коэффициента теплопередачи, при котором сумма эксплуатационных расходов (З) с учётом стоимости производства холода (В), амортизационных отчислений на теплоизоляцию (А) и холодильное оборудование (С) будет минимальной:

З = А + В + С = min .

Толщина теплоизоляции не должна допускать конденсации влаги на поверхности стен. Конденсации не будет на тёплой поверхности ограждения, если расчётный коэффициент теплопередачи будет следующим:

Кр ≤ 0.95α tтк −tр tтк −tхк ,

где α - коэффициент теплоотдачи поверхности ограждения более тёплой стороны, Вт/м2К;

tтк, tхк – температура воздуха тёплой и холодной камер, 0С;

tр – температура точки росы (конденсации влаги) для воздуха тепловой камеры, определяется по температуре и влажности, 0С.

139

а)

б)

а) менее плотная среда; б) плотная среда

Рис. 3.1. Процессы перехода энергии через ограждение

140