Система охлаждения состоит из приборов охлаждения, связанных с работой холодильной машины и предназначенных для отвода теплоты из помещений (трюмов, кладовых и т. п.).
На промысловых судах применяют два основных способа охлаждения: непосредственное при помощи хладагента, кипящего в приборе охлаждения, расположенном в помещении, и косвенное - при помощи хладоносителей, циркулирующих в приборах охлаждения.
Системы охлаждения
Основные типы систем охлаждения. В каждом из способов охлаждения используют системы с естественной и принудительной циркуляцией воздуха.
К системам с естественной циркуляцией воздуха относят системы непосредственного и рассольного батарейного охлаждения. Системы с принудительной циркуляцией делят на воздушные системы с воздухоохладителями непосредственного и рассольного охлаждения. Все четыре типа систем охлаждения применяют на рыбопромысловых судах.
Смешанную систему охлаждения, т. е. комбинацию батарейной и воздушной систем, на морских рефрижераторных судах не применяют.
В системе непосредственного охлаждения (рис.3.14,а) теплота от охлаждаемого помещения 2 отводится хладагентом, кипящим в батареях 3, расположенных в помещении. Жидкий хладагент подается в охлаждающую батарею через регулирующий клапан 4. Пары хладагента отсасываются компрессором 1, сжимаются и нагнетаются в конденсатор 5, где конденсируются, отдавая теплоту охлаждающей забортной воде.
Систему непосредственного батарейного охлаждения применяют для провизионных кладовых. Приборами охлаждения в системе в основном являются ребристые батареи непосредственного кипения.
Применяют также гладкотрубные батареи из стальных труб диаметром 30 х 2 мм.
Для комплектации судовых холодильных установок провизионных кладовых применяют настенные ребристые батареи типов ВНР (рис. 3.15) и БЭН, работающие на хладагенте R12. Батареи изготовляют из медных труб диаметром 18 х 1 мм в виде двухрядного пристенного змеевика. Оребрение выполнено прямоугольными латунными ребрами толщиной 0,4 мм. Плотную посадку на трубах производят путем протяжки через трубы стального шарика диаметром 16,95 мм, затем батареи лудят гальваническим оловом.
Батарея непосредственного кипения типа БЭН представляет собой гладкотрубную батарею, у которой по касательной к поверхности красномедных труб припаян латунный лист (экран).
На судах применяют батареи БНР-12, БНР-6,6, БНР-4,8, БЭН-6, БЭН-8, БЭН-10,5 (цифры в марке батарей показывают величину теплопередающей поверхности, м2).
В рассольной системе охлаждения (рис. 3.14, б) теплота отводится рассолом, циркулирующим в рассольной батарее 3, расположенной в охлаждаемом помещении 2. Подогретый рассол при помощи насоса 6 подается в испаритель 7, где охлаждается кипящим хладагентом. Пар из испарителя отсасывается компрессором 1 и направляется в конденсатор 5, откуда жидкость, пройдя регулирующий клапан 4, попадает в испаритель.
На судах применяют гладкотрубные, ребристые и панельные рассольные батареи, которые устанавливают в трюмах на бортах, переборках и на подволоке.
Гладкотрубные охлаждающие батареи изготовляют на заводе-строителе судна из стальных бесшовных труб с условным проходом 32-50 мм. В рассольных системах судовых холодильных установок применяют трубопроводы размером 48 х 4 мм. В связи с низким коэффициентом теплоотдачи от воздуха к поверхности батареи при естественной циркуляции требуется значительная поверхность теплообмена гладкотрубных батарей.
Более компактными являются ребристые однорядные батареи (рис. 3.16). Оребрение осуществляют навивкой стальной ленты шириной 40-46 мм и толщиной 1 мм на трубы или насадкой на них штампованных (круговых) ребер диаметром 150 мм или квадратных ребер размером 150 х 150 мм. Шаг ребер на трубах батарей 30-40 мм.
Рассольные батареи выполняют в виде одно- или двух-рядных змеевиков длиной не более 250 м. Шаг труб в батарее 180-300 мм. Батареи соединяют друг с другом сваркой, допускается муфтовое соединение. Длина последовательно соединенных батарей не должна превышать 400 м.
Для рассольных панельных систем охлаждения применяют следующие конструкции панелей: листоканальные, листотрубные с круглой и квадратной трубой (рис. 3.17). Панельные батареи экранируют теплоограждающие поверхности трюма. Батареи устанавливают с зазором между экраном и изолированным контуром трюма. Воздушная прослойка служит дополнительным термическим сопротивлением.
Панельные батареи позволяют получать более равномерное температурное поле в трюме и более низкую температуру при хранении мороженой рыбопродукции по сравнению с гладкотрубными или ребристыми батареями при одинаковых условиях работы холодильной установки. На судах применяют панели длиной 1000-2400 мм, шириной 750 и 1250 мм. Шаг между каналами или трубами равен 250 мм.
На рис. 3.18 показаны конструкция листотрубной панели с квадратной трубой и узлы ее крепления.
Особенность системы батарейного охлаждения - малая интенсивность теплообмена, связанная с естественной конвекцией воздуха в охлаждаемом помещении, вызванной разностью плотностей теплого воздуха у поверхности груза и холодного воздуха у поверхности батареи. Скорость воздуха в помещениях с батарейным охлаждением 0,05-0,15 м/с.
В воздушной системе охлаждения (рис. 3.19) хладоносителем является воздух. Отепленный воздух охлаждаемого помещения всасывается вентилятором и продувается через воздухоохладитель, в котором охлаждается, отдавая тепло хладагенту, кипящему в воздухоохладителе, или циркулирующему в нем хладоносителю. Охлажденный воздух вентилятором снова нагнетается в охлаждаемое помещение.
Особенность воздушной системы охлаждения - интенсивное принудительное движение большой массы воздуха через помещение и воздухоохладитель. Воздухоохладительные агрегаты можно устанавливать как вне трюма, так и в трюме в специальной выгородке.
Принципиально большое количество (более 40) всех схем систем воздушного охлаждения делят на канальные и бесканальные.
Рассмотрим некоторые схемы систем циркуляции воздуха при воздушном охлаждении трюмов на рефрижераторных судах.
На рис. 3.20 показана схема судовой вертикальной воздушной системы охлаждения с подачей воздуха в трюмы и твиндеки через палубные воздухораспределительные каналы. Система может обслуживать одно или несколько помещений одного отсека, разделенных перфорированной палубой. Воздухоохладители расположены в выгородке трюма по всей ширине судна.
Охлажденный воздух из воздухоохладителей поступает в воздухо-распределительные каналы, занимающие всю площадь палубы. В качестве распределительных каналов используют полости между тепловой изоляцией палуб и решетками для размещения грузов. Высота воздухораспределительного канала может уменьшаться по мере удаления от вентиляторов для обеспечения равномерной подачи воздуха.
Пройдя через штабель груза, подогретый воздух из каналов поступает в надштабельное пространство, откуда через всасывающие окна забирается вентилятором и направляется в воздухоохладитель.
Высокоэффективная вертикальная система охлаждения типа „Робсон” (США), применяемая на судах, изображена на рис. 3.21. Воздух вентиляторами правого и левого бортов нагнетается через воздухоохладители в бортовые нагнетательные наклонные каналы, расположенные по всей площади бортов. Бортовые каналы обеспечивают равномерную подачу воздуха к начальным участкам палубного воздухораспределительного канала.
Пространство между палубой и грузовыми решетками является воздухораспределительным каналом. Воздух от обоих бортовых каналов проходит поперек трюма по распределительному каналу, образованному ребрами палубы до встречи потоков в районе ДП судна. Потоки воздуха, выходя- из распределительного канала через грузовые решетки, поднимаются вверх через грузовой штабель.
Подогретый воздух из надштабельного пространства через всасывающие окна отсасывается вентиляторами. Поток воздуха, поступающего к воздухораспределительным клапанам, регулируют заслонками, расположенными в начальных сечениях бортовых каналов.
Положительные результаты получены при эксплуатации на судах канальных воздушных систем охлаждения с верхней подачей воздуха. В схеме на рис. 3.22 холодный воздух подается сверху через отверстия в нагнетательном подволочном канале. Часть охлажденного воздуха попадает в пространство между щитами и обшивкой изоляции трюма, остальной воздух проходит через штабель груза и через напольные решетки поступает к воздухоохладителю. Скорость воздуха в воздуховодах 6-10 м/с, а в трюме 0,3-0,5 м/с.
Воздухоохладитель (ВО) - теплообменный аппарат, в котором осуществляется охлаждение принудительно движущегося воздуха за счет интенсивного теплообмена его с охлаждающей поверхностью.
В судовых системах воздушного охлаждения применяют как рассольные, так и работающие на хладагентах R717, R22 и R12 поверхностные воздухоохладители. В этих воздухоохладителях воздух отдает тепло кипящему хладагенту или хладоносителю, проходящему по трубам. Воздухоохладитель состоит из ребристотрубных секций, соединенных между собой при помощи калачей. Оребрение круглых трубок производят пластинами, спиральной навивной лентой, а также путем накатки ребер на поверхность трубок.
Для рассольных ВО применяют трубы диаметром 38x3 мм и 32 х 3 мм. Оребрение труб производят навивкой стальной ленты размером 30 х 1 мм или насадкой пластин толщиной 1 мм. Шаг ребер может быть переменным или постоянным во всех рядах трубок ВО по ходу воздуха. Для стальных труб при переменном шаге в первых рядах он равен 25-30 мм, в последующих 10-20 мм. Постоянный шаг ребер может быть 10-20 мм. Переменный шаг ребер позволяет сохранить достаточную площадь живого сечения для прохода воздуха при работе ВО в процессе интенсивного образования инея в первых рядах трубок.
У ВО число рядов трубок по ходу движения воздуха 4-12, ВО для хладагентов R12 и R22 изготовляют из медных трубок, имеющих диаметры 10 х 1,12 х 1, 15 х 1,18 х 1,5 мм, а также из стальных оцинкованных трубок диаметром 22 х 2 мм. Шаг ребер (как правило, пластинчатых) переменный, толщина ребер 0,3-0,4 мм, коэффициент оребрения не более 10-12.
Надежный тепловой контакт медной трубки с медным дли латунным ребром достигается путем протяжки через каждую трубку с надетыми на нее ребрами конусной калиброванной пробки с увеличенным по отношению к внутреннему размеру трубки диаметром. Для улучшения контакта трубки и ребра собранные пакеты-секции ВО оцинковывают.
Основные технические характеристики судовых хладоновых ВО приведены в табл. 3.1.
Циркуляция воздуха через ВО осуществляется с помощью осевых электровентиляторов (ЭВ), смонтированных вместе с ВО или отдельно от него. Скорость воздуха в межтрубном пространстве в сухом ВО непосредственного охлаждения (рис. 3.23) 3-5 м/с, при этом коэффициент теплопередачи составляет в среднем 12-18 Вт/(м2 •°С) при tо = (-40) ÷ (0) °С.
Каждый ВО, работающий на хладагенте, состоит из батарей непосредственного кипения, встроенного осевого электровентилятора, распределителя хладагента, поддона, крышки, деталей крепления и т. д. Для снятия снеговой шубы применяют встроенные стальные трубчатые электронагреватели (ТЭН). В процессе оттаивания предусмотрен обогрев поддона и штуцера, отводящего воду из поддона, электронагревателем или теплым рассолом.
Воздухоохладителями марок BOMB и ВОТ оборудованы грузовые помещения серийных судов типов РТМ-С, СРТР, СТР. Провизионные кладовые и грузовые помещения некоторых малотоннажных судов охлаждаются ВО МВОФ.
Воздухоохладители могут работать в режимах сухого охлаждения, а также охлаждения и осушения воздуха (рис. 3.24). Если температура охлаждающей поверхности выше точки росы (точка 1’), то процесс охлаждения воздуха при контакте его с поверхностью будет проходить при неизменном влагосодержании d1 = const (сухое охлаждение).
Так как температура поверхности охлаждения ВО, как правило, ниже температуры точки росы, то одновременно с охлаждением воздуха происходит и его осушение. В этом случае состояние прилегающего к охлаждающей поверхности слоя воздуха изменяется следующим образом. Сначала процесс охлаждения идет при d = const до состояния насыщения (линия 1-1’). При дальнейшем охлаждении воздуха до t3 процесс идет по линии насыщения φ = 100 % (линия 1’-3) и сопровождается конденсацией водяных паров из воздуха. Параметры охлаждения воздуха (точка 2) определяем по правилам смещения различных масс воздуха, имеющего соответствующие величины. Процесс смещения масс воздуха на рис. 3.24 показан линией 1-3.
Основная особенность системы воздушного охлаждения - интенсивное принудительное движение всей массы воздуха помещения через ВО. При этом улучшается теплообмен между грузом в трюме и воздухом, а также между воздухом и хладагентом (хладоносителем) в ВО, в результате значительно уменьшается необходимая площадь поверхности теплообмена приборов охлаждения.
Система воздушного охлаждения дает возможность размещения ВО и ЭВ вне трюма, что обеспечивает постоянный доступ для обслуживания агрегата, исключает попадание в трюм талой воды и хладагента (рассола). Кроме того, оттаивание можно проводить независимо от загруженности трюма.
Воздуховоды, соединяющие ВО с воздухораспределительными каналами и всасывающими окнами в трюме, служат для перемещения воздуха в системе охлаждения. На судах применяют трубы прямоугольного и круглого сечений, выполненные из тонколистовой оцинкованной стали или сплава АМг толщиной 1-3 мм. Стальные воздуховоды фосфатируют грунтом и окрашивают эмалью. Применяют также пластмассовые трубы.
Как правило, воздухопроводы прокладывают по подволоку помещений. При прохождении через водонепроницаемые переборки воздухопроводы снабжают клинкетами с управлением, выведенным выше палуб переборок. Воздухопроводы изолируют, если температура помещений, по которым они проходят, отличается от температуры охлаждающего воздуха.
Сравнительный анализ систем охлаждения.
Система непосредственного охлаждения и система охлаждения с помощью промежуточного хладоносителя имеют различные эксплуатационные и экономические показатели.
Достоинства непосредственного охлаждения - долговечность и экономичность системы.
Долговечность системы объясняется тем, что холодильные агенты практически не вызывают коррозии, в то время как рассолы являются агрессивной средой по отношению к металлам. Экономичность системы связана с уменьшением расхода электроэнергии по сравнению с рассольной системой вследствие уменьшения перепада между температурами охлаждаемого помещения и кипения хладагента. При одной и той же температуре воздуха в охлаждаемом помещении температура кипения при непосредственном охлаждении выше, чем при охлаждении с хладоносителем. Поэтому при непосредственном охлаждении удельная объемная теплота кипения qυ и коэффициент подачи λ будет больше, чем при рассольном охлаждении.
Недостатки системы непосредственного охлаждения: возможность утечки хладагента и проникновения его в помещение с продуктами, а также малая аккумулирующая способность (при выключении компрессора быстро прекращается охлаждение помещения).
Охлаждение воздуха с применением хладоносителя по сравнению с другими способами имеет следующие преимущества: большую аккумуляционную способность (охлаждение помещения продолжается в течение некоторого времени после остановки компрессора); большую безопасность при работе; простоту регулирования подачи жидкого холодильного агента в испаритель; уменьшение подачи жидкого холодильного агента в испаритель; уменьшение возможности утечки хладагента, а также опасности взрыва и пожара.
Недостатки этого способа охлаждения: возможность возникновения повышенной коррозии трубопроводов и оборудования; большие габариты системы; необходимость применения насоса для создания циркуляции рассола (затраты энергии для работы насоса составляют 7- 9 % мощности, потребляемой компрессором); уменьшение холодопроизводительности машины и увеличение затрат энергии на получение холода (температура кипения на 4-6 °С ниже, чем при непосредственном охлаждении).
Преимущества применения воздухоохладителей для непосредственного охлаждения воздуха перед батарейным способом охлаждения следующие: осуществление интенсивного теплообмена между воздухом и хладагентом, между воздухом и продуктами при значительном уменьшении массы и габаритов теплообменных аппаратов; более равномерное распределение температуры, влажности и скорости воздуха в грузовом объеме; обеспечение меньшей емкости приборов охлаждения; более простое удаление снеговой шубы с приборов охлаждения.
Недостатки этого способа охлаждения: повышение расхода электроэнергии на термическую обработку и хранение продуктов при низкой температуре; отсутствие аккумуляционной способности; увеличенная усушка хранящихся продуктов из-за повышенной циркуляции воздуха.
Литература
Судовые холодильные машины и установки (Петров Ю.С.) 1991 г.
