2.5.9. Судовые холодильные установки
2.5.9.1. Назначение и типы холодильных установок установок.
На флоте впервые «машинное» охлаждение было применено на пароходе «Фригорифин» в 1876г. для перевозки мяса из Аргентины (Буэнос-Айрес) во Францию (Руан). Эта дата считается общепризнанным началом применения холодильной техники на судах.
В настоящее время холодильные установки устанавливают практически на всех судах. На транспортных (сухогрузных и наливных) и пассажирских судах холодильные машины используют для охлаждения провизионных кладовых. На судах с горизонтальным способом грузообработки и других, имеющих большие трюмы, холодильные установки применяют также для охлаждения емкости с жидкой углекислотой, предназначенной для тушения пожара. На рефрижераторных судах и судах комбинированного типа холодильные машины используют для охлаждения рефрижераторных трюмов, на газовозах — для охлаждения танков со сжиженным газом, на судах рыбопромыслового флота — для охлаждения и замораживания добытой морепродукции и приготовления искусственного льда.
Кроме того, морские суда являются местом постоянной работы и жительства экипажей и продолжительного пребывания пассажиров. Поэтому в жилых, служебных, общественных и пассажирских помещениях в любых районах плавания, в любое время года и при любых метеорологических условиях должен поддерживаться благоприятный для людей микроклимат, т.е. совокупность состава и параметров состояния воздуха, а также тепловых излучений в ограниченных пространствах помещений.
Микроклимат в судовых помещениях обеспечивается с помощью систем искусственного микроклимата, которые служат для очистки и тепловлажностной обработки воздуха, подаваемого в помещения.
Стальное судно, разделенное на отсеки поперечными и продольными переборками и промежуточными палубами, представляет собой разветвленную теплопроводную систему, внутри которой находятся помещения с 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 береговой являются повышенные требования к надежности и безопасности ее работы, которые определяются международными конвенциями, а также Правилами Морского Регистра Украины, 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 Украины предусматривают повышенные пробные давления при испытании отдельных элементов установки и трубопроводов на прочность и плотность.
Наиболее распространенным способом непрерывного получения холода в большом количестве является машинное охлаждение. Холодильные установки машинного типа подразделяются на :
1.Воздушные;
2.Абсорбционные;
3.Пароэжекторные.
4. Парокомпрессорные
Воздушные холодильные установки(ВХУ)
На Рис.153 показана простейшая ВХУ.
Рис. 153 Схема простейшей ВХУ.
Воздух из помещения П, где поддерживается температура Т1, засасывается компрессором К и сжимается от давления Р0 до Р. При этом его температура возрастает до Т2. Горячий воздух охлаждается забортной водой в холодильнике ПО и выходит в помещение. Расширяясь воздух охлаждается и сТ1 снова засасывается компрессором. Цикл повторяется.
Достоинством ВХМ является то, что роль хладагента выполняет бесплатный безвредный воздух.
Однако, большого практического применения ВХМ не нашли. Их используют в системах кондиционирования воздуха в самолетах, автомобилях, термобарокамерах.
Термоэлектрические холодильные установки.
Термоэлектрическое охлаждение основано на эффекте Пельте, заключающемся в том, что в процессе прохождения постоянного тока определенного направления по цепи, составленной из разнородных проводников или полупроводников, в местах контактов (спаях) появляются разные температуры. Если температура холодного спая окажется ниже температуры окружающей среды, то он может быть использован как охладитель. Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) сейчас применяют в медицине, радиотехнике и др. областях.
В технике широко известен эффект возникновения термо ЭДС в спаянных проводниках, контакты (места спаев) между которыми поддерживаются при различных температурах (эффект Зеебека). В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта или эффекта Пельтье
.
Рис.154 Схема термоэлемента
На рис. 149 показана схема термоэлемента. Два полупроводника n и m составляют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С, при этом температура холодных спаев X становится ниже, а температура горячих спаев Г становится выше температуры окружающей среды, т. е. термоэлемент начинает выполнять функции холодильной машины. Температура спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (m) в другую (n), переходят в новое состояние с более высокой энергией. Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай (X) охлаждается. При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь п) на низкий энергетический уровень (ветвь т) электроны отдают часть своей энергии атомам спая Г термоэлемента, который начинает нагреваться.
Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов холодильных машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным.
К недостаткам термоохлаждающих устройств следует отнести их низкую экономичность и повышенную стоимость. Примерами устройств этого класса могут служить охладители питьевой воды, воздушные кондиционеры, охладители реактивов в химическом производстве и др. Для таких холодильных машин образцовым циклом будет треугольный цикл Лоренца. Приближение к образцовому циклу достигается простым путем, так как для этого требуется только видоизменить электрическую схему коммутации, что не вызывает конструктивных трудностей. Это позволяет существенно, в некоторых случаях более чем вдвое, повысить эффективность термоэлектрических холодильных машин. Для реализации этого принципа в паровой холодильной машине пришлось бы применять сложную схему многоступенчатого сжатия.
Широкое внедрение термоэлектрического охлаждения будет зависеть от прогресса в создании совершенных полупроводниковых материалов, а также от серийного производства эффективных в экономическом отношении термобатарей
Абсорбционные холодильные установки
Первая абсорбционная холодильная машина была создана во Франции в 1859 году и запатентована в 1860 Фердинандом Карре (Ferdinand Carre). В качестве рабочего тела использовалась смесь аммиака и воды. Из-за высокой токсичности аммиака такие холодильные машины в то время не получили широкого распространения для домашнего применения и использовались для промышленного производства льда.
В установках кондиционирования воздуха абсорбционный холодильный цикл начал использоваться более пятидесяти лет назад.
В производственных процессах, в которых требовалось поддержание низких температур, стали применяться аммиачно-водяные АБХМ.
В конце 1950-х годов была создана первая двухступенчатая бромистолитиевая абсорбционная холодильная машина. Позже бромистолитиевые АБХМ стали использоваться не только для охлаждения помещений, но и в качестве источника горячей воды.
Совершенствование компрессоров, повышение эффективности электродвигателей, устройств управления позволили повысить эффективность компрессорных холодильных машин и снизить стоимость их эксплуатации. Кроме того, свою роль в замедлении распространения АБХМ на природном газе сыграл энергетический кризис 1970-х годов.
Ограничение применения озоноразрушающих фреонов и непрерывное возрастание стоимости электрической энергии способствовали очередному повышению интереса потребителей к АБХМ. (Стоимость природного газа остается достаточно стабильной, а сама технология абсорбционного охлаждения совершенствуется).
АБХМ включает в себя генератор, конденсатор, испаритель и абсорбер с хладагентом и бромидом лития в качестве рабочих растворов.
В генераторе под действием источника тепла (горелка, дымовые газы, пар или горячая вода) из разбавленного раствора бромида лития выделяются пары хладагента (воды), которые затем переносятся в конденсатор. Здесь они конденсируются в жидкость, отдавая в процессе конденсации тепло охлаждающей воде. После этого жидкий хладагент попадает на трубки испарителя, унося тепло от охлаждаемой воды и испаряясь при этом. Концентрированный раствор бромида лития из генератора переходит в абсорбер, поглощая пары хладагента из испарителя и разбавляясь ими. Разбавленный раствор бромида лития перекачивается в генератор, где цикл начинается снова. Чиллеры с подобным циклом называются одноконтурными чиллерами (Single effect type).
Более высокой эффективностью по сравнению с одноступенчатыми отличаются двухступенчатые АБХМ (Рис.155)
Рис. 155. Схема двухступенчатой абсорбционной холодильной машины.
В двухступенчатых чиллерах (Double effect type) генераторная секция разделена на две части — высокотемпературный и низкотемпературный генераторы. Пары хладагента, образующиеся в высокотемпературном генераторе, используются для подогрева раствора бромида лития в низкотемпературном генераторе , в котором давление, а, следовательно, и точка кипения, ниже. Как и в одноконтурных чиллерах, пары хладагента, создаваемые в низкотемпературном генераторе, поступают в конденсатор, чтобы там превратиться в жидкость. С другой стороны, пары хладагента, создаваемые в высокотемпературном генераторе, превращаются в жидкость по мере того, как высвобождается тепло из раствора бромида лития. Это происходит в трубках теплообменника в низкотемпературном генераторе. Пары хладагента из высоко- и из низкотемпературного генератора превращаются в жидкость и смешиваются в конденсаторе перед тем, как вернуться в испаритель. Таким образом, на этом этапе разбавленный раствор нагревается тепловым источником в высокотемпературном генераторе, а в теплообменнике низкотемпературного генератора — скрытым теплом паров хладагента, которое в другом случае должно было бы высвободиться в охлаждающую жидкость. Это означает, что затраты энергии источника тепла меньше. Более того, чем меньше количество тепла, сбрасываемое в охлаждающую жидкость, тем меньше может быть градирня. Например, в то время как существующий тип одноконтурного чиллера требует градирню с номинальной емкостью 200 USRT при 100 USRT нагрузки, для двухконтурного чиллера достаточно всего 150 USRT при той же нагрузке. Благодаря исследованиям и инновациям производители АБХМ достигли значительных успехов в технологии абсорбционного охлаждения и КПД абсорбционных холодильных машин в настоящее время составляет 0,64-0,66.
Пароэжекторные холодильные установки
Принцип работы установки сводиться к созданию сильного разрежения в испарителе с помощью эжектора. В состав такой установки, помимо указанных аппаратов, входят сжимающее устройство, обеспечивающее повышение давления паров, отсасываемых из испарителя, до давления конденсации, конденсатор и регулирующее устройство, в котором жидкость дросселируется (давление понижается до давления в испарителе).
В пароэжекторных ХУ в качестве агента используют воду, которая охлаждается за счет частичного перехода ее в парообразное состояние при вакууме 3-8 мм.рт.ст., что соответствует температуре испарения -5--+8°С. Вода безвредна и, кроме того, обладает большой теплотой парообразования.
Высокие удельные объемы водяных паров при низких температурах кипения (например -5°С удельный объем водяных паров равен 307 м3/кг) требуют применения эжектора – пароструйного компрессора, который сжимает холодные пары, поступающие из испарителя, до давления в конденсаторе и преобразует тепловую. Энергию рабочего пара в кинетическую энергию движения струи. Эжектор состоит из сопла, камеры смещения и диффузора. Принципиальная схема пароэжекторной ХУ представлена на Рис 156.
Рис. 156 Принципиальная схема пароэжекторной пароводяной ХУ:
1-сопло; 2-камера смешения;3-испаритель; 4-диффузор; 5-конденсатор;
6-воздушный эжектор; 7,8- насосы; 9-охлаждающая батарея;
РВ- регулирующий вентиль.
Рабочий пар при давлении 1-7кг/см2 из котла поступает в эжектор. Здесь пар расширяется в сопле соответствующего профиля, приобретая сверхзвуковую скорость. В камере смешения 2 этот поток пара подхватывает холодные пары, поступающие из испарителя 3, затрачивая при этом часть кинетической энергии. Далее смесь паров с давлением кипения (р) поступает в диффузор 4, где в расширяющейся его части происходит увеличение ее давления (сжатие) до давления конденсации (р)
Тепло конденсации паров отводиться из конденсатора 5 охлаждающей водой. По выходе из аппарата конденсат разделяется на два потока: один поступает через регулирующее устройство в испаритель, другой насосом 7 перекачивается в паровой котел. Пар из испарителя постоянно отсасывается эжектором. Конденсатор должен быть оборудован воздушным эжектором 6 для откачки воздуха, который может попасть в систему (например, через неплотности). Холодная вода из испарителя насосом 8 перекачивается в охлаждающую батарею 9.
При охлаждении воды до +5°С вследствие несложной конструкции аппаратов и отсутствия движущихся частей эжекторные ХУ экономичны, поэтому их широко применяют в установках кондиционирования воздуха.
Недостатком этих установок является то, что они пригодны для работы при температуре кипения от 10 до 0°С.
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.).
Парокомпрессорные холодильные установки.
Из машинных способов охлаждения наибольшее применение получили парокомпрессорные холодильные установки, в которых применяют следующие системы охлаждения:
- непосредственная;
- рассольная;
- воздушная.
. При непосредственном охлаждении испаритель установлен непосредственно в охлаждаемом помещении и хладагент, испаряясь в нём, отбирает тепло сам. Непосредственное охлаждение применяется для охлаждения небольших провизионных камер.
На Рис.157 изображена схема парокомпрессорной холодильной установки с непосредственным охлаждением.
Рис. 157 Ппарокомпрессорная холодильная установка с непосредственной системой охлаждения:
1 – всасывающий клапан; 2 – нагнетательный клапан; 3 – маслоотделитель; 4 – конденсатор; 5 – ресивер;
6 – осушитель; 7 – фильтр; 8 – терморегулирующий вентиль; 9 – холодильная камера; 10 – испаритель;
11 – компрессор.
Компрессор 11 отсасывает из испарителя 10 пар холодильного агента, имеющий низкое давление и соответственно низкую температуру , и сжимает его до давления конденсации. Далее горячий пар агента направляется в конденсатор 4, где пар полностью конденсируется, отдавая тепло забортной воде, прокачиваемой через конденсатор. Из конденсатора жидкость поступает к терморегулирующему вентилю. В терморегулирующем вентиле происходит дросселирование жидкого холодильного агента, т.е. снижения его давления до давления кипения, которое сопровождается частичным вскипанием агента (примерно15%) и понижением его температуры. Процесс происходит мгновенно, без поглощения тепла из окружающей среды – только за счет тепла жидкого хладагента. Поэтому за терморегулирующем вентилем холодильного эффекта не происходит. Двигаясь дальше по испарителю, жидкий хладагент продолжает кипеть, отбирая тепло, необходимое для парообразования, от охлаждаемой среды. В той точке испарителя, где выкипает последняя капля хладагента холодильный эффект практически прекращается. Дальнейшее незначительное поглощение тепла происходит в испарителе за счет осушения (перегрева) влажного пара хладагента. Перегретый но еще влажный пар поступает в теплообменник, где он встречается с теплым жидким хладагентом, отчего его перегрев увеличивается. Сухие пары хладагента отсасываются компрессором из испарителя и под давлением конденсации снова подаются через маслоотделитель 3 в конденсатор. Цикл повторяется.
Рассольное и воздушное охлаждение часто называют «охлажднением с помощью хладоносителей». Рассол или воздух непосредственно охлаждают помещение, а затем в свою очередь охлаждаются хладагентом в испарителе.
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;
- иметь невысокую стоимость.
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.
Для получения более низких температур в судовых холодильных установках в качестве хладоносителей применяют водные растворы солей СаС22 и NаС1, называемые рассолами: водный раствор NaCl применяется в установках с температурой не ниже - 10 оС. Используется также раствор Рейнхартин — смесь хлористого магния и хлористого кальция с присадками, который позволяет получить до-18 оС.
На рис. 158 изображена принципиальная схема рассольной системы охлаждения.
Рис. 158Схема парокомпрессорной установки с рассольной системой охлаждения:
1-компрессор; 2-конденсатор; 3-терморегулирующий вентиль;
4-испаритель; 5-рассольный насос; 6-рассольные батареи; 7-рефрижераторный трюм.
Система работает следующим образом:
рассольный насос 5 забирает рассол из испарителя 4, расположенного за пределами охлаждаемого трюма, и подает его в рассольные батареи 6, находящиеся в рефрижераторном трюме 7. Рассол, проходя внутри змеевиковых рассольных батарей, отбирает тепло от охлаждаемого трюма. Нагретый рассол возвращается в испаритель холодильной установки, где отдает тепло кипящему холодильному агенту. Охлажденный в испарителе рассол снова подается насосом в трюм. Таким образом, рассол выполняет роль переносчика тепла от охлаждаемого трюма к холодильному агенту, кипящему в испарителе. Для уменьшения теплообмена с окружающей средой наружную поверхность испарителя изолируют
При воздушном охлаждении происходит одновременно охлаждение помещения и его вентиляция - вентилятор прогоняет воздух через испаритель, где воздух охлаждается и подаётся в помещения. На Рис. 159 показаны две принципиальные схемы воздушного охлаждения рефрижераторных трюмов: вертикальная с палубным распределительным каналом и типа «Робсон».
Вертикальная схема с палубным воздухораспределителем (рис159,а) предусматривает возможность последовательного вентилирования одного или двух расположенных друг под другом помещений.
В системе типа «Робсон» воздух вентиляторами В (Рис 159 ,б) нагнетается через воздухоохладители ВО левого и правого борта в два бортовых нагнетательных канала 1, расположенных по всей площади бортов и твиндека. Отсюда воздух поступает в воздухораспределительный канал 2, расположенный между палубой и грузовыми решетками. Бортовые воздуховоды снабжены перегородками, обеспечивающими равномерную подачу воздуха ко всем участкам палубного воздухораспределительного канала. В распределительном канале 2 воздух двигается от обоих бортов к центру трюма, причем по всему пути происходит непрерывное поступление воздуха в трюм через отверстия или специальные щели в палубе. Из трюма нагретый воздух всасывается вентиляторами.
Рис. 159 Воздушные системы охлаждения:
а) вертикальная с палубным распределительным каналом; б) типа «Робсон».