Изоляционные материалы. Для уменьшения теплопритока в грузовые охлаждаемые помещения ограждения их покрывают изоляционными материалами, имеющими малую теплопроводность λ[в Вт/(мּК)]. Лучшим изоляционным материалом является сухой неподвижный воздух [λ = 0,023 Вт/(мּК)]. Изолирующие свойства других материалов определяются количеством воздуха, содержащегося в материале, и величиной воздушных ячеек. Чем больше воздушных ячеек и чем они мельче, тем меньше коэффициент теплопроводности материала.
Изоляционные материалы характеризуются малой теплопроводностью [примерно 0,035-0,175 Вт/(мּК)], малой плотностью (q = 15÷600 кг/м3), незначительной гигроскопичностью и влагоемкостью, отсутствием запаха и способности к впитыванию посторонних запахов, морозоустойчивостью, огнестойкостью, стойкостью против поражения грибками и против грызунов, долгим сроком службы, небольшой стоимостью.
Применяемые на практике в холодильной промышленности изоляционные материалы не отвечают всем предъявляемым требованиям. Многие из них способны увлажняться. При увлажнении воздушные ячейки, имеющиеся в изоляционном материале, заполняются водой, которая при низких температурах замерзает, и изоляционный материал теряет изолирующие свойства. Это объясняется тем, что λводы равна 0,58 Вт/(мּК)., а λ льда равна 2,2 Вт/(мּК).
Увлажняется изоляция не только при попадании в нее капельной влаги, но и при эксплуатации изоляционной конструкции. Парциальное давление водяных паров зависит от температуры воздуха и будет тем больше, чем выше температура воздуха. Перепад температуры по обеим сторонам ограждений охлаждаемого помещения обусловливает разность парциальных давлений водяного пара и, следовательно, диффузию водяных паров через ограждение. Теплоизоляционные материалы служат защитой от увлажнения.
Большое значение имеет правильный выбор места установки; гидроизоляционного слоя в конструкции. Он должен быть расположен по ходу влажностного потока перед зоной возможного увлажнения, т.е. с теплой стороны изоляции. В большинстве случаев температура наружного воздуха выше температуры воздуха в трюме и поток пара направлен снаружи в помещение. Однако для судов, плавающих в северных широтах, наружная температура бывает ниже температуры в охлаждаемом трюме и поток влаги будет иметь обратное направление. В таких случаях требуется ставить парозащитный слой с внутренней стороны ограждения охлаждаемого помещения.
Роль гидрозащитного покрытия может выполнять внутренняя металлическая зашивка трюма, которая одновременно предохранит изоляционный материал от механических повреждений, грызунов, свободной влаги, а также улучшит санитарное состояние трюма и позволит обрабатывать трюм паром. Выбор теплоизоляционного материала определяется конкретными условиямиработы, типом судне и размерами рефрижераторного трюма.
Теплоизоляционные материалы подразделяют на группы по степени эффективности: на высокоэффективные [λ< 0,047 Вт/(мּК)], эффективные [λ=0,047÷0,0815 Вт/(мּК)], средней эффективности [λ=0,0815÷0,175 Вт/(мּК)]; по происхождению: органического происхождения и неорганического происхождения; по виду изготовления: штучные жесткие изделия (плиточные, блочные, фасонные), штучные гибкие (маты, рулонные материалы, изоляционный шнур), засыпные изоляционные материалы (шлак, опилки, пробковая крошка).
Материалы органического происхождения. К ним относятся: пробка, применяемая в виде плит, фасонных изделий и крошки; экспанзит — пробковая крошка, обладающая хорошими теплоизолирующими свойствами; торфоплиты; изделия из древесины и др. Эти материалы, за исключением пробки и экспанзита, недостаточно механически прочны, гниют, горят, увлажняются, способствуют разведению грибков и грызунов. Применение их вызвано малой теплопроводностью, небольшой объемной массой, дешевизной.
Особую группу образуют материалы из синтетического сырья, главным образом из пластической массы на полистирольной,.мочевиноформальдегидной, фенолформальдегидной и полиуретановой основах и резины. Газонаполненные массы подразделяют на поропласты и пенопласты. Поропласты состоят из сообщающихся между собой ячеек, заполненных газом, а пенопласты — из несообщающихся ячеек. Оболочка ячеек образована тончайшей пленкой полимера. Ячеистые материалы на основе полистирола называют пенополистиролами. Они имеют высокие теплоизолирующие: свойства, высокую водоустойчивость, морозостойкость, малую влаго- и паропроницаемость, не поражаются грибками, грызунами, не гниют. В СССР наиболее распространены пенопласты марок ПС-Б и ПС-БС.
В судовых установках также находит применение воздушно-пленочная изоляция, в которой используются теплозащитные свойства воздуха, заключенного в полостях склеенных гофрированных пленок. К таким материалам относится винидур, представляющий собой 6 - 10 склеенных гофрированных плёнок толщиной 0,2 мм полученных пластификацией полихлорвиниловых смол, и изофлекс, изготовленный из ацетилцеллюлозной пленки.
Изоляционные материалы минерального происхождения. К ним относятся различные ячеистые камни естественного происхождения, например туф, пемза, ракушечник, известняки (в судовых условиях они не применяются), а также материалы, полученные искусственным путем, — минеральная и стеклянная вата и изделия из них в виде полотнищ (минеральный войлок, стеклянный войлок) и плит (минеральная пробка), блоки пенобетона, пеностекла, пеносиликата, котельный и доменный шлак. Эти материалы обладают малой гигроскопичностью, не горят, не гниют, не поражаются грибками. Многие из них имеют коэффициент теплопроводности и объемную массу значительно выше, чем у материалов органического происхождения.
Альфоль относится к группе материалов, в которых используется способность гладких блестящих поверхностей отражать лучистую тепловую энергию, а также малая теплопроводность воздушных прослоек, заключенных между листами алюминиевой фольги толщиной 0,07—0,1 мм. Фольгу применяют в мятом виде или гладкую, которую натягивают между фиксаторами.
Пароизоляционные материалы. В качестве таких материалов используют битум, битумные эмульсии и мастики, специальные клеи (идитоловый клей, изолит и др.), а также рулонные материалы — рубероид, пергамин, металлоизол, гидроизол и др.
Битум бывает естественный и искусственный. Искусственный битум — смолистое вещество, получаемое как конечный продукт при перегонке нефти. В зависимости от температуры размягчения различают 5 марок битума.
Битум марок I, II, III имеет температуру размягчения ниже 50° С, марок IV и V — соответственно 70 и 90° С. Для изоляции холодильных сооружений применяют их сплавы. Битум служит одновременно пароизоляционным и склеивающим материалом, но пароизоляционные свойства его при большой разности температур недостаточны, и он плохо пристает к холодным и влажным поверхностям.
Битумная эмульсия состоит из частиц битума, взвешенных в воде, и эмульгатора, препятствующего слипанию частиц битума. Битумную эмульсию можно наносить на холодную и влажную поверхность.
Рубероид и пергамин представляют собой кровельный картон, пропитанный и покрытый битумом.
Гидроизол — асбестовая бумага, пропитанная битумом. Металлоизол — алюминиевая фольга с двусторонним покрытием битумом. Гидроизол и металлоизол не подвержены загниванию.
Изоляционные конструкции. Судовые изоляционные конструкции должны обеспечивать минимальные теплопритоки в охлаждаемые помещения (трюмы, морозильные устройства, провизионные камеры), защиту теплоизоляционного слоя от увлажнения, грызунов и занимать минимальный объем грузового помещения. Судовые изоляционные конструкции бывают четырех типов: не содержащие металлических включений; с воздушной прослойкой; так называемые нормальные; с высадкой.
Конструкция, не содержащая металлических включений (рисунок 9.1, а). Она состоит из деревянных брусков и изоляционного материала. Такой тип изоляционной конструкции применяется для изоляции настила второго дна судна и переборок с гладкой стороны.
Конструкция с воздушной прослойкой (рисунок 9.1, б). Такая конструкция позволяет уменьшить влияние тепловых мостиков (материал набора), но сокращает полезный объем трюма, так как изоляционный слой выносят за профиль набора и укладывают так, чтобы между обшивкой борта и наружным слоем досок ограждения трюма образовалась воздушная прослойка.
В воздушной прослойке появляются конвективные токи, способствующие увеличению теплообмена, а контакт изоляции с воздухом способствует ее увлажнению. Изоляционную конструкцию с воздушной прослойкой применяют для- изоляции двойного дна, отделяющего охлаждаемые помещения от отсеков, в которых хранятся нефтепродукты. В остальных случаях она не рекомендуется.
Конструкция, называемая нормальной (рисунок 9.1, в). Она состоит из стального набора, наружной и внутренней обшивок и изоляционного материала, заполняющего пространство между обшивками.
Такую конструкцию применяют для изоляции бортов, палуб, переборок, подволоков. Уменьшение влияния тепловых мостиков достигается включением в конструкцию деревянных брусков. При нормальной конструкции изоляции полезный грузовой объем меньше сокращается, чем при изоляционной конструкции с воздушной прослойкой, и уменьшается возможность увлажнения изоляции.
Конструкцию с высадками или с обходом набора (рисунок 9.1, г) применяют при высоком профиле набора, главным образом на речных рефрижераторах.
Пиллерсы и мачты, находящиеся в охлаждаемых трюмах, изолируют на всю высоту или частично. В последнем случае среднюю часть не изолируют, а части, примыкающие к палубе и подволоку, покрывают изоляцией. Промежуточные палубы и переборки, отделяющие одно охлаждаемое помещение от другого, изолируют со стороны набора полностью, с другой стороны — частично, полосой шириной 1—1,5 м, называемой риббандом.
Увеличение ширины риббанда свыше 1,5 м нецелесообразно, так как значение коэффициента теплопередачи при этом уменьшается незначительно. Устройство риббандов снижает массу изоляции и уменьшает потери полезной кубатуры трюмов.
Изолируют также трубопроводы холодильного агента и хладоносителя, проходящие вне охлаждаемого помещения, испарители, промежуточные сосуды, отделители жидкости и др.
На рисунке 9.1, д показана изоляционная конструкция трубопровода. Расчет изоляционной конструкции. Он состоит в определении необходимой толщины основного изоляционного материала, при этом коэффициент теплопередачи k и схема изоляционной конструкции должны быть заданы. Расчёт может быть произведен другим методом: заданы все размеры изоляционной конструкции, в том числе и толщина изоляционного слоя, а следует определить коэффициент теплопередачи конструкции k.
Трудность расчета судовой изоляции заключается в пересеченности изоляционного материала металлическим набором, который создает тепловые мостики. Имеется несколько методов расчета коэффициента теплопередачи, но все они дают только приближенное значение k.
Значение коэффициента теплопередачи судовых изоляционных конструкций колеблется в пределах 0,45-0,7 Вт/(м2ּК) для трюмов с плюсовыми и близкими к 00С температурами и 0,35-0,40 Вт/(м2ּК) – для низкотемпературных трюмов.
5.2. Для чего в схему СХУ включены маслоотделители (отобразить один из них)?
Влияние масла на работу холодильной установки. Особенностью применения масла в холодильных машинах является то, что оно вместе с холодильным агентом уносится в систему установки и попадает в условия как высоких, так и низких температур; масло постоянно находится в контакте с холодильным агентом. Поэтому к маслам, применяемым для смазки холодильных машин, предъявляют специфические требования.
Масло не должно химически взаимодействовать с холодильным агентом и не должно содержать кислот, щелочей, воды и механических примесей. Вполне определенной должна быть вязкость масла. Для фреоновых компрессоров необходимо более вязкое масло, так как фреон растворяется в масле и разжижает его. Масло должно иметь достаточно низкую температуру застывания и высокую температуру вспышки. Для смазки холодильных компрессоров разрешается применять только определенные марки масел: для аммиачных машин - масло ХА-30 (холодильное аммиачное); для фреоновых - ХФ-12-18 для фреона-12 и ХФ-22-24 для фреона-22. Компрессоры, работающие на фреоне-12, фреоне-22, фреоне-142 при температуре кипения не ниже -40° С, должны смазываться маслом ХФ-12-18. При более низких температурах (до -80° С) следует использовать масло синтетическое марки ХФ-22с-16.
Успешно используют масло ХА-30 для смазки фреоновых винтовых компрессоров как отечественного производства, так и компрессоров зарубежных стран.
Ранее для смазки аммиачных компрессоров применяли масла фригус и веретенное 2, вязкость которых в 2 раза меньше вязкости масла ХА-30. Применение масел ХА-23, ХА-30, ХА-34 снижает износ трущихся частей примерно в 1,5 раза.
Масло уносится с холодильным агентом из компрессора в нагнетательный трубопровод и разносится по всей системе. Количество уносимого масла зависит от типа компрессора, его производительности, марки масла и других факторов. В среднем можно принять, что количество уносимого масла составляет 20 - 30 г/ч на каждые 100 м3/ч рабочего объема компрессора (объема описываемого поршнями компрессора). Масло увлекается парами холодильного агента в виде мелких частиц, а также в парообразном состоянии. По данным ВНИХИ, испаряемость масла (фригус) возрастает при повышении температуры: при 80 °С испаряется примерно 3% всего масла, уносимого из компрессора при 100 °С - 8%, при 120 °С - 16%, при 140 °С - 35%.
Поскольку работа большинства маслоотделителей основана на механическом разделении масла и холодильного агента, для улавливания парообразного масла необходимо вначале сконденсировать пары и в виде капелек отделить от паров холодильного агента. Для уменьшения уноса капель масла скорость паров холодильного агента в маслоотделителе должна быть как можно меньше, обычно 0,6 - 0,8 м/с.
Влияние масла на работу теплообменных аппаратов холодильной установки зависит от взаимной растворимости рабочих тел и смазочных масел. Растворимость жидких рабочих тел в маслах повышается с возрастанием температуры. Взаимное расположение слоев в смеси обусловливается соотношением плотностей масла и холодильного агента. Так, жидкий аммиак мало растворяется в минеральных маслах, плотность аммиака (650 кг/м3) меньше плотности масла (900 кг/м3). Поэтому в аппаратах аммиачных установок масло с небольшим содержанием аммиака оседает в нижней части аппарата. В противоположность этому, например, во фреоновом испарителе (фреон-22) при температуре -20° С, что соответствует условиям ограниченной растворимости, слой масло - фреон будет располагаться над слоем фреон - масло, так как плотность чистого фреона при этой температуре равна 1350кг/м3.
Состояние масла в системе холодильной установки зависит от взаимной растворимости. Аммиак в масле и масло в аммиаке растворяются в небольших количествах. Фреон-12 до температуры -42° С неограниченно растворяется в масле, также масло неограниченно растворяется во фреоне. Фреон-22 при температуре выше 20° С имеет неограниченную взаимную растворимость в масле. В испарителе фреоновой установки (фреон-22) происходит расслоение масла и фреона. Однако в масле, плавающем на поверхности жидкого фреона, содержится некоторое количество растворенного фреона - это фаза «масло». В жидком фреоне-22 растворяется определенное количество масла - это фаза «фреон».
В зависимости от взаимной растворимости масла и холодильного агента определяется влияние масла на работу холодильной установки.
В аммиачной холодильной машине масло оседает в виде пленки на поверхности аппаратов, в результате чего создается дополнительное тепловое сопротивление и уменьшается коэффициент теплопередачи. Например, замасливание поверхности испарителя приводит к необходимости работы холодильной машины на более низкую температуру испарения как следствие дополнительного теплового сопротивления масла. Увеличивается температурный напор в аппаратах, что влечет за собой снижение холодопроизводительности и увеличение удельного расхода энергии на производство холода. Поэтому совершенно необходимо в аммиачной холодильной машине улавливать масло после компрессоров, чтобы препятствовать попаданию его в теплообменные аппараты.
В установках, работающих на фреоне-12, попадание масла в аппараты не влечет за собой образования масляной пленки на теплопередающей поверхности, так как фреон-12 растворяется в масле и образуется однородный раствор. Но в испарителях затопленного типа масло скапливается и увеличивается концентрация его в растворе. В результате повышается температура кипения и увеличивается вязкость раствора (по сравнению с температурой кипения и вязкостью чистого фреона), что ухудшает теплообмен.
Масло является высококипящей жидкостью, поэтому повышает температуру кипения холодильного агента при заданном давлении. Например, при давлении фреона 0,25 МПа температура кипения чистого фреона составляет -7 °С, если же концентрация масла будет 50%, то при том же давлении температура кипения раствора будет равна -3 °С, а для достижения рабочей температуры кипения -7 °С необходимо при наличии масла понижать давление в испарителе примерно на 0,035 МПа.
Скопление масла в испарителе оказывается нежелательным еще и потому, что на соответствующую величину уменьшается количество смазочного масла в картере компрессора. Поэтому в установках, применяющих холодильные агенты с неограниченной растворимостью масла, необязательно улавливать масло перед теплообменным аппаратом, но возникает задача непрерывного возврата масла из испарителя в картер компрессора, т. е. необходимо организовать циркуляцию масла в системе.
Существенное значение для работы холодильных установок имеет растворимость (абсорбция) газообразного холодильного агента в масле. Так, аммиак в газообразном состоянии в сравнительно небольшом количестве растворяется в маслах.
Таким образом, для уменьшения содержания аммиака в масле перед выпуском его из системы холодильной установки необходимо понизить давление и подогреть масло.
Гораздо выше растворимость в масле газообразных фреонов. При растворении холодильного агента в смазочном масле существенно снижается температура застывания масла, уменьшается его вязкость. Например, при температуре 0°С в результате растворения 10% фреона-12 вязкость масла уменьшается примерно на 25 %, при растворении 20% - в 2 раза.
6.1. Что подразумевается под комплексной автоматизацией судовой холодильной установки?
При автоматизации холодильной установки сокращаются эксплуатационные расходы, численность обслуживающего персонала, поддерживаются строго определенные температуры в охлаждаемом объекте, увеличивается продолжительность службы холодильной машины, обеспечиваются защита установки от аварии и непрерывный контроль за работой машин и аппаратов.
В зависимости от степени использования средств автоматизации различают частично и полностью автоматизированные холодильные установки.
При частичной автоматизации только часть процессов автоматизируется, поэтому за работой установки требуется непрерывное наблюдение, для полностью автоматизированных установок необходим только периодический контроль.
На холодильных установках применяют приборы:
автоматического регулирования, обеспечивающие поддержание в заданных пределах значений контролируемых величин. Например, температуры охлаждаемого воздуха в грузовых помещениях, температуры хладоносителя, заполнения испарителя жидким холодильным агентом, холодопроизводительности компрессора и др.;
автоматической защиты, обеспечивающих прекращение работы всей установки или отдельных ее элементов при опасных режимах контролируемой среды (давления, температуры, режима смазки, уровня жидкости и т. п.);
автоматического контроля, при помощи которых осуществляются дистанционное наблюдение и контроль за изменением температуры, давления, расхода холодильного агента и хладоносителя;
автоматической сигнализации, которые с помощью световых и звуковых сигналов оповещают о том, что достигнуто заданное значение контролируемой величины, и о включении или выключении отдельных элементов холодильной установки;
автоматического управления, включающие в работу или останавливающие всю установку или отдельные ее элементы (насосы, вентиляторы, открывают автоматические вентили) при достижении определенных значений параметров.
Эти приборы производят также операции по выпуску воздуха, масла, по оттаиванию снеговой шубы и др.
Основным элементом систем автоматического регулирования и управления служит автоматический регулятор, который воспринимает изменение регулируемой величины и воздействует на управляемый процесс Регулятор состоит из чувствительного элемента, воспринимающего изменение регулируемой или контролируемой величины, регулирующего органа, воздействующего но сигналу чувствительного элемента на регулируемый объект, и исполнительной связи, соединяющей чувствительный элемент с регулирующим органом.
Автоматические регуляторы бывают позиционного и непрерывного действия. Регулирующий орган первых может занимать несколько определенных положений, у вторых этим органом являются регуляторы плавного действия. Регуляторы могут быть прямого и непрямого действия.
В регуляторах прямого действия регулирующий орган переставляется усилием, развивающимся в чувствительном элементе. В регуляторах непрямого действия для перемещения регулирующего органа применяют усилители.
Автоматические регуляторы характеризуются диапазоном регулирования и дифференциалом прибора. Диапазоном регулирования называют предельные значения регулируемой величины, в пределах которых может работать данный прибор автоматики. Дифференциалом прибора называют разность значений регулируемой величины между включением и выключением прибора.
