книги из ГПНТБ / Хордас, Г. С. Техническое кондиционирование воздуха и инертных газов на судах

погоде. Груз, увлажненный так называемой свободной водой, подвер­ гается такой же порче, как и при конденсации на нем паров воды.

Рассмотренные выше причины приводят к гниению, брожению, плесневению, коррозии и другим видам порчи грузов и к коррозии внутренних поверхностей корпусных конструкций. Чтобы избежать этого, необходимо оборудовать суда комплексом средств для под­ сушки воздуха грузовых помещений — системой технического кон­ диционирования воздуха. Приведем ряд примеров, ставших уже классическими, подтверждающих целесообразность оборудования транспортных судов установками для осушения воздуха.

стемой осушения воздуха, был в безупречном состоянии, а груз на судне «Санта Тереза», не оборудованном системой осушения, был очень испорчен.

Перед погрузкой судна «Санта Маргарита», оборудованного системой осушения воздуха, глубокие цистерны (диптанки) трюма № 2 были промыты водой из шланга, и вследствие очень холодной погоды переборки покрылись ледовой коркой. В глу­ бокие цистерны были погружены мешки с зерном н немедленно включена система осушения воздуха. Через неделю судно отправилось из Нью-Йорка в южную часть Тихого океана через Панамский канал, пересекло Индийский океан и достигло Персидского залива. Несмотря на тяжелые условия транспортировки, зерно ока­ залось в превосходном состоянии, а переборки глубоких цистерн — сухими.

В 1960 г. на теплоходе «Ленинский комсомол» были проведены испытания с целью определения эффективности работы системы технического кондиционирования воз­ духа, обслуживаемой воздухоосушительной установкой. В первой половине рейса при перевозке чугунных чушек в твиндек и трюм № 4 подавался наружный воз­ дух с добавкой осушенного воздуха. Остальные трюмы и твиндеки вентилировались только осушенным воздухом. При обследовании было установлено, что борта, па­ лубы и чугун в твиндеке и трюме № 4 были сухими, а во всех других грузовых по­ мещениях наблюдалось обильное отпотевание. Во второй половине рейса система обеспечивала нормальные условия хранения перевозимых каучука и зерна.

В целях исследования влияния условий морской перевозки на качество волокни­ стых грузов в 1967 г. в рейсе Ленинград—Куба была произведена опытная перевозка волокна хлопка и льна на теплоходе «Красноград», оборудованном системой для осушения воздуха [26].

Кипы хлопка и льна находились в следующих трюмах:

1)с подачей подсушенного в воздухоосушительной установке наружного воздуха;

2)с принудительной системой вентиляции при подаче наружного воздуха без

подсушки;

3)с вентиляцией без подсушки наружного воздуха-в течение половины рейса

ис подсушкой наружного воздуха в остальное время.

В течение двухмесячного нахождения опытных кип хлопка и льна в трюме, где осуществлялась подсушка воздуха, относительная влажность колебалась от 70 до 75%, температура — от 293 до 297 К; в трюме, где подсушка воздуха не производилась, от 80 до 95%, температура от 283 до 304 К-

Результаты исследований показывают, что хлопковое и льняное волокно, на­ ходившееся в течение рейса в трюме с подачей подсушенного воздуха, имело наи­ меньшую степень микробного повреждения и наибольшую прочность. Значительно сильнее оказалось поврежденным волокно, находившееся в течение всего рейса в трюме, где подсушка воздуха не производилась. Потеря прочности хлопка, пере­ возимого в таких условиях, составила 7,5% , льна 7,4% , а число микробных повреж­ дений возросло почти едва раза. Хлопок и лен, находившиеся половину рейса в трюме с вентиляцией без подсушки, а затем с подсушкой воздуха, оказались частично поврежденными.

Как показывают исследования В. А. Загор^йко [20—23] и дру­ гих, требования к системам технического кондиционирования воз­

11

духа, особенно для сухогрузных судов, перевозящих гигроскопи­ ческие грузы, должны быть ужесточены.

Возникновение градиента 1 температур в массе гигроскопиче­ ского груза под воздействием неравномерного теплообмена груза

сокружающей средой вызывает перемещение воды, содержащейся

вгрузе, в направлении, противоположном градиенту температуры, усушку более подогретых и увлажнение более холодных участков груза. Чрезмерное повышение влажности отдельных участков гигро­ скопических грузов органического происхождения приводит к интен­ сификации биохимических процессов в них и возможной их порче. Поэтому для снижения усушки и предотвращения порчи груза при переходе из районов низких широт в районы высоких широт система должна обеспечить необходимое охлаждение всей массы груза. При переходе из районов высоких широт в районы низких широт в тех же целях должен быть обеспечен необходимый подогрев его.

Во избежание конденсации паров воды на грузе в момент вы­ грузки в порту после перехода из районов высоких широт в районы низких широт необходим подогрев в пути и негигроскопических грузов. Таким образом, речь идет не только о кондиционировании воздуха в грузовых помещениях, но и о кондиционировании самого груза. Такой подход к назначению систем существенно отличается от рекомендаций, представленных рядом иностранных фирм и компа­ ний, которые рассчитывают осушительные установки исходя из усло­ вий конденсации паров воды без учета реальных свойств груза и его влияния на микроклимат в трюмах и твиндеках.

Исследования советских (Л. П. Андронова, В. А. Загоруйко, А. Е. Пасса и др.) и зарубежных (Ч. Л. Сауэрбиера, Э. С. Шультерса

идр.) специалистов [1—5, 20—23, 28, 45—48, 75, 94, 95, 101] позво­ лили сформулировать основные условия сохранности грузов при перевозке:

а) температурное поле должно быть равномерным во всей массе

груза и должно соответствовать температуре окружающей среды; б) влагосодержание воздуха в грузовых помещениях должно соответствовать равновесному состоянию с перевозимым грузом

(см. гл. V);

в) температура точки росы воздуха в грузовых помещениях должна быть ниже температуры внутренних поверхностей корпус­ ных конструкций и груза в течение всего рейса.

§ 2. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

В ЗАРУБЕЖНОМ И ОТЕЧЕСТВЕННОМ СУДОСТРОЕНИИ

До появления систем технического кондиционирования воздуха защита груза от попадания на него воды сводилась к его прикрытию со всех сторон брезентом и усиленной вентиляции грузовых поме-

1 Градиент (лат. gradiens — шагающий) — мера убывания или возрастания физической величины.

12

щений. Установка для осушения воздуха, спроектированная и изго­ товленная датской фирмой Каргокэйр, впервые была применена в 1939 г. на пароходе «Экспортер» (США). В трюмах, оборудованных установкой, груз (табак, целлюлоза, консервы и др.) находился

В грузовые помещения

Рис. 5. Схема работы воздухоосушительной установки с твердым сорбентом фирмы Кар­ гокэйр: а — левый ад­ сорбер работает в фазе десорбции, правый — в фазе адсорбции; б — левый адсорбер рабо­ тает в фазе адсорбции, правый — в фазе де­

сорбции.

1 — охладитель воздуха;

2 — четырехходовой кла­ пан; 3 — подогреватель воздуха; 4 — адсорбер; 5 — вентилятор десорб­ ции; 6 — вентилятор по­ дачи осушенного воздуха. I — воздух в грузовые помещения; II — воздух

десорбции.

в хорошем состоянии, в остальных трюмах он был поврежден пле­ сенью, гниением, коррозией. Система с установкой «Каргокэйр» получила признание судоходных компаний США.

Воздухоосушительная установка «Каргокэйр» включает в себя следующие элементы (рис. 5); аппараты для осушения воздуха — адсорбции паров воды (два или четыре адсорбера) с твердым поглоти­ телем воды — сорбентом, вентиляторы, подогреватель воздуха, на­ правляемого для регенерации сорбента, охладитель осушенного воз­ духа и приборы, регистрирующие температуру и влажность воздуха.

13

Принцип действия установки состоит в том, что в одном из адсор­ беров происходит осушение воздуха, а в другом — регенерация сор­ бента. В связи с изменением положения четырехходовых клапанов через каждые 2 ч происходит смена функций адсорберов. Из адсор­ бера осушенный воздух поступает в грузовые помещения через охладитель, в трубках которого прокачивается забортная вода. В охладителе снимается теплота, выделяемая в процессе регенера­ ции, и теплота, выделяемая при адсорбции. Воздух, который по­ дается для регенерации сорбента, подогревается в паровом подогре­ вателе. Четырехходовые клапаны меняют свое положение с помощью сервомотора. Контроль за степенью осушения воздуха произ­ водится гигротермографом.

Производительность установки «Каргокэйр» типа Н составляла 5100 м:!/ч, а ее модификации типа S — 3300 м3/ч осушенного воз­ духа.

Схема работы модели S аналогична схеме работы модели Н, однако модель S отличается от модели Н обтекаемостью формы, меньшими размерами и массой. Громоздкие заслонки приточного воздуха в модели S заменены относительно легким и малогабаритным четырехходовым клапаном. Электродвигатель управления заслон­ ками заменен сервомотором.

В качестве сорбента можно применять вещества с капиллярно­ пористой структурой, вследствие чего они обладают весьма развитой

Механизм процесса осушения воздуха (адсорбции паров воды) при прохождении его через слой сорбента заключается в следующем [41]. Известно, что когда смачивающая жидкость частично запол­ няет капиллярный канал, мениск жидкости в капилляре приобре­ тает вогнутую форму. Парциальное давление паров на вогнутой по­ верхности мениска меньше, чем парциальное давление паров над плоской поверхностью жидкости. Поскольку парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе выше, чем на вогнутой по­ верхности мениска, то образующийся потенциал вызывает перенос пара. В капилляре пар претерпевает фазовое превращение при пере­ ходе из газообразного в жидкое состояние.

Таким образом, при прохождении осушаемого воздуха через слой сорбента наблюдается явление капиллярной конденсации, обусловленное наличием некоторого количества жидкости в капил­ лярах, необходимого для образования вогнутого мениска.

Из элементарной физики известно, что понижение парциального давления на вогнутой поверхности мениска обратно пропорционально радиусу капилляра. Следовательно, и количество конденсирующе­ гося пара будет также обратно пропорционально радиусу капил­ ляра.

Наиболее распространенным сорбентом является силикагель, который был использован в установках «Каргокэйр». Кристаллы силикагеля SiO.,, не напитанного водой, в зависимости от способа получения имеют стекловидный белый или светло-синий цвет. Раз-

14

меры кристаллов 2—7 мм, объемная масса 500—800 кг/м3. Силика­ гель характерен большой пористостью.

В Советском Союзе согласно ГОСТ 3956—54 выпускается куско­ вой и гранулированный мелко- и крупнопористый силикагель. Всего изготовляется 12 марок силикагеля. Наибольшей механиче­ ской прочностью обладает гранулированный силикагель марки КСМ (крупный силикагель, мелкопористый) с упрочняющей добавкой глинозема. Размеры гранул силикагеля марки КСМ составляют 2,7—7 мм. Несколько меньшей прочностью (на 2%) обладает куско­ вой силикагель марки КСМ. Зерна кускового силикагеля неправиль­ ной формы, размером до 7 мм, стекловидные или прозрачные.

Одним из основных свойств сорбента является его поглотитель­ ная способность, т. е. способность поглощать воду из воздуха. Поглотительную способность принято выражать в процентах или массой в граммах поглощенной воды на 100 г сорбента. Так, погло­ тительная способность, равная 10%, означает, что каждый килограмм

15

сорбента способен поглотить 100 г водяных паров (или 10 г водяных паров па 100 г сорбента).

Различают поглотительную способность в статических и динами­ ческих условиях. В статических условиях поглощение водяных паров происходит при постоянном и неподвижном объеме влажного воз­

Рис. 6. Кривые поглощения воды силикагелем при 293 К в статических условиях (а); кривые поглощения воды мелкопористым силикагелем в зависимости от содержания водяных паров в воздухе при различной температуре и скорости воздуха, равной 0,2 м/с (б); степень осушения воздуха в зависимости от количества воды, поглощен­ ной силикагелем марки КСМ (в).

кагелем двух видов: 1 — марки КСМ (крупный силикагель, мелко­ пористый — зерна 2—4 мм, высота слоя 50 мм) и 2 — марки КСК (крупный силикагель, крупнопористый). Как видно из приведенных кривых, силикагель марки КСМ при низких парциальных давлениях водяных паров в воздухе обладает большей поглотительной способ­ ностью, чем силикагель марки КСК-

В динамических или практических условиях процесс адсорбции характеризуется выделением тепла, неполным использованием объема сорбента и неполным поглощением воды при низких парци­ альных давлениях водяных паров. Поэтому данные, полученные в статических условиях, должны быть скорректированы с учетом влияния указанных факторов. Практически поглотительную способ-

16

Ход кривой поглощения воды из воздуха, изображенной на рис. 6, в, показывает, что в начальный момент силикагель обеспе­ чивает осушение до точки росы 230 К. Только после его некоторого насыщения водой (около 2%) силикагель начинает обеспечивать максимальную степень осушения воздуха до температуры точки росы 215 К. Это свойство силикагеля следует учитывать при исполь­ зовании его для глубокого осушения воздуха (газов) ниже 230 К. С целью получения низкой температуры точки росы рекомендуется увлажнять силикагель перед пропусканием через него осушаемого воздуха или газов.

Одновременно с изготовлением воздухоосушительных установок с твердыми сорбентами фирмой Каргокэйр была разработана уста­ новка с применением жидкого сорбента. Подобная установка типа

«Катабар» для судовых и стационарных условий была создана и фир­ мой Мидленд-Рос (США).

Принцип действия указанных установок заключается в том, что осушаемый воздух подается в абсорбер, где орошается жидким сор­ бентом— раствором соли. Так как парциальное давление водяных паров над раствором соли определенной концентрации и температуры ниже парциального давления водяных паров в воздухе (рис. 7), происходит переход водяных паров из воздуха в раствор (абсорбция воды раствором).

Более низкое парциальное давление пара над поверхностью раствора, чем над поверхностью воды, объясняется тем, что молекулы растворителя (воды) притягиваются одна к другой слабее, чем к мо­ лекулам растворенного вещества. В связи с тем что растворенное вещество (соль) не может перейти в газовую атмосферу, то и для молекул растворителя затруднен такой переход. Этим можно объяс­ нить причины уменьшения парциального давления пара над поверх­ ностью раствора по сравнению с парциальным давлением над по­ верхностью воды [411. Так как в процессе осушения воздуха концентрация раствора снижается (за счет абсорбции из воз­ духа воды), то ее необходимо восстанавливать до начального зна­ чения.

Стекающий после осушения воздуха в поддон раствор насосом вновь подается в камеру орошения (рис. 8). Часть раствора поступает в регенератор-десорбер. Внутри десорбера установлен паровой змее­ вик подогрева. Вместе с регенерируемым раствором в десорбер посту­ пает наружный воздух. В десорбере воздух и раствор подогреваются и за счет разности парциальных давлений вода, поглощенная раство­ ром в камере орошения, переходит из раствора в воздух, который выбрасывается в атмосферу. Сорбент с повышенной концентрацией стекает в поддон, где смешивается с основной массой циркулиру­ ющего сорбента.

В качестве жидких сорбентов-поглотителей влаги можно приме­ нять растворы хлористого лития, хлористого кальция, хлористого магния и бромистого лития, высококонцентрированную серную кис­ лоту, глицероль, а также гликоли — диэтиленгликоль и триэтиленгликоль, парциальное давление водяных паров над которыми за­

18

это объясняется его положительными свойствами: достаточно низким давлением водяного пара над поверхностью раствора при рабочих концентрациях и температурах, малой вязкостью, химической ста­ бильностью, нетоксичностью и хорошей водорастворимостью. Не-

8 грузовые помещения

пан подачи свежего пара; 10 — насос раствора; И — перегородка, ■ ■ н осушаемый воздух; — — — воздух десорбции; —/— за­ бортная вода; —•— • — свежий водяной пар.

смотря на то, что давление водяных паров над поверхностью высококонцентрированной серной кислоты и глицероля более низкое, в практике они все же не нашли широкого применения из-за их кор­ розионного воздействия на металлы и химической нестабильности. Применение бромистого лития непрактично, так как он менее стаби­ лен, чем хлористый литий при регенерации в атмосферных условиях. Хотя хлористый литий менее агрессивен, чем хлористый кальций, он все же может вызывать некоторую коррозию металлов. Поэтому целесообразно в рабочие растворы добавлять замедлители корро­ зии, например хромат лития, который предпочтителен при осушении воздуха растворами лития, так как в этом случае в систему не вво­ дятся посторонние катионы.

При использовании раствора хлористого лития для осушения воз­ духа одновременно достигается высокая стерилизация воздуха при