ССКП уч пос

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ « ОДЕСЬКА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ»

М.А. Козьміних, В.С. Ольшамовський, Д. І. Василець

СУДНОВІ СИСТЕМИ КОНДИЦІЮВАННЯ ПОВІТРЯ ТА ЇХ ТЕХНІЧНА ЕКСПЛУАТАЦІЯ

Навчальний посібник

Одеса – 2019

УДК 629.12:621.57(075.8)

К

Рекомендовано Вченою радою НУ «ОМА» як навчальний посібник з дисципліни «Суднова холодильна техніка» спеціальності 271 «Річковий та морський транспорт» спеціалізації «Управління судновими технічними системами і комплексами» протокол № від 2019 р

Рецензенти: Голіков В.А., зав. кафедрою технічної експлуатації флоту НУ «ОМА», д.т.н., професор

Гоголь М.І., зав. проблемної науково дослідницької лабораторії холодильної техніки ОНАХТ

.

К

Козьміних М.А. Суднові системи кондиціювання повітря та їх технічна експлуатація: навчальний посібник / М. А. Козьміних, В. С. Ольшамовський, Д. І. Василець - Одеса: НУ «ОМА», 2019. - с. У посібнику розглянуті основи термодинаміки процесів повітрообробки в суднових системах кондиціювання повітря, схеми систем кондиціювання, що найбільш поширені на морських суднах та визначені умови їх ефективної експлуатації. Основна увага приділена питанням визначення та усунення відхилень від рекомендованого режиму експлуатації холодильного устаткування суднових систем кондиціювання повітря. Навчальний посібник призначений для курсантів і студентів спеціальності 271 «Річковий та морський транспорт» спеціалізація «Управління судновими технічними системами і комплексами». а також курсантів інших спеціальностей, пов'язаних з вивченням суднових систем кондиціювання повітря. Навчальний посібник може бути рекомендовано для використання судновими механіками при обслуговуванні холодильного обладнання та систем кондиціювання повітря. УДК 629.12:621.57(075.8)

© М. А. Козьміних, В. С. Ольшамовський

ЗМІСТ

4 8 8 12 24 24 26 30 35 35 40 41 44 46 58 58 62 68 73 81 91

ВСТУП

Потреби пристосування до навколишнього світу супроводжували людину протягом всього часу її існування. Це була необхідність захистити себе не тільки від ворогів але і від вітру, снігу, дощу, сонця, низької або надмірно високої температури навколишнього повітря. Людина будувала своє помешкання відповідно клімату, одночасно створювала найпростіші захисні засоби. Наприклад, в місцевостях з сухим та спекотним кліматом для компенсації тепло та волого навантаження приміщень здавна застосовувалися засоби випарювального охолодження приміщень.

Забезпечення комфортних умов завжди цікавило людей, однак перші кроки в створенні техніки штучного клімату були зроблені в процесі розвитку промислового виробництва. Вважається, що перший кондиціонер з’явився в 1902 році у Нью-Йорку в Бруклінській типографії Sackett-Wilhelms Lithographing Co.

Влітку при підвищенні температури та вологості повітря за умов їх постійної зміни під час друку не було можливості забезпечити необхідну якість кольоропередачі. Для вирішення цієї проблеми інженер Буффало Вілліс Хевіленд Керрієр застосував водяний повітроохолоджувач з вентилятором. Система забезпечувала охолоджування та осушення повітря до 26,5^оС та 55% відносної вологості. Взимку потрібна відносна вологість повітря підтримувалася за рахунок його зволоження водяною парою при температурі в приміщенні 21^оС.

Термін «кондиціювання повітря» був запропонований у 1906 році Стюардом Уореном Крамером, який займався текстильним виробництвом та зв’язав одержання кондиційного товару з доведенням показників повітряного середовища до призначеної кондиції по температурі та відносної вологості.

Створення транспортних установок кондиціювання було поєднано з вирішенням конструкції вузла приводу нагнітачів, компресорів холодильних машин та вентиляторів, а також проблеми надійності, що була обумовлена вібрацією, перевантаженням та випадковими збуреннями.

Кондиціювання повітря є предметом фундаментальних та прикладних досліджень авторитетних міжнародних інститутів IIR/IIF, ARI, професійних асоціацій спеціалістів ASHRAE, REHVA та інших.

Вітчизняний розвиток кондиціювання повітря безпосередньо пов'язаний з іменами Ю.В. Захарова (Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова), В.З.Жадана, І.Г.Чумака, В.І.Ліпи (Одеська державна академія холоду), В.А. Голікова (Одеська морська академія).

Сучасні морські судна є місцем постійної праці та проживання членів екіпажів і тривалого перебування пасажирів. В зв’язку з цим в житлових, службових, громадських та пасажирських приміщеннях суден незалежно від метеорологічних умов повинен підтримуватися сприятливий для людини мікроклімат, який визначається сукупністю складу параметрів стану повітря та теплових випромінювань в обмежених просторах суднових приміщень.

В забезпеченні життєдіяльності людини в світовому океані, створення комфортних умов мешкання сучасних морських суден, включаючи фізико-хімічні фактори мікроклімату приміщень та попередження забруднення навколишнього середовища провідне місце займають санітарно-технічні системи. До їх складу входять: система опалення (обігріву), вентиляції та кондиціювання повітря, водопостачання, стічно-фанова та знищення твердих залишків.

В формуванні оптимальних мікрокліматичних умов суднового повітряного середовища мешкання людей провідне місце займають суднові системи комфортного кондиціювання повітря (ССККП).

Основними положеннями, що нормують мікроклімат в приміщеннях є:

• оптимальний тепловий стан людини;

• удосконалення апарату терморегуляції людини;

• кліматична та сезонна диференціація параметрів мікроклімату;

• урахування виду виробничої діяльності людини.

ССККП призначені для очищення і тепло-вологісної обробки повітря, що надходить до приміщень. При цьому в приміщеннях повинні бути забезпеченні визначенні наперед параметри складу та стану повітря: чистота, достатня кількість кисню, температура, відносна вологість і рухливість (швидкість повітря в приміщенні). Ці задані кондиції в основному і визначають так званні комфортні умови.

Зі зміною району плавання морських суден температура навколишнього (атмосферного) повітря може коливатися в межах -40÷+50^оС, температура забортної води -2^оС÷+35^оС і зміст вологи від 0,1÷26 г/кг.

Зі зміною умов плавання в широких межах змінюється і інтенсивність сонячної радіації. Оскільки судно це велика металева конструкція з великим коефіцієнтом теплопровідності, зрозуміло наскільки є суттєвим вплив зовнішніх умов на формування мікроклімату в суднових приміщеннях. Водночас на судні достатньо велика кількість об’єктів тепло- та вологого виділень.

Ці умови потребують від ССККП великої маневреності під час роботи. В теплих регіонах система повинна забезпечувати відведення з приміщень відповідних тепло- та волого-надлишків, а в холодних – компенсувати тепловитрати та відвести надлишки вологи. В першому випадку повітря перед надходженням у приміщення потрібно охолоджувати і осушувати, а у другому – підігрівати і зволожувати. Підігрів та зволоження повітря здійснюється парою або водою, охолодження та осушення – за допомогою холодильних машин.

Комфортне кондиціювання повітря на суднах почали впроваджувати на при кінці ХІХ сторіччя. У 1896 році на англійському судні «Норман» уперше було застосовано штучне охолодження повітря в бібліотеці та музичному салоні. Система цілорічного кондиціювання повітря (з охолодженням та підігрівом, в залежності від зовнішніх умов) вперше була застосована на японському пароплаві «Кумано-Мару» в 1903 році.

До кінця першої половини ХХ сторіччя системи комфортного кондиціювання забезпечували комфортні умови на пасажирських лайнерах в салонах, ресторанах, каютах-люкс та 1-го класу. І тільки з другої половини ХХ сторіччя стали передбачати системи комфортного кондиціювання для всіх суднових житлових та службових приміщень.

На великих пасажирських лайнерах холодопродуктивність машин, що обслуговують системи комфортного кондиціювання сягає кількох тисяч кіловат. Наприклад, на побудованому ще у 1961 році англійському лайнері «Канберра» вона складала 7000 кВт, на французькому лайнері «Франс» (1962 р.) – 7730 кВт.

Як вже було згадано вище, найважливішим фактором, що визначає мікроклімат в приміщенні є оптимальний тепловий стан людини. Визначення теплового стану організму визначається по єдиному принципу, який базується на ступені напруги терморегуляції: мінімальне (комфортне), слабке (прохолодно, тепло), помірне (холодно, дуже тепло); велике (дуже холодно, спекотно); надмірне (неймовірно холодно, дуже спекотно). Зрозуміло, що таке розподілення стану має достатньо суб’єктивний характер, який пов'язаний з особистими властивостями кожної людини. Однак, можливо зробити безумовний висновок, що мінімальне напруження системи терморегуляції людини означає комфорт, помірне – близьке до комфортного, велике та помірне - дискомфорт. Ці критерії оцінки теплового стану відносять до суб’єктивних (особистих).

До опосередкованих (не прямих) критеріїв відносять інтегральні та комплексні. У цьому випадку, показники комфортності мікроклімату, що нормують параметри повітряного середовища мешкання, можуть бути розраховані чи виміряні.

Гігієнічне нормування параметрів мікроклімату приміщень здійснюється за інтегральними показниками. Оптимальне значення інтегральних показників визначається при мінімальному тепловому навантаженні на людину (метод результуючої температури – «РТ») або при комфортному самопочутті (методика ASHRAE №55-66).

Інтегральні (комплексні) показники визначаються шляхом сумісного розгляду температури, вологості, рухливості (швидкості) повітря та інтенсивності променевого теплообміну.

Показники задовільності людей мікрокліматичними умовами базуються на рівнянні теплового балансу організму, де додатково враховується метаболізм, середня температура шкіри, термоопір одягу. Значення комплексних показників також нормуються по призначенню приміщень, районах плавання судна і часом року.

Шляхом узагальнення наявних даних, для орієнтовної оцінки параметрів мікроклімату в суднових приміщеннях, можливо застосування наступних значень параметрів повітря: температура повітря в приміщенні – 19-25 ^оС (нижчі значення відповідають роботі ССККП в режимі опалення при низьких температурах зовнішнього повітря); відносна вологість – 40÷60 %%; рухливість повітря в приміщенні – 0,15÷0,5 м/с (в службових приміщеннях, в яких присутні теплові виділення від обладнання та механізмів, рухливість повітря може сягати 1,5 м/с). Окрім того, необхідно враховувати, що мінімальна кількість свіжого повітря, що надходить в приміщення в розрахунку на одну людину повинна перевищувати 33 м³/год. Концентрація пари вуглеводнів в приміщеннях спеціалізованих суден не повинна перевищувати 2,5 мг/м³, зміст пилу – 0,25 мг/м³, концентрація СО₂ – 0,1 % за об’ємом.

Питання для самоконтролю:

1. Що розуміють під терміном «кондиціювання повітря»?

2. Що нормує мікроклімат в суднових приміщеннях?

3. Призначення суднових систем комфортного кондиціювання повітря.

4. Яким чином визначаються комфортні умови?

5. Які значення основних параметрів повітря у приміщеннях можливо віднести до комфортних?

1 ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОЛОГОГО ПОВІТРЯ ТА ПРОЦЕСИ ПОВІТРООБРОБКИ

1.1 Параметри повітря як робочого середовища суднових систем повітропідготовки

Атмосферне повітря це суміш сухого повітря та водяної пари, зміст якої може сягати 4%. Така суміш має назву вологого повітря.

Сухе повітря складається переважно з азоту та кисню. До складу входить також СО₂, водень та інертні гази, загальна кількість яких становить біля 1%. При розрахунках для сухого повітря прийнято розглядати суміш з азоту в кількості 79% за об’ємом або 77% за масою та кисню 21% за об’ємом або 23% за масою.

Фізичні параметри вологого повітря, які визначаються характеристиками його стану, є: температура t (визначена по сухому термометру психрометру), вологомісткість d, абсолютна γ_п та відносна φ вологість, питома вага ρ, температура t_м по вологому термометру, температура t_рос крапки роси, ступінь насичення ψ, парціальний тиск р_п водяної пари, ентальпія h.

Для визначення усіх складових, що визначають стан вологого повітря, зазвичай, достатньо знати два параметри.

Вологе повітря можна розглядати як суміш ідеальних газів, кожний компонент якої займає весь об’єм суміші, має температуру суміші і знаходиться під власним парціальним тиском. Відповідно закону Дальтона тиск суміші (вологого повітря) дорівнює сумі парціальних тисків р_с та р_п сухого повітря та водяної пари

р = р_с + р_п. (1.1)

Рівняння стану для сухого повітря та водяної пари мають вигляд

р_с = ρ_сR_сТ; (1.2)

р_п = ρ_пR_пТ, (1.3)

де ρ_с, ρ_п – питома вага сухого повітря та водяної пари, кг/м³, при їх парціальних тисках і температурі Т, К;

R_с – газова постійна сухого повітря (R_с = 287), Дж/(кг К);

R_п – газова постійна водяної пари (R_п = 461), Дж/(кг К).

Вологомісткістю d іменують кількість водяної пари в вологому повітрі в кілограмах або грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря або міститься в (1+d) кг вологого повітря. Для 1 м³ вологого повітря можна визначити як

. (1.4)

З урахуванням (1.2), (1.3) і (1.4) отримаємо

(1.5)

Таким чином залежність для визначення р_п має вигляд

Абсолютною вологістю γ_п повітря іменують кількість водяної пари в кілограмах в 1 м³ вологого повітря. Вона чисельно дорівнює питомій ваги пари при наданих температурі повітря і парціальному тиску пари в ньому.

Кількість водяної пари в повітрі може зростати до визначеного значення. Якщо повітря містить водяної пари менше цієї величини, його називають ненасиченим, волога, що знаходиться в ньому перегріта водяна пара. Якщо вологе повітря при фіксованих значеннях температури t та тиску р містить максимально можливу кількість водяної пари його іменують вологим насиченим повітрям. Абсолютна вологість насиченого повітря дорівнює питомій ваги (кг/м³) сухої насиченої пари відповідно температури вологого повітря. При цьому парціальний тиск насиченої водяної пари буде дорівнювати , а вологомісткість насиченого повітря

(1.6)

Відносною вологістю повітря φ іменують відношення абсолютної вологості γ_п повітря при його температурі t до абсолютної вологості насиченого повітря при цієї ж температурі, або, з урахуванням рівняння (1.3), відношення парціального тиску водяної пари в повітрі при наявному стані до парціального тиску пари в насиченому повітрі

. (1.7)

Ступінь насичення повітря ψ дорівнює відношенню вологомісткості d ненасиченого повітря до вологої місткості насиченого повітря при однаковій температурі

. (1.8)

Враховуючи рівняння (1,5) та (1.6), можливо отримати співвідношення між φ та ψ

.

Оскільки d завжди менше за –ψ < φ, і тільки для насиченого повітря, коли d = , ψ = φ = 1 (100%).

Питома вага ρ (кг/м³) вологого повітря є сума питомої ваги сухої частини повітря та водяної пари

ρ = ρ_с + ρ_п. (1.9)

Вологе повітря при однакових температурах та тисках завжди легше сухого, у зв’язку з тим, що молекулярна маса пари менше молекулярної маси сухого повітря, з цього – ρ_п< ρ_с.

Враховуючи рівняння (1.1)÷(1.3) отримаємо

, (1.10)

де - питома вага сухого повітря при наданій температурі t та повному

тиску р повітря, кг/м³.

Рівняння (1.10) підтверджує, що при однакових температурах та тисках щільність вологого повітря менша ніж сухого. З цього ж рівняння можливо зробити висновок, що питома вага вологого повітря фактично пропорційна повному тиску повітря – р.

Температура точки роси t_рос повітря, це температура, при якій з охолоджуваного повітря, при постійній вологомісткості d, починає випадати крапельна волога. Ненасичене повітря при охолодженні стає насиченим, а потім туманом – у вигляді суміші насиченого повітря та дрібно-крапельної вологи.

Температура по вологому термометру t_м повітря залежить від його температури та вологомісткості. Це температура шару адіабатично насиченого повітря біля поверхні води, що встановлюється за рахунок тепло- і вологообміну між повітрям та водою. Ця температура визначається по термометру з резервуаром огорнутим вологим батистом, нижня частина якого занурена у воду.

Пристрої, що застосовуються для одночасного вимірювання температур по вологому та сухому термометрам, називаються психрометрами. Визначивши температуру повітря по сухому та мокрому термометрам та застосувавши психрометричні таблиці, визначають відносну вологість, а потім і інші параметри повітря. Сучасна вимірювальна техніка дозволяє визначати всі параметри, як навколишнього повітря, так і повітря в приміщенні водночас.

Для кількісної оцінки теплових процесів під час обробки вологого повітря застосовується поняття ентальпії (тепловмісту).

Ентальпія h (кДж/кг) вологого повітря – кількість тепла, що міститься в повітрі, віднесена до 1 кг сухого повітря або до (1+d) кг вологого повітря. За нульову ентальпію (початок відрахунку) приймається ентальпія сухого повітря (d=0) з температурою 0⁰С. Це означає, що ентальпія повітря може приймати як позитивні, так і негативні значення.

Взагалі ентальпію слід розглядати як термодинамічний потенціал системи. Якщо в якості головних незалежних параметрів визначити ентропію s та тиск p

dh = Тds + Vdp. (1.11)

Таким чином, для ізобарних процесів

dh = Тds.

Зміна ентропії відповідно рівнянню Клаузіуса для зворотних процесів та другого закону термодинаміки

. (1.12)

Таким чином, зміна ентальпії (dh) дорівнює кількості тепла (dQ), що додається (або віднімається) в системі.

Прирощення ентальпії ΔН визначають теплові баланси ізобарних процесів, включно з фазовими переходами (випарювання, конденсація, плавлення та інші).

Ентальпія (1+d) кг вологого повітря дорівнює сумі h_с та h_п∙d 1 кг сухого повітря та d кг водяної пари.

h= h_с+ h_пd=С_с t + (r_о+ С_п t)d, (1.13)

де С_с - теплоємність сухого повітря 1 кДж/(кг∙К);

С_п – теплоємність водяної пари1,89 кДж/(кг∙К);

r_о - приховане тепло випарювання води при температурі 0⁰С,

2500кДж/кг;

t - температура повітря, ⁰С.

Таким чином,

h = 1,0t +(2500+1,89t) d (1.14)

або

h = (1,0+1,89 d)t + 2500d =С_влt+ 2500d, (1.15)

де С_вл =1,0+1,89d – теплоємність вологого повітря, яка віднесена до 1 кг сухого повітря.

Перша складова у виразі (1.15) С_влt є явною частиною тепловмісту, яка визначається в основному значенням температури, а друга - 2500d – прихованою, яка змінюється тільки при зміні вологомісткості повітря.

Якщо повітря знаходиться в стані туману, воно може містити не тільки насичену водяну пару в кількості d΄΄, але й d_вод крапельну вологу та d_л кристалів льоду.

У цьому випадку ентальпія такої суміші визначиться як

h=1,0t + (2500+1,89t) d΄΄ + h_вод d_вод+h_л d_л, (1.16)

де h_вод – ентальпія води (кДж/кг), що чисельно дорівнює 4,19t;

h_л - ентальпія льоду (кДж/кг).

Враховуючи теплоту плавлення льоду 335 кДж/кг, а його теплоємкість 2,1 кДж/кг

h_л = (335 – 2,1t).

Під час аналітичних розрахунків параметрів ненасиченого вологого повітря зазвичай застосовують психрометричні таблиці, в яких для зазначеного тиску повітря наводяться значення парціального тиску насиченої водяної пари вологомісткості d", ентальпій насиченого Н_нас повітря в залежності від температури.

1.2 Діаграми вологого повітря та їх застосування

Аналітичний розрахунок та аналіз процесів повітрообробки за наведеними вище рівняннями та психрометричними таблицями є достатньо складним. Значно простіше і зручніше графічний метод з використанням діаграм вологого повітря. Найбільш зручна для побудови процесів кондиціювання повітря у широкому діапазоні параметрів, характерному для всіх режимів функціонування суднових систем кондиціювання повітря є косокутова d, h – діаграма (Рис.1.1). Ця діаграма була розроблена у 1918 році професором Л.К. Рамзіним, а потім у 1923 році – Рихардом Мольє, у зв’язку з чим в європейських джерелах іменується діаграмою Мольє (Mollier’s).

Рис. 1.1 Косокутова d, h – діаграма вологого повітря

Діаграма - d, h є графічною інтерпретацією рівняння 1.14 у косокутній системі координат (кут між вісями зазвичай дорівнює 135⁰). Збільшення куту між вісями дає можливість збільшити робочу зону ненасиченого вологого повітря. З цією метою вісь координат d повертають по годинниковій стрілці на кут α, таким чином, щоб, з урахуванням прийнятих масштабів h і d «нульова» ізотерма була б горизонтальною під кутом 90⁰ до вісі h. Для зручності при застосуванні значення «d» можуть бути нанесені на вісь «d», що відповідає «нульовій» ізотермі.

При визначенні масштабів загальновизнаним є виконання умови: значення ентальпії 2,5 кДж/кг на вісі ординат встановлюється на тій же відстані, що і значення вологомісткості 1 г/кг на вісі абсцис.

Діаграма наповнюється координатною сіткою ліній d=const та h=const, потім по відповідним рівнянням будуються ізолінії t=const, φ=const, ρ=const. Положення ізотерм визначається рівнянням:

h=1,006t+ 2,5d+ 1,86 ∙ 10^-3td кДж/кг.

Побудування ізоліній q=const здійснюється тільки до ізотерми точки кипіння при наданому атмосферному тиску р_б, тобто, до того часу, доки парціальний тиск пари < р_б. В стані кипіння у відімкнутій системі = р_б. у зв’язку з чим лінії φ=const лишаються сенсу. Нижче лінії φ=100% (1) наносяться лінії залежності парціального тиску водяної пари від вологовмісту р_п=f(d). Відповідна шкала значень р_п, зазвичай, показується на ординаті справа або на абсцисі паралельно шкалі d.