9. Тепловые насосы

Тепловым насосом называется машина, работающая по обратному циклу и предназначенная для отопления помещений.

Цикл теплового насоса отличается от цик­ла холодильной машины тем, что он совершает­ся в интервале температур выше температуры окружающей среды , которая является границей между этими циклами. Окружаю­щая среда в ХМ служит приемником теплоты, а в тепловом насо­се - ее источником. При осуществлении теплонасосного цикла рабочее вещество получает теплоту от окружающей или другой среды и передает ее вместе с тепловым эквивалентом затра­чиваемой работы нагреваемому воздуху с более высокой темпера­турой. В результате затраты этой работы тепловой насос превращает теплоту низкого температурного потенциала в тепло­ту более высокого потенциала.

Энергетическая эффективность компрессионного теплового насо­са оценивается отопительным коэффициентом.

Холодильные машины и теп­ловые насосы одинаковы по принципу действия и устройству. Схема одноступенчатой ПКХМ, которая может быть использова­на как тепловой насос, при не­посредственном охлаждении и нагревании воздуха показана на рис.12.

В режиме теплового насоса ра­бочее вещество кипит в конденса­торе-испарителе, получая необходимую для кипения теплоту от прокачиваемой через конденсатор за­бортной воды и охлаждая ее. Образовавшийся пар отсасывается ком­прессором из конденсатора-испарителя через запорный клапан ЗКЗ. После сжатия горячий пар нагнетается компрессором через ЗК4 в испа­ритель-конденсатор, служащий в режиме отопления конденсатором.

Рис. 12. Схема компрессионной холодильно-теплонасосной машины.

В нем рабочее вещество охлаждается воздухом и конденсируется, отдавая теп­лоту воздуху и нагревая его. Затем жидкое рабочее вещество возвращается в конденсатор-испаритель через регулирующий клапан теплового насоса. Таким образом, чтобы ХМ перевести в режим теплового насоса при непосред­ственной системе охлаждения и отопления, изменяется направление движения рабочего вещества через теплообменные аппараты и

их назначение, а при водяной системе охлаждения и отопления помещений осуществляется ревер­сирование промежуточного теплоносителя (воды).

Все запорные клапаны конструктивно объединяются в один переключа­тель режимов, выполняемый в виде четырехходового крана. Если дополни­тельный регулирующий клапан теплового насоса не устанавливается, то требуется еще один четырехходовой кран. Отечественные тепловые насосы состоят из компрессорно-конденсаторных и испарительно-ресиверных агрега­тов, станций переключений, щитов управления и сигнализации.

9. Системы охлаждения судовых помещений

Oхлаждающей системой называется система, предназначенная для отвода теплоты от воздуха охлаждаемого помещения и передачи ее хладагенту в испарителе. Систему образуют охлаждающие приборы, насосы вентиляторы, приборы автоматики, трубопроводы и другое оборудование.

Непосредственной системой называют систему охлаждения, в которой хладагент кипит внутри оребренных змеевиков испарительных батарей, размещенных непосредственно в охлаждаемом помещении на его стенках (рис.13,а). В таком случае охлаждающие батареи являются испарителями ПКХМ.

Правила Речного Регистра России разрешают применять непосредственную систему для охлаждения рефрижераторных трюмов, а также непосредственные воздухоохладители только при использовании хладонов. Чтобы исключить возможность утечки хладагента в пределах грузового помещения, а также выгородки для воздухоохладителей, стальные трубопроводы хладагента соединя­ются сваркой встык, а медные — сваркой или пайкой твердым припоем.

При системе охлаждения с хладоносителем рефрижератор­ный трюм охлаждается промежуточным хладоносителем (водным раствором соли хлористого кальция, имеющим наиболее низ­кую температуру замерзания). Охлаждающие батареи экранируют все стенки трюма, кроме днища. Холодильная установка имеет два замкнутых контура циркуляции: хладагента и рассола (рис.13,б). При прохождении по трубам рассольных батарей хо­лодный рассол нагревается на 1...4°С, а помещение охлаждается. Нагретый рассол охлаждается кипящим хладагентом в рассольном испарителе. Циркуляция рассола через батареи и испаритель осуществляется рассольным насосом.

Рис.13. Схемы систем охлаждения помещений

а - непосредственная; б – с промежуточным хладоносителем; в – воздушная

ИБ – испарительная батарея, РН – рассольный насос, РБ – рассольная батарея, ВО – воздухоохладитель, В – вентилятор, НК – нагнетательный канал.

Для устранения контакта рассола с воздухом система должна быть закрытой (с расширительным баком), что предотвращает по­падание кислорода и влаги из воздуха в холодный рассол и преду­преждает интенсивную коррозию оборудования и понижение концентрации рассола. Расширительный бак, присоединяемый к верх­ней точке системы, служит одновременно для выпуска воздуха из нее и компенсации температурных изменений объема рассола.

При воздушной системе рефрижераторный трюм охлаждается холодным воздухом. Последний при прохождении через помещение нагревается, а помещение охлаждается. Система охлаж­дения с вертикальным распределением и нижней подачей воздуха изображена на рис.13,в. Нагретый воздух всасывается осевым вентилятором через приемные окна, расположенные в верхней части трюма, прогоняется через воздухоохладитель и охлаждается кипя­щим хладагентом. Охлажденный воздух возвращается в трюм по нагнетательному днищевому воздухораспределительному каналу, в качестве которого используется полость между тепловой изоляцией днища и верхней перфорированной стенкой канала. Такая стенка служит одновременно решеткой для размещения перевозимого гру­за. Через зазоры в решетке воздух подается под груз по всей площа­ди трюма.

Воздушные системы обеспечивают равномерное распределение воздуха и температуры по всему объему охлаждаемо­го помещения.

Воздухоохладители и вентиляторы устанавливаются непосредст­венно внутри трюма (в выгородке, отделенной от него неизолирован­ной перегородкой, или вне трюма в специальных рубках на верхней палубе). Процесс охлаждения воздуха одновременно сопровождается осушением, так как при ох­лаждении содержащийся в нем водяной пар конденсируется на по­верхности охлаждающего прибора в виде инея или росы.

Сравнение систем охлаждения. Основными преимуществами не- посредственной системы являются простота, компактность, легкость. Объясняется это в основном тем, что выкипающий хладагент отводит значительно больше теплоты, чем нагревающийся рассол, поэтому диаметры труб для жидкого хладагента меньше, чем для хладоносителя. Отсутствие промежуточного хладоносителя позволяет начинать охлаждение сразу после включения компрессора и быст­ро понижать температуру в охлаждаемом помещении.

Основные недостатки непосредственной системы - опасность уте­чек хладагента при разгерметизации соединений трубопроводов (вследствие вибрации и деформаций корпуса судна) и сложность ав­томатизации системы. В такой системе трудно равномерно распреде­лить хладагент по охлаждающим батареям. Недостатком является также большая емкость системы хладагента и повышенный расход его на заполнение длинных разветвленных трубопроводов и охлаж­дающих батарей.

Преимуществами рассольной системы охлаждения являются большая безопасность и надежность в работе. Холодный рассол, содержащийся в змеевиках батарей, служит хорошим аккумулято­ром холода и потому облегчает поддержание постоянной температу­ры в трюме. К преимуществам относятся также малая емкость систе­мы хладагента, меньшая вероятность его утечек, удобство регули­рования температур в трюмах (отключением части рассольных ба­тарей), простота автоматизации.

Вследствие теплообмена в условиях естественной конвекции воз­духа в трюме коэффициент теплопередачи охлаждающих батарей оказывается малым, а их теплообменная поверхность - большой. Поэтому рассольная система получается громоздкой, тяжелой, доро­гой. Длина рассольных труб на судне исчисляется километрами. По сравнению с непосредственным охлаждением при рассольной системе требуются дополнительные капитальные затраты на испари­тели, насосы и другое оборудование, а также большая площадь реф­рижераторного машинного отделения для размещения холодиль­ного оборудования. Рассол корродирует трубы и батареи, сокращая срок их службы.

Непосредственные, рассольные батарейные систе­мы охлаждения подходят для хранения замороженных продуктов. Вследствие недостатков, присущих системе ох­лаждения с хладоносителем, область ее использования непрерывно уменьшается. Рас­сольную систему целесообразно применять тогда, когда охлаждае­мые помещения находятся на значительном расстоянии от ХМ и трубопроводы охлаждающей системы получаются длинными и раз­ветвленными.

Хранение скоропортящихся продуктов требует регулирования не только температуры, но также влажности, скорости движения,, интенсивности циркуляции воздуха в охлаждаемом помещении. Воздушное охлаждение является самым совершенным способом поддержания регулируемого температурно-влажностного режима в трюмах, необходимого для длительного хранения тепло- и газовыде­ляющих грузов (фруктов, овощей), перевозимых при положитель­ных температурах и подлежащих обязательной вентиляции, а также охлажденных грузов. Интенсивная принудительная циркуляция обес­печивает равномерное распределение температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха по всему объему трюма, что способствует сохранности перевозимых продуктов и препятствует образованию плесеней.

Вследствие принудительного перемещения воздуха через возду­хоохладитель с высокой скоростью (3 ... 10 м/с) его коэффициент теплопередачи оказывается во много раз больше, а площадь теплообменной поверхности меньше, чем у охлаждающих батарей или панелей при естественной конвекции воздуха. Поэтому масса, ме­таллоемкость и стоимость оборудования воздушной системы меньше, чем с хладоносителем. Принудительное перемещение воз­духа в трюме вентиляторами значительно интенсифицирует тепло­обмен между грузом и воздухом в трюме, что существенно уменьшает длительность первоначального охлаждения или доохлаждения про­дуктов.

Недостатком системы воздушного охлаждения является возможность обезвоживания перевозимого груза. Поэтому появляется необходимость перевозки только упакованного груза.

Существенные преимущества воздушной системы обусловили широкое применение ее на универсальных рефрижераторных су­дах, пригодных для перевозки любых скоропортящихся грузов, так как данная система приспособлена для изменения температурно-влажностных и вентиляционных режимов хранения различных гру­зов.