Файл: КАК РАБОТАЕТ ХОЛОДИЛЬНИК.pdf

Для понижения температуры воздуха в закрытом помещении (аппарате) и поддержания ее на заданном уровне помещение (аппарат) необходимо охлаждать, т. е. отводить из него теплоту, например, с помощью холодильной машины. С момента понижения температуры помещения (аппарата) tnм в него начинает проникать теплота из окружающей среды, возникают и другие теплопритоки. Скорость изменения температуры tnм прямо пропорциональна разности между теплопритоком QT в - помещение (количеством теплоты в джоулях, проникающим в помещение и выделяющимся в нем в единицу времени, например в секунду) и теплоотводом Qo из него (холодильной мощностью в ваттах испарителя холодильной машины или установленных в помещении охлаждающих приборов) н обратно пропорциональна коэффициенту тепловой емкости С объекта (1.1) dtnм /dτ = (QТ – Qo)/C Здесь коэффициент тепловой емкости С (Дж/К) представляет co6oй количество теплоты, которое нужно подвести к объекту или отвести от него, для того чтобы изменить температуру помещения (аппарата) на 1 К. Равенству dtnм /dτ = 0 соответствует наступление равновесия между теплопритоком и теплоотводом, характеризуемое уравнением теплового баланса (1.2) QT=Qo, и самоустановление определенной температуры воздуха tnм в охлаждаемом помещении (или любой среды в охлаждаемом аппарате),, называемой равновесной температурой. Уравнение теплового баланса, включающее теплопритоки от различных источников при стационарном режиме, может иметь следующий вид: (1.3) QH+QГР+QBH=Qo, где QH — теплоприток через ограждения; Qrp — теплоприток от обрабатываемых грузов; QBH - теплоприток от источников, расположенных внутри помещения (от людей, от осветительных приборов, от двигателей и т. п.).

УВЛАЖНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ОГРАЖДЕНИЯХ ХОЛОДИЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ И БОРЬБА С ЭТИМ ЯВЛЕНИЕМ

Увлажнение изоляционных материалов в ограждениях на некоторых действующих холодильных предприятиях нередко является причиной резкого ухудшения работы холодильной установки. Поэтому борьба с увлажнением материалов в ограждениях всегда должна быть объектом внимания и проектировщика, и эксплуатационника. Подавляющее большинство теплоизоляционных материалов поглощает как парообразную, так и капельную воду, и поэтому в обычных условиях они являются влажными. Это связано прежде всего со структурой самих материалов, являющихся капиллярно-пористыми коллоидными телами. Коллоидные тела относятся к мелкодисперсным двухфазным системам. Благодаря большой раздробленности частицы твердой фазы имеют весьма развитую поверхность. В теплоизоляционных материалах частицы дисперсной фазы связаны между собой и образуют более или менее жесткие пространственные структуры - сетки или каркасы, являющиеся оболочками пор и капилляров в материале. При изменении температуры и содержания влаги такие тела изменяют свои физические свойства в степени, зависящей от характера связи материалов с поглощенной жидкостью. По классификации академика П. А. Ребиндера, все формы связи капиллярно-пористых тел с поглощенной влагой делятся на три большие группы: 1) химическая связь; 2) физико-химическая; 3) физико-механическая. Химическая связь характеризуется наибольшей прочностью и совершенно точными соотношениями между количествами сухого материала и присоединенной влаги, не изменяющимися при изменении внешних условий. Присоединение воды происходит в процессах гидратации и кристаллизации (образование кристаллогидратов). Химически связанная влага не удаляется даже при нагревании материала до 120—150° С. Формам физико-химической связи свойственны различные, но определенные соотношении между количествами сухого материала и влаги, соответствующие условиям внешней среды. Из форм физико-химической связи наибольшее значение имеет адсорбционно-связанная влага (гигроскопическая влага). Поступление гигроскопической влаги в материал и ее продвижение в материале происходит в парообразном состоянии. Формы физико-механической связи еще менее прочные, и им соответствуют неопределенные соотношения между количествами сухого материала и поглощенной воды, которые, однако, могут 114 иметь предельные значения. Поглощение влаги при таких формах связи происходит при непосредственном соприкосновении материала с капельной влагой. Влагой в формах физикомеханической связи являются капиллярная влага, перемещающаяся в микро-(r < 0,1 мкм) и в макрокапиллярах (r> 0,1 мкм), а также влага смачивания, удерживающаяся в порах материалов в результате прилипания воды к стенкам оболочек пор. Обе формы физико-механической связи вызваны наличием поверхностного натяжения у жидкостей. Каждой последующей форме связи влаги с материалом соответствует все возрастающее содержание влаги. Если поступление влаги в материал продолжается, то появляется вода, не имеющая никакой связи с материалом — физически свободная, которая носит название гравитационной влаги, так как она перемещается в материале под действием гравитационных сил и, следовательно, только в одном направлении. Количество водяного пара, которое может сорбировать (поглощать) тот или иной материал, характеризует его гигроскопичность. Этой способностью разные материалы обладают в различной степени. Адсорбция водяного пара поверхностью частиц оболочек происходит под действием электромолекулярных сил притяжения между молекулами материала и водяного пара. В результате частицы материала покрываются тонкой жидкостной пленкой, толщиной в одну (мономолекулярный слой) или несколько молекул (полимолекулярный слой). Значительные величины электромолекулярных сил притяжения способствуют тому, что частицы воды в пленке, окружающей частицы твердой фазы, находятся под давлением сотен и тысяч мегапаскалей. При большом давлении, под которым находится гигроскопическая влага, температура замерзания этой воды значительно понижается. Часть гигроскопической влаги не замерзает даже при - 80° С. Если сухой материал находится некоторое время в атмосфере влажного воздуха, то он адсорбирует из воздуха водяной пар в совершенно определенном (для данного материала) количестве, зависящем от состояния воздуха. Видимое поглощение пара из воздуха прекращается при достижении подвижного равновесия между влажным воздухом и влажным материалом. При равновесии давление насыщенного пара над поверхностью водяной пленки в материале оказывается равным парциальному давлению водяного пара в окружающем влажном воздухе. Содержание влаги в материале в состоянии равновесия приобретает некоторое постоянное значение, называемое равновесной гигроскопической влажностью или равновесной влажностью материала. Материалы, имеющие значительную равновесную влажность, называются гигроскопичными. Равновесную влажность материалов определяют опытным путем после выдержки (в течение 1 сут) образцов в атмосфере влажного воздуха различной установленной влажности, Результаты опытов изображаются графически в виде кривых равновесной влажности или изотерм сорбции влаги (рис. 3.3), поскольку процесс сорбции обычно исследуется при постоянной температуре. Ордината любой точки кривой дает величину равновесной влажности материала, соответствующей данной влажности воздуха. Равновесная влажность материала, отвечающая насыщенному воздуху, называется максимальной гигроскопической влажностью. Область в диаграмме выше кривой равновесной влажности является областью капиллярной влажности. Если, например, при t1 и влажности воздуха φ = 75% материал имеет влажность, определяемую ординатой точки А, то можно утверждать, что в материале имеется еще и 115 капиллярная влага. Равновесная влажность материала убывает с повышением температуры (x2< x1). Для иллюстрации в табл. 3.4 приведены величины равновесной влажности некоторых органических и неорганических материалов в интервале температур 0—35° С. Данные таблицы подтверждают высокую гигроскопичность материалов органического происхождения по сравнению с неорганическими материалами. Так как материалы все время находятся в атмосфере влажного воздуха, то гигроскопичные материалы всегда оказываются влажными, т. е. содержат влагу в количестве, определяемом величиной равновесной влажности (воздушно-сухой материал). По этой причине при выполнении расчетов нельзя пользоваться данными для коэффициентов теплопроводности материалов в сухом состоянии, так как материалы всегда содержат некоторое количество влаги, что иногда существенно увеличивает коэффициент теплопроводности. Материал, который содержит влагу в количестве, превышающем равновесную влажность, называют увлажненным. С явлением увлажнения изоляции можно и нужно бороться. Максимальное количество связанной влаги, какое может содержать материал, обычно значительно выше максимальной гигроскопической влажности и определяется величиной влагопоглощения, зависящей от структуры оболочек материала (пор, капилляров) и от смачиваемости жидкостью его частиц (прилипания).

Изоляция стены многоэтажного холодильника

Современные одноэтажные холодильники имеют наружный каркас или внутренний, состоящий из стальных колони 6 и балок 10 или ферм. К колоннам крепятся изолированные шитые панели 7, а на балки укладываются потолочные панели 8. Изолированные многослойные панели типа "сэндвич" имеют наружную 14 и внутреннюю 15 оболочки из стального или алюминиевого листа толщиной 0,8-1,0 мм (иногда гофрированного) и заполнены пенополиуретаном 11, имеющим коэффициент теплопроводности 0,019-0,020 Вт/(м·К). Панели выполняются шириной 1,2-1,5м и длиной до 24 м. Они могут монтироваться или горизонтально, или вертикально, как это делается при строительстве одноэтажных высотных холодильников.

Конструкция изоляции холодного трубопровода

Изоляционная конструкция должна по возможности восполнять недостающие качества теплоизоляционного материала. При рассмотрении свойств теплоизоляционных материалов указывалось, что материалов, полностью удовлетворяющих веем предъявляемым к ним требованиям, не существует. Поэтому часто приходится применять материалы, наиболее доступные, даже в том случае, если они обладают и нежелательными свойствами. В таком случае изоляционной конструкции должны быть предусмотрены элементы, позволяющие уменьшить влияние этих свойств материалов на работу изоляционной конструкции. Можно показать применение этого положения на некоторых примерах. Иногда приходится применять сгораемые или неогнестойкие материалы. Для уменьшения возможных вредных последствий от пожара изоляции изоляционный слой разбивается на отсеки 133 при помощи горизонтальных и вертикальных противопожарных поясов шириной 500 мм из несгораемых изоляционных материалов, например из асбовермикулитовых или перлитогелевых плит. В случае возникновения пожара огонь локализуется в пределах одного отсека и не сможет распространиться дальше по изоляционному слою. Обычно максимальная площадь отсека для сгораемых материалов не должна превышать 500 м 2 , для трудносгораемых - 1000 м 2 . Некоторые теплоизоляционные материалы имеют недостаточную механическую прочность, и на них нельзя передавать нагрузку того или иного вида. В этом случае в изоляционной конструкции должны быть предусмотрены силовые (разгрузочные) элементы, которые примут на себя вес груза или другую нагрузку. Некоторые теплоизоляционные материалы, особенно органического происхождения, разрушаются грызунами. В этом случае следует предусматривать в конструкциях элементы, которые препятствуют доступу грызунов в изоляцию. Например, по внутренней поверхности теплоизоляции стен (со стороны охлаждаемого помещения) на высоту до 70 см от пола укладывают стальную сетку с ячейками 10 X 10 мм или слой стеклянной ваты (10- 20 мм толщиной). На некоторых зарубежных холодильных установках применяют систему постоянного осушения изоляции в процессе ее эксплуатации при недостаточно хорошем слое пароизоляции или при невозможности по тем или иным причинам выполнить слой пароизоляции необходимой толщины. В этой системе парциальное давление водяного пара у холодной поверхности ограждения понижается ниже давления водяного пара в воздухе охлаждаемого помещения; таким путем можно добиться, чтобы линия давления пара рх (например, на рис. 3.5, а), выходя из точки d, шла с таким увеличенным наклоном, который обеспечил бы ее расположение во всем ограждении ниже линии давления насыщенного пара р˝х. Достигается это тем, что у внутренней поверхности всех ограждений в изоляции прокладываются каналы с окнами (при изоляции ограждений плитами теплоизоляционного материала выдалбливают желобки в самих плитах), по которым циркулирует осушенный воздух, поглощающий влагу из изоляции. Для осушения воздух из каналов направляют в воздухоохладитель, где он охлаждается, а влага из него выпадает в виде инея на поверхности воздухоохладителя; если же такое осушение не позволяет достичь необходимой сухости воздуха, воздух пропускают через химические осушители, в которых влага поглощается адсорбентами. Подобный метод может применяться и для сушки (восстановления) увлажненной изоляции при ее ремонте.

Линия теплового потока и изотермические поверхности в изолированном ограждении

Все предыдущие расчеты теплопрохождения через ограждения строились на предположении, что тепловой поток идет по направлению, перпендикулярному поверхности ограждения и с одинаковой плотностью, а линии теплового потока параллельны друг другу. По этой причине изотермические поверхности в ограждении оказывались параллельными поверхности ограждения. Включение в слой теплоизоляционного материала элементов с более высокой теплопроводностью вызывает в них концентрацию теплового потока, а такие искривление линий потока, поэтому искривляются и изотермические поверхности. Искривление происходит не только в самом включении, но распространяется и на соседние к нему участки теплоизоляционного материала, и оно тем больше, чем значительнее отличаются друг от друга коэффициенты теплопроводности теплоизоляционного материала и материала включения. Если коэффициент теплопроводности материала включения не слишком значительно (примерно до 10 раз) отличается от коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала, то вычисление коэффициента теплопередачи можно упростить, придав изотермам, более простой характер протекания, но отличающийся от действительного. Применяются два способа расчета такого рода конструкций. По первому способу изоляционную конструкцию разбивают на зоны мысленными, абсолютно нетеплопроводными и бесконечно тонкими перегородками (мембранами), перпендикулярными поверхности ограждения. Таким образом, каждая зона должна включать однородную часть конструкции, а вся конструкция оказывается состоящей из параллельно включенных проводников теплоты. Изотермические поверхности в каждой зоне параллельны поверхности ограждения, но смещены по отношению к соседней зоне, поскольку в более теплопроводном элементе происходит уплотнение линий теплового потока.

Некоторые вопросы производства изоляционных работ и эксплуатации изолированных ограждений

Тщательное выполнение работ по изоляции ограждений является одним из главных условий долговечности и надежности изоляционной конструкции. Изоляционные работы всегда являются скрытыми, так как установить качество их выполнения после окончания работ оказывается практически невозможным ввиду того, что элементы конструкции, требующие наибольшей тщательности выполнения, оказываются закрытыми последующими слоями ограждения. Поэтому при выполнении изоляционных работ должна производиться промежуточная (пооперационная) приемка подготовленной под изоляцию поверхности, нанесенного слоя пароизоляции и затем слоя теплоизоляции. Каждый последующий слой разрешается выполнять после приемки предыдущего. При освидетельствовании обмазочной пароизоляции, которая наносится не менее чем в два слоя, проверяется одинаковость толщины слоя в различных местах поверхности, непрерывность слоя, плотность его прилегания к поверхности, тщательность выполнения слоя в местах прохода трубопроводов или каких-либо других деталей через пароизоляцию. При осмотре наклеенной пароизоляции, кроме того, проверяется герметичность стыков, выполняемых с перекрытием полотнищ, и отсутствие острых углов и переломов в местах сочленения поверхностей. Во время осмотра теплоизоляции проверяют соответствие изоляционной конструкции проекту, соответствие толщины слоя теплоизоляции проектному размеру, плотность наклейки штучных материалов, перекрытие швов, тщательность заделки швов, правильность поверхности. При производстве работ следует наблюдать за тем, чтобы при наклейке теплоизоляционного материала не образовывался промежуточный пароизоляционный слой. Большое значение имеет правильная эксплуатация изоляционных конструкций. Прежде всего необходимо следить за состоянием ограждений и принимать меры к немедленному их ремонту. Течи в кровлях, трещины в наружных стенах часто оказываются причиной увлажнения изоляции. Следует также вести наблюдение за состоянием ограждений и с внутренней стороны здания. Повреждения поверхности ограждений (например, тележками) должны немедленно устраняться. Не следует нарушать установленный температурный режим в охлаждаемом помещении. Длительное и значительное повышение температуры в помещении при наличии пароизоляционного слоя с наружной стороны в зимнее время может вызвать конденсацию влаги в ограждении, так как пароизоляционный слой в данном случае окажется с холодной стороны изоляции. Значительное понижение температуры в помещении также может вызвать появление зоны конденсации в изоляции, так как сопротивление имеющегося пароизоляционного слоя может оказаться недостаточным при увеличившейся разности парциальных давлений пара. При таком понижении температуры из-за недостаточно низкого, не соответствующего увеличенной разности температур коэффициента теплопередачи ограждения, на наружной поверхности ограждения может конденсироваться водяной пар из воздуха. Поэтому существенному понижению температуры в охлаждаемом помещении должно обязательно предшествовать необходимое изменение изоляционной конструкции. Для наблюдения за состоянием изоляции желательны регулярная проверка коэффициента теплопередачи ограждений измерителями тепловых потоков и регулярная проверка влажности изоляционных материалов путем взятия проб из сомнительных мест. Сравнение результатов проверки изоляции с расчетными величинами или с данными предыдущих испытаний дает основание для суждения о качестве изолированного помещения и о происшедших изменениях свойств теплоизоляционного и пароизоляционного материалов.

Графическое определение оптимального перепада температур

Подобные расчеты, выполненные И. С. Бадылькесом (ВНИХИ), показали, что оптимальная разность температур tПМ — t0 в случае охлаждения воздуха лежит в пределах 7 - 10 К для батарей и 6 - 8 К для воздухоохладителей; в испарителях для охлаждения жидкостей эта разность температур 4—6 К. Поэтому температура кипения для систем непосредственного охлаждения воздуха обычно равна t0 = tПМ — (6 ÷10); а для охлаждения жидкостей t0 = tПМ — (4 ÷6); в отдельных технологических аппаратах в целях ускорения процесса обработки она выбирается и значительно более низкой. При проектировании автоматизированных холодильников площадь поверхности охлаждающих приборов F0, полученную по выражению (4.24), увеличивают на 20% (т. е. предусматривается работа охлаждающих приборов с коэффициентом рабочего времени b = 0,8). 157 Объединение помещений и аппаратов по уровням температуры в них является, следовательно, их объединением по температурам кипения. Путем суммирования расчетных нагрузок на компрессор определяется холодильная мощность установки по каждой температуре кипения. При выполнении приближенных расчетов теплопритоки: могут находиться по укрупненным показателям, отнесенным к 1 м 2 площади помещения или к единице выпускаемой продукции. В табл. 4.4 в качестве примера приведены некоторые из таких показателей, указывающих суммарный теплоприток в различные охлаждаемые помещения. При использовании укрупненных показателей весь расчет теплопритоков заключается в умножении удельного теплопритока на площадь помещения, т. е. Q = qF × F. Разумеется, такой расчет неточен, но зато он позволяет дать быстрый ответ.