К вопросу совершенствования судовых холодильных установок на судах речного и морского транспорта

УДК 621.56;629.5

В.В. Калекин

К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА СУДАХ РЕЧНОГО И МОРСКОГО ТРАНСПОРТА

Приведены результаты экспериментального исследования поршневых детандер-компрессорных агрегатов, предложена схема судовой воздушной холодильной установки с поршневым детандер-компрессорным агрегатом, представлено обоснование использование указанного типа машин в судовых холодильных установках.

Холодильная машина, холодильная установка, поршневой детандер, поршневой детандер-компрессорный агрегат, самодействующие клапаны, совершенствование

V.V. Kalekin

IMPROVEMENT OF REFRIGERATION UNITS FOR THE SEA AND RIVER VESSELS

The paper presents the results of the pilot study for the piston detander-compressor units, and provides a scheme to the vessels air refrigeration unit with a piston detander-compressor

unit. The author proves the necessity for utilization of the specified type of machines in refrigeration

units of the sea and river vessels.

Refrigerator, refrigeration unit, piston detander, piston detander-compressor unit,

automatic valves, improvement

Судовые холодильные установки эксплуатируются в более сложных условиях, чем стационарные, к которым можно отнести, например, изменение в широком диапазоне температуры и влажности воздуха, температуры забортной воды, интенсивности солнечной радиации; высокую коррозионную активность воздуха и морской воды; наличие вибрации и качки; ограниченность численности персонала и возможности проведения ремонтных работ. Поэтому к судовым холодильным установкам предъявляют особые требования, изложенные в нормативных документах - Морском регистре РФ, Речном регистре РФ и др. Эти технические требования направлены на обеспечение условий безопасного плавания, сохранности перевозимых грузов, охраны окружающей среды.

Судовые холодильные машины работают в основном на хладагентах R12 и R22. Доля аммиачных и воздушных холодильных машин начинает увеличиваться из-за прекращения выпуска R12 и перехода на более дорогой хладагент R134а.

Охлаждение трюмов и твиндеков на судах, оборудованных аммиачными холодильными машинами, обычно рассольное, так как правилами Морского регистра РФ применение аммиака для непосредственного охлаждения трюмов на судах запрещено.

Недостатком рассольной системы по сравнению с системой непосредственного охлаждения является необходимость поддерживать более низкую температуру кипения хладагента, что для паро-компрессионных машин приводит к увеличению энергозатрат. Кроме того, при рассольном охлаждении расходуется дополнительная электроэнергия на работу насоса.

Ввиду вышеизложенного актуальным является вопрос применения в судовых холодильных установках в качестве рабочего вещества воздуха, а именно воздушных холодильных машин. Несомненным достоинством воздушных холодильных машин является отсутствие в них специального хладагента, роль которого в данном случае выполняет бесплатный и безвредный воздух.

Генератором холода в предлагаемых воздушных холодильных машинах для небольших холо-допроизводительностей (до 10 кВт) являются поршневые детандеры и детандер-компрессорные агрегаты (ДКА) с самодействующей системой воздухораспределения. Совершенствование систем возду-хораспределения поршневых детандеров путем замены принудительного привода на самодействующие клапаны дает возможность повышать частоту вращения вала детандера и в этой связи размещать его в одном корпусе с компрессором. Такое конструктивное решение при работе ДКА в составе воздушной холодильной машины для производства умеренного холода и ведет к рациональному использованию мощности, возвращаемой детандером, снижению массогабаритных показателей установки.

Введение в систему газораспределения поршневого детандера самодействующих клапанов создает возможность для повышения частоты вращения вала детандера. Это обстоятельство позволяет размещать детандер с высокооборотным компрессором на одном валу, объединяя их в один детандер-компрессорный агрегат. Поршневые ДКА с самодействующими газораспределительными органами благодаря повышенной частоте вращения, простоте конструкции могут использоваться в качестве генератора холода для воздушной холодильной машины.

В настоящий момент автором совместно с соавторами получены ряд патентов на изобретения, представляющие различные конструктивные исполнения систем газораспределения поршневых расширительных машин.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что поршневой детандер с прямоточным клапаном имеет более высокий холодильный коэффициент и частоту вращения коленчатого вала по сравнению с детандерами с другими типами самодействующих клапанов.

Вариант схемы воздушной холодильной установки, работающей по замкнутому циклу, представлен на рис. 1. Установка была создана на базе Омского института водного транспорта, в качестве ДКА использован поршневой детандер с самодействующим нормально открытым прямоточным впускным клапаном.

Воздух при атмосферном давлении поступает в 1-ю ступень 1 компрессора, сжимается в нем до промежуточного давления (0,4-0,6 МПа), охлаждается в промежуточном холодильнике 2 воздушного охлаждения, поступает во 2-ю ступень 3 компрессора и сжимается до конечного давления 0,8^1 МПа,

после чего снова охлаждается воздухом в концевом холодильнике 4. В маслоотделителе 5 производится его очистка от масла.

Пройдя двухпоточный теплообменник 6, сжатый воздух поступает в детандерную ступень 7, где происходит его расширение до атмосферного давления. Температура воздуха на выходе из детандера составит минус 40-80°С. В теплообменнике 8 холодильной камеры 9 воздух нагревается до плюс 10 - минус 30°С, забирая тепло от охлаждаемого объекта, и поступает в теплообменник 6. В двухпо-точном теплообменнике 6 холодный воздух нагревается до температуры всасывания в компрессор и при этом охлаждает сжатый поток горячего воздуха перед детандером до плюс 30 - минус 10°С.

Рис. 1. Схема воздушной холодильной установки с поршневым детандер-компрессорным агрегатом: 1 - первая ступень компрессора; 2 - промежуточный холодильник водяного охлаждения; 3 - вторая ступень компрессора; 4 - концевой воздушный холодильник; 5 - маслоотделитель; 6 - двухпоточный теплообменник;

7 - детандерная ступень; 8 - теплообменник; 9 - холодильная камера

Двухпоточный рекуперативный теплообменник может быть заменен регенеративным, выполненным из двух секций. В этом случае поочередным включением секций обеспечивается контакт насадки теплообменника то с холодным, то с горячим потоком воздуха. После того как в первой секции накопится влага после прохождения через нее влажного атмосферного воздуха, она переключается на холодный поток, поступающий из камеры (теплообменника 8) и имеющий дефицит влаги. Холодный поток воздуха при нагревании поглощает влагу и выводится в атмосферу.

Схема установки может быть разомкнутой. Холодный воздух после детандера в этом случае непосредственно подается в камеру 9. Исключение теплообменника 8 из схемы производства холода приведет к снижению металлоемкости установки. Но при этом необходимо производить отделение масла из воздуха после детандера, если цилиндр детандера смазывается маслом. Технически эта задача решается, например, переводом детандера на работу без смазки, установкой фильтров и т .п.

По результатам экспериментальных исследований ДКА с прямоточным самодействующим клапаном было установлено, что для обеспечения работоспособности клапана существует определенный диапазон соотношений конструктивных параметров клапана: жесткости и количества пластин, площади проходных сечений в седле и щели клапана и др.

Диаграмма движения запорного элемента самодействующего нормально открытого прямоточного клапана детандера ДКА приведена на рис. 2.

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости изменения температуры воздуха в цилиндре детандера ДКА.

е о ! с у х иг атмосферы <1-

юз дух

Ь,мм 0,6 0.4 0,2 0

V 1 / 1 / / т

1 / 2 / / / / , /

\ 1 /

\ // /

0 2 0 4 0 6 0 8 ¡0 1С Ю Ус ?о ь 40 и э0 К 30 2 00 2; го г 40 2 60 2 80 31 00 3; го з 40 Ф°

Рис. 2. Диаграмма движения запорного элемента самодействующего нормально открытого прямоточного клапана ДКА: (Спл =740 Н/м; ^тах = 0,7 мм) 1 - эксперимент; 2 - расчет

Рис. 3. Быстроменяющиеся температуры в цилиндре детандера: 1 - тарельчатый клапан; 2 - прямоточный клапан

В целом для всех рассмотренных вариантов имело место удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных диаграмм движения запорных элементов клапанов и изменения температуры воздуха в цилиндре детандера ДКА.

Величина угла закрытия клапана детандера в исследуемом ДКА находилась в пределах 20^180° в зависимости от конструктивных параметров клапана (жесткости пластины (пружины) и высоты подъема клапана).

Угол закрытия ф2 = 90° следует считать предельным, при котором обеспечивается детандерный режим работы ступени. Если закрытие клапана не произошло до 90°, то клапан закрывается лишь во время открытия поршнем выхлопных окон, т.е. при ф = 140^180°. В этом случае отсутствует процесс расширения.

Угол закрытия клапана ф2 = 20° является минимально возможным, т. к. при таком режиме хо-лодопроизводительность детандерной ступени близка к нулю.

Из эксперимента установлено, что каждому значению жесткости пластин (пружин) соответствует определенная максимальная высота подъема клапана, при которой закрытие клапана осуществляется в пределах ф2 = 60-90°. Таким режимам соответствовала минимальная температура воздуха на выходе из детандера для прямоточного клапана Тк = 238 К (-35 °С).

Для обеспечения работоспособности ДКА, заключающейся в поддержании достаточно низкой температуры на выходе и высокой холодопроизводительности, необходимо произвести правильный выбор соотношения жесткости пластин (пружин) и высоты подъема запорного элемента клапана.

На основании проведенных исследований было установлено следующее:

- экспериментально подтверждена работоспособность ДКА низкого давления с нормально открытыми самодействующими впускными клапанами различного конструктивного исполнения;

- установлено влияние параметров клапана и режимов работы на интегральные характеристики агрегата: мощность, возвращаемую детандером на вал ДКА, массовую производительность, холодо-производительность, степень снижения температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калекин В.В. Пневмодвигатель - компрессорный агрегат с самодействующими клапанами // Вестник Сумского государственного университета. Сер. Технические науки. Сумы: Изд-во СумДУ, 2005.№ 1 (173).

2. Калекин В.С., Калекин В.В. Поршневые расширительные машины и агрегаты с самодействующими клапанами: монография. Омск: ОИВТ (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013. 151 с.

3. Калекин В.С., Калекин В.В. Поршневые расширительные машины с самодействующими клапанами // Saarbrücken: LAPLAMBERT Academic Publishing, 2013. С. 156.

4. Лорентцен Г. Холод, энергия и окружающая среда // Холодильная техника. 1991. № 5. С. 3-6.

5. Поршневая расширительная машина: Пат. на изобретение № 2206791, МКИ F 01 B 25/02, F 01 L 9/02, F 03 С 1/08. Приоритет от 09.08. 2001 г., опубл. 20.06.2003 г. Бюл. № 17 / А.Д. Ваняшов, В.С. Калекин, С.В. Коваленко, В.В. Калекин.

6. Поршневая расширительная машина: Пат. на полезную модель № 38852 МКИ F 04 B 39/10, 53/10. Приоритет от 03.03. 2004 г., опубл. 10.07.2004 г. Бюл. № 19 / В С. Калекин, В В. Калекин, Д.В. Калекин.

7. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах: учеб. пособие для вузов. СПб.: СПГАХиПТ, 1995. 193 с.

8. Прилуцкий А.И. Совершенствование систем газораспределения компрессорных и расширительных машин: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 1997.

9. Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat. http://www.dissercat.com/content/ razrabotka-i-issledovanie-porshnevykh-detander-kompressornykh-agregatov-s-samodeistvuyushchi# ixzz3ZQpTjWMe.

10. Теплофизические основы получения искусственного холода: справочник / под ред. В.А. Быкова. М.: Пищевая промышленность, 1980. 231 с.

11. Швецов Г.М., Ладин Н.В. Судовые холодильные установки. М.: Транспорт, 1986. 232 с.

12. Major directions of improving pneumatic piston engines / A.P. Zagorodnikov, A.N. Kabakov, V.S. Kalekin, D.V. Kalekin // Chemical and petroleum engineering. 2012. Vol. 48. Iss. 5-6. N. Y.: Kluver academic / Consultant ants bureau. Р. 311-314.

13. System improvement of air distribution in reciprocating pneumatic motors: monograph. / A.N. Kabakov, V.S. Kalekin, D.V. Kalekin, K.A. Kabakov. Yeim, WA, USA: Science Book Publishing House, 2014. 72 p.

14. Kalekin V.S., Kalekin D.V., Zagorodnikov A.P. Working process of forward flow reciprocating gas engine with new gas distribution system // International conference Biofuels for energetic 2009. Prague. Chezh Technical University in Prague, 2009. Chezh republic. С. 12.

15. Sokolow К., Starostin А.Р., Lewschuk А.Т. Der axial kleinverdichter fur die Luftturbokalte maschine: Therm stomungsmasch // Turbo kompressor ind Einsatz. 1992. № 947. С. 369-376.

Калекин Владимир Вячеславович -

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по учебной и научной работе Омского института водного транспорта -филиала Сибирского государственного университета водного транспорта

Vladimir V. Kalekin -

Ph.D., Associate Professor, Deputy Director, Omsk Water Transport Institute (Branch) of Siberian State University of Water Transport

Статья поступила в редакцию 15.02.16, принята к опубликованию 15.06.16