книги из ГПНТБ / Хордас, Г. С. Техническое кондиционирование воздуха и инертных газов на судах
.pdfпогоде. 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.
Во время |
погрузки в Нью-Йорке двух однотипных судов «Санта |
Каталина» |
и «Санта Тереза», эксплуатируемых фирмой Грейс Лайн, шел дождь |
со снегом. |
|
По прибытии |
в г. Ливерпул груз на судне «Санта Каталина», оборудованном си |
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
внутренней поверхностью капилляров, достигающей |
нескольких |
сот квадратных метров на 1 кг массы вещества (табл. |
1). |
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
Характеристики твердых сорбентов |
[74] |
|
Таблица 1 |
||
|
|
||||
|
Отношение |
Остаточная |
Достигаемая |
||
|
температура |
||||
|
часового |
влажность газа |
точки росы газа |
||
Осушитель |
объема осу- |
(воздуха) |
(воздуха) |
||
шиваемого |
|
|
|
|
|
|
газа(воздуха) |
|
|
|
|
|
к объему |
г/м3 |
% |
°с |
К |
|
осушител я |
||||
CuS04 (безводный) |
36—50 |
2,3 |
0,36 |
—6 |
267 |
СаС12 (гранулирован |
66—165 |
1,5 |
0,185 |
—14 |
259 |
ный) |
|
|
|
|
|
СаС13 (технический без |
115—150 |
1,25 |
0,155 |
—15,5 |
257,5 |
водный) |
|
|
|
|
|
ZnCl2 |
120—335 |
0,98 |
0,12 |
—18 |
255 |
Ва (С104)2 (безводный) |
26—36 |
0,82 |
0,10 |
—20 |
253 |
NaOH |
75-170 |
0,80 |
0,10 |
—20 |
253 |
СаС12 (безводный) |
75—240 |
0,36 |
0,046 |
—28 |
245 |
Mg(C104)2-3H20 |
65—160 |
0,031 |
0,004 |
—50 |
223 |
кон |
55—65 |
0,014 |
0,0019 |
—56 |
217 |
Si02 (силикагель) |
43—59 |
0,006 |
0,0008 |
—52 |
221 |
CaS04 (безводный) |
75—150 |
0,005 |
— |
—63 |
210 |
СаО |
60—90 |
0,003 |
— |
—65 |
208 |
Mg (С104) (безводный) |
43—53 |
0,002 |
— |
—68 |
205 |
А120 з (активизирован |
36-63 |
0,001 |
— |
—70 |
203 |
ный алюмогель) |
63-66 |
0,00065 |
— |
— |
|
ВаО |
— |
||||
|
|
|
|
|
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.
Физические свойства |
силикагеля исследовали П. 3. Бурбо, |
А. А. Шмыков и др. [14, |
74]. |
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
духа, а в динамических |
условиях •—■при |
непрерывной |
продувке |
||
|
осушаемого |
воздуха |
через |
сорбент. |
|
|
В процессе прохождения воздуха че |
||||
|
рез слой сорбента его влажность |
||||
|
уменьшается, и наиболее глубокое |
||||
|
осушение воздуха должно обеспечи |
||||
|
ваться при низком парциальном дав |
||||
|
лении водяных паров в нем. Поэтому |
||||
|
весьма важным показателем является |
||||
|
высокая поглотительная способность |
||||
Относительная влажность |
сорбента при низком парциальном |
||||
давлении водяных паров в воздухе. |
|||||
воздуха |
|||||
|
На рис. 6, а приведены кривые |
||||
|
поглощения |
водяных |
паров сили- |
||
|
6) |
|
|
|
$ М |
•(55) |
, |
|
т |
|||
3 |
У 8 12 16 20 |
тт ) |
|
" О |
Ш |
Количество позлащенной воды, |
|
Щ |
Содержание водяных |
паров |
|
|
в воздухе, г/м* |
|
% массы силикагеля |
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
ность силикагеля марки КСМ принимают равной 8— 10% массы сорбента. Поглотительная способность силикагеля в значительной мере зависит от температуры.
На рис. 6, б приведены кривые, характеризующие зависимость
поглощения воды |
мелкопористым силикагелем от температуры и |
||||
7, к |
*с |
|
|
|
|
570- \ |
100-л |
|
р,мн рт.ст |
кПа |
|
: |
|
||||
|
|
|
Г3 |
- |
0,0 |
|
|
|
г о |
|
|
|
80- |
|
ТЬ- |
|
1,0 |
350- |
|
- в |
- |
||
|
|
-10 |
|
2,0 |
|
|
70- |
Содержание |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
LiCl б растворе,% |
т20 |
-3,0 |
||
|
|
||||
|
|
50л |
'-30 |
||
|
|
-5,0 |
|||
|
- |
00- |
'7оо |
||
530- |
60 |
|
|
|
|
|
|
с 60 |
|
|
|
|
|
|
-1 0 |
||
|
ЯЦ |
|
-80 |
||
520- |
|
-100 |
|
|
|
|
|
|
-2 0 |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
-200 |
|
|
|
|
|
-ооо |
- 0 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-600 |
-80 |
|
100- |
|
|
-800 |
|
|
|
|
|
|
|
-» 20->
Рис. 7. Зависимость давления паров воды над водными растворами хлористого лития от температуры и концентрации раствора [70].
Пользование номограммой: через точки, соответствующие заданным значе ниям температуры и содержанию хлористого лития врастворе, провести пря мую до пересечения со шкалой давления; точка пересечения дает искомое значение.
содержания водяных паров в воздухе. Как видно из кривых, с повы шением температуры поглощение силикагелем воды из воздуха резко падает при постоянной влажности воздуха. Так, при влажности воздуха 10 г/м3 и температуре 288 К силикагель может поглотить 21% водяных паров своей массы, при 298 К — 13,3%, при 308 К —
8,3% и при 318 К — 5%.
В лабораторных условиях силикагель обеспечивает осушение воздуха до температуры точки росы 215 К, что видно из данных рис. 6, в. Указанная степень осушения может быть получена также и в практических условиях.
2 Г. С. Хордас |
Гос. публичная |
17 |
|
научно-техническая |
|
1 |
библиотека СССР |
|
\ |
FUC -ЕМ ПЛЯР |
|
J__УИЛТА 1:У ~~ГП Р.АПА |
|
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
метно ниже парциального давления абсорбируемых водяных |
паров |
в воздухе. |
лития; |
Чаще всего применяют водяной раствор хлористого |
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
Рис. 8. |
Схема |
воздухоосушительной |
установки |
«Катабар» |
|
|
с жидким сорбентом. |
|
|
1 — охладитель |
раствора; 2 — труба орошения; 3 — вентилятор |
|||
подачи |
осушенного воздуха; 4 — регулятор плотности раствора; |
|||
5 — отделитель раствора; 6 — вентилятор десорбции; |
7 — воздуш |
|||
ный фильтр; 8 — пдогреватель раствора; |
9 — автоматический кла |
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
2* |
19 |