С начала 70-х годов флот рыбной промышленности СССР начал пополняться значительным количеством промысловых судов, оснащенных фреоновыми. В основном это транспортные рефрижераторы зарубежной постройки типа «Остров Русский», «Карл Либкнехт», «Амурский залив», «Охотское море», где для сжатия пара применены винтовые компрессоры. Применение ВМХК, в которых значительное количество теплоты, выделяемой в процессе сжатия, отводится за счет поступления большого количества масла в полость сжатия с последующим его охлаждением в масляных холодильниках, позволяет осуществлять работу перечисленных судов по одноступенчатым циклам в широком диапазоне температур, давлений конденсации и кипения. При этом температура конца сжатая в имеет достаточно низкие значения и может регулироваться за счет изменения расхода воды через масляные холодильники. При отводе теплоты от хладагента маслом в процессе сжатая действительный процесс сжатая R22 отличается от адиабатного и температура конца сжатия оказывается значительно ниже соответствующей температуры теоретического цикла. При этом сокращаются внешние необратимые потери, связанные с отводом теплоты перегрева, по сравнению с адиабатным сжатием.
Рис. 1. Цикл одноступенчатой холодильной установки с винтовым компрессором:
1—2 — сжатие пара в ВК; 2—3 – отвод теплоты перегрева и конденсация в конденсаторе; 3-3“ -переохлаждение насыщенной жидкости; 3-4 – дросселирование в испарительную систему; 4—1 – кипение хладагента в приборах охлаждения; 1 -1 – перегрев пара на всасывании; 1-2 – адиабатное сжатие холодильного агента в теоретическом цикле
Одноступенчатый цикл, по которому работают ХУ вышеперечисленных судов, нельзя считать наилучшим с энергетической точки зрения. Так, при дросселировании цасьнценной жидкости R22 от tK = = 30 °С до t0 = -40 °С почти 35% ее переходит в балластный пар, практически не участвующий в отводе теплоты и отрицательно влияющий на теплообмен в приборах охлаждения.
Повысить энергетическую эффективность фреоновых ХУ, работающих по одноступенчатым циклам, путем сокращения внутренних необратимых потерь позволяет применение регенеративного теплообмена. Однако значительного эффекта за счет переохлаждения жидкости в регенеративных теплообменниках (РТ) одноступенчатых установок достигнуть трудно, что связано с тем, что при регенерации с нарастанием удельной холодопроизводительности увеличивается работа компрессора. Удельная изобарная теплоемкость насыщенной жидкости после конденсатора значительно выше“ теплоемкости насыщенного пара, отсасываемого из испарительной системы. Так, значение удельной изобарной теплоемкости жидкого R22 при температуре 30 °С составляет 1,270 кДж/(кг • К), а теплоемкость пара R22 при температуре -40 °С только 0,569 кДж/(кг • К). Следовательно, перегрев пара R22 на всасывании компрессора на 20 °С в РТ (без учета дополнительного цере-грева за счет внешних теплопритоков) позволяет переохлаждать жидкий R22 менее чем на 10 °С. Если за счет применения РТ в одноступенчатых ХУ достигается переохлаждение R22 на 20 °С, масса балластного пара, образующегося при дросселировании переохлажденной жидкости с давлением 1,15 МПа и температурой 10 °С до давления 0,1 МПа и температуры -41 °С, составляет почти 25% всей массы R22, подаваемого в приборы охлаждения в единицу времени.
Несмотря на сравнительно низкую энергетическую эффективность фреоновых одноступенчатых СХУ с винтовыми компрессорами, они находят распространение благодаря своей простоте, удобству компоновки, сравнительно низким капитальным затратам, легкости обслуживания и широким возможностям для автоматизации.
В 1973 г. рыбная промышленность страны получила головное судно «Прометей» новой серии судов типа РТМ-С. Впервые на серийных добывающих судах были применены фреоновые ХУ с винтовыми компрессорами. Для замораживания рыбы и обеспечения ее холодильного хранения в рефрижераторных трюмах на этих судах применена производственная ХУ на R22, спецификационный режим работы которой осуществляется по двухступенчатому циклу. В отличие от хорошо известных аммиачных двухступенчатых установок в составе производственной ХУ отсутствует промежуточный сосуд. Его роль выполняет комбинация из двух теплообменников — смесительной трубы и переохладителя жидкости. Исключить из состава фреоновой двухступенчатой ХУ громоздкий и металлоемкий промсосуд и заменить его двумя компактными теплообменниками возможно благодаря тому обстоятёльству, что при двухступенчатом сжатии пара R22 нет необходимости осуществлять его полное промежуточное охлаждение ступенями. Температура конца сжатия R22 в ВК может регулироваться в широких пределах за счет впрыска охлажденного масла в полость сжатия компрессора.
Принципиальная схема работы производственной ХУ судов типа РТМ-С приведена на рис. 4.
Хладагент отсасывается из приборов охлаждения ВК СНД и через смесительную трубу нагнетается непосредственно в компрессор СВД. После конденсаторов и линейного ресивера жидкий R22 через жидкостную полость теплообменника для возврата масла (ТВМ) подается в трубки теплообменника-переохладителя кожухотрубного типа, где переохлаждается за счет теплообмена с жидкостью, испаряющейся в межтрубном пространстве. Жидкость дросселируется в межгрубное пространство переохладителя через ТРВ и соленоидный вентиль (СВ), управляемый регулятором уровня. Образовавшийся при испарении жидкости пар R22 через смесительную трубу вместе с паром, нагнетаемым компрессорами СНД, отсасывается СВД. В связи с тем что в верхней части переохладителя над слоем фреона скапливается смазочное масло, уносимое из компрессорных агрегатов, каждый раз при достижении верхнего рабочего уровня жидкости открывается соленоидный вентиль, и насыщенное фреоном масло через установленную в переохладителе на соответствующем уровне воронку отводится в паровую полость ТВМ. При этом происходит дросселирование масло-фреонового раствора от промежуточного давления рпр до давления, соответствующего давлению кипения р0 в приборах охлаждения, так как паровая полость ТВМ подключена к стороне всасывания СНД. В жидкостной полости ТВМ происходит частичное переохлаждение жидкого R22 перед подачей в трубки переохладителя за счет теплообмена с кипящим в паровой полости маслофреоновым раствором.
Рис. 2. Схема работы двухступенчатой холодильной установки супертраулера типа «Прометей»
Рис. 3. Цикл двухступенчатой холодильной установки супертраулера «Прометей»
После переохлаждения в трубках переохладителя жидкий R22 подается к приборам охлаждения.
Схемой предусмотрена возможность работы холодильной установки по одноступенчатому циклу. Для этого имеются разобщительные вентили и дополнительные трубопроводы, соединяющие стороны нагнетания и всасывания СВД и СНД. Одноступенчатый режим применяется преимущественно для охлаждения грузовых трюмов при неработающих морозильных аппаратах.
Для лучшего представления процессов, изображенных на диаграмме, рядом приведена цикловая схема последовательных изменений термодинамических параметров состояния хладагента. На рис. 4 цифры, обведенные кружками, обозначают точки, соответствующие состояниям хладагента в диаграмме.
Цифрами обозначены: точка 1 — перегретый пар R22, образующийся в результате смешения имеющего некоторый перегрев пара после воздухоохладителей морозильных аппаратов (7“), перегретого пара после РТ воздухоохладителей грузовых трюмов (7») и смеси сухого насыщенного пара и смазочного масла после ТВМ (7»“); 1—2 — политроп-ное сжатие пара R22 в СНД; 2-2» — промежуточное охлаждение пара, нагнетаемого СНД, в смесительной трубе и во всасывающем трубопроводе СВД в результате смешивания перегретого пара после СНД (2), влажного пара, образующегося в процессе дросселирования части жидкости после линейного ресивера (8“), и сухого насыщенного пара, отсасываемого из межтрубного пространства переохладителя (2»“); 2 —3 — политропное сжатие пара в компрессоре СВД; 3—4 — снятие
перегрева, конденсация и некоторое переохлаждение R22 в конденсаторе и линейном ресивере; 4—5 — частичное переохлаждение жидкости в ТВМ; 4—8“ — дросселирование части жидкости в смесительную трубу; 5-6 — переохлаждение основного потока жидкости в трубках переохладителя; 4-8 – дросселирование части жидкости в межтрубное пространство переохладителя; 6-7 – переохлаждение жидкости в РТ грузового трюма; 6-9 – дросселирование переохлажденной жидкости через ТРВ в трубки переохладителей морозильных аппаратов; 7-9“ — дросселирование переохлажденной жидкости в трубки воздухоохладителей трюмов; 8-2» – парообразование в переохладителе; 8-8» — отделение жидкости от пара в переохладителе; 8»-9» — дросселирование масло-фреонового раствора в теплообменник для возврата масла; 9»-1»“ — вскипание масло-фреонового раствора в ТВМ; 9 — 7IV — испарение жидкости в трубках воздухоохладителей грузовых трюмов; l»-l» — перегрев пара в РТ грузовых трюмов; 9—1“ — испарение жидкости в трубках воздухоохладителей морозильных аппаратов.
На диаграмме достаточно хорошо видны преимущества рассмотренного цикла с энергетической точки зрения по сравнению с одноступенчатым циклом. Благодаря высокому значению удельной теплоты парообразования жидкости, содержащейся во влажном паре, распыляемом в смесительной трубе, температура пара, отсасываемого СВД из смесительной трубы, может быть весьма близкой к температуре сухого насыщенного пара при промежуточном давлении. Перегрев пара на всасывании высокой ступени в данном случае определяется только настройкой ТРВ и последовательностью включения СВ, чтобы обеспечить температуру всасывания СВД 15…20 °С и не допустить работу компрессора СВД влажным ходом. В результате внешне необратимые потери, связанные с отводом теплоты перегрева рассматриваемого цикла, значительно ниже, чем для аналогичного одноступенчатого цикла. Переохлаждение жидкости в переохладителе позволяет получить практически без увеличения энергозатрат значительный прирост холодопроиз-водительности установки. Переохлаждение жидкости от 20 до 0 °С дает увеличение холодопроизводительности установки не менее чем на 15%. Дросселирование в приборы охлаждения переохлажденной жидкости приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и снижению внешне необратимых потерь, связанных с наличием разности температур между охлажденным воздухом и хладагентом в трубках воздухоохладителей. Переохлаждение препятствует вскипанию хладагента перед ТРВ, и ТОВ работает более стабильно. Инструкцией по эксплуатации предусмотрено последовательное переохлаждение жидкости в ТВМ и переохладителе с 30…35 до 12…20 °С. Однако при соответствующей перенастройке ТРВ и максимально возможном снижении давления и температуры конденсации можно достичь температуры хладагента после переохладителя 0…5 °С, в результате чего повышается эффективность эксплуатации производственной ХУ судов типа «Прометей». Применение регенеративных теплообменников (РТ), позволяющих еще сильнее переохлаждать жидкость за счет перегрева отсасываемого компрессорами пара R22, также позволяет повысить энергетическую эффективность ХУ. Из рис. 5 видно, что точка 9 лежит значительно левее точки 9“. Приведенные данные подтверждаются тем, что на ряде новых судов, построенных в 1986…1987 гг., установлены морозильные аппараты LBH-31,5, в изолированном контуре которых смонтированы РТ для переохлаждения жидкости перед ТРВ. При этом, несмотря на уменьшенную площадь поверхности воздухоохладителей морозильных аппаратов (1356 м2) по сравнению с ранее применявшимися (1645 м2), их производительность не только не уменьшилась, но и возросла за счет «мокрого хода» испарительной системы.
Начиная с 1975 г. на судах типа РТМ-С вместо двухступенчатых установок применяются одноступенчатые (суда типа «Цемесская бухта»). В это же время флот рыбной промышленности начал пополняться большими автономными траулерами (БАТМ) отечественной постройки типа «Пулковский меридиан», фреоновые одноступенчатые ХУ которых по принципу работы и составу холодильного оборудования во многом идентичны ХУ супертраулеров типа «Цемесская бухта». Распространение одноступенчатых фреоновых ХУ имеет ряд преимуществ. Однако с точки зрения расхода энергии на обработку холодом единицы продукции их эффективность значительно ниже, чем двухступенчатых.