Анализ систем охлаждения универсальных судов, используемых для транспортировки бананов и других видов тропической плодовой продукции, наиболее полно рассмотрен в работах В. В. Стефановича.
В соответствии с современными тенденциями развития перевозок, охлаждающие системы универсальных рефрижераторных судов и контейнеров должны обеспечивать перевозку любых видов скоропортящихся грузов с полной гарантией сохранения их количества и качества.
Этому требованию удовлетворяют воздушные и комбинированные системы охлаждения, позволяющие поддерживать заданные температурновлажностные режимы хранения, охлаждать груз в соответствии с требованиями технологического регламента и осуществлять отвод теплоты и газо — выделений в режиме хранения.
Комбинированные системы охлаждения на судах до настоящего времени распространения не получили, так как для судовых условий они обладают рядом недостатков, свойственных каждой из этих систем в отдельности: более высокие металлоемкость, занимаемый объем и энергозатратность. Таким образом, наиболее приемлемыми для универсальных судов являются воздушные системы охлаждения.
Опыт эксплуатации судовых охлаждающих систем показал, что воздушные системы охлаждения разных типов могут поддерживать в грузовых пространствах одинаковые условия хранения и охлаждения для идентичных грузов. Однако при одинаковой грузовместимости помещений эти одинаковые технологические параметры обеспечивается при различном уровне энергетических затрат. Это объясняется тем, что при поддержании заданных температур различными системами воздушного охлаждения в идентичных штабелях, у них оказываются различными потери напора и кратность циркуляции воздуха, что неизбежно отражается на энергозатратах и качестве хранения груза.
Системы могут быть спроектированы и с одинаковыми массо-габаритными показателями, но при создании одинаковой равномерности температурного (скоростного) поля аэродинамические характеристики систем будут различаться.
Получение идентичных значений равновесной относительной влажности воздуха, определяющих величину усушки в грузовых помещениях, требует для некоторых воздушных систем охлаждения увлажнения воздуха, что также отражается на энергозатратах.
Создание условий для равномерного распределения воздуха в грузовых помещениях является основным фактором, обеспечивающим равномерность температурного поля в штабеле груза.
Характер и равномерность распределения воздуха зависят от конструктивных характеристик и места расположения воздухораспределительных каналов, а также от геометрических характеристик штабеля.
В судовых воздушных системах охлаждения применяются воздухо-распределительные каналы следующих основных типов:
- нагнетательные каналы прямоугольного поперечного сечения с постоянной (или изменяющейся) по длине шириной или высотой (канал клиновидной формы). Форма равномерно распределенных приточных отверстий — круг, поперечная щель, прямоугольник;
- всасывающие каналы постоянного (или изменяющегося) по длине прямоточного поперечного сечения прямоугольной, а иногда круглой формы.
В некоторых системах (вертикальная, «Робсон») роль всасывающего канала выполняют искусственно образованные при загрузке помещений подпалубные пространства между вершиной штабеля груза и подволоком.
Распределительные каналы должны обеспечивать равномерное или заданное неравномерное распределение воздуха в грузовом помещении и обладать возможно меньшими аэродинамическими сопротивлениями.
При этом размеры каналов должны выбираться с учетом необходимой экономии полезного объема помещений.
Воздухораспределительные каналы судовых систем охлаждения имеют важную специфическую особенность. Прежде всего, это наличие препятствия — штабеля груза, расположенного в непосредственной близости от воздухораспределительных стенок нагнетательного канала.
В системах с вертикальным (снизу-вверх) распределением воздуха расстояние между кромкой приточных отверстий и штабелем составляет (в зависимости от типа грузовых решеток) 5-10 мм. Для горизонтальных систем это расстояние не превышает обычно 50 мм.
Поступление воздуха в подпалубное пространство, выполняющее роль всасывающего канала, происходит непосредственно из штабеля груза, что существенно отличается от всасывания из свободного пространства. Вследствие этого применение методик расчета, разработанных для каналов общеобменной вентиляции, может привести к большим неточностям в определении как коэффициента аэродинамического сопротивления каналов, так и величин неравномерности воздухораздачи.
Равномерность распределения воздуха в грузовом пространстве зависит от геометрических характеристик нагнетательного и всасывающего каналов, а также штабеля груза.
С целью установления закономерностей воздухораспределения в грузовых объемах помещений с воздушными системами охлаждения были проведены экспериментальные исследования.
Для вертикальной воздушной системы охлаждения с палубным воздухораспределительным каналом установлено, что относительная длина подпалубного пространства оказывает значительное влияние на равномерность воздухораспределения в штабеле. При увеличении i максимальная неравномерность поля скоростей в зависимости от порозности штабеля, клиновидности канала и относительной площади отверстий может составлять от 7 до 42,8%.
Для воздушной системы охлаждения типа «Робсон» с неизменным по длине сечением воздухораспределительного канала и подпалубного пространства установлено, что равномерная раздача воздуха может быть, достигнута путем изменения количества воздуха, подаваемого через щели по длине канала.
На распределение воздуха в грузовых помещениях с горизонтальными воздушными системами охлаждения значительное влияние оказывает байпасирование воздуха, т. е. перемещение его из нагнетательного канала во всасывающий по различным свободным пространствам, минуя штабель груза. Такие свободные пространства после загрузки трюма образуются всегда (например, свободное пространство между вершиной штабеля и подволоком грузового помещения), даже в тех случаях, когда по технологическим соображениям оно может оставляться.
В системах с палубными воздухораспределительными каналами (вертикальные воздушные системы охлаждения) воздух может байпасировать в местах неплотного прилегания штабеля к боковым ограждениям помещений. Однако размеры таких байпасных каналов невелики (10-30 мм), их аэродинамическое сопротивление сопоставимо с сопротивлением штабеля, и в расчетах распределения воздуха в грузовом пространстве и потерь напора в штабеле байпасирование воздуха может не учитываться.
В грузовых помещениях с горизонтальными воздушными системами охлаждения из нагнетательного канала во всасывающий бортовой канал байпасирует значительная часть воздуха. Основным байпасным каналом является подпалубное пространство, высота которого составляет обычно 100-300 мм. В горизонтальных воздушных системах охлаждения иногда конструктивно предусматривают второй байпасный канал, направляя часть воздуха под грузовые решетки из щели или ряда мелких отверстий в нижней части бортового нагнетательного канала.
Воздух, проходящий под грузовыми решетками, ассимилирует часть наружного теплопритока в трюм (например, через второе дно) и поступает непосредственно в бортовой всасывающий канал, имеющий аналогичную конструкцию. В грузовых помещениях с горизонтальными воздушными системами охлаждения равномерность распределения воздуха в штабеле ящичного груза определяется геометрическими характеристиками нагнетательного и всасывающего каналов и штабеля груза. Наиболее равномерное поле скоростей воздуха достигается при форме бортовых каналов в виде усеченного клина с параметром F = 0,33-0,67. Приточные и всасывающие отверстия равномерно распределены по длине и высоте каналов.
Установлено, что максимальная неравномерность поля скоростей в грузовом пространстве при горизонтальной воздушной системе охлаждения в зависимости от степени клиновидности каналов, относительной площади отверстий и порозности штабеля изменяется в пределах от 7,4 до 33,4%.
Для исследованных воздушных систем охлаждения был проведен сравнительный техно-экономический анализ эксплуатационных показателей, который основывался на сопоставлении взаимосвязанных изменений аэродинамических сопротивлений, наружных теплопритоков при изменении размеров элементов воздушных каналов и штабеля, а также соответствующих изменений грузовместимости помещений.
Результаты исследований показали, что наиболее высокий уровень анизотропности показателей технологического регламента в грузовом пространстве у горизонтальной системы воздухораспределения. Система «Робсон» занимает промежуточное положение, незначительно уступая вертикальной воздушной системе охлаждения.