Тема: Изучение конструкций теплоизолирующих ограждений, свойств теплоизолирующих материалов и методов определения действительного значения коэффициента теплопередачи.

Цель работы:

Ознакомление с существующими типами изоляционных ограждений, со свойствами изоляционных материалов, применяемых на судах. Изучить различные способы определения коэффициента теплопередачи изолирующего ограждения.

Теоретическая часть:

Все рефрижераторные, рыбопромысловые, пассажирские, грузовые и другие суда оборудуются помещениями, требующими охлаждения.

Для поддержания необходимых температурных режимов в грузовых трюмах и технологических помещениях рефрижераторных судов требуется определенный расход холода, существенно обусловленный теплопритоками через их ограждающие конструкции (борта, продольные и поперечные переборки, промежуточные и основные палубы, подволоки и полы). С целью уменьшения таких теплопритоков ,а также а также во избежание «отпотевания» ограждений эти конструкции покрывают непрерывной изоляцией из материалов с малой теплопроводностью. Толщина судовой изоляции определяет тепловую нагрузку на холодильную машину, грузовместимость судна и стоимость изоляционных конструкций.

В трюмах находятся металлические элементы судового набора, которые представляют собой тепловые мостики. Дополнительный расход холода вызывает также теплопритоки через люки, горловины, крепежные болты и прочие конструкции судна. Все эти элементы также требуют устройства специальных изоляционных конструкций.

По назначению изоляцию различают:

охлаждаемых и отапливаемых помещений, противопожарных конструкций.

К охлаждаемым помещениям относят рефрижераторные трюмы и провизионные камеры, а также жилые, общественные и другие помещения в случае обслуживания их системой летнего кондиционирования воздуха.

Противопожарные изоляционные конструкции, замедляющие повышение температуры в смежном помещении, делят на два типа А - вспомогательные и другие помещения. огнестойкие и Б - огнезадерживающие. Для изоляции переборок и палуб, образующих противопожарные конструкции типа А, применяют только несгораемые материалы, а для конструкций типа В - как негорючие или трудно сгораемые, так и сгораемые материалы, например деревянные бруски и фанеру, пропитанные антипирином (пропитанная фанера имеет показатель возгораемости К=1,49 и относится к группе трудновоспламеняемых материалов ). Изолируют противопожарные конструкции как с одной стороны, так и с двух сторон. Толщину изоляции на наборе берут равной ее толщине на обшивке.

Особенности конструкций изолирующих ограждений судовых охлаждаемых помещений определяется Правилами Регистра, в соответствии с которыми должно быть обеспечено выполнение следующих требований:

1. Внутри грузовых охлаждаемых помещений все металлические части судна должны быть тщательно изолированы;

2. Изоляция грузовых охлаждаемых помещений должна выполняться из биостойких и, как минимум трудновоспламеняемых материалов, не имеющих запаха. Рекомендуется, чтобы эти материалы имели малую объемную массу и низкие коэффициенты теплопроводности. Изоляционные материалы должны быть одобрены Регистром;

3. Изоляция поверхностей переборок топливных цистерн и настила двойного дна в районе расположения топливных танков должна быть установлена таким образом, чтобы между этими поверхностями и изоляцией оставалась воздушная прослойка толщиной не менее 50 мм. Вместо прослойки можно применять прокладки из несгораемого и нефтестойкого материала, не выделяющего запаха.

4. Изоляция грузовых ограждаемых помещений должна быть защищена от проникновения влаги или снабжена надежными средствами осушения ее в период эксплуатации, а также защищена от повреждений грызунами;

5. Изоляция грузовых охлаждаемых помещений должна быть покрыта соответствующей обшивкой. В тех местах, где обшивка может быть повреждена грузом, она должна быть надежно защищена;

6. Трубопроводы в местах прохода через переборки или палубы не должны иметь непосредственных контактов с ними во избежание образования тепловых мостиков.

Изоляционные конструкции охлаждаемых помещений судовых рефрижераторов подразделяются на три основных расчетных класса: не прорезанные стальным набором корпуса (рис. 1 а, б), перекрывающий набор или нормальные (рис. 1 в, г), обходящие набор (рис. 1 д, е).

Изоляционные конструкции первого типа применяют, в основном, для изолирования гладких металлических поверхностей. Такие конструкции не прорезываются стальным набором корпуса судна, поэтому их выполняют из материалов с коэффициентами теплопроводности, отличающимися не более чем в десять раз от коэффициента теплопроводности основного теплоизоляционного материала. Конструкции такого рода применяют для изолирования второго дна, палуб, переборок и гладких сторон охлаждаемых помещений.

Рис.1. Основные типы изоляционных конструкций:

1 – металлическая обшивка; 2 – подкрепляющие деревянные бруски; 3 - деревянная зашивка изоляции; 4 – бетонная заливка; 5 – изоляционный материал; 6 – воздушная прослойка.

Конструкции второго и третьего типов прорезаются стальным набором и поэтому их выполняют из материалов отличающихся по теплопроводности в сотни раз. Их особенностью является то, что поверхность изоляционного материала не имеет выступов. Такие конструкции применяют главным образом для изоляции бортов и переборок рефрижераторных трюмов.

Конструкции третьего типа, имеют выступы на зашивке, используют для изолирования высокого рамного набора, значительно выступающие за полки обычного набора (карлингсов, стрингеров, рамных шпангоутов, бимсов и др.).

Все изоляционные материалы, кроме изготовляемых в виде плит или напылением, требуют зашивки. Изоляцию без зашивки устанавливают непосредственно на изолированную поверхность. Ее преимущества заключаются в небольшой массе и более низком коэффициенте теплопередачи из-за отсутствия обрешетника, являющегося тепловым мостиком (элементом изоляции конструкции с повышенным коэффициенте теплопроводности). Зашивка предохраняет теплоизоляционный материал от механических повреждений, а деревянный обрешетник служит для опоры и крепления зашивки. При установке деревянного обрешетника зашивка может быть:

а) металлической,

б) неметаллической,

в) смешанной.

В рефрижераторных трюмах изоляцию второго дна и палуб зашивают сосновыми досками толщиной 40-60мм (палубником). Поверх деревянного настила устанавливают металлические ванны из листов алюминиево-магниевого сплавов, стенки которого заваривают при монтаже в трюме. Схема изоляционных ограждений приводится на рис.7, на котором обозначены основные размеры элементов изолирующей конструкции в миллиметрах. Например размеры (260+15+60+45=380) означают:

260-высота профиля набора;

15-толщина полки профиля;

60-толщина изоляции под полкой профиля;

45-толщина зашивки;

380-общая толщина изоляции.

Конструкцию изоляции второго дна выполняют с воздушной прослойкой и без неё. В современном судостроении наблюдается отказ от воздушных прослоек, усложняющих конструкцию изоляции и уменьшающих объем грузовых трюмов. Для упрочнения бетонного покрытия и предохранения его от трещин применяется арматура из тонких стальных прутков. Для уменьшения теплопритоков через переборки и промежуточные палубы применяют изоляцию в виде полосы, называемой риббандом. Элемент зашивки бортового риббанда показан на рис.8.

Для уменьшения теплопритоков через пиллерсы и мачты, проходящие сквозь охлаждаемые помещения, их изолируют. При этом требуется, чтобы зашивка пиллерсов и мачт обеспечивала доступ для технического осмотра состояние ножки пиллерса, что достигается устройством съемной зашивки пиллерса и наличием съемной крышки. Схема зашивки трубчатого пиллерса показана на рис.5. На рис.6 показаны конструкции изоляции трубопроводов и арматуры.

Теплоизоляционные материалы.

Условия работы изоляции на рефрижераторных судах значительно сложнее, чем на стационарных холодильниках. Наличие качки, ударов при частых загрузках и выгрузках, требования безопасности и другие условия накладывают жесткие ограничения на конструкции изолирующих ограждений и определяют выбор изоляционных материалов. К теплоизоляционным материалам, применяемых в судостроении предъявляют нижеследующие требования.

Материал должен обладать низким коэффициентом теплопроводности λ_u . Чем меньше λ_u (при одинаковом коэффициенте теплопередачи), тем меньше толщина изоляции и отнимаемый ею объём и, следовательно, тем больше полезная вместимость судна.

Рис.2. Схема изоляции и зашивки рефрижераторных трюмов и твиндеков.

Рис.3. Конструкции элементов изоляционных конструкций:

Зашивка изоляции бортового риббанда; 1 – приварная шпилька; 2 – оковка; 3 – брусок; 4 – изоляция; 5 – пергамин; 6 - металлическая сетка; 7 – зашивка.

Рис.4.Конструкции теплоизоляции круглого пиллерса:

1 – плиточный теплоизоляционный материал; 4 - сыпучий теплоизоляционный материал; 5 – доска; 6 – пергамин.

Рис.5. Конструкция теплоизоляции трубопровода из плиточных материалов:

1 – основной слой изоляции; 2 – сегменты из плиточного теплоизоляционного материала; 3 – клей; 4 - гидроизоляционный материал; 5 – спираль из стальной проволоки; 6 - металлическая сетка; 7 – зашивочный слой; 8 – слой тканевый; 9 – краска.

Теплоизоляционные материалы должны иметь малый объемный вес, p_{u .} Чем меньше p_{u ,} тем меньше вес изоляции и весовая нагрузка (судна) и, следовательно, тем больше его чистая грузоподъемность.

Теплоизоляционные материалы должен обладать пониженными значениями проницаемости, гигроскопичности и водопоглащения (чтобы уменьшать увлажнение изоляции).

Материал изоляции может увлажнятся как при непосредственном соприкосновении с капельной влагой, так и при проникновении водяного пара из окружающего воздуха внутрь материала в следствии диффузии. Движение водяного пара через стенку вызывается разностью его парциальных давлений. Водяной пар, всегда диффундирующий, с тепловой стороны на холодную может конденсироваться в охлажденных слоях изоляционной конструкции и таким путем вносить некоторое количество влаги. Поглощение влаги также увеличивает объемный вес материала (плотностью) p_u, способствует коррозии стали, находящейся под изоляцией, и гниению материала, что приводит к разрушению и значительному сокращению срока службы изоляционной конструкции.

Кроме того, изоляционный материал должен быть прочным, эластичным, биостойким, морозостойким, вибростойким, технологичным, недефицитным, должен обладать длительным сроком службы, не должен вызывать (или способствовать) коррозии материалов и требовать специального ухода.

В последнее время в судостроении обращается большое внимание на стоимость изоляционного материала. Этот критерий выбора изоляционного материала установлен, по влажности, с такими критериями как α_u и p_u. В целях пожарной безопасности должен быть трудносгораемым или самозатухающим.

В процессе эксплуатации изоляционный материал не должен выделять вредных веществ, а также придавать продуктам питания запах. Теплоизоляционные материалы должен не только не обладать запахом, но и быть не восприимчивым к запахам. В процессе монтажа материал не должен выделять пыли.

Токсикологические и санитарно-химические свойства изоляционных материалов, по существу являются основным параметром, ограничивающих возможность применения новых синтетических материалов (пенопластмасс). Некоторые изоляционные материалы имеют свои преимущества и недостатки и полностью не удовлетворяют перечисленным требованиям. Однако влияние недостатков может быть снижено или устранено созданием рациональных изоляционных конструкций.

Изоляционная конструкция должна восполнять недостатки качества изоляционные материала (механическую прочность, стойкость против грызунов и другое) и обеспечивать неизменность первоначальных свойств материала в условиях длительной эксплуатации. Для этого она должна быть надежно защищена от увлажнения. Чтобы предотвратить проникновение парообразной и капельной влаги внутрь изоляционного материала, его поверхность должна быть покрыта слоем паро- и водонепроницаемого материала или краски.

Основные характеристики современных изоляционных материалов приводятся в источники [3]. В таблице приведены значения коэффициентов теплопередачи изоляционных ограждений (в основном бортов) и изоляционные материалы, используемые на судах флота рыбной промышленности.

Различают слоистые, волокнистые, сыпучие и ячеистые газозаполненные материалы изоляционные материалы.

Слоистые материалы подразделяют на воздушно-пленочные и теплоотраждающие. Характерным примером воздушно-пленочных материалов является винидур, представляющий собой несколько упругих гофрированных полихлорвиниловых пленок толщиной 0,2мм, склеенных между собой. Гофры соседних слоев пленок взаимно перпендикулярны, что позволяет уменьшить площадь контактов между слоями. Винидур выпускают в виде плит различных размеров, из которых монтируют необходимый изолирующий слой ограждения. материал горюч и при горении выделяет вредные газы, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к судовым изоляционным материалам.

Характерным примером теплоотражающего слоистого материала является асфоль, представляющий собой структуру из листов мятой алюминиевой фольги толщиной от 0,007 до 0,1 мм, разделенной воздушными прослойками. Зеркальная поверхность фольги отражает до 93-95%лучистой тепловой энергии. Несмотря на высокий коэффициент теплопроводности материала основы изоляции, наличие большого количества воздушных полостей с ухудшенным контактом слоев фольги между собой обеспечивает хорошие теплоизоляционные свойства материала.

При длительном воздействии влаги вызывает коррозию алюминиевой фольги, что ухудшает теплоизолирующие характеристики изоляции. Основные недостатки альфоля: малая прочность, возможность разрушения его грызунами.

Волокнистые материалы могут быть рассмотрены на примере минеральной, шлаковой и стеклянной ваты. Беспорядочное переплетение тонких волокон, полученных из минерального сырья, создает большое количество воздушных полостей, понижающих коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала. В связи с вредностью открытых волокнистых материалов для здоровья рабочих, эти материалы изготавливают в виде плит, упакованных в герметичные пакеты.

Волокнистые материалы имеют повышенную объемную массу и обладают значительным влагопоглощением.

Сыпучие материалы представляют собой бесформенную рыхлую массу с произвольным расположением частиц. Из этой группы материалов в судостроении применяют пробковую крошку для изоляции тех элементов изолирующего ограждения, где не возможно изоляция другими способами.

Ячеистые материалы представляют собой пористую структуру, образованную материалом основы и замкнутыми ячейками, заполненными газом. К этим материалам относятся весьма эффективные и перспективные группы пенопластмасс, а также применяемые в промышленности пеностекло, пенобетон и ряд других материалов, полученных вспениванием расправленных основ воздухом, углекислотой или азотом.

Образцы изоляционных материалов имеются на стенде в лаборатории кафедры холодильных компрессорных машин и установок.

Паро- и гидроизоляционные материалы.

Паро- и гидроизоляционные материалы имеют высокое сопротивление к проникновению пара, и не должны поглощать влагу, быть термоустойчивыми, т.е. должны сохранять приемлемые технологические свойства в рабочем диапазоне температур не иметь запаха.

В качестве материалов паро- и гидроизоляционных покрытий применяют битумы, битумные мастики, состоящие из битума с наполнителями (асбест, торф, песок, известь и др.), краски, шпаклевку, синтетические пленки, керамические плитки, рулонные и листовые материалы, пропитанные бумаги (пергамин, рубероид, гидрозол), а также безосновные листовые материалы, борулин, изол и брезол, изготавливаемые из нефтяных битумов с наполнителями.

Выбор изоляционной конструкции.

Тип изоляционной конструкции выбирают в каждом отдельном случае от назначения судна и помещения, применяемого теплоизоляционного материала, допускаемой весовой нагрузки судна, требуемой прочности конструкции, условий монтажа изоляции на борту судна, температуры окружающей среды в районе плавания судов, температуры и влажности воздуха внутри помещения и ряда других факторов.

Изоляционная конструкция должна удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Для значительного сокращения стоимости и времени монтажа изоляции при ее проектировании, необходимо стремится к тому, чтобы основные изоляционные работы проводились в цехе, а на судне выполнялось только приклеивание заготовок из плиточных материалов или укладывание и крепление пакетов из волокнистых материалов с минимальным объемом подгоночных работ.

Сравнительную экономическую оценку различных вариантов изоляционных конструкций при их выборе следует производить путем сопоставления следующих величин: коэффициентов теплопередачи -к; объемов -υ_f, весов-g_f и стоимостей-C_f .

υ_f= v_f/F [м³/м²]

g_f= C_f. /F [кгс/м²]

G_f= C_f. /F [руб/м²]

Соответствующие величины v_f (м²), C_f (кгс), G_f (руб.), рассчитанные для периодически повторяющегося участка изоляционной конструкции, необходимо относить к площади этого участка F (м²).

Наиболее экономичным является тот вариант изоляционной конструкции, который обладает наименьшими значениями к, V_{f ,} C_f, G_f.

Прежде чем рассчитать эти величины, следует в первом приближении назначить толщины изоляционных слоев.