Системы автоматического регулирования температуры в охлаждаемом объекте.

Температура в охлаждаемом объекте будет постоянной при условии равенства подвода и отвода теплоты от него. Теплота в объект охлаждения попадает, в основном, из окружающей среды, а отводится в испарителе. При изменении тепловой нагрузки на объект охлаждения для поддержания заданной температуры необходимо изменить соответствующим образом холодопроизводительность испарителя, которая определяется следующим выражением:

Q_и = b_иk_иF_и(t_об – t₀) (5.8)

где b_и – коэффициент использования испарителя;

k_и- коэффициент теплопередачи испарителя;

F_и – площадь активной теплообменной поверхности испарителя;

t_об – температура в объекте охлаждения;

t₀ – температура кипения хладагента.

В судовых холодильных установках холодопроизводительность испарителя изменяют первыми двумя сомножителями выражения (5.8) либо изменением активной теплообменной поверхности испарителя в определенных пределах. Последний вариант будет рассмотрен в § 5.3.

На рис. 5.5 приведена принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры воздуха в провизионных кладовых, на которой рассмотрим оба способа регулирования.

Рис. 5.5 Принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры воздуха в провизионных камерах.

Кроме известных, обозначено: К₁ и К₂ – провизионные камеры с плюсовыми и минусовыми температурами хранения соответственно; ЧЭ – чувствительный элемент (термобаллон, термопара) ; РТ – реле температуры (другое название - термостат); СВ – соленоидный вентиль; В – вентилятор.

5.2.1 Автоматическое регулирование температуры воздуха в провизионной камере с помощью соленоидного вентиля (камера К₂).

На рис. 5.6. изображены графики процессов регулирования температуры в провизионных камерах

Рис. 5.6. Графики процессов регулирования температуры:

а — характеристика реле температуры; б — про­цесс регулирования температуры воздуха в помеще­нии; в — диаграмма работы соле­ноидного вентиля

Рассмотрим работу САР темпе­ратуры в камере К₂ с соленоидным вентилем СВ, которыйв зависимости от сиг­нала реле температуры РТ откры­вает или прекращает поступление хладагента в испарительный аппарат.

Пусть в начальный период вре­мени τ = 0 температура характеризуется точкой А на рис.5.6,б, а соленоидный вентиль находит­ся в закрытом состоянии, перекры­вая подачу хладагента в испари­тель. Тогда температура в камере начнет постепенно повышаться и в момент времени τ₁ достигнет значения t_BKJl . В соот­ветствии со своей характеристикой (рис. 5.6, а) реле температуры по­даст сигнал I_a=1 на открытие соле­ноидного вентиля (рис. 5.6, в) и хладагент начнет поступать в испаритель. Через некоторое время температура в помещении станет плавно снижать­ся и в момент τ₂ достигнет значе­ния t_выкл. Реле температуры подаст сигнал на закрытие соленоидного вентиля, вновь перекрывая подачу хладагента в испаритель. Темпера­тура в камере после некоторого дополнительного понижения, связан­ного с выкипанием жидкого хлад­агента, снова начнет повышаться и процесс повторится.

Как видно из процесса регулирования температуры, значение регули­руемой температуры t_об поддержи­вается лишь в некоторых пределах, определяемых характеристикой реле температуры РТ. Когда регулируе­мый параметр находится в этой зоне, регулятор не реагирует на ее изменения. Разность между температурами включения и выключения называется зоной нечувствительности(другое название — дифференциал) реле температуры РТ. Зона нечувстви­тельности задается спе­циальным настроечным органом, предусмотренным в РТ. Увеличение зоны нечувствительности приведет к более длительному пребыванию регунциал

лируемой величины в ней и к более редкому реагированию регулято­ра РТ и регулирующего органа на из­менение температуры во времени. Однако это увеличение вызовет и более сильные колебания темпе­ратуры в охлаждаемом помещении, что может отразиться на качестве и сроках хранения груза. Узкая зона нечув­ствительности положительно сказы­вается на качестве регулирования, но требует частые вклю­чения реле и соленоидного вентиля, что может привести их к быстрому износу и поломке. Поэтому при выборе величины зоны нечувствительности нужно учитывать не только рекомендации по технологии хранения груза, но и особенности работы регулирующих устройств. Имеются реле температуры с фиксированной, неизменяемой, величиной зоны нечувствительности

Если обозначить время открытия соленоидного вентиля через τ_р , а длительность всего цикла τ_ц, то коэффициент использования испарителя будет

b_и = τ_р/ τ_ц, 0 < b_и ≤ 1 (5.9)

Меняя продолжительность открытия соленоидного вентиля τ_р от минимально возможного до непрерывного, можно изменять холодопроизводительность испарителя от минимально возможной до максимальной.

5.2.2. Автоматическое регулирование температуры воздуха в камере с помощью соленоидного вентиля и вентилятора (камера К₁).

В камерах с плю­совыми температурами хранения ши­рокое распространение получила САР, изображенная на рис.5.5, камера К₁. В дополнение к соленоид­ному вентилю СВ она оснащена испарителем со встроенным вентилятором ЭВ ( воздухоохладителем).

При достижении верхнего значения заданной темпе­ратуры реле температуры РТ одновременно с соленоидным венти­лем СВ включает в работу и вентилятор ЭВ. Известно, что коэффициент теплопередачи испарителя k_иво время работы вентилятора в 3—4 раза выше, чем при нерабо­тающем. Поэтому при подаче в испа­ритель жидкого хладагента он начи­нает работать, с максимальной эффективностью отводя теплоту из помещения. Напротив, при дости­жении нижней границы температур­ного режима хранения РТ выклю­чает СВ и вентилятор ЭВ, работа которого не требуется при отключен­ном испарителе И.

Известны САР, оснащенные воздухоохладителями и в камерах с минусовыми температурами хранения, а также такие, в которых вентиляторы работают непрерывно, обеспечивая лучшее перемешивание воздуха в камерах для создания более равномерного температурного поля.

Процессы регулирования тем­пературы в охлаждаемом поме­щении при рассольной системе охлаждения не отличаются от рас­смотренных выше, однако принци­пиальная схема систем автомати­ческого регулирования на рис. 5.7 имеет свои особенности. Теплота из охлаждаемых помещений К₁ ••• К_N (обычно это рефрижераторные трюма) отводится рассолом через рассоль­ные батареи РБ, обдуваемые венти­ляторами. Насос Н обеспечивает циркуляцию рассола в рассольной системе.

При понижении температуры t_o6 до заданного значения термостат РТ подает сигнал на открытие соле­ноидного вентиля СВ. Соленоидный вентиль СВ устанавливают, как правило, не на рассольной, а на вспомогательной системе (например, воздушной системе). Открываясь, СВ пропускает управляющий воздух к трехходовому клапану К_л1, кото­рый перепускает рассол, минуя рас­сольную батарею РБ. При повы­шении температуры в рефриже­раторном трюме термостат РТ через соленоидный вентиль СВ вновь изменит положение трехходового клапана Кл₁\, открывая питание рассольной батарее РБ. Характери­стики процессов регулирования бу­дут в этом случае аналогичны пре­дыдущим.

Рис.5.7. Принципиальная схема САР температуры воздуха при рассольном охлаждении.

В рассмотренных способах регу­лирования температуры воздуха в помещениях регулирующие органы (соленоидные вентили С В и венти­ляторы ЭВ) работают циклично по принципу «включено — выключено» (так называемое двухпозиционное регулирование).

Температура хранения, поддержание которой в заданных пределах является основной целью рассмотренных САР, выбирается исходя из рекомендаций по технологии хранения перевозимого груза. Поэтому реле температуры в общем случае имеет два органа настройки: орган задания температуры и орган настройки зоны нечувствительности. В зависимости от направления действия зоны нечувствительности относительно температуры задания на РТ, температура задания может определять как температуру включения, так и температуру выключения его.

Правило определения температу­ры задания: если устройство зоны нечувствитель­ности действует при повышении тем­пературы, значит температура задания — это ми­нимальная температура регулиро­вания, т. е. t_выкл. . Наобо­рот, если устройство зоны нечувстви­тельности включается в работу при понижении температуры, значит задание — это максимальная темпе­ратура регулирования, т. е. t_вкл..

Заданное значение температуры хранения в охлаждаемом помеще­нии t_зад лежит посередине между t_выкл.и t_вкл.в зоне нечувствительности РТ.

Таким образом, зная температуру хранения в охлаждаемом помеще­ния t_зад, направление дейст­вия устройства зоны нечувствительно­сти, легко найти значение температу­ры задания реле температуры:

t_РТ = t_зад. ± ∆/2;

здесь знак «минус» означает, что устройство нечувствительности работает при повышении температуры, знак «плюс» — при понижении темпера­туры. Более подробно настройка реле температуры рассмотрена в п. 7.7.5.

В судовой технике широкое распространение получили реле темпера­туры типа RT фир мы«Данфосс» (рис. 5.8).

При повышении температуры сре­ды давление в термосистеме воз­растает (рис. 5.8,б), сильфон 1 сжимается и шток 11, преодолевая усилие пружины задания 6, вместе с муфтой настройки дифференциала 4 пере­мещается вверх. Перемещение што­ка на расстояние, большее d, вызо­вет поворот пластинчатой пружины 9 по часовой стрелке под действием муфты 4.

а)

Рис. 5.8 . Реле температуры типа RT «Данфосс» а), его схема б) и контактная группа в).

После того, как ось пружины 9 пройдет через ось поводка подвижного контакта 13 (рис. 5.8, в), направление момента силы, удержи­вающего подвижной контакт в ниж­нем положении, изменится на про­тивоположное. Поводок резко пере­кинется и замкнет контакты 12 и 13, подавая управляющий сигнал.

При снижении температуры регу­лируемой среды и падении давления в термосистеме под действием пру­жины задания 6 происходит движе­ние штока 11 вниз» После того как выберется зазор d, на пружи­ну 9 начнет действовать втулка 5. Пружина, поворачиваясь против ча­совойстрелки, при заданной тем­пературе выключения разомкнет кон­такты 12 и 13,

Как видно из принципа работы, когда пружина 9 находится между неподвижной втулкой 5 и подвиж­ной муфтой 4, колебания темпера­туры не вызывают работу контакт­ного устройства.

Зона нечувствительности ∆ задается расстоянием d, которое устанавливается поворотом муфты 4. Ее вращение в пределах одного оборота ограничивается упорами 10 муфты и шайбы 2, непо­движно закрепленной на штоке 11. Для исключения само­произвольного проворачивания муф­ты 4 предусмотрена удерживающая пружина 3.

Реле температуры имеет два органа настройки: орган настройки температуры задания (пружина 6) и орган настройки (муфта 4), задающая зону нечувствительности (дифференциал) реле температуры.При повышении температуры сна­чала выбирается зазор d, что свя­зано с дополнительным сжатием пружины задания 6, а затем всту­пает в работу переключающее устройство. Поскольку устройство нечувствительности включается в ра­боту при росте температуры, температура задания есть минимальное значение регулируемой температуры, т. е. тем­пературы выключения. Тогда температура включения, при которой замкнутся контакты ре­ле, tвкл = tвыкл - ∆.

Зная заданную температуру в охлаждаемом помещении tзад и задавая зону нечувствительности ∆, нетрудно настроить реле тем­пературы, Для этого вращением маховичка настройки 8 перемещают упор 7, изменяющий затяг пружи­ны 6, до тех пор, пока указатель не покажет требуемое значение tвыкл = tзад - ∆/2. Задавая зазор d вращением муфты 4, устанавливают по ее шка­ле необходимую зону нечувствитель­ности. Цена деления шкалы муфты находится как разность максималь­ного и минимального значений зоны нечувствительности (указанной на приборе), деленной на 10.

Пример.В провизионной камере тем­пература хранения мороженого мяса —18°С должна поддерживаться в пределах ±1°С. Настроить реле температуры на эти параметры. Итак, tзад_.= —18 °С; ∆/2 = 1 °С.

Так как у этого типа реле устройство не­чувствительности вклю­чается в действие при повышении темпе­ратуры, значит, температура задания tрт мини­мальна:

tрт =tвыкл_. = tвкл —∆/2 = — 18° — 1° = -19°С.

Вращением винта на шкале заданияустанавливается температура —19 °С. За­тем вращением муфты на ее шкале зоны не­чувствительности устанавливается 2°С следующим образом. Например, диапазон настройки зоны нечувствительности 1,0—3,0°С. Тогда цена одного деления на шкале муфты 6 = = (3,0 — 1,0)/10=0,2°С. Если зона нечув­ствительности 2 °С, то шкалу муфты нужно установить на делении 10. Прибор настроен на заданный темпера­турный режим. Температура включения бу­дет равна: tвкл = tвыкл + ∆ = ( — 19)+ 2 = = -17°С.

В качестве регулирующих органов в системах автоматического регулирования температуры воздуха в холодильных камерах широко применяются соленоидные вентили фирмы «Данфосс» (рис. 5.9)

В соленоидных вентилях непрямого действия типа EVR (рис .5. а,б) основной клапан (вентильный клапан) закреплен на разделительной мембране 9, в которой предусмотрено калиброванное отверстие 6 для уравнивания давления, соединяющее надмембранную полость с входной магистралью.

Рис. 5.9. Соленоидные вентили типа EVR фирмы «Данфосс»: а),б) – внешний вид и сечение соленоидного вентиля непрямого действия; в) – сечение соленоидного вентиля с прямым управлением.

1 – сердечник; 2 – катушка; 3 – пилотный (управляющий) клапан/вентильный клапан; 4 - клапанный узел пилота; 5 – прокладка крышки вентиля; 6 – отверстие для уравнивания давления; 7 - посадочное место клапана вентиля; 8 – корпус вентиля; 9 – мембрана с клапаном; 10 – крышка вентиля; 11 – клеммная коробка; 12 – штуцер для кабеля; 13 – заглушка DIN.

Помимо основного клапана, вентиль снабжен пилотным (управляющим) клапаном 3, закрепленным на сердечнике 1 электромагнита и служащим для закрытия и открытия центрального отверстия в основном клапане. При обесточенном вентиле сердечник 1 под действием пружины 2 и собственной массы перекрывает пилотным клапаном 3 центральное отверстие в основном клапане. Через уравнительное отверстие 6 давление в надмембранной полости возрастает до давления на входе, и основной клапан прижимается к седлу с уси­лием, пропорциональным разности давлений до и после вентиля.

При включении катушки 2сер­дечник 1поднимается и пилотный клапан 3 открывает централь­ное отверстие в основном клапане. Давление в надмембранной полости падает до давления выхода. Мембрана 9 с основ­ным клапаном под действием пере­пада давлений на входе в вентиль и в надмембранной полости, а также усилия, перемещающего сердечник, поднимается вверх и пропускает жидкий хладагент к испарителю. Таким образом, для открытия вентиля и поддержания его в открытом состоянии требуется определенная разность давлений. Для вентилей EVR 6 – 22 эта разность составляет 0,05 бар.

Подобным образом работает нормально закрытый вентиль (NC), показанный на рис. 5.9 ,б, у которого кабельный ввод в катушку расположен вверху. Принцип работы нормально открытого вентиля противоположен рассмотренному принципу действия, т.е. он открыт при обесточенной катушке и его вид показан на рис. 5.9 ,а, где кабельный ввод расположен в нижней части катушки.

Для систем, в которых вентили в течение рабочего цикла остают­ся в основном закрытыми (при обесточенной катушке), нужно применять NC (нормально закрытые) со­леноидные вентили, а для систем, в которых вентили должны оставаться в основном открытыми (при обесточенной катушке) во время работы системы, применяются NO (нормально открытые) со­леноидные вентили.

У вентиля с прямым управлением, показанного на рис. 5.9 ,в, клапан открывается непосредственно при втягивании сердечника магнитным потоком катушки. Это означает, что данные вентили работают при нулевом перепаде давления. При обесточивании катушки входное давление, сила сжатой пружины и вес сердечника закроют вентиль.