Системы автоматического регулирования температуры кипения хладагента

Испарительная система судовой холодильной установки вклю­чает все испарители охлаждаемых объектов в совокупности с тру­бопроводами от дроссельных устройств (ТРВ) до всасывающего клапана (коллектора) компрессора включительно. Как правило, испарители для камерах, имеющих сходные температуры хранения скомпонованы в две группы – плюсовые или минусовые - каждая из которых со­единена напрямую со всасывающим трубопроводом компрессора. Подобное разделение позволяет иметь для каждой группы испарителей свою оптимальную температуру кипения хладагента, которая должна быть меньше самой низкой температу­ры хранения продуктов в этой группе помещений, но не настолько, чтобы нарушалась техно­логия их хранения или снижалась экономичность работы холо­дильной установки.

При снижении тепловой нагрузки умень­шается объем производимого испарителями пара в единицу време­ни. Если холодопроизводительность компрессора останется преж­ней, то давление на всасывании начнет падать, а следовательно, начнет понижаться и температура кипения хладагента. Падение давления на всасывании вызовет уменьшение плотности, а значит и удельной объемной холодопроизводительности агента, что приведет к самопроиз­вольному снижению холодопроизво­дительности компрессора. Давление всасывания будет падать до тех пор, пока холодопроизводительность компрессора не снизится до уровня уменьшенной холодопроизводительности испарительной системы. Новый установившийся ре­жим работы холодильной установки будет про­текать при пониженном давлении всасывания компрессора, а значит и понижен­ной температуре кипения хладагента. Подобное понижение температуры кипения не­желательно, так как снижает эконо­мичность работы холодильной уста­новки, увеличивает усушку продук­тов и может вызвать порчу груза.

Вместе с тем рост теплового по­тока на испарительную систему вы­зовет более интенсивное парообра­зование хладагента. При неизменной холодопроизводительности компрес­сор не успеет отвести образовав­шиеся пары. Давление на всасыва­нии начнет расти, увеличивая плот­ность, а значит и удельную объем­ную холодопроизводительность аген­та. Холодопроизводительность ком­прессора также будет увеличиваться до тех пор, пока не станет равной новой холодопроизводительности испаритель­ной системы. Новый установивший­ся режим будет протекать при по­вышенном давлении всасывания, а значит и повышенной температуре кипения хладагента. Воз­растание теплового потока на испа­рительную систему может вызвать такое увеличение температуры ки­пения, при которой холодильная установка не сможет обеспечить от­вод теплоты из охлаждаемых помещений, а зна­чит и требуемый в них темпера­турный режим.

Задачей автоматического регули­рования температуры кипения яв­ляется поддержание заданной тем­пературы кипения хладагента, обес­печивающей благоприятные усло­вия хранения груза при экономич­ной работе холодильной установки. Температура кипения должна быть меньше самой низкой температуры хранения груза, но не на столько, чтобы нарушалась технология его хранения.

Регулирование температуры кипения агента t₀ обычно сводится к поддержанию постоянного (с точностью до заданных пределов) давления р_а на всасывании компрессора, поскольку оно практически не отличается от давления кипения в испарите­лях, а значит, однозначно определяет и температуру кипения хладагента.

Давление р₀ будет постоянным, если объем пара, образующий­ся при кипении хладагента во всех испарителях в единицу времени, будет равен объему пара, отводимому компрессором за то жевремя, т. е. суммарная холодопроизводительность всех испарителей должна быть равна холодопроизводительности компрессора

∑Q_и = Q₀ (5.10)

Холодопроизводительность поршневого компрессора Q₀ (кВт)

Q₀ = bznλq_vV_h (5.11)

где b — коэффициент рабочего времени компрессора; z — число ци­линдров в компрессоре; n — частота вращения, с^-1; λ — коэффициент подачи; q_v — удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м³; V_h — объем ци­линдра компрессора, м³.

Согласно выражению (5.11) холодопроизводительность компрес­сора можно изменять следующими сомножителями:

коэффициентом рабочего времени b (способ пуск — остановка);

числом цилиндров z (путем их отключения) ;

удельной объемной холодопроизводительностью q_v (дроссели­рованием на всасывании) ;

частотой вращения п;

коэффициентом подачи λ(байпасированием — перепуском части сжатых паров на сторону всасывания через байпас).

Способ пуск — остановка компрессора (рис.5.23.) характеризуется периодиче­скими включениями и выключениями компрессора под действием реле давления РД. В этом случае компрессор работает как двухпозиционный регулирующий орган.

Рис. 5.23. Принципиальная схема регулирования температуры кипения хладагента методом «пуск – остановка» компрессора.

Автоматический регулятор, в каче­стве которого используют реле дав­ления (другое название - прессостат) РД, постоянно измеряет давление р₀ на всасыва­нии компрессора и сравнивает его с заданным р_зад. При изменении тепловой нагрузки на объект регулирования — испари­тельную систему — изменяется зна­чение регулируемого параметра р₀. В зависимости от сигнала рассогла­сования х = р_зад — Р₀ регулятор из­меняет холодопроизводительность компрессора таким образом, чтобы восстановить заданное значение дав­ления всасывания р₀=р_3ад.

Процессы, связанные с регу­лированием давления (температуры) кипения агента по способу «пуск – остановка» , изображены на рис. 5.24.

Предположим, что в момент вре­мени т = 0 компрессор отключен. Давление и температура хладаген­та, кипящего в испарителях (а сле­довательно, и его давление на всасывании ко

Рис. 5.24. Процесс регулирования давления (температуры) кипения (б), характеристика реле давления (а) и диаграмма работы компрессора (в).

Предположим, что в момент времени τ = 0 компрессор отключен. Давление и температура хладагента, кипящего в испарителях, а следовательно и его давление на всасывании компрессора будут по­стоянно расти (рис. 5.24,6). Когда регулируемое давление в момент τ₁ превысит величину р_вкл , реле дав­ления подаст электрический сигнал I_а = 1 (рис. 5.24, а) и компрессор запустится. Холодопроизводительность компрессора всегда выбирает­ся из расчета отвода максималь­ных теплопритоков, поэтому объем паров, отсасываемых в единицу вре­мени из испарителей, будет больше объема паров, образующихся в них при кипении хладагента за то же время. Давление, а вместе с ним и температура кипения в испари­телях начнут падать, и при дости­жении в момент т₂ значения давле­ния на всасывании компрессора р_выкл реле подаст сигнал (I_а = 0) на остановку компрессора. Давле­ние хладагента начнет подниматься до тех пор, пока в момент τ₃ не станет равным р_вкя. Реле давления вновь запустит компрессор, и про­цесс повторится.

Как отмечалось, необходимым условием постоянства давления на всасывании в компрессоре является равенство холодопроизводительности испарительной системы и холодопроизводительности компрессора (∑Q_иi = Q₀). Графически установившийся режим работы холодильной установки определяется точкой пересечения статических характеристик компрессора [Q₀=f(p₀)] и испаритель­ной системы [Q₀ = g(p₀ )], что видно на рис. 5.25, а. Статические характеристики выражают зависимость холодопроизводительности компрессора, испарительной системы от давления (или темпера­туры) кипения хладагента на установившихся режимах.

Для поддержания заданного давления кипения р_зад точки пере­сечения этих характеристик должны отстоять от оси ординат на расстоянии, равном р_зад. Линия равных значений давления кипе­ния называется регуляторной характеристикой РХ (показана без зоны нечувствительности). Ее положение относительно оси ординат опре­деляется заданием реле давления РД и явля­ется настроечным параметром.

Пусть статическая характеристика Q₀=f(p₀) показывает зави­симость холодопроизводительности от давления кипения хладагента при непрерывной работе компрессора (см. рис. 5.25, а).

Рис. 5.25. К регулированию температуры кипения хладагента методом пуск —остановка:

а — статические характеристики; б — график коэффициента рабочего времени компрессора;

Установившийся режим характеризуется точкой М и ему соответствует коэффициент рабочего времени Ь, равный 1 (на графике б). Очевид­но, дальнейший рост теплового потока вызовет увеличение угла наклона статической характеристики испарительной системы (показана правой прерывистой линией на графике а и повышение давле­ния кипения даже при непрерывной работе компрессора (точка М') . Подобный режим может возникнуть либо в случае несоответ­ствия компрессора и испарительной системы по холодопроизводи­тельности, либо когда тепловой поток оказывается больше расчет­ного, например из-за сильного увлажнения изоляции.

Уменьшение тепловой нагрузки на испарительную систему изменит вид статических характеристик (показаны нижними прерывистыми линиями), которые станут более пологими. Им соответствуют новые установившиеся режимы, характеризуемые точками б и в. Работа в этих точках влечет уменьшение времени работы компрессора, т.е. переходом его на цикличную работу с коэффициентом рабочего времени b < 1 (рис.5.25.б).

Работа компрессора будет циклична всегда, когда тепловая на­грузка на испарительную систему ниже холодопроизводительности компрессора при непрерывной работе, т. е. точка режима на регуляторной характеристике будет ниже точки М.

Интенсивность работы компрессора характеризуется коэффициентом рабочего времени:

0<b=τ_р/τ_ц ≤ 1 (5.12)

Меняя длительность работы компрессора от минимальной до непрерывной (τ_р = τ _ц), можно изменять холодопроизводительность компрессора в методе «пуск – остановка» от минимальной до максимальной, тем самым устанавливая каждой тепловой нагрузке на испарительную систему свою холодопроизводительность компрессора для поддержания заданной температуры (давления) кипения.

Давление (и температура) кипения хладагента поддержи­вается в некотором интервале (∆ = p_вкл—Р_выкл). Когда регулируемая величина находится в этой зоне, реле давления не реагирует на ее изме­нения. Разность между давлениями включения и выключения назы­вается зоной нечувствительности или дифференциалом реле давления. Это один из настроечных пара­метров реле. Чем больше зона не­чувствительности ∆, тем значитель­нее амплитуда колебания давле­ния и температуры кипения хлад­агента в испарительной системе.

От ширины зоны нечувствитель­ности зависит и длительность цикла работы компрессора τ_ц (рис. 5.24, в):

τ_ц = τ_р+τ_с , (где τ_р, τ_с — время соот­ветственно работы и стоянки компрессора).

Чем больше зона нечувствитель­ности, тем длительнее цикл работы компрессора.

При выборе величины зоны нечувствитель­ности возникает противоречие. С точ­ки зрения качества регулирования нужно стремиться уменьшить ампли­туду колебания регулируемого па­раметра, чтобы точнее поддерживать заданную температуру кипения. Однако уменьшение зоны нечув­ствительности увеличивает частоту пусков компрессора, что отрица­тельно сказывается на его мото­ресурсе и надежности работы. Для любого механизма наиболее небла­гоприятный режим работы связан с пуском и остановкой. Поэтому при выборе зоны нечувствительности ис­ходят из допустимой частоты цик­лов: для малых компрессоров — до пяти-шести в час, для средних и крупных — до трех-четырех в час.

Очевидно, чем инерционнее сама система непосредственного охлаждения, чем большей емкостью по хладагенту обладают испа­рители, тем благоприятнее условия регулирования температуры кипения способом пуск — остановка, так как для поддержания давления на всасывании компрессора в пределах зоны нечувствительности прибора потребуется меньшая частота циклов его работы . Способ пуск — остановка обладает наилучшей технико-экономи­ческой эффективностью и применяется в холодильных установках, где допускаются колебания регулируемого параметра в определен­ных пределах и при этом частота циклов не превышает установ­ленных норм.

Стремление уменьшить частоту пусков компрессора при сохранении небольшой амплитуды колебания ре­гулируемого параметра привело к появлению более универсального способа регулирования температуры кипения — отключению цилиндров компрессора. Отключение отдельных цилиндров достигается перепуском несжатого пара из цилиндра во всасывающую полость. Для этой цели часто используется отжим всасывающих клапанов. Управляют клапанами реле давления с по­мощью гидравлических или электро­магнитных приводов.

Рассмотрим систему автомати­ческого регулирования, в состав ко­торой входит компрессор с двумя цилиндрами или двумя группами цилинд­ров. Работой устройств их включения и выключения управ­ляют реле давления 1РД и 2РД (рис. 5.26,а). Возможно управле­ние и от реле температуры. На рис. 5.26., б и в изображен график ра­боты групп цилиндров в зависимо­сти от нагрузки на испарительную систему.

Рис. 5.26. Принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры кипения хладагента отключением цилиндров компрессора - а), характеристики реле низкого давления - б), коэффициенты рабочего времени каждой ступени компрессора - в).

Пусть компрессор КМ находится в выключенном состоянии. Тогда давление р₀ на всасывании компрессора и в испарительной системе будет расти. При достижении значения р_1вкл реле давления 1РД даст сигнал на включение ком­прессора с одной группой цилинд­ров (50%-ной холодопроизводительности). Если тепловая нагрузка Q_H < 0,5Q_a, то давление на всасывании компрессора начнет па­дать и при достижении значения p_1выкл реле давления 1РД остановит компрессор. После этого давление р₀ вновь начнет расти и цикл повто­рится. Очевидно, что при любых на­грузках Q_н , у которых холодопроизводительность меньше 50%, ком­прессор будет работать в режиме «пуск — остановка». Однако в от­личие от рассмотренного ранее спо­соба «пуск — остановка» работакомпрессора будет протекать в об­легченном режиме с половинной холодопроизводительностью. Отсюда продолжительность работы его в цикле будет значительно больше, т. е. при прочих равных условиях частота пусков уменьшится. В случае, когда тепловой поток на испари­тельную систему Q_H превосхо­дит 50%-ную холодопроизводительность компрессора, давление на всасывании р₀ при включении одной группы цилиндров будет продолжать расти. При достижении значения р_2вкл реле давления 2РД включит вторую группу цилиндров и ком­прессор будет работать с полной холодопроизводительностью. Давле­ние на всасывании р₀ начнет падать и при достижении значения р_2выкл реле давления 2РД отключит вто­рую ступень производительности компрессора. Цикл повторится вновь. Если нагрузка на испарительную систему больше 50%-ной холодопроизводительности компрессора, то сам компрессор работает непрерыв­но, а вторая ступень — циклично.

Таким образом, регулирование температуры кипения хладагента спосо­бом отключения цилиндров компрес­сора по сравнению с пуском — остановкой имеет преимущества: при малых тепловых потоках на испарительную систему работа ком­прессора протекает с меньшей холодопроизводительностью, что уве­личивает длительность его работы в цикле, а значит, сокращает число пусков. При повышенных тепловых нагрузках за счет цикличной работы второй ступени удается обеспечить работу компрессора без пусков и остановок в облегченном режиме с пониженной холодопроизводительности, что благоприятно ска­зывается на надежности работы ком­прессора, его моторесурсе. На практике также встречаются системы автоматического регулиро­вания температуры кипения с тремя реле давления, действующие на ком­прессор по трем ступеням холодо-производительности. Первая сту­пень — 50%-ная, вторая — 75%-ная и третья — 100%-ная холодопроизводительности компрессора. Увели­чение числа ступеней позволяет более точно ставить холодопроизводительность компрессора в соот­ветствие с тепловой нагрузкой на испарительную систему.

На судах большое распространение в качестве реле давления получили прессостаты фирмы «Данфосс» типа KР (рис.5.27).Сильфон 8 сообщается со всасывающим (нагнетательным) трубопроводом компрес­сора (рис.5.27 б, в).

а) б)

в) г)

Рис. 5.27. Реле давления типа KP фирмы «Данфосс»: а) внешний вид; б) схема РД типа KP; в) реле давления KP1; г) двухблочное реле типа KP15.

1(4) – винт задания низкого (высокого) давления; 2 – винт задания зоны нечувствительности (дифференциала); 3 – основной рычаг; 5 – пружина задания; 6 – пружина задания зоны нечувствительности (дифференциала); 7 – тяговая рамка; 8 – сильфон; 9/17 - штуцер низкого (высокого) давления; 10 – кабельный ввод; 11 – сдвоенный подвижный контакт; 12 – тумблер; 13 – клеммы; 14 – клемма «земля»; 15 – опора; 16 – стопорная планка; 18 – рычаг переключения; 19 – кнопка возврата;

Рассмотрим работу реле давления, защищающего компрессор от низкого давления на всасывании (KP1). На рисунке б) показано положение основного рычага 3 при работающем компрессоре. Пружина задания 5 пытается сжать сильфон 8 и повернуть основной рычаг 3 против часовой стрелки, чему противодействует пружина дифференциала 6. При понижении давления на всасывании до минимального значения, усилие от пружины 5 преодолеет суммарное усилие, развиваемое сильфоном 5 и пружиной дифференциала 6. Сильфон 5 начнет сжиматься, поворачивая за тяговую рамку 7 основной рычаг против часовой стрелки, поднимая вверх рычаг переключателя 18 и растягивая пружину дифференциала. Рычаг переключателя 18 перекинет сдвоенный подвижный контакт 12, который разорвет цепь электродвигателя и остановит компрессор. Реле с маркировкой B или AB переустанавливаются вручную с помощью кнопки возврата, когда давление в KP1 поднимется на 0,7 бар выше давления настройки. Способы настройки этого типа реле рассмотрены в § 7.8.6.

Реле высокого давления срабатывает при превышении максимального значения давления и оно вновь может быть запущено в работу кнопкой возврата только при падении на 4 бара ниже давления настройки.

Для защиты компрессора сразу от недопустимо низкого и высокого давления применяется сдвоенное реле давления (рис.5.27, г), переключатель которого срабатывает при достижении любого критического значения.

Правильная настройка реле низ­кого давления обеспечивает заданную температуру кипения для всех испарителей, непосредственно соеди­ненных со всасывающим коллекто­ром компрессора. Подобное соеди­нение испарителей характерно для охлаждающих помещений с пример­но одинаковыми темпера­турными режимами хранения. Поэтому часто практикуются схемы, когда один компрессор работает на испарители, установленные в минусовых провизионных камерах (или других схожих температурных объектах), а второй компрессор работает на охлаждаемые помещения с плюсовыми температурами хранения.

Существуют и другие схемы, когда испарительная система обслу­живает объекты с различными тем­пературами хранения (например, провизионные камеры с плюсовы­ми и минусовыми температурами). В этом случае прямое объединение выходов всех испари­телей нежелательно.

Пусть холодильная установка включает две провизионные камеры К₁ и К₂ (или две группы камерах) с различными температур­ными режимами t₁ и t₂, причем температура в камеры К₁ значи­тельно выше температуры в К₂ (рис. 5.28.). Если выходной трубопровод каж­дого испарителя напрямую соединен с общей всасывающей магистралью компрессора, то давление и темпе­ратура кипения в обоих испарите­лях будут одинаковы. Тогда тем­пературный напор θ₁ =t₁—t₀ в камеры К₁ будет значительно больше температурного напора θ₂ = t₂— t₀ в камеры К₂. Температура кипе­ния t₀, необходимая для отвода теп­лоты из помещения К₂, будет слиш­ком низкой для камеры К₁.

Рис. 5.28. Принципиальная схема холодильной установки с регулятором давления кипения.

Как отмечалось, заниженная тем­пература кипения вызывает боль­шую неравномерность распреде­ления температур по объему охлаж­даемого помещения. В месте уста­новки термобаллона РТ температура будет соответствовать задан­ной температуре хранения груза, а около испарителей будет значи­тельно ниже. Это может вызвать порчу груза, расположенного вбли­зи испарителя, скажется на его усушке, ускорит образование сне­говой шубы. Указанный недостаток можно устранить, если на выходе из испарителя И₁ провизионной камеры К₁ с высокой температу­рой хранения установить регулятор давления кипения «до себя» Р_ГД (на рис. 5.28 показан прерывистой линией). Его назначе­ние — повысить давление в испари­теле И₁, а следовательно, и темпе­ратуру кипения хладагента в нем. В этом случае давление и температу­ра кипения хладагента в испари­теле И₁ не зависит от режима ра­боты компрессора, а полностью определяется настройкой регуля­тора давления кипения. Задавая Р_ГД нужное давление р₀'>р₀, можно получить температурный напор θ' = t₁—t'₀, удовлетворяющий требо­ваниям технологии обработки имен­но данного груза. На судах зарубежной постройки широко применяются регуляторы давления кипения «до себя» фирмы «Данфосс» типа KVP (см. рис. 5.29).

Рис. 5.29 .Регулятор давления кипения «до себя» типа KVP фирмы «Данфосс».

1 – защитный колпак; 2 – прокладка; 3 – регулировочный винт; 4 – пружина задания; 5 – корпус; 6 – сильфон; 7 – тарелка клапана; 8 – седло клапана; 9 – демпфирующее устройство; 10 – штуцер для манометра; 11 – прокладка; 12 – крышка.

Пар хладагента, выходящего из испарителя, подводит­ся снизу к тарелке клапана 7. При повыше­нии давления в испарителе выше давления настройки клапан 7 открывается, сжимая пружину 4и пропуская из испарителя во всасывающую ма­гистраль компрессора пары хлад­агента. Степень открытия клапана зависит только от входного давления. Влияние выходного давления на величину регулируемого давления кипения в испарителе компенсируется уравновешивающим сильфоном 6, эффективная площадь которого соответствует площади посадочного седла 8 клапана. При понижении давления в испарителе тарелка клапана 7под дейст­вием пружины 4прикрывается, уменьшая расход пара и поддержи­вая заданное давление кипения в испарителе. Демпфирующее устройство 9гасит пульсации давления в системах холодильных установок и увеличивает срок службы регулятора.

Давление в испарителе задается винтом 3, изменяющим натяжение пружины 4. При повороте винта по часовой стрелке давление в испа­рителе увеличивается. Для контроля результатов настройки предусмотрен клапан Шредера со штуцером 10, к которому подключается манометр.

Кроме способов пуск — остановка и отключение отдельных ци­линдров, для изменения холодопроизводительности компрессоров используют дросселирование на всасывании при помощи регуляторов (рис. 5.30,а).

Рис.5.30. Автоматическое регулирование температуры кипения хладагента дросселированием и байпасированием.

Если тепловая нагруз­ка на испарительную систему изменяется, например, уменьшается, то давление всасывания также несколько понижается. Это пони­жение воспринимает регулятор Р_гД, который, переставляя клапан, прикрывает проход всасываемых паров хладагента. Из-за увеличе­ния гидравлического сопротивления клапана давление перед ком­прессором понизится, и машина перейдет на новый режим с мень­шей холодопроизводительностью. При использовании этого способа приходится ограничивать глубину изменения холодопроизводительности компрессора во из­бежание недопустимого понижения давления всасывания и пере­грева механизма .

Изменять холодопроизводительность компрессора можно варь­ированием частоты его вращения. Ступенчатое измене­ние частоты вращения применяют в том случае, когда способ пуск — остановка непригоден и нет компрессоров с отключением цилиндров. Плавное изменение частоты вращения компрессора из-за повышенной стоимости оборудования применяют в тех случаях, когда предъявляются повышенные требова­ния к точности регулирования.

Байпасирование, т. е. перепуск части сжатого пара состороны нагнетания на сторону всасывания компрессора (рис. 5.30,б) какнаименее энергетически эффективный способ исполь­зуют тогда, когда другие способы по тем или иным причи­нам не могут быть применены.