Автоматическое регулирование температуры кипения хладагента

Судовая холодильная установка одновременно обслуживает несколько охлаждаемых помещений. Все испарители питаются, как правило, от одного жидкостного коллектора и имеют общий коллектор для отвода паров к компрессору. При подобной компоновке образуется общая испарительная система с одинаковыми температурами кипения хладагента во всех испарителях. Температура кипения однозначно определяется давлением хладагента в испарителе, которое на практике принимают равным давлению на всасывании компрессора. При снижении теплового потока уменьшается количество пара, производимого испарителями за единицу времени. Если холодопроизводительность компрессора остается 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 теплового потока на испарительную систему. Новый установившийся режим работы компрессора будет протекать при пониженном давлении всасывания, а значит и пониженной температуре кипения.

Способность холодильной машины самостоятельно приходить в новый установившийся режим называется свойством самовыравнивания или саморегулирования. Дальнейшее снижение теплового потока приведет к новому установившемуся режиму работы холодильной машины при еще более низкой температуре кипения. 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 тепловой нагрузке на испарительную систему. Новый установившийся режим будет протекать при повышенном давлении всасывания, а значит и повышенной температуре кипения хладагента. Наконец, возрастание теплового потока на испарительную систему может вызвать такое увеличение температуры кипения, которая станет выше температуры хранения некоторых грузов. В этом случае холодильная установка не сможет обеспечить отвод теплоты из помещений с низкими температурами хранения, 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.

На рис. 6.19 регулирование температуры кипения агента t_о сводят к поддержанию постоянного (с точностью до заданных пределов) давления р₀ во всасывающем коллекторе компрессора. Температура кипения хладагента будет постоянной, если холодопроизводительность компрессора будет равна тепловому потоку на испарительную систему. Иначе говоря, объем пара, отводимый компрессором из испарительной системы за единицу времени, должен быть равен суммарному количеству пара, образовавшемуся при кипении хладагента во всех испарителях за то же время. Автоматический регулятор, в качестве которого используют реле давления (прессостат) РД, постоянно измеряет давление р_о во всасывающем коллекторе компрессора и сравнивает его с заданным рзад. При изменении теплового потока на объект регулирования - испарительную систему - изменяется значение регулируемого параметра р_о. В зависимости от сигнала рассогласования х = р_3ад - р_о регулятор изменяет холодопроизводительность компрессора таким образом, чтобы восстановить заданное значение давления всасывания р_о = _рзад

Наибольшее распространение при управлении холодопроизводительнстыо компрессора получили способ "пуск - остановка" и "отключение компрессора" (рис. 6.20, а-в).

Способ "пуск - остановка" характеризуется периодическими включениями и выключениями компрессора под действием реле давления РД. В этом случае компрессор работает как двухпозиционный регулирующий орган. Процессы, связанные с регулированием давления (температуры) кипения хладагента способом "пуск - остановка", изображены на рис. 6.20, б. Верхний график показывает изменение давления во всасывающем коллекторе компрессора, нижний - моменты включения и выключения компрессора. На рис. 6.20, а изображена характеристика реле давления РД. Предположим, что в момент времени τ = 0 компрессор отключен. Давление и температура хладагента, кипящего в испарителях (а следовательно, и его давление во всасывающем коллекторе) будут постоянно расти (рис. 6.20,6). Когда регулируемое давление в момент τ₁ превысит величину р_вкл, реле давления подаст электрический сигнал I_a= 1 (рис. 6.20, 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 τ₂ значения давления во всасывающем коллекторе p_выкл реле подаст сигнал (I_a= 0) на остановку компрессора. Давление хладона начнет подниматься до тех пор, пока в момент τ₃ не станет равным р_вкл. Реле давления вновь запустит компрессор, и процесс повторится.

Давление хладагента поддерживается в некотором интервале

(∆= Р_вкл-Р_вык,). Когда регулируемая величина находится в этой зоне, реле давления не реагирует на ее изменения. Разность между давлениями включения и выключения называется зоной нечувствительности (дифференциалом) реле давления. Это один из настроечных параметров реле. Чем больше зона нечувствительности А, тем значительнее амплитуда колебания давления и температуры кипения хлад агента в испарительной системе.

От ширины зоны нечувствительности зависит и длительность циклf работы компрессора τ_ц (рис. 6.20, в) τ_ц = τ_р + τ_с (где τ_р, τ_с - время соответственно работы и стоянки).

Чем больше зона нечувствительности, тем длительнее один цикл работы компрессора.

При выборе 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 связана 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 двух-трех в час.

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 группами цилиндров 1 и 11. Работой устройств их включения и выключения управляют реле давления 1РД и 2РД (рис. 6.21, а). Возможно управление и от реле температуры. На рис. 6.21,6 изображен график работы групп цилиндров в зависимости от нагрузки на испарительную систему.

Пусть компрессор КМ находится в выключенном состоянии. Тогда давление р_о в испарительной системе будет расти. При достижении значения р_1вкл реле давления 1РД даст импульс на включение компрессора с одной группой цилиндров (50%-ной холодопроизводительности). Если тепловой поток Q_н = Q_a меньше O,5Q_o, то давление во всасывающем коллекторе начнет падать и при достижении значения t_выкл реле давления 1РД остановит компрессор. После этого давление p_о 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" работа компрессора 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_н= Q₆ превосходит 50%-ную холодопроизводительность компрессора, давление на всасывании р_о 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 агента 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 потоках за счет цикличной работы второй ступени удается обеспечить работу компрессора без дополнительных пусков и остановок. Улучшение условий эксплуатации позволяет работать в облегченном режиме при пониженной холодопроизводительности, а также сокращать либо полностью исключать пуски и остановки, 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 холодопроизводительности. 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 тепловым потоком на испарительную систему.

В качестве реле давления на судах отечественной постройки нашли широкое применение приборы типа РД, выпускаемые в одно- и двухблочном исполнении. Одноблочные реле предназначены для регулирования или контроля либо давления всасывания (реле низкого давления, прессостат), либо давления нагнетания (реле высокого давления, выключатель максимального давления). Двухблочное реле совмещает в одном корпусе реле низкого и высокого давления, воздействующие на общую контактную группу.

Двухблочное реле давления типа РД-3-01 (рис. 6.22) состоит из блоков низкого и высокого давлений воздействующих на микропереключатель 16. В исходном положении на элемент сравнения блок низкого давления на рычаг 4. Снизу действует через шток 3 усилие от сильфона 2, заключенного в корпусе 1, который соединяется с всасывающей магистралью компрессора. Усилие от сильфона уравновешивается пружиной 12 устава давления. При повышении давления в линии всасывания рычаг 4 поворачивается по часовой стрелки совместно с вертикальным рычагов 5, если этому не препятствует положение рычага 21. После захвата рычага 7, опирающегося на упор 6, дальнейшее движение рычага прекратится до тех пор, пока давление на стороне всасывания не повысится настолько, чтобы преодолеть дополнительное усилие от пружины нечувствительности 8, работающей на растяжение. Последующее движение рычагов 4 и 5 вызовет замыкание контактов в микропереключателе 16 нажатием на кнопку 15. Компрессор включится в работу.

При понижении давления всасывания рычажная система начнет обратное движение против часовой стрелки при совместном воздействии пружин 12 и 8 до тех пор, пока рычаг 7 пружины нечувствительности 8 не коснется упора 6. Движение рычагов 4 и 5 прекратится. Дальнейшее понижение давления не вызовет реакции реле до тех пор, пока усилие пружины уставки 12 не превысит усилие от сильфона 2. Последующее движение рычагов 4 и 5 освобождает кнопку 15, и контакты микропереключателя размыкаются. Очевидно, что давление размыкания контактов зависит от затяга пружины уставки 12, который задается винтом 13 и контролируется по шкале 11. Давление замыкания контактов зависит от затяга пружин 12 и 8. Задание зоны нечувствительности осуществляется винтом 9 и контролируется по шкале 10. Взаимное расположение рычагов 4 и 5 устанавливают с помощью винта 17 и фиксируют пружиной 14.

При чрезмерном повышении давления в линии нагнетания сильфон 24, заключенный в корпусе 23, сжимается и, преодолевая усилие пружины 20, штоком 22 поворачивает рычаг 21 против часовой стрелки. При достижении предельного давления нагнетания рычаг 21 отжимает рычаг 5, размыкая или предотвращая замыкание контактов микропереключателя 16. При понижении давления нагнетания пружина 20 возвращает рычаг 21 в первоначальное положение, восстанавливая нормальную работу реле низкого давления. Предельное давление задается по шкале 19 вращением винта 18.

На судах зарубежной постройки большое распространение получили реле фирмы "Данфосс" типа МР1 (рис. 6.23). Сильфон 1 сообщается со всасывающим коллектором компрессора. При повышении давления всасывания сильфон растягивается и угловой рычаг 3, сжимая пружину уставки 9, поворачивается по часовой стрелке вокруг оси 13. Движущийся за ним выступ серьги 4 дойдет до верхнего края прорези в неподвижной скобе 2 и выключит из действия растянутую пружину нечувствительности 5, так как усилие от нее будет восприниматься корпусом прибора. От рычага 3 через шток 11 движение передается пластинчатой пружине 12, которая, действуя на контактную пластину 14, создает момент силы, удерживающий ее в левом положении. При переходе пружины 12 через ось пластины 14 направление момента меняется на противоположное, контактная пластина резко меняет свое направление и замыкает контакты 15 микропереключателя, включенного в цепь пускового устройства компрессора.

При снижении давления всасывания угловой рычаг 3 под действием пружины уставки 9 начнет поворачиваться против часовой стрелки. Как только его левый конец коснется нижней кромки прорези серьги 4, вступит в действие пружина 5 зоны нечувствительности. Движение рычага 3 прекратится до тех пор, пока давление в сильфоне не сравняется с усилием затяга пружины нечувствительности 5. При этом условии момент от воздействия пружины 9 сравняется с суммарным моментом от воздействия сильфона 1 и пружины нечувствительности 5 на рычаг 3. Дальнейшее снижение давления возобновит движение рычага 3, и при заданном давлении выключения произойдет размыкание контактов прибора.

Настройку реле давления начинают с определения давления уставки, которое находят по следующему правилу: если пружина нечувствительности включается в работу при понижении давления, значит, уставка имеет максимальное давление регулирования, т. е. р_вкл (см. рис. 6.23, б).

Как видно из описанного принципа действия, пружина нечувствительности в МР1 включается в работу при понижении давления. Значит, пружина уставки 9 задает давление включения компрессора.

Последовательность настройки реле давления следующая:

1. По самой низкой температуре хранения t_об определяем максимально допустимую температуру кипения - температуру уставки

t_вкл =t_об - δt,

где δt - минимальное значение температурного напора, рекомендуемого Правилами технической эксплуатации (ПТЭ).

1. Задаемся зоной нечувствительности для температуры кипения

∆t = 6-10°C.

3. Находим нижний предел температуры кипения

t_выкл = t_вкл - ∆t.

4. По таблицам насыщенных паров для данного хладагента и найденных значений t_вкл и t_выкл находим значения р_вкл (уставки) и р_выкл.

5. Определяем задаваемую зону нечувствительности по давлению

∆р=р_вкл-р_выкл

6. Вращая винт 8 (предварительно сняв стопорную пластину), по указателю 10 на правой шкале уставки задаем давление включения (см. рис. 6.23, а).

7. Вращая винт 6, по указателю 7 на левой шкале реле давления

устанавливаем зону нечувствительности.

При выборе зоны нечувствительности следует учитывать, что минимальное значение, возможное для задания на приборе МР1, равно 0,5 кгс/см² (на этих приборах шкала в практической системе измерения).

Правильная настройка реле низкого давления обеспечивает заданную температуру кипения для всех испарителей, непосредственно соединенных с всасывающим коллектором компрессора. Подобное соединение испарителей характерно для охлаждающих помещений с примерно одинаковыми низкими температурными режимами хранения. Когда общая испарительная система обслуживает объекты с различными температурами хранения (например, провизионные кладовые с плюсовыми и минусовыми температурами), прямое объединение выходов испарителей нежелательно по следующей причине.

Пусть холодильная установка включает две провизионные кладовые К₁ и К₂ (или две группы кладовых) с различными температурными режимами t₁ и t₂, причем температура в кладовой К₁ значительно выше температуры в К₂ (рис. 6.24).

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 - t_o в кладовой К₁ будет значительно больше температурного напора θ₂= t₂-t_o в кладовой K₂. Температура кипения t_о, необходимая для отвода теплоты из помещения K₂, будет слишком низкой для кладовой К₁. Как уже отмечалось, заниженная температура кипения вызывает большую неравномерность в распределении температур по объему охлаждаемого помещения. В месте установки термобаллона реле температуры 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 кладовой К₁ с высокой температурой хранения установить так называемый регулятор давления Р_гД "до себя" (на рис. 6.24 показан штриховой 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 "до себя". Задавая Р_гД нужное давление р´_о>р_о, можно получить температурный напор θ'=t₁-t_o, удовлетворяющий требованиям технологии обработки именно данного груза.

Принцип действия регулятора давления "до себя" типа АДД-20 показан на рис. 6.25, а. Элемент сравнения регулятора - мембрана 6, закрепленная между стаканом 11 и крышкой 13,- находится под действием двух сил. Сверху на мембрану 6 воздействуют атмосферное давление и сила натяжения настроечной пружины 8, передаваемая через тарелку 12. Снизу на мембрану через отверстие в клапане /, полость сильфона 2 и отверстие в крышке 4 действует регулируемое давление пара хладагента, выходящего из испарителя, а также пружина 14 через шток 3 (жестко соединенный с клапаном /), наконечник 5 и направляющую тарелки 7. При увеличении теплового потока на испаритель давление кипения в нем повышается и усилие, действующее на мембрану 6 снизу, возрастает. Мембрана б, преодолевая усилие сжатой пружины 8, через шток 3 увеличивает открытие клапана 1 и количество пара, отсасываемого из испарителя.

С уменьшением давления клапан 1 под действием пружины 8 прикрывает расход пара из испарителя, в результате чего давление кипения поддерживается на заданном уровне.

Требуемое давление в испарителе, а значит и температура кипения задаются вращением регулировочного винта 9, усилие от которого через упор 10 передается пружине.

На судах зарубежной постройки широко применяются регуляторы давления "до себя" фирмы "Данфосс" типа IV (см. рис. 6.25,6),

Пар хладагента, выходящего из испарителя, по штуцеру 3 подводится снизу к тарелке 9. При повышении давления в испарителе сильфон 7 растягивается, сжимая пружину 8. При этом клапан 4 с направляющей 2 поднимается, увеличивая проходное сечение и пропуская из испарителя во всасывающую магистраль компрессора через штуцер 1 большее количество паров хладагента. При понижении давления в испарителе клапан 4 под действием пружины 8 прикрывается, уменьшая расход пара и поддерживая заданное давление кипения в испарителе. Пружина 10 гаси! возможные колебания клапана 4 при изменении его положения.

Давление в испарителе задаете винтом 5, изменяющим натяжение пружины 8, которое изменяется колпачком 6. При повороте винта по часовой стрелке давление в испарителе увеличивается. Для контроля результатов настройки предусмотрены игольчатый клапан 11 со штуцером 12, к которому подключается манометр