123

УДК 621.56.002.5

ББК

Козьміних М.А., Ольшамовський В.С., Шестопалов К.О.

Управління судновими холодильними установками: навчальний посібник

В навчальному посібнику викладені загальні принципи управління автоматизованими судновими холодильними установками, вимоги до засобів автоматизації та управління. Наведені типові схеми систем автоматичного управління судновими холодильними установками, систем захисту та контролю, особливості їх побудови. Розглянуті конструкції найбільше поширених приладів та засобів автоматизації, що використовуються для забезпечення управління судновим холодильним обладнанням.

Навчальний посібник призначено для студентів вищих морських начальних закладів спеціальності 271 «Річковий та морський транспорт», спеціалізації «Управління судновими технічними системами і комплексами» та може бути використаний інженерно-технічними робітниками морського та річкового транспорту.

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………..	3
1 ОСНОВНА ЗАДАЧА УПРАВЛІННЯ СУДНОВОЮ ХОЛОДИЛЬНОЮ УСТАНОВКОЮ………………………………………..	9
1.1 Статичні характеристики холодильної установки…………………...	9
1.2 Шляхи рішення основної задачі управління…………………………	11
1.3 Позиційне регулювання температури………………………………..	12
1.4 Плавне регулювання температури……………………………………	16
2 УПРАВЛІННЯ ХОЛОДИЛЬНИМИ КОМПРЕСОРАМИ……………….	19
2.1 Задачі управління компресорів холодильних установок……………	19
2.2 Розвантаження компресорів під час пуску…………………………...	21
2.3 Дискретні способи регулювання холодопродуктивності компресора……………………………………………………………………	25
2.4 Плавне регулювання холодопродуктивності компресорів………….	30
2.5Порівняння методів регулювання холодопродуктивністю компресорів…………………………………………………………………..	35
3 УПРАВЛІННЯ КОНДЕНСАТОРАМИ СУДНОВИХ ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВОК…………………………………………...	40
3.1 Автоматизація конденсаторів з водяним охолодженням……………	40
3.2 Автоматизація конденсаторів з повітряним охолодженням………...	46
4 РЕГУЛЮВАННЯ ЖИВЛЕННЯ ВИПАРНИКІВ………………………...	50
5 ОСОБЛИВОСТІ ТЕПЛОТЕХНІЧНИХ ВИМІРІВ ПРИ ВИПРОБУВАННЯХ, НАЛАГОДЖЕННІ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЇ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ………………………………………………..	68
5.1 Основні принципи вимірювання фізичних величин………………...	68
5.2 Оцінка стану параметрів повітря……………………………………..	73
5.3 Вимір температури…………………………………………………….	89
5.4 Вимір тиску…………………………………………………………….	94
6 СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ СУДНОВИХ ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВОК………………………………………………………………..	102
6.1 Системи захисту холодильних установок……………………………	102
6.2Системи автоматичного управління судновими холодильними установками…………………………………………………………………..	114
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ…………………………...	127

ВСТУП

В нинішні часи застосування штучного холоду в діяльності людства характеризується стабільним зростанням, що обумовлює збільшення кількості транспортних холодильних установок, зокрема і суднових.

Якщо враховувати стрімке зростання кількості рефрижераторних контейнерів, що більшу частину свого шляху здійснюють на борту судна-контейнеровоза, та застосування холоду під час організації і перевезення скраплених газів морським шляхом, питання підвищення надійності та енергетичної ефективності транспортного холодильного обладнання безумовно має велике значення. Ця задача, з урахуванням сучасних екологічних вимог, вирішується, в основному, за рахунок застосування систем автоматизованого управління, контролю та захисту основних та допоміжних елементів холодильних установок.

Сучасні системи автоматизованого управління, завдяки ієрархічному принципу побудови, забезпечують збір, переробку та узагальнення інформації, надають систематизовані дані та можуть формувати управляючі дії на об’єкт управління, що надає можливість оптимального керування.

Сучасні суднові автоматизовані системи управління (АСУ) є типовими ергатичними системами управління (рис. 1), необхідною частиною яких є людина-оператор, який приймає остаточне рішення.

Рис. 1 – Схема ергатичної системи управління технічними об’єктами

Роль людини-оператора в управлінні судновими технічними об’єктами може бути вельми різноманітною в залежності від кваліфікації оператора та рівня автоматизації обладнання. Наявний аналіз відмов суднових технічних об’єктів свідчить про те, що в значній кількості випадків відмови виникли при помилкових діях саме операторів.

Посилення значущості людського фактору під час експлуатації суднового холодильного обладнання обумовлено скороченням кількості суднового екіпажу та характером діяльності суднових спеціалістів в цих умовах, які пов’язані з використанням інтенсивних методів при застосуванні технічних засобів.

Безпека, надійність та економічність функціонування суднових технічних систем залежить не тільки від технічного стану обладнання, але в значному ступені визначається ефективністю відповідної АСУ, якістю взаємодії оператора з засобами автоматизації та рівнем його професійної кваліфікації.

Значний внесок в розвиток теорії та практичного використання об’єктів холодильної техніки зробили відомі вітчизняні та закордонні вчені: В.С. Мартиновський, Л.З. Мельцер, І.Г.Чумак, Ю.В.Захаров, Н.Н. Кошкін, А.А. Голіков, В.А. Загоруйко, В.С. Ужанський, В.А. Голіков та багато інших.

В якості холодильних машин для транспортних холодильних установок найбільш поширені одноступеневі холодильні машини компресійного типу, для холодильних установок спеціалізованих суден, що перевозять заморожені вантажі або скраплені гази частіше використовують двох- та багатостепеневі холодильні машини та машини, що працюють за зворотнім циклом Брайтона.

Найбільш типовим є варіант холодильної парокомпресіної машини з компресорами різного типу. Споживана потужність електродвигунів холодильних компресорів знаходиться в межах від кількох ватт до тисяч кіловатт, в залежності від призначення установок та їх холодопродуктивності.

Зазначене конструктивне рішення пояснюється низкою чинників, що обумовлюють переваги парокомпресійної холодильної машини з електроприводом компресора: достатньо висока ефективність, можливість уніфікації елементної бази, можливість промислового виробництва при порівняно низькій вартості речовин, що використовуються в якості робочого тіла.

З урахуванням вимог до суднових холодильних установок можливо визначити основні напрями та тенденції розвитку холодильного обладнання суден:

• забезпечення екологічної безпеки (у зв’язку з жорсткими вимогами до робочих речовин по впливу на атмосферу);

• підвищення енергетичної ефективності з урахуванням непрямих вимог по зниженню емісії парникових газів в цілому;

• надання додаткових можливостей: режимів надшвидкої заморозки з використанням пристроїв регулювання продуктивності, наявність камер з різноманітними температурами зберігання, застосування теплообмінних апаратів підвищеної ефективності, зниження гучності виробів, наявність гігроскопічних температурних зон;

• підвищення надійності, доступність та простота сервісного обслуговування, зниження вартості для кінцевого споживача.

З урахуванням вимог та можливих напрямів розвитку суднової холодильної техніки слід сформулювати загальні задачі удосконалення суднових холодильних машин і установок:

• зниження питомого вживання електроенергії усіма можливими засобами, зокрема за рахунок використання більш ефективної теплоізоляції, підвищення якості процесів регулювання та іншими;

• підвищення надійності та холодопродуктивності холодильних компресорів, в тому числі, герметичних при одночасному зниженні їх температурного рівня;

• підвищення рівня питомої холодопродуктивності холодильних машин, в цілому;

• поліпшення масогабаритних показників;

• забезпечення функціонування холодильної машини при живленні від малопотужної електричної мережі.

Дослідження [1, 2] свідчать, що удосконалення окремих елементів холодильних машин дозволяє знизити витрати електроенергії за рахунок:

• поліпшення теплоізоляції та ущільнення дверей на 20÷30%;

• зниження нагріву компресору до 14%;

• підвищення ККД компресора на 12÷16%;

• раціоналізації методів терморегулювання та автоматизації на 14÷18%;

• інтенсифікації теплообміну в випарниках та конденсаторах не менш ніж на 8%;

• належної організації експлуатації на 5%.

З умови комплексної реалізації всіх удосконалень та вимог, можливо

скоротити вживання енергії холодильним обладнанням понад 50%.

Таким чином, питання підвищення енергетичної ефективності холодильних машин є комплексною проблемою, рішення якої може бути досягнуто при здійсненні кроків в усіх згаданих вище напрямках.

Широке використання в парокомпресійних холодильних машинах традиційних холодильних агентів (R12, R22, R502), які за своїм хімічним складом є хлорфторвуглецями, сприяло загостренню таких глобальних проблем, як руйнування озонового шару Землі та посилення «парникового ефекту» [3].

Всесвітніми організаціями прийнята низка документів, що впроваджують достатньо жорсткі вимоги до холодильних установок, що експлуатуються, особливо до транспортних.

Державами, підприємства яких виробляють та використовують хлорфторвуглеці, ще в 1987 році було підписано Монреальський протокол по озоноруйнуючим речовинам, згідно до якого переважна більшість з поширених холодильних агентів, що використовувалися на той час, повинна була бути виключена з практичного застосування.

З початку ХХІ сторіччя і до нинішнього часу актуальним стало завдання розробки та впровадження нових «альтернативних» робочих речовин для холодильних машин. В поточний час найбільш злободенне питання в тому, що багато з озонобезпечних холодильних агентів, що пропонуються на світовому ринку, належать до категорії парникових газів, застосування яких обмежується Кіотським протоколом 1997 року [3, 4].

Кіотський протокол – міжнародна угода, яка прийнята в грудні 1997 року, як доповнення до Рамочної конвенції ООН про зміни клімату. Угода зобов’язує розвинуті країни та країни з перехідною економікою скоротити або стабілізувати викиди парникових газів.

Наприклад, парниковий ефект від надходження до атмосфери 1 кг хладону R134А (СН₂FСF₃), який є повністю озонобезпечним, дорівнює впливу 1300 кг СО₂.

Опріч безпосереднього впливу хладонів на атмосферу за рахунок витоків, потрібно враховувати і кількість СО₂, що виділяється під час вироблення енергії необхідної для забезпечення працездатності холодильного обладнання.

Ці обставини привели до необхідності впровадження такого критерію, як ТEWI (Total Equivalent Warming Impact). Застосування такого критерію є загальною оцінкою потенціалу потепління, що використовується для виміру внеску конкретного технічного обладнання в глобальне потепління. Значення критерію визначається сумою прямих (хімічних) та посередніх (за рахунок втрат під час використання та перетворення енергії) парникових газів. Критерій дозволяє комплексно враховувати енергетичні та екологічні фактори використання холодильного обладнання.

В багатьох випадках застосовується поняття «Потенціал глобального потепління» (Global warming potential, GWP). Цей критерій визначає ступінь впливу різних парникових газів на глобальне потепління за сталий проміжок часу.

В нинішній час в якості основних вимог до нового холодильного обладнання можливо визначити два наступних:

• висока енергетична ефективність;

• екологічна чистота, під якою слід розуміти, як вплив на озоновий шар, так і внесок до «парникового ефекту».

У зв'язку з цим визначилося кілька напрямів у розвитку світової холодильної промисловості.

Перше базується на виробництві нових синтетичних холодильних агентів групи HFC (hydrofluorcarbons, гідрофторвуглеців) для парокомпресійних холодильних машин. При цьому вирішуються завдання впровадження альтернативних холодильних агентів, аналізу їх термодинамічної ефективності в різних типах холодильного обладнання та вивчення процесів тепло масообміну в апаратах холодильних установок.

Досвід експлуатації холодильних установок свідчить про те, що фактично для кожного нового холодильного агенту необхідно підбирати нове холодильне мастило та впровадити деякі конструктивні зміни в частину обладнання.

Зазначений напрям найбільш характерний для виробників холодильного обладнання таких країн як США та Японія і підтримується відомими корпораціями «Данфосс» та «Дюпон».

В якості іншого напряму можливо визначити розвиток спроб застосування природних холодильних агентів. Він пов'язаний з використанням для отримання низьких температур дешевих, озонобезпечних природних речовин: пропану, аміаку, двоокису вуглецю. Їх промислове виробництво забезпечено достатньо потужними виробниками, у зв’язку з чим всі дослідження спрямовані на розробку конструктивних та схемних рішень для нового холодильного обладнання. Тим не менш при спробах використання в холодильній техніці багатьох з зазначених речовин виникають проблеми забезпечення особливих заходів безпеки, що пов’язано з отруйністю (аміак), пожежонебезпечністю (пропан) та іншими факторами. Цей напрям одержав розвиток у деяких європейських країнах і особливо в Німеччині.

Ще до одного напряму слід віднести удосконалення холодильної техніки з застосуванням інших, не парокомпресійних, принципів одержання холоду. До цієї групи входять повітряні, пароежекційні, сорбційні холодильні машини, пристрої, в яких використовується ефект Ранка-Пельтьє, холодильні машини, що працюють по зворотному циклу Стірлінга. За думкою деяких дослідників та фахівців, перехід до використання низькоефективних холодильних пристроїв забезпечить позитивний вплив на збереження озонового шару Землі. Однак, при цьому не враховується, що збільшення необхідної для отримання потрібного результату енергії приведе до збільшення кількості викидів в атмосферу парникових газів. Однак, в специфічних умовах використання таких пристроїв достатньо поширене.

Найбільш характерним прикладом є використання на суднах-газовозах при перевезенні скрапленого природного газу (метану) вантажних установок працюючих за зворотнім циклом Брайтона. При необхідних температурах

-161÷163 ⁰С вони навіть перевищують за ефективністю парокомпресійні установки. В нинішній час активно застосовуються криогенні машини, що працюють за зворотнім циклом Стірлінга. Розглядається питання впровадження в виробництво малих холодильних установок цього типу для одержання помірних температур, зокрема в холодильних шафах. Результаті досліджень свідчать про те, що при застосуванні принципу зворотного циклу Стірлінга, ефективність холодильної машини може в 1,5 рази перевищувати аналогічну парокомпресійну з одночасним поліпшенням масогабаратних характеристик на 20÷30%.

Окремо слід визначити напрям пов'язаний з розробкою принципово нових способів одержання холоду. До них можливо віднести технології термоіонного охолодження, які розробленні англійською компанією «Бореаліс Технікал». Попередні оцінки показали, що ефективність охолоджувачів працюючих за принципом термоіонного охолодження може в 2 рази перевищувати парокомпресійну холодильну машину.

Компанією «Marco Sorix Co» запропонований «звуковий» холодильний компресор. В цьому випадку для отримання холоду застосовується ультразвук.

Усі випадки впровадження нового холодильного обладнання та удосконалення того, що вже знаходиться в експлуатації потребують застосування засобів автоматизації та відповідного розвитку АСУ. В сучасній холодильній техніці поширене використання електронних аналогових та цифрових засобів управління та автоматизації. В повному обсязі це відноситься до суднових холодильних установок. Різноманітність суднових споживачів холоду обумовлює розширення номенклатури приладів та засобів автоматизації.

Засоби автоматизації, з умови їх правильного вибору та налаштування, можуть успішно вирішити задачі підвищення енергетичної ефективності суднового холодильного обладнання, забезпечення безпечної експлуатації, зменшити затрати праці на обслуговування та спростити його, що особливо важливо для сучасних умов експлуатації морських суден з нечисленним екіпажем та відсутністю безпосередньо на борту судна спеціалістів з відповідною кваліфікацією.

Треба підкреслити, що надійність суднового холодильного обладнання вкрай важлива, особливо для обладнання вантажних систем суден для перевезення скраплених газів та холодильних установок рефконтейнерів, під час їх знаходження на борту судна контейнеровоза. Завдання підвищення надійності можливо вирішувати за рахунок забезпечення зберігаючих режимів експлуатації системами автоматичного управління.

Загальною ціллю системи автоматичного управління судновим холодильним обладнанням є забезпечення економічності та надійності під час експлуатації з урахуванням діючих вимог.

Запропонований навчальний посібник встановлює своєю ціллю надати фахівцям, що забезпечують експлуатацію суднового холодильного обладнання, первинні знання, необхідні при експлуатації систем управління та засобів автоматизації суднових холодильних установок, оцінці ефективності роботи працюючого обладнання та наявних засобів автоматизації, аналізу необхідності удосконалення систем охолодження.

Навчальний посібник призначено для студентів та курсантів вищих морських навчальних закладів, що навчаються за спеціальністю 271 «Річковий та морський транспорт» спеціалізації «Управління судновими системами і комплексами», а також може бути використаний інженерно-технічними спеціалістами, які забезпечують експлуатацію суднового холодильного обладнання.

1 Основна задача управління судновою холодильною установкою

1. Статичні характеристики холодильної установки

Основною задачею управління судновою холодильною установкою є підтримання потрібної температури в об’єкті охолодження, значення якої нижче температури навколишнього середовища.

Допоміжні задачі, що забезпечують виконання основної, наступні:

1.Живлення випарювачів рідким холодильним агентом.

2.Підтримування заданого тиску конденсації.

3.Забезпечення мащення компресору.

4.Автоматичне відтаювання приладів охолодження.

Усі задачі потрібно вирішувати з урахуванням необхідності забезпечення вимог до надійного функціонування окремих елементів та холодильної установки в цілому.

Найпростіша холодильна установка (рис. 1.1) складається з об’єкту охолодження Об, випарника В_п, компресора Км, конденсатора Кд та регулюючого вентилю Р_в.

Рис. 1.1 - Принципова схема найпростішої холодильної установки

Таким чином, основною задачею є підтримання заданої температури t_п в об’єкті. Рішення основної задачі базується на розгляді та аналізі статичних характеристик холодильної установки.

На об’єкт впливають зовнішні фактори (збурення), основним з яких є температура навколишнього (зовнішнього) середовища (t_зс). Режим роботи холодильної установки визначається низкою термодинамічних та конструктивних параметрів: температур хладону в вузлових місцях (крапках) циклу або схеми t_ха; температури охолоджуючого середовища конденсатора t_оск, витратами хладону та охолоджуючої речовини G_ха, G_ор, площі теплообмінних поверхонь F та коефіцієнтів теплопередачі теплообмінних апаратів і конструкцій, що огороджують об’єкт k, а також багатої кількості інших чинників, які мають вплив на роботу холодильної установки.

Вважаючи процеси, що здійснюються в холодильній установці, квазістатичними, приймемо наступні припущення:

k_в F_в = const,

t_к =const,

де k_в – коефіцієнт теплопередачі випарника;

F_в – теплообмінна поверхня випарника;

t_к – температура конденсації.

Тепловий стан об’єкту може бути визначено системою трьох рівнянь:

Q_об = k_огр F_огр (t_зс – t_п);

Q_в = k_в F_в (t_п – t_ха0); (1.1)

Q_км = f (t_ха0).

В сталому режимі справедлива рівність

Q_об = Q_{в =} Q_км,

де, відповідно, Q_об, Q_в,Q_км – теплове навантаження на об’єкт, випарник та холодопродуктивність компресора;

k_огр, k_в – коефіцієнти теплопередачі огороджень та теплообмінної поверхні випарника.

Сумісне рішення системи рівнянь дозволяє одержати характеристику Q_у = f (t_зс), яка, в свою чергу, визначає поточну холодопродуктивність установки Q_у.пот при зміні t_зс [5].

Залежності Q_у = f (t_зс) і Q_у = f (t_п) є статичними характеристиками холодильної установки, які дозволяють визначити потрібну холодопродуктивність при зміні температур.

Аналіз статичних характеристик дозволяє зробити висновок, що холодильна установка - це об’єкт з самовирівнюванням. Кожному значенню навантаження, у даному випадку значенню температури зовнішнього середовища відповідає конкретний сталий стан, якому придатний визначений набір значень робочих параметрів установки. При цьому працездатність холодильної установки зберігається в достатньо широких межах.

Статичні характеристики дозволяють прийняти рішення про доцільність регулювання, його особливостях, необхідних приладах і засобах автоматизації, їх характеристиках.

Одна і таж холодильна установка може використовуватися для охолодження різних об’єктів при різних температурних режимах, що наочно підтверджується різноманітністю експлуатаційних режимів рефрижераторних контейнерів. Цей факт повинен бути врахований при створенні системи управління та виборі елементів холодильної установки.

2. Шляхи рішення основної задачі управління

Задача підтримання температури в об’єкті в межах t_п = t_{п min}÷ t_{п max}, що відповідає вимогам технологічних умов, потребує рішення при наявності зовнішніх впливів, які змінюються у часі.

Розглянемо статичні характеристики холодильної установки як об’єкту регулювання, використавши систему рівнянь (1.1) та вважаючи, що t_п задана. Крапка ІІ₂ на характеристиці Q_об = f (t_зс) відповідає максимуму теплового

навантаження при найбільшій температурі зовнішнього середовища.

Рис. 1.2 - Спрощені статичні характеристики холодильної установки

По цьому значенню зазвичай обирають компресор та випарник. При зменшенні теплового навантаження виникає потреба прийняти заходи для збереження умов дорівняння складових системи рівнянь (1.1).

З урахуванням того, що Q_об = f (t_зс) впливають зовнішні збурення, на Q_в = f (t_о) впливає режим роботи компресора (значення t_о – температури випарювання холодоагенту у випарнику фактично визначають холодопродуктивність компресору). Найбільш поширеним для здійснення наявними технічними засобами шляхом є зміна характеристики компресора

Q_км = f (t_о).

Характеристика повинна бути змінена таким чином, щоб крапка її перетину з характеристикою випарника Q_в = f (t_о) визначалася у відповідальності зі зміною навантаження на об’єкт (Q_а = Q_Іа).

Можливо застосування двох способів зміни характеристики компресора - позиційний (дискретний) і плавний. В обох випадках холодопродуктивність може змінюватися за допомогою зовнішніх або вбудованих пристроїв. До зовнішніх пристроїв слід віднести: регулюючі дроселі, регулюючі вентилі на лінії всмоктування, пристрої для здійснення байпасування (лінії з автоматичними клапанами), приводи, що регулюються (як правило електричні).

До вбудованих пристроїв, тобто до пристроїв, що змінюють внутрішні параметри компресора належать: золотники, що з’єднують порожнини всмоктування з робочим простором компресору, пристрої для віджимання клапанів та інші елементи безпосередньо запроваджені до конструкції компресора.

Обираючи шлях зміни характеристики необхідно враховувати її зв'язок з характеристикою випарника Q_в = f (t_о).

1.3 Позиційне регулювання температури

Найпростішим способом позиційного регулювання температури є двопозиційне або спосіб «пуск-зупинка».

Рис. 1.3 – Схема системи управління температурою об’єкта

Принцип дії системи регулювання базується на тому, що позиційний регулятор (регулюючий пристрій) РП, одержує від датчика сигнал про значення температури об’єкту t_об і при зниженні її значення до мінімально припустимого, надсилає сигнал про необхідність зупинки холодильної машини або на припинення доступу холодильного агенту у випарник іншим чином (при наявності декількох об’єктів, що обслуговуються однією холодильною машиною.

Після підвищення температури на деяку величину Δt = t₂ – t₁, що носить назву диференціалу, регулятор надає команду на запуск холодильної машини.

В системах цього типу використовуються регулюючи пристрої з релейними характеристиками. Диференціал χ = Δt встановлюється при налаштуванні регулюючого пристрою. Вигляд релейної характеристики наведено на рисунку 1.4.

Рис. 1.4 – Релейна характеристика регулятора

У якості регулюючих пристроїв в системах цього типу, зазвичай, використовуються реле температури різних типів, однак можливо і використання реле тиску, отримаючих сигнал по тиску випарювання холодильного агенту, що дозволяє посередньо оцінювати температуру об’єкту.

При такому способі регулювання характер зміни температури об’єкту у часі має вигляд , що наближається до синусоїди.

Рис. 1.5 – Зміна температури об’єкту при позиційному регулюванні температури

Час циклу роботи холодильної машини в загальній сумі складається з часу роботи і часу стоянки.

τ_ц = τ_р + τ_н

Зазвичай для оцінки робочого режиму установки застосовують коефіцієнт робочого часу в = τ_р / τ_ц, який може приймати значення від 0 до 1, а також припустиму кількість циклів за годину експлуатації f_пр ≥ 1/ τ_ц.

Для більшості суднових холодильних установок, при застосуванні позиційного способу регулювання, рекомендоване припустиме значення

f_пр = 3÷5 циклів за годину. У випадку, якщо годинна кількість циклів перевищує припустиме значення f_пр, застосовувати двопозиційне регулювання не слід. В цьому випадку необхідно вирішувати задачу регулювання застосовуючи багатопозиційну або плавну системи регулювання.

Застосовуються статичні та астатичні багатопозиційні системи регулювання.

Статична багатопозиційна система

Розглянемо випадок трипозиційного регулювання, який може бути здійснений при застосуванні трьох компресорів, одного компресора зі ступеневим регулюванням холодопродуктивності, наприклад, шляхом вимкнення циліндрів або за рахунок комбінації різних способів.

Регулюючий пристрій повинен мати ступінчасту характеристику або можливість застосування окремого реле на кожен ступень переключення. Особливістю налаштування регулюючого пристрою (РП) є наявність зміщення по температурі для кожного ступеня відносно один одного.

Характеристики регулятора для цього випадку наведені на рисунку 1.6.

Рис. 1.6 – Статична багатопозиційна система регулювання температури:

а) релейна характеристика регулюючого пристрою; б) робота в часі при зміні навантаження

В загальному випадку, при використанні статичної багатопозиційної системи, збільшується мінімальна тривалість циклів τ_ц, тобто зменшується кількість циклів за годину в наслідок чого система стає більш сталою.

З іншого боку, необхідність зміщення налаштувань ступенів викликає збільшення зони повернення (загальний диференціал), як наслідок Δt_об = t_вкл3 – t_вим1 може перебільшити припустиме технологічними умовами значення. Зазвичай, якщо кількість ступенів перевищує чотири, статичні системи не використовуються.

Астатична багатопозиційна система

Побудування астатичної багатопозиційної системи потребує використання елементів з різними зонами повернення (диференціалами), що дозволяє зменшити загальну зону повернення системи в порівнянні зі статичною системою. У такому випадку регулюючі пристрої, керуючі кожним ступенем мають різні значення диференціалів.

Якщо теплове навантаження має значення від 0 до Q_км1, циклічно працює перша ступень (І). При підвищенні навантаження до Q_км1, ступень І переходить до безперервного режиму роботи.

У випадку підвищення температури об’єкту до t_вкл2 вмикається ступень ІІ.

Рис. 1.7 – Астатична система з багатопозиційним релейним регулятором температури: а) релейна характеристика регулюючого пристрою; б) робота в часі при зміні навантаження

При цьому, якщо поточне теплове навантаження Q_т буде коливатися у межах Q_{км ср1} ÷ Q_{км ср2}, температура почне знижуватися і при t_т = t_вим1 ступень І вимкнеться, а ступень ІІ залишеться працюючою. У наслідок того, що теплове навантаження більше продуктивності ІІ ступеню але менш суми продуктивності ступенів І і ІІ, ступень І буде працювати циклічно при постійно працюючому ступені ІІ. При подальшому зростанні навантаження долучається до безперервної праці ступень ІІІ, при цьому ступень ІІ продовжує працювати безперервно, а ступень І циклічно.

У випадку зниження навантаження вимкнення ступенів здійснюється наступним чином: спочатку вимикається ступень ІІ, потім ІІІ, ступень І весь час працює циклічно.

Таким чином, при будь яких коливаннях навантаження коливання температури зберігаються в межах t_вкл1 і t_вим1. Зміщення середньої температури відсутнє. Така властивість системи схожа з властивістю систем з астатичним регулятором плавної дії, в яких параметр, що регулюється, не змінюється при будь-яких змінах навантаження.

Однак, в розглянутій системи наявні тимчасові відхилення температури за межі t_вкл1 ÷ t_вим1 під час переходів з однієї ступені на іншу. В цілому, значення відхилення залежать від можливостей регулюючого пристрою і можуть бути достатньо малими. У зв’язку з цим розглянута система лише умовно може бути поіменована як астатична.

При використанні астатичної системи для компресора з регулююмою продуктивністю, з урахуванням того, що компресор повинен зупинятися при зниженні навантаження нижче заданої і ввімкнутися автоматично,привод компресору слід включати до останнього ступеню. При цьому коливання температури на нижньому ступені будуть мати достатньо велику амплітуду, однак, з урахуванням того, що мінімальні навантаження не є характерними в суднових експлуатаційних умовах, цей недолік може не розглядатися як значущий. Як другий недолік може розглядатися те, що при пуску компресора його холодопродуктивність буде максимальною. Зниження до потрібного значення відбудуться тільки після досягнення сталого температурного режиму. Цей фактор, в деякій мірі, теж сприяє збільшенню розмаху коливань температури, що відповідає погіршенню якості системи в цілому.

Застосування багатоступеневих астатичних систем регулювання температури доцільно для холодильних установок, в яких холодильний компресор працює майже постійно. Прикладом таких систем є системи комфортного кондиціювання повітря. В таких випадках розглянуті недоліки значного впливу на якість системи мати не будуть.

1.4 Плавне регулювання температури

У випадку плавного регулювання необхідно знати припустимі межі відхилення регулюючого параметру при регулюванні температури об’єкту охолодження (див. рис. 1.3). Припустимо, що ці межі знаходяться між t_н – мінімально припустимою та t_п - максимально припустимою температурами об’єкту. Різність температур σ = t_п - t_н. З урахуванням того, що теплове навантаження на об’єкт може коливатися від Q_min до Q_max, характеристика холодильної машини, що регулюється, буде знаходитися між крапками а і б (рис. 1.8).

Рис. 1.8 – Статична характеристика холодильної установки з плавним регулюванням

Для спрощення характеристика зображена як пряма лінія, хоча в реальному випадку, з урахуванням характеристик регулятора, вона має вигляд відповідної кривої.

Значення σ, яке є нерівномірністю регулювання, визначає можливу точність підтримання температури t_об.

Характеристика Q_хмр є результуючою від суміщення характеристик регулюючого пристрою та устроїв, що змінюють холодопродуктивність машини.

Пунктирною лінією показана статична характеристика установки, що працює при таких самих умовах, але без регулювання. При такому ж діапазоні коливання навантажень на об’єкт температура буде змінюватися від t_min до t_max. Співвідношення між нерівномірністю регулювання і природним діапазоном зміни температури об’єкту характеризує ступень впливу регулятора. Чим більше співвідношення, тим з більшою точністю система регулювання забезпечує підтримання необхідної температури.

Наведена на рисунку 1.8 характеристика ілюструє випадок застосування пропорційного регулятора (П – регулятора).

Застосування пропорційного регулятора супроводжується наявністю залишкового відхилення температури від заданого значення – статизму регулювання. Принципово, статизм може бути на скільки завгодно малим та перевернутися на нуль при застосуванні інтегрального регулятора [6, 7], який забезпечує астатичне регулювання. Однак, у цьому випадку, система регулювання може стати або нестійкою, або неприпустимо повільно діючою. У зв’язку з цим, в системах, що потребують високої точності регулювання, застосовуються або пропорційно інтегральні (ПІ), або пропорційно-інтегрально-диференційні (ПІД) регулятори.

Система регулювання забезпечує зміну холодопродуктивності холодильної машини від Q_min до Q_max.

Значення Q_max відповідає 100% можливої холодопродуктивності, а Q_min визначається технологічними вимогами до холодильної установки та може бути доведено до 0.

Питання для самоконтролю

1. В чому полягає основна задача управління судновою холодильною установкою?

2. В чому полягають допоміжні задачі управління судновою холодильною установкою?

3. Що собою представляють статичні характеристики суднової холодильної установки?

4. Як визначити поточну холодопродуктивність при наявності статичної характеристики?

5. В чому полягає двопозиційний спосіб регулювання?

6. Принцип здійснення статичного багатопозиційного способу регулювання

7. Які шляхи можливо використати для зміни характеристики холодильного компресора?

8. Принцип здійснення астатичного багатопозиційного способу регулювання.

9. Порівняйте статичні характеристики холодильної машини без регулювання та з плавним регулюванням в однакових діапазонах зміни навантаження. Які висновки можливо зробити?

10. Що собою представляє релейний регулятор та яке його призначення?

11. Надайте характеристику процесу регулювання холодопродуктивності в будь-якому обраному діапазоні.