Глава 10. Регулирование

ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

При работе холодильной машины основные процес­сы, выполняемые обслуживающим персоналом (маши­нистом), можно автоматизировать.

В зависимости от выполняемых функций различа­ют приборы автоматического контроля, сигнализации, защиты, управления и регулирования.

Приборы автоматического контроля измеряют тем­пературу, давление, расход холодильного агента и хладоносителя, а иногда и записывают их числовые зна­чения.

Приборы автоматической сигнализации включением или выключением световых или звуковых сигналов из­вещают о достижении заданного значения контроли­руемой величины, а также о включении или выключе­нии отдельных элементов оборудования.

Приборы автоматической защиты прекращают ра­боту всей установки или отдельных ее элементов при опасных значениях контролируемой величины (давле­ния, температуры, уровня жидкости, расхода, режима смазки механизмов, режима работы электродвигателей).

Приборы автоматического управления включают и выключают установку или отдельные ее элементы (на­сосы, вентиляторы, автоматические вентили или зад­вижки), а также осуществляют вспомогательные опера­ции (оттаивание инея с поверхности охлаждающих ба­тарей, выпуск масла, воздуха и др.).

Приборы автоматического регулирования поддер­живают заданное значение контролируемой величины или ее изменяет по определенной программе. Эти приборы могут выполнять и функции автоматического уп­равления. Приборы автоматического регулирования дол­жны поддерживать заданное значение (или изменять по определенной программе) следующих величин: темпера­туру и влажность воздуха в холодильных камерах, тем­пературу хладоносителя, производительность компрессо­ра, количества жидкого холодильного агента, подаваемо­го в испаритель, температуру перегрева всасываемого па­ра, уровень заполнения картера компрессора маслом, а также давления конденсации. Автоматические устрой­ства предназначены также для своевременного уда­ления инея с охлаждающих батарей и воздуха (и некон­денсирующихся газов) из холодильной установки.

Холодильную машину можно автоматизировать частично или полностью. При частичной автоматиза­ции используют средства контроля, сигнализации и за­щиты, а регулирование и управление машиной осуще­ствляют вручную при непрерывном наблюдении обслу­живающего персонала. При полной автоматизации все процессы регулируются автоматически, а наблюдение за работой машины ведется периодически.

Автоматизация все шире внедряется в холодильную технику. Все малые и средние холодильные машины выпускаются полностью автоматизированными. Пол­ностью или частично автоматизируются и крупные хо­лодильные установки.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Схема автоматического прибора (автоматическо­го регулятора) и объекта регулирования с внешней тепловой нагрузкой показана на рис. .

Под действием внешнего теплопритока регулируе­мый параметр (температура, давление, уровень жид­кости и т. п.) отклоняется от заданной величины. Вели­чину отклонения параметра называют рассогласо­ванием. Значение регулируемого параметра можно поддерживать в заданных пределах, т. е. уменьшить величину рассогласования путем воздействия на объект регулирования, согласуя воздействие с нагрузкой (например, отводить от объекта столько теплоты, сколько ее поступает извне).

Изменение воздействия па объекты во времени, вы­зываемое изменением внешней нагрузки (теплопритока), называют процессом регулирования. Для уменьшения величины отклонения регулируемого параметра (рассогласования) регулирующее воздейст­вие на объект осуществляется автоматическим прибо­ром.

Рис. . Схема автоматичес­кого прибора (автоматическо­го регулятора) и объекта ре­гулирования.

Чтобы измерить величину отклонения регулируемо­го параметра и соответствующим образом изменить регулирующее воздействие, автоматический прибор (см. рис. ) должен иметь чув­ствительный элемент, зада­ющее устройство, элемент сравнения и регулирующим орган.

Чувствительный элемент ЧЭ (датчик). Этот элемент воспринимает изменение ре­гулируемого параметра X и преобразует его в параметр Х₁ более удобный для дей­ствия прибора. Например, температура преобразуется в давление, давление в пе­ремещение механизма, уро­вень жидкости в перемеще­ние поплавка и т. д. Чувст­вительный элемент выпол­няют в виде сильфона, мем­браны, биметаллической пластины, термочувстви­тельного элемента и др. Термочувствительный элемент состоит из чувствительного патрона и упругого элемента, которые соединены в герме­тичную систему, заполненную жидкостью или газом.

Задающее устройство ЗУ. Задающее устройство предназначено для настройки прибора на заданное значение регулируемого параметра (в некоторых пре­делах). Это устройство задает параметр Х₃.

Элемент сравнения ЭС. Он представляет собой ме­ханизм, воспринимающий параметр Х₃, заданный на­стройкой, и параметр Х₁, выдаваемый чувствительным элементом. Он сравнивает эти параметры и вырабаты­вает сигнал ∆Х₃=Х₁-Х₃ (соответствующий рассогла­сованию), который передает регулирующему органу.

Регулирующий (рабочий) орган РО. Регулирующий орган (клапан, электрические контакты и др.) преобра­зует полученный сигнал рассогласования ∆Х_з в пара­метр Х₂, непосредственно вызывающий регулирующее воздействие. Например, изменяя площадь проходного сечения в клапане, регулирующий орган регулирует подачу вещества (холодильного агента, рассола, воды н т. п.) в объект регулирования либо, замыкая и раз­мыкая электрические контакты, регулирует поступление электрического тока в электродвигатель компрессора, электромагнитную катушку запорного соленоидного вентиля.

В некоторых приборах автоматики отдельные дета­ли выполняют одновременно функции двух и более эле­ментов.

В приборах двухпозиционного действия рабочий (регулирующий) орган может занимать только два по­ложения. Например, электрические контакты в реле давления, выполняющие роль рабочего органа, могут быть замкнуты или разомкнуты.

В приборах плавного (пропорционального) дейст­вия непрерывному изменению регулируемой величины соответствует непрерывное перемещение регулирующе­го (рабочего) органа.

В автоматические приборы кроме основных элемен­та могут входить также усилители мощности, преоб­разователи одного сигнала в другой (например, при передаче сигнала на расстояние) и т. п.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ОХЛАЖДАЕМОМ ОБЪЕКТЕ

И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПРЕССОРА

Для поддержания определенной постоянно низкой температуры охлаждаемой среды необходимо, чтобы вся теплота, проникающая извне, отводилась при работе холодильной машины. Но холодильная машина ра­ботает при переменных внешних условиях (изменяются температура наружного воздуха, количество поступаемых в камеру грузов и т. д.). Поэтому для поддержа­ния постоянной температуры в охлаждаемом помеще­нии с переменными теплопритоками нужно изменять холодопроизводительность испарителя и компрессора.

Практически холодопроизводительность машины всегда несколько превышает тсплопритоки в охлаждае­мый объект. Поэтому поддержание заданной темпера­туры в холодильной камере сводится к автоматическо­му снижению производительности компрессора и испа­рителя при понижении тепловой нагрузки.

Для изменения производительности машины приме­няют плавное, ступенчатое и позиционное (релейное) регулирование.

Плавное регулирование достигается плавным из­менением частоты вращения электродвигателя, измене­нием объемной холодопроизводительности холодильного агента и ухудшением коэффициента подачи компрессора. Для этого используют дросселирование всасывае­мого пара, открытие перепускных байпасов и др. Одна­ко плавное регулирование требует применение слож­ных устройств, что является энергетически невыгод­ным. Поэтому оно имеет ограниченное применение.

Ступенчатое регулирование осуществляется путем отжима всасывающих клапанов в отдельных цилинд­рах компрессора, а при наличии нескольких компрес­соров — последовательным включением и выключением отдельных компрессоров.

Позиционное (релейное) регулирование достигает­ся путем периодических пусков и остановок компрес­сора, т. е. цикличной работой.

За время одного цикла τ_ц принимают сумму време­ни работы τ_р и стоянки компрессора τ_с. Суммарная хо­лодопроизводительность компрессора (за цикл, час, сутки) соответствует теплопритокам в камеру.

Отношение времени работы τ_р ко времени всего цик­ла τ_ц называют коэффициентом рабочего времени b.

или

где Στ_р—суммарное время работы компрессора за сутки, ч;

24 — продолжительность суток, ч.

Коэффициент рабочего времени можно также пред­ставить как отношение величины теплопритоков в каме­ру Q_T к холодопроизводительности компрессора Q_0km или испарителя.

Коэффициент рабочего времени всегда меньше еди­ницы. Для малых и средних холодильных установок коэффициент рабочего времени составляет 0,5—0,7, для крупных установок —≈0,8—0,9.

Если охлаждается один объект (камера, шкаф, при­лавок и т. п.), температуру обычно регулируют по спо­собу двухпозиционного регулирования — путем перио­дических пусков и остановок компрессора. Для этого используют двухпозиционные автоматические прибо­ры — реле температуры ТР, реагирующие на темпера­туру в камере (рис. , а), реле ТРИ, реагирующие

Рис. . Схема автоматического регулирования температуры охлаждаемых объектов:

а, 6, в — двухпозиционное регулирование путем цикличной работы компрессо­ра; г — двухпозиционное регулирование с помощью реле температуры ТР и соленоидного вентиля СВ; д — двухпозиционное регулирование путем циклич­ной работы воздухоохладителя; е— пропорциональное регулирование пропор­циональным регулятором температуры ПРТ\ ж — регулирование двухпозиционным регулятором давления прямого действия ДРД.

на температуру поверхности испарителя (рис. , б), и реле давления РДН, реагирующие на давление в ис­парителе (давление всасывания) (рис. ,в).

Когда температура воздуха в камере достигнет верхнего заданного предела, реле температуры ТР (см. рис. , а) замкнет контакты, и магнитный пускатель включит электродвигатель компрессора. Поскольку холодопроизводительность компрессора больше теплопритоков, то при работе компрессора температура в ка­мере будет понижаться. Когда она достигнет нижнего заданного предела, реле температуры ТР разомкнет контакты и остановит компрессор, а температура в ка­мере снова будет повышаться (до верхнего предела).

Температуру воздуха в камере можно регулировать также по температуре кипения холодильного агента в испарителе (см. рис. , б) и по давлению в испари­теле (см. рис. , в). В первом случае чувствительный элемент реле температуры ТРИ крепится в поверхнос­ти испарителя, а во втором используют реле давления РДИ, которое воспринимает изменение давления в ис­парителе, для чего его подключают ко всасывающей стороне компрессора.

Температура кипения t_o и давление р_о изменяются так же, как и температура воздуха в камере, т. е. при стоянке компрессора давление р₀ и температура кипе­ния t_o повышаются. Когда р_о и t_o достигнут заданного верхнего предела, реле температуры испарителя ТРИ (см. рис. ,б) или реле давления РДИ (см. рис. , в) включают компрессор. При работе компрессора давле­ние р_о, температуры кипения в испарителе t_о и камеры t_кам понижаются, а при достижении их нижнего преде­ла реле ТРИ или РДИ останавливают компрессор.

Если охлаждаются одновременно несколько объек­тов, часто применяют реле температуры ТР в комплек­те с автоматическими запорными вентилями (солено­идные вентили) СВ (рис. , г). При повышении тем­пературы в одной из камер соленоидный вентиль СВ открывается (по команде реле ТР) и охлаждающая среда (холодильный агент или рассол) поступает в ка­мерную батарею. При достижении заданного нижнего предела температуры в камере соленоидный вентиль СВ закрывается и прекращаются доступ охлаждающей

среды в батарею, а также охлаждение камеры. Сигнал ОТ реле температуры передается соленоидному венти­лю через промежуточное реле РП. В камере с воздушным охлаждением реле температуры ТР можно использо­вать для включения или выключения вентилятора воз­духоохладителя В (рис. ,д).

Плавное регулирование температуры в холодиль­ных камерах можно осуществить с помощью пропор­ционального регулятора температуры ПРТ (рис. , е). Такой регулятор устанавливают на всасывающей ли­нии. При понижении температуры камеры клапан ре­гулятора прикрывается, отсос паров уменьшается, давление и температура кипения в испарителе повышаются, а охлаждение камеры становится менее интенсивным.

Если машина с одним компрессором охлаждает не­сколько объектов, в которых поддерживают разную температуру, и охлаждение в объектах непосредственное, то применяют пропорциональный регулятор давле­ния «до себя» ПРД или двухпозиционный регулятор давления ДРД. Эти приборы устанавливают на всасы­вающей линии от более теплой камеры, чтобы поддер­живать в испарителе этой камеры более высокое дав­ление, чем на всасывании в компрессор. При повыше­нии давления в испарителе клапан регулятора ДРД (рис. , ж) поднимается, вследствие чего испаритель соединяется со всасывающей линией. При этом давле­ние и температура в испарителе понижаются, что об­условливает интенсивное охлаждение камеры. Когда давление в испарителе понизится, клапан регулятора прикрывается (или закрывается полностью), отсос па­ра из испарителя уменьшается (или прекращается) и охлаждение камеры становится менее интенсивным. В таких схемах на линии, идущей от более холодной ка­меры, обычно устанавливают обратный клапан, кото­рый не допускает попадания пара более высокого дав­ления в испаритель. Этот способ регулирования прост, но энергетически невыгоден, так как на всасывающей линии поддерживается постоянно пониженное давле­ние, соответствующее давлению в испарителе самой холодной камеры, что влечет за собой уменьшение объемной холодопроизводительности холодильного агента и коэффициента подачи компрессора.

Температуру охлаждаемых жидкостей (рассола, во­ды, напитков) регулируют как с помощью двухпозиционного реле температуры ТР, воздействующего на компрессор (пуск и остановка), так и с помощью про­порциональных регуляторов, прикрывающих всасываю­щую линию при понижении температуры охлаждаемой жидкости.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО ХОЛОДИЛЬНОГО АГЕНТА.

ПОДАВАЕМОГО В ИСПАРИТЕЛЬ

При нормальной работе жидкость в испаритель по­ступает в таком количестве, сколько ее выкипает. Если жидкости будет поступать больше, то испаритель пе­реполняется и жидкости попадает во всасывающую ли­нию и компрессор, что снижает его производительность и может вызвать гидравлический удар. Если же жид­кость будет поступать в испаритель в недостаточном количестве, то производительность испарителя умень­шится (уменьшится его активно действующая поверх­ность), и работа машины будет менее экономичной либо температура в охлаждаемом объекте не будет достигнута.

Заполнение испарителя холодильным агентом регу­лируют с помощью терморегулирующих вентилей ТРВ, реагирующих на изменение перегрева пара, выходяще­го из испарителя, и поплавковых регуляторов и реле ЛР, реагирующих на изменение уровня жидкости в ис­парителе, отделителе жидкости или конденсаторе.

Терморегулирующие вентили. Их применяют для ре­гулирования заполнения главным образом змеевиковых испарителей (рис. ), Чувствительным элемен­том прибора является термочувствительный баллон 1, соединенный капиллярной трубкой 2 с полостью над упругой мембраной 3, которая зажата между корпусом и крышкой. Эта герметичная система заполнена насы­щенными парами обычно того же рабочего тела, на ко­тором работает данная установка (или другого тела, близкого по термодинамическим свойствам). Термо­чувствительный баллон крепят на паровом трубопро­воде в месте выхода его из испарителя. Мембрана свя­зана с клапаном 5 стержнем 4. Клапан 5 перекрывает проходное сечение вентиля. Жидкий холодильный агент, проходящий через кольцевое отверстие между седлом и клапаном вентиля, дросселируется и поступает в испарительную систему.

Мембрана 3 оказывается под воздействием двух давлений: сверху на мембрану действует давление па­ра в чувствительном элементе р₀',которое определяет­ся температурой на выходе из испарителя (где прижат термобаллон); снизу — давление кипения р_о.

Рис. . Схема регулирования заполнения испарителя жидким холодильным агентом по перегреву пара:

а — терморегулирующнй вентиль с внутренним уравниванием давления; б — терморегулирующий вентиль с внешним уравниванием давления.

По способу подвода в полость под мембрану давле­ния р_о различают терморегулирующие вентили с внут­ренним и внешним уравниванием. В вентилях с внутрен­ним уравниванием (рис. , а) полость под мембра­ной непосредственно сообщается с полостью после дросселирования. В вентилях с внешним уравниванием (рис. , б) полость под мембраной отделена от по­лости, в которой находится холодильный агент после дросселирования, крышкой 8 и соединена трубкой 9 с испарителем в том месте, где прижат термочувстви­тельный баллон (на выходе из испарителя).

Если из испарителя выходит влажный или сухой насыщенный пар, температура которого равна темпе­ратуре кипения, то давление в чувствительном элемен­те р₀^' равно давлению в испарителе p₀. Таким образом,

мембрана находится под действием одинаковых давле­ний, и чувствительный элемент прибора никакого сиг­нала не выдает. При этом клапан 5 вентиля (регули­рующий элемент) закрыт, так как он прижимается к седлу пружиной 6, натяжение которой регулируется винтом 7 (задающий элемент). При уменьшении жид­кости в испарителе из него выходит перегретый пар, в связи с чем давление пара в чувствительном элементе над мембраной р'₀ станет больше, чем под мембраной

р₀. Когда разность усилий сверху и снизу окажется достаточной для преодоления упругости пружины 6, клапан начнет открываться. При повышении темпера­туры перегрева пара клапан вентиля открывается боль­ше. Перегрев пара на выходе из испарителя, при ко­тором начнет открываться клапан, устанавливают ре­гулировочным винтом 7, изменяющим натяжение пру­жины 6.

Таким образом, в терморегулирующем вентиле уси­лия от прогиба мембраны (сигнал чувствительного эле­мента) и натяжения пружины 6 (сигнал задающего элемента) воспринимаются стержнем 4 (элемент срав­нения) и разность этих усилий передается клапану 5 (регулирующий элемент).

Терморегулирующий вентиль с внешним уравнива­нием давления применяют в испарителях со значитель­ным гидравлическим сопротивлением, чтобы исключить влияние падения давления на выходе из испарителя.

Поплавковые регуляторы и реле. Их применяют для автоматического заполнения холодильным агентом за­топленных аппаратов холодильной установки. В зави­симости от давления в поплавковой камере поплавковые регуляторы бывают низкого и высокого давлений.

Поплавковые регуляторы низкого давления ПРH (рис. , а) реагируют на изменение уровня жидкости в затопленных аппаратах испарительной системы (кожухотрубные испарители, отделители жидкости, цир­куляционные ресиверы и т.п.). Поплавковая камера 1 сообщается с контролиру­емым аппаратом жидкост­ной и паровой уравнитель­ными трубками. При пони­жении уровня жидкости в аппарате уровень в поплав­ковой камере падает. При этом чувствительный эле­мент (поплавок 2) опуска­ется и с помощью механиз­ма открывает основной кла­пан 3 на линии подачи жид­кости в аппарат. За основ­ным клапаном поплавково­го регулятора устанавли­вают ручной регулирующий вентиль PB, в котором хо­лодильный агент дроссели­руется. При повышении уровня жидкости поплавко­вый механизм закроет кла­пан 3, в результате чего по­ступление жидкости в аппа­рат прекратится.

Рис. . Схема регулирования заполнения испарителя жидким холодильным агентом по уровню жидкости:

а—поплавковый регулятор уровня низкого давления; б — поплавковые регулятор высокого давления;

в-поплавковос реле уровня в комп­лексе с соленоидным вентилем.

Поплавковые регулято­ры высокого давления ПРВ (рис. ,б) реагируют на уровень жидкости в конден­саторе. При повышении уровня жидкости поплавко­вое устройство открывает основной клапан 3, установленный на сливной линии перед ручным регулирую­щим вентилем РВ. При по­нижении уровня клапан 3 закрывается. Их можно применить в системах с одним испарителем.

Заполнение затопленных аппаратов испарительной системы регулируют также дистанционным поплавко­вым реле уровня ПР в комплекте с автоматическим запорным соленоидным вентилем СВ (рис. , в). При понижении уровня жидкости в аппарате электрические контакты поплавкового реле ПР замыкают цепь маг­нитной катушки соленоидного вентиля СВ, он откры­вается и пропускает жидкость в испаритель И. При повышении уровня жидкости контакты реле ПР раз­мыкаются, соленоидный вентиль СВ закрывается и поступление жидкости в испаритель прекраща­ется.

Поплавковые регуляторы и реле — приборы двух-позициоппого действия. Их применяют главным обра­зом на аммиачных холодильных установках.