Автоматизация холодильных установок

 

Системы автоматического регулирования судовых холодильных установок служат для поддержания температуры охлаждаемых помещений (камер или трюмов) в требуемых пределах путем обеспечения равенства количества теплоты Q_Т, подводимой к помещению, количеству отводимой теплоты Q_О.

Холодильная установка состоит из объекта регулирования ОР — холодильной камеры или холодильной машины ХМ (рисунок 6.4) и вспомогательного оборудования (вентиляторы, трубопроводы и т. п.).

На ОР воздействует возмущающий тепловой поток Q_T, подводимый извне или выделяющийся внутри объекта. Холодильная машина отводит за единицу времени теплоту Q _о, потребляя энергию Е от внешнего источника, таким образом, теплота Q = Q _о + Е. В практических условиях проще изменить Q _о.

Внешний поток Q _Т — величина переменная, причиной ее изменения служат суточные колебания температуры, переход в различные климатические зоны и т.д. Изменение Q_T приводит к отклонению температуры  от заданного значения.

В этом случае требуется такое изменение теплового потока Q _о, которое компенсировало бы появившееся возмущение.

Статические характеристики (рисунок 6.5) отражают зависимости подвода теплоты в помещение в функции от регулируемого параметра, т. е. Q_T= f ( ) при некоторых постоянных температурах наружного воздуха . Зависимость отвода теплоты из охлаждаемого помещения при неизменном режиме работы ХМ имеет вид Q _о = f ( ).

 

 

Рисунок 6.4 - Функциональная схема холодильной установки

 

 

Рисунок 6.5 - Статические характеристики:

а - объекта регулирования; б - системы регулирования

 

    Точки 1, 2 и 3 пересечения статических характеристик на рисунке 6.6, а соответствуют установившимся режимам работы при различных температурах . По этим точкам на рис. 6.6, б построена статическая характеристика регулирования системы  = f (Q_T). Из рисунка 6.5 видно, что холодильная камера как объект регулирования (ОР) обладает способностью саморегулирования. Тем не менее без ручного или автоматического управления теплоотводом Q _о неизбежны значительные статические отклонения регулируемого параметра   внутри охлаждаемого помещения.

 

Рисунок 6.6 - Функциональная схема холодильной установки.

ЧЭ - чувствительный элемент

 

САР поддержания температуры холодильных камер строятся по принципу отклонения регулируемой величины  (рисунок 6.6).

На судах широко применяется двухпозиционный регулятор, включающий ХМ при отличии температуры  от заданной  более чем на степень нечувствительности ε, т.е. при -  =  > ε. Так как тепло из холодильной камеры отводит ХМ, которая должна эффективно и безаварийно работать, автоматизация холодильной установки практически сводится к автоматизации входящей в нее ХМ.

В связи с этим необходимо автоматизировать: питание испарителей холодильным агентом (хладагентом), поддержание давления конденсации, защиту от опасных режимов и др.

ХМ по характеру рабочего процесса подразделяются на компрессорные, теплоиспользующие и термоэлектрические, по диапазону рабочих температур — на одноступенчатые, многоступенчатые и комбинированные. Хладагенты ХМ по температуре кипения  разделяют на следующие:

- низкотемпературные: одноступенчатые,  = —30...—55°С; двухступенчатые,   до —70°С; каскадные,  до —110°С;

- среднетемпературные,  = —30... —10°С;

- высокотемпературные,  = —10°С.

Компрессорные ХМ используют энергию в виде механической работы. Основным элементом является компрессор, сжимающий и перемещающий хладагент. Привод компрессора может быть от электродвигателя, ДВС, паровой или газовой турбины.

В теплоиспользующих ХМ в качестве источников энергии применяют низкопотенциальпую теплоту, получаемую от горячей воды, отходящих газов, отработавшего пара.

В термоэлектрических ХМ используется непосредственно электрическая энергия.

На судах основным способом получения низких температур является кипение и дросселирование.

Процесс кипения (парообразование) хладагентов сопровождается поглощением теплоты, равной теплоте их парообразования. Для испарительного охлаждения используются хладагенты с низкой температурой кипения   при нормальном давлении. От характеристик хладагента зависят конструкция и расход энергии.

В судовых ХМ применяются следующие хладагенты: хладон 12, хладон 13, хладон 22, аммиак.

Наиболее широкое распространение на судах нашли компрессорные холодильные установки одноступенчатого и двухступенчатого сжатия, работа которых заключается в следующем. В помещении устанавливают испаритель, наполненный хладагентом, который кипит в испарителе при постоянных давлении и температуре и отбирает тепло из окружающей среды. Пары хладагента засасываются компрессором из испарителя, сжимаются и нагнетаются в конденсатор, где они охлаждаются воздухом при высоком давлении или забортной водой и конденсируются. Далее жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который снижает его давление и температуру и пропускает вновь в испаритель.

Холодопроизводительность компрессора испарителя зависит от температуры кипения хладагента . Равновесному состоянию в системе компрессор—испаритель соответствует только одна совершенно определенная температура кипения. Более низкой температуре конденсации соответствует и более низкая температура кипения, и наоборот. При ухудшении качества испарителя, например, при отключении части батарей холодильной камеры или снижении коэффициента теплопередачи по тем или иным причинам (остановка вентилятора, загрязнение теплопередающей поверхности батарей смазочным маслом, выпадение инея и т. п.) температура кипения также понизится. Поэтому система компрессор—испаритель обладает саморегулированием по отношению к влиянию «внешних» возмущающих воздействий, т.е. система сохраняет при этом устойчивость. Аналогично саморегулированием обладает система регулирования температуры конденсации при изменении температуры воды или воздуха, охлаждающих конденсатор.

Холодильные установки могут быть полностью или частично автоматизированы. В них автоматизируются процессы регулирования температуры в охлаждаемых помещениях, подачи жидкого хладагента и испаритель, температуры промежуточного хладоносителя, температуры кипения хладагента в испарителе, давления в конденсаторе.

Изменение холодопроизводительности компрессора для регулирования температуры охлаждающей среды при колебании внешнего теплопритока Q _Т можно осуществить позиционно и плавно.

Позиционное изменение холодопроизводительности осуществляется периодическим пуском и остановкой компрессора, отключением части компрессоров (при работе нескольких) или отдельных цилиндров и групп цилиндров многоцилиндровых компрессоров, ступенчатым изменением частоты вращения вала компрессора, перепуском пара из конденсатора во всасывающий трубопровод компрессора с помощью электромагнитных (соленоидных) вентилей.

Плавное изменение холодопроизводительности осуществляется бесступенчатым изменением частоты вращения вала компрессора, дросселированием пара, перепуском пара с нагнетательной стороны компрессора на всасывающую.

Выбор того или иного способа зависит от холодопроизводительности установки, количества испарительных систем, требований к точности поддержания температуры, конструкции компрессора, типа привода и т.п.

Важной является САР питания испарителя жидким хладагентом, так как даже незначительное возмущение, например изменение тепловой нагрузки на испаритель, может привести к его переполнению, влажному ходу компрессора и возможности гидравлического удара.

Оптимальное заполнение испарителя оценивается по трем косвенным показателям: перегреву выходящего из испарителя пара, уровню жидкого хладагента в испарителе и давлению кипения (в малых холодильных машинах).

Автоматическое регулирование уровня хладагента и перегрева пара в испарителе осуществляются с помощью поплавковых регуляторов уровня и терморегулирующих вентилей. Регуляторы перегрева изменяют подачу жидкого хладагента в испаритель в зависимости от температуры перегрева   паров, выходящих из испарителя (  — температура всасываемого пара).

Терморегулирующие вентили могут быть мембранного или сильфонного типа.

В холодильных установках предусматриваются следующие системы автоматических защит:

- компрессора от повышенного давления нагнетания; она предохраняет компрессор от разрушения при недопустимо высокой температуре и соответственно давлении конденсации и пуске компрессора с закрытым нагнетательным вентилем;

- от низкого давления всасывания; при понижении давления в испарителе могут произойти выброс масла из картера, проникновение воздуха в систему через неплотности в ней, а в рассольном испарителе может замерзнуть рассол;

- от прекращения подачи воды в охлаждающую рубашку компрессора; предотвращается перегрев компрессора вследствие нарушения режима охлаждения;

- от повышения температуры механизма движения компрессора, обусловленное недостаточной подачей смазки; контроль работы масляного насоса осуществляется дифференциальным реле или реле контроля смазки;

- от недопустимого повышения температуры нагнетания;

- от влажного хода и гидравлического удара; предотвращает переполнение жидким хладагентом аппаратов на всасывающей стороне компрессора;

- автоматическая блокировка, предусматривающая определенную последовательность включения механизмов при пуске холодильной установки и выключение их из работы при остановке холодильной машины, а также остановку одних механизмов в случае аварийной остановки других. Например, при остановке насоса, подающего воду в компрессор, и повышении давления конденсации выключится компрессор. При остановке рассольного насоса во избежание замерзания рассола также остановится компрессор. Двигатель компрессора не включится в работу, если предварительно не пущен рассольный насос, и т.д.;

- автоматическая сигнализация: предупредительная, аварийная и исполнительная; предупредительная световая или звуковая сигнализация извещает о приближении контролируемого параметра к критическому значению. На судах, имеющих крупные холодильные установки, предусматривается сигнализация о присутствии хладагента в воздухе грузовых помещений и рефрижераторном отделении. Например, на рыбопромысловых судах предусмотрена сигнализация об утечках хладона-22 и его недопустимом содержании в воздухе путем взятия пробы воздуха из 12—15 точек контроля в помещениях воздухоохладителей, морозильных аппаратов, трюмов, рыбного цеха, рефрижераторного отделения.

Для защиты электродвигателя компрессора от перегрузки применяются специальные устройства, которые в пусковой период обеспечивают работу компрессора с минимальной нагрузкой. Перегрузка возможна, если в пусковой период компрессор будет сжимать пар до давления конденсации. В качестве примера рассмотрим простейшую автоматизированную холодильную установку — холодильный шкаф для хранения в судовых условиях скоропортящихся продуктов (рисунок 6.7).

 

 

 

Рисунок 6.7 - Схема автоматизированной холодильной установки

небольшой мощности

 

        Такой шкаф охлаждается автоматами преимущественно с герметичными компрессорами, работающими на хладоне-12.

Из компрессора 1 пар поступает в конденсатор с воздушным охлаждением 3. Жидкий хладон-12 собирается в ресивере 4 и через теплообменник 5 и термо-регулирующий вентиль 6 поступает в испарители 7, расположенные в холодильном шкафу 9. Требуемая температура воздуха в шкафу поддерживается с помощью реле температуры 8 путем периодического пуска и остановки компрессора. Воздух для охлаждения конденсатора подается вентилятором 2.

Вопросы для самопроверки:

 

     1. По каким параметрам построены системы автоматического регулирования судовых

         холодильных установок?

     2. Назовите основные элементы судовых холодильных установок

     3. По какому принципу построена САР поддержания температуры холодильных камер?

     4. С помощью каких регуляторов происходит автоматическое регулирование уровня

         хладагента и перегрева пара?

     5. Какая автоматическая сигнализация применяется в судовых холодильных установках?