ПОДДУБСКИЙ / Автоматизация ХМУ / АвтХМиУ курс лекций

1

1 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1Значение автоматизации холодильных установок для повышения их эффективности.

Автоматизация производственных процессов является одним из важнейших направлений

технического	процесса. Она	освобождает	человека	от	непосредственного	управл
производственными процессами и передает эти функции автоматическим устройствам.
В отличие от автоматики, которая изучает			основные	положения, методы и средства

построения систем управления любым техническим процессом, автоматизация всегда относится к какому-то конкретному процессу и изучает условия, методы и средства позволяющие применить общие положения автоматики для управления данным техническим процес непосредственного участия человека. Поэтому и автоматизация холодильных установок есть применение общих положений автоматики в области холодильных установок.

За	последнее	время	автоматизация	холодильных	установок	получила
распространение. Созданы все			условия для	автоматической	работы не	только отдель

холодильных агрегатов как мелких, так и крупных, но и для комплексной автоматизации холодильных установок любой производительности.

Как известно, автоматизация производственных процессов является высшей степенью автоматизации, позволяющей освободить человека от непосредственного управ производственных процессами, благодаря чему резко повышается производительность труда.

Автоматизация существенно снижает затраты на эксплуатацию холодильных установок. Вопервых, уменьшаются затраты на оплату эксплуатационного персонала в связи с изменением характера обслуживания автоматизированных установок. Холодильные установки с ручным

управлением		требуют	непрерывного	наблюдения	и	обслуживания, то		время	как
автоматизированные установки могут контролироваться и обслуживаться периодически, нередко с
большими промежутками времени, что позволяет уменьшить численность такого персонала.
Особенно	существенно		сокращение	облеживающего		персонала	на	малых	холоди
установках,	на	которых	заработная	плата	составляет		самую	значительную

эксплуатационных затратах. На средних и некоторых крупных установках при комплексной автоматизации обслуживания холодильного оборудования может производиться только в одну смену и в рабочие дни. В остальное время установки работают без наблюдения. На крупных установках пока сохраняется непрерывное обслуживание, поскольку не все вспомогательные операции автоматизированы. Возможно уменьшение персонала и в том случае, если наблюдение за холодильным оборудованием частично передается лицам, обслуживающим технологические аппараты и соответственно обученным, что позволяет им совмещать указанные операции. Все же на средних и крупных установках число лиц основного персонала должно быть уменьшено на3040% даже при обслуживании только в одну смену. Сравнительно малая экономия по этой статье

получается не только потому, что на отдельном предприятии относительно мало количество обслуживающего персонала, но и в связи с появлением потребности в квалифицированно

персонале	для периодического	контроля и обслуживания приборов и средств	автомат;
например,	создаются группы	службы контрольно-измерительных приборов и	автомати
(КИПиА).

Уменьшение эксплуатационных затрат возможно, во-вторых, за счет сокращения расхода непроизводительного расхода энергии, воды и других эксплуатационных материалов вследствие того, что автоматическая установка всегда работает в наиболее благоприятном(оптимальном)

режиме. Так благодаря автоматизации может быть исключена работа компрессора влажным ходом и связанная с ней необходимость некоторое время работать компрессором вхолосту,

прикрытым всасывающим вентилем; исключается понижение температуры в охлаждаемых помещениях ниже заданных условий; исключается подача в конденсатор воды в излишне большом количестве и .т д. По данным Росмясомолторга на автоматизированных распределительных холодильниках расход электроэнергии на производство холода сокращается на 20…25%.

Переход на автоматическую работу позволяет осуществлять технологический режим высокой точностью, недоступной при ручном регулировании. На предприятиях пищевой промышленности поддержание, с весьма ограниченными колебаниями температуры и влажности воздуха в охлаждаемых помещениях сохраняет высокое качество хранящихся продук,

2

уменьшает

их

потери. На

предприятиях

химической

промышленности

автоматизац

температурного

режима

процессов, происходящих

в

аппаратах, позволяет

обеспечить

максимальную производительность аппаратов и получение продуктов необходимого качества. Это

является одним из важнейших источников экономического эффекта от внедрения автоматизации,

особенно на крупных предприятиях.

На ряде производств точное поддержание необходимых условий

воздушной

с

обеспечивает

наиболее

высокую

производительность

, трудаточность

работы

и

другие

достоинства.

Как и всякая механизация, автоматизация облегчает работу обслуживающего персонала,

уменьшая не только физическое, но и нервное напряжение. Автоматизация позволяет защитить

установку от аварий, предупредить обслуживающий персонал о возникновении опасных режимов

или же полностью обезопасить

работу

установки. Тем

самым длительно сохраняется

в

работоспособном состоянии ценное оборудование , иглавное, сохраняется жизнь и здоровье

людей. Применение автоматических устройств обеспечивает, таким образом,						безопасность	и
надежность	работы	установок, их	долговечность	и	бесперебойное	снабжение	холод
технологических цехов.
Перевод	оборудования на		автоматическую	работу	всегда должен	быть экономиче

оправдан, за исключением тех случаев, когда автоматизация процесса предусматривает защиту здоровья и жизни людей. Как отмечалось выше, источниками экономического эффекта могут быть

уменьшение	эксплуатационных		затрат(в	частности, на	оплату персонала); увеличения
производительности		оборудования,	улучшения качества (следовательно повышение цены) и
уменьшение	потерь продукции, уменьшение затрат на ремонт оборудования и др. Опыт работы
автоматизированных		холодильных	установок позволяет		утвержда, чтоь затраты	на их

автоматизацию, а они составляют 10…15% от стоимости холодильного оборудования, окупаются

вбольшинстве случаев в течение двух-трех лет.

1.2Целесообразный объем автоматизации холодильных установок.

Направления автоматизации производственных процессов разнообразны и в зависимости от степени их использования изменяется объем автоматизации установки от частичной до полной. К направлениям (видам) автоматизации производственных процессов относятся:

- автоматический	контроль, при	помощи		которого	осуществляется		дистанционн
наблюдение за изменением физических величин или запись их численных значений;
- автоматическая	сигнализация, которая		действием световых или			звуковых		сигнало
извещает как о достижении заданных			или	предельно	доступных	значений		параметр
отклонений от них, так и о включении тех или иных элементов оборудования;

-автоматическая защита, при помощи которой не допускается работа оборудования при опасных режимах, вызывающих резкое нарушение нормальной работы или влекущих за собой разрушение оборудования;

-автоматическое управление, позволяющее выполнить пуск или остановку агрегатов, замену работающих элементов оборудования резервными, производить отдельные вспомогательные операции (оттаивание инея с поверхности охлаждающих приборов, выпуск масла, выпуск воздуха

ит. д.)

- автоматическое регулирование, является наиболее важным видом автоматизаци, поскольку оно включает поддержание в заданных пределах основных физических величи, определяющих режим работы холодильной установки, или их изменение по определение по определенной программе.

Различают три уровня (степени) автоматизации процессов.

Частичная автоматизация, когда автоматизируются отдельные узлы или участки процесса без взаимной связи между собой. Так, при частичной автоматизации холодильной установки могут быть использованы только автоматический контроль и автоматическая сигнализац. Прия отклонении контролируемой величины от заданного значения или при предупреждающего сигнала о нарушении режима работы установки обслуживающий персонал воздействует на органы ручного управления или регулирования. Частичной автоматизации соответствует применение автоматического регулирования температуры в охлаждаемых объектах,

			3
но	при	изменении	вручную	холодопроизводительности	оборудов

ручном управлении пуском и остановкой компрессоров, насосов и вентиляторов. При частичной автоматизации, как правило, уменьшить штат обслуживающего персонала не удастся.

Комплексная автоматизация, когда автоматизированы все основные узлы и участки процесса взаимосвязано. Так, автоматическое регулирование температуры объектов обязатель связывается с автоматическим изменением производительности компрессоров с, чтемобы изменяющейся тепловой нагрузке на охлаждаемые объекты всегда соответствовала необходимая производительность компрессоров. Некоторые вспомогательные процессе (например, оттаивание инея с поверхности охлаждающих приборов, пополнение компрессоров маслом и .др) могут выполняться вручную. При комплексной автоматизации уменьшается штат обслуживающего персонала возможно обслуживание машинного отделения холодильной установки только дневную смену в рабочие дни.

Полная автоматизация, когда автоматизированы не только основные, но и вспомогательные процессы. При полной автоматизации используется большой набор автоматического управления (например, выбор режима работы, замена работающего оборудования резервным).

Выбираемый объем автоматизации должен быть экономически оправдан. Естественно, что чем больше степень автоматизации холодильной установки, тем больше затраты на ее осуществление и больше срок окупаемости произведенных . затратВнастоящее время

экономически	оправдано	для	средних	и	крупных	установок	применение	комп
автоматизации.

1.3Необходимые условия для проведения автоматизации холодильных установок.

Автоматизировать приходится холодильные установки как вновь строящихся предприятий, так и действующих– при их реконструкции. Во всех случаях эффективность автоматизации

достигается лишь при выполнении ряда условий.
Первым	из	этих	условий	является	подготовленность	холодильной	устано

автоматизации. Это относится прежде всего к схеме холодильной установки, которая не должна затруднять проведение автоматизации. Так, легче автоматизируются средние и крупные установки с насосной схемой питания испарительной системы холодильным . агентомПрактически невозможна автоматизация подачи холодильного агента в разветвленных системах с питанием от

отделителя жидкости при верхнем его расположении. Большое значение имеет обеспечение системы хорошей защитой гидравлических ударов, например, в безнасосной схеме установкой вертикальных защитных ресиверов, снабженных надежной системой удаления из них жидкого холодильного агента. Гораздо проще автоматизируются неразветвленные схемы, например, системы децентрализованного холодоснабжения и агрегатированные холодильные установки.

Оборудование систем, подлежащих автоматизации, должно характеризоваться повышенной

надежностью. Оно также не должно затруднять применение

автоматизации. Так, трудно

автоматизировать

горизонтальные

компрессоры

устаревших

конструкций,

оппозитных

компрессоров

затруднена

автоматизация

системы

смазки. Компрессоры

(или

часть

из

установленных

компрессоров)

должны

иметь

возможность

автоматического

изменен

производительности,

что

значительно

облегчает

выполнение

комплексной

автоматизац

установки. Хорошо

разработана

автоматизация

винтовых

компрессоров и

турбокомпрессоров.

Автоматизация выпуска масла из барботажных маслоотделителей требует применения дорогих датчиков, которые должны ощущать линию раздела двух несмешивающихся жидкостей; в сухих же маслоотделителях для этой цели могут быть использованы простые поплавковые датчики.

Наличие на установке дренажных и		циркуляционных ресиверов достаточного объема делае
работу автоматической	установки	более надежной и	безопасной. Применение	системы

воздушного охлаждения позволяет осуществить не только автоматическое оттаивание“снеговой шубы”, но и обеспечить простой и надежный отход воды, образовавшейся при таянии инея, что практически невозможно сделать при батарейном охлаждении.

Большое значение имеет чистота системы, т.е. отсутствие в хладагенте и хладоносителе механических загрязнений, которые могут нарушать надежную работу различных автоматических дроссельных устройств, плотность запорный арматуры и т. п.

		4
Вторым	условием	является	промышленный	выпуск

номенклатуры средств и приборов автоматики, их хорошее качество, обеспечивающее высокую

надежность работы. Иногда из-за низкого качества приборов автоматики не						только
обеспечивается	длительная, надежная	работа	автоматизированных	установ,	ок	и
дискредитируется сама идея автоматизации холодильных установок.
Третье	условие требует разработки	совершенных схем автоматизированных				узлов

отдельных процессов холодильной установки, создания совершенных методов автоматического управления процессами.

И, конечно, важным условием оказывается наличие квалифицированных кадров ка проектировщиков, монтажников, наладчиков, так и эксплуатационного персонала предприятий.

2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ПОДЛЕЖАЩИЕ РЕГУЛИРОВАНИЮ В ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

Выбор числа переменных величин, которые следует регулировать, из общего числа параметров, определяющих состояние какой-либо системы, имеет большое значение, так как преувеличенное количество регулируемых величин без нужды усложняет и удорожает установку, в то время недоучет нужных параметров делает работу автоматической установки недостаточно устойчивой. Естественно также, что регулировать следует только независимые переменные.

Из общего дифференциального уравнения регулируемого одноемкостного объекта

dx/dτ=(1/L)B	(2.1)
можно сделать некоторые выводы, важные для дальнейшего рассмотрения.
В этом уравненииx – регулируемый параметр – качественная характеристика	состояния

регулируемого объекта; для системы автоматического регулирования он является выходной

величиной; L – коэффициент емкости объекта; B – результирующее воздействие на объект поток

энергии или вещества – количественная характеристика процесса, являющаяся входной величиной

системы автоматического регулирования (CAP). Величина B есть разность притока (поступления)

и расхода (стока) количества

энергии или

вещества, т.е. B=Bпост-Bрасх. Одно

из этих

количеств

(любое) является внешним возмущением, или на стороне расхода в зависимости от особенностей

процесса в регулируемом объекте.

Из сказанного следует, что регулировать можно только качественные характеристики–

параметра, т.е. величин, определяющие

состояние

регулируемого объекта. Регулирование же

параметров

осуществляется

изменением

количественной

характеристики процесса– расхода

(потока) энергии или вещества.

Равновесное

состояние,

т.е. постоянство параметра

достигается

при равенствеB=0,

поскольку при x=const производная dx/dτ=0. Тогда Bпост=Bрасх.

Холодильная

установка,

показанная

на

.рис2.1,

практически

всегда

работает

в

нестационарном режиме как из-за

постоянного изменения внешних услов(наприймер,

теплопритока

QT

в

охлаждаемое

помещение5,

температуры

теплоотводящей

среды

в

конденсаторе

3), так

и из-за

возможного изменения

внутренних условий(например, утечки

холодильного агента, загрязнения поверхности теплообменных аппаратов). Если бы холодильная установка всегда работала в стационарном режиме, то в этом случае не понадобилось бы ни ручное, ни автоматическое регулирование.

В связи с возможными колебаниями внешних возмущений важным является вопрос о том, обладают ли объекты регулирования в холодильных установках свойством самовыравнивания (саморегулирования) или нет. Как известно, у объектов, обладающих этим свойством, при нарушении равновесия в результате внешних воздействий, внутри системы возникают процессы, стремящиеся вернуть систему вновь в состояние равновесия, но при новом значении параметра,

характеризующего внутреннее состояние системы. Это делает возможным	в процессах,
протекающих при переменных условиях, найти закономерности, позволяющие	установить

направление изменение параметров, стремящихся к некоторым равновесным значениям. Наличие

		5
свойства	самовыравнивания	облегчает регулирование	параметров , аобъектаиногда

позволяет отказаться от их регулирования.

В связи с этим следует выяснить, обладают ли свойством саморегулирования элементы

холодильной установки.
Равновесие в системе компрессор-испаритель(охлаждающий прибор)	характеризуется
равенством холодопроизводительности Q0 компрессора 2 и испарителя (охлаждающего прибора) I
Q0 км=Q0 исп .	(2.2)
Обе эти количественные характеристики зависят приtк=const только	от температуры

кипения t0, как следует из зависимостей, определяющих холодопроизводительность компрессора и испарителя.

Уравнение статической характеристики поршневого компрессора
Q0	км=λvnqυ=λvn(q0/vi)	(2.3)
а испарителя
Q0	исп=H0F0(tпм-t0)	(2.4)

При постоянной температуре конденсации tk выражения (2.3) и (2.4) могут быть графически показаны линиями в координатахQ0-t (холодопроизводительность-температура). Линии 1 представляют собой характеристики компрессора, определяющие его производительность в

зависимости от температуры кипения при нескольких температурах конденсацииt 1, tк2, tк3,

причем tк1>tк2>tк3 (рис 2.2).

Если пренебречь изменениями коэффициента теплопередач0 кпри разных температурах кипения и допустить, что из испарителя выходит пар с небольшим (на 5…15 К) перегревом, то можно утверждать, что характеристикой испарителя в координатахQ0-t будет прямая линия2, выходящая из точки на оси абсцисс, соответствующей температуре охлаждаемого помещения (так как при t0=tпм холодопроизводительность испарителя Q0 исп=0),и идущая с наклоном к этой оси, определенным из выражения

tg α =(Q0 исп/tпм-t0)m/n=k0F0(m/n)

Здесь m и n – линейные масштабы по оси ординат и оси абсцисс, представляющие собой длины отрезков, соответствующие единице холодопроизводительности и единице температуры.

Равенство (2.2) достигается в данном случае при температуре кипенияt01, t02 и t03, причем более низкой температуре конденсации соответствует и более низкая равновесная температура кипения. Точки А1, А2 и А3 пересечение характеристик компрессора и испарителя называются рабочими точками, поскольку их координаты определяют режим работы холодильной машины в установленном состоянии при принятом выше допущении.

Произведение k0F0 является показателем качества испарителя. Изменение величин, входящих в это произведение, вызывают перемещение рабочей точки и меняет режим работы холодильной машины. Так, уменьшение площади поверхностиF0 испарителя, вызванное выключением части поверхности, приводит к уменьшению наклона характеристики испарителя и к соответствующему понижению температуры кипения. Такой же результат будет следствием ухудшения коэффициента теплопередачи 0,к вызванного или понижением скорости движения воздуха (например, при остановке вентилятора), или загрязнением теплопередающей поверхности испарителя (например, смазочным маслом или выпавшим инеем).

Изменение холодопроизводительности компрессора в связи с изменением теплопритока обязано внутреннему процессу, благодаря которому вновь устанавливается равновесие при новом значении температуры кипения. На рис.2.3 показано, что при уменьшении нагрузки на испаритель равновесие восстанавливается при более низкой температуре кипенияt01; при неизменившемся “качестве” испарителя его характеристика переменится параллельно самой себе и это вызовет понижение и температуры охлаждаемого объекта доtпм 1. Уменьшение количества теплоты,

6

отводимого

охлаждающим

прибором

от

охлаждаемой , псредыиводит

к

уменьшению

массы пара Gа,

образующегося в испарителе, так как

Q0 исп=Gаq0. Но

объем, описываемый

поршнем компрессора, остается неизменным при всех режимах его работы, потому меньшая

масса пара может заполнить тот же самый объем компрессора только при более низком давлении,

которому соответствует более высокий удельный объем пара. Величина q0

изменяется мало при

понизившейся при этом температуре.

Таким образом, уменьшение теплопритока вынуждает холодильную машину работать при

более низкой температуре кипения, при которой и восстанавливается само собой равновесие

между теплопритоком и холодопроизводительностью.

Подобные рассуждения приводят к выводу о самовыравнивании и температуры конденсации

в зависимости от теплоотводящей среды и от качества конденсатора. Количество теплоты Qk,

отдаваемое

в

конденсаторе3

теплоотводящей

среде (см.рис.2.1), например, воде

со

средней

температурой tw ср, равно

Qk=kkFk(tk-tw ср).

(2.5)

одновременно

Qk=Q0км(1+(1/ε))=λVh(q0/v1)(1+(1/ε))

(2.6)

Для постоянной температуры кипенияt0

и

для

определенной

температуры

водыtw ср

тепловая нагрузка на конденсатор в соответствие с выражениями(2.5)

и (2.6)

оказывается

зависящей только от температуры конденсации, что позволяет показать

эти

зависимости

графически

в

координатахQ-t (рис.2.4). Лини

3

являются статическими

характеристиками

компрессора

при

постоянной

температуре

кипения, определяющими

тепловой

поток

в

конденсаторе,

создаваемый

паром,

выходящим

из

компрессора. Линию 4

можно

назвать

характеристикой конденсатора. Угол ее наклона определяется выражением

tgβ=Qk/(tk-tw ср)(m/n)=kkFk(m/n)

Проводится эта линия из точки на оси абсцисс, соответствующей температуре tw ср (так как при tk=tw ср нагрузка конденсатора Qk=0). Разным температурам кипения t01 и t02 (причем t02>t01) отвечают равновесные температуры конденсацииtk1 и tk2; при изменение температуры воды до

нового значения t’w ср происходит и изменение			температуры	конденсации(новые равновесные
значения t'k1 и t'k2).
Таким	образом, как	температура	кипения, так	и	температура	конденсаци

самоустанавливаются при изменении температуры охлаждаемого объектаtпм и теплоотводящей среды tw ср, а потому в принципе не нуждаются в регулирующем воздействии. Однако в дальнейшем будут рассмотрены случаи, когда приходится регулировать и температуру кипения, и температуру конденсации, но это не цель, а лишь средства для решения других задач.

Следует отметить, что самовыравнивание в холодильной машине характеризует только стремление системы к изменению параметров в определенном направле, ниио достижение данного равновесного состояния зависит от количеств рабочего тела, перемещающихся в каждом из элементов машины, поскольку внутренние процессы, способствующие саморегулированию, связаны именно с этими количественными соотношениями. Так как холодопроизводительность компрессора Q0 км=Gaq0, а холодопроизводительность испарителя Q0 исп=Gaq0, то равенство (2.2) с очевидностью предусматривает равенство количеств рабочего телаGa, проходящих через компрессор и испаритель в единицу времени. Иными словами, в установившемся состоянии в компрессор всегда поступает такая же масса парообразного холодильного агента, какая образуется

в испарителе при кипении поступающей в него жидкости, выходит из него в состоянии перегретого пара (на 5…15 К). Если в испаритель подается жидкое рабочее тело в количестве, превышающем массу пара, могущую поступить в компрессор, то это приводит к переполнению испарителя, в результате чего в компрессор будет поступать пар с возрастающей влажностью. Напротив, при недостаточной подаче жидкости в испаритель, будет происходить нарастающий перегрев всасываемого в компрессор пара.

7

Эта

задача– установление

соответствия

между

количествами

рабочего ,

поступающего в испаритель и в компрессор, решается регулирующим вентилем4 (см.рис.2.1).

Поэтому должно осуществляться

такое двойное

равенство: Ga км=Ga

исп-Ga р.в.. Регулирующий

вентиль одновременно является значительным гидравлическим сопротивлением, вследствие чего

происходит дросселирование потока жидкости, протекающего через проходное

отверстиеf

вентиля.

Объем холодильного агента, который проходит через регулирующий вентиль при разности

давлений (pk-p0) до и после отверстия, равен, м3/c,

Vар.в.

= fm 2

Pk - Po

ra

Масса холодильного агента, кг/с,

Gар.в.

= fm

(2.7)

2(Pk - Po )ra

где μ – коэффициент расхода, равный для аммиака 0,35…0,40 и для хладонов 0,50…0,60.

По

выражению (2.7) могут

быть

построены

в

G -P (расход-давление)

координатах

характеристики 5 регулирующего

вентиля (рис.2.5,а), показывающие

расход

через

вентиль

в

зависимости от изменения давления кипения при постоянном давлении конденсации и различных

размерах проходного сечения f вентиля (при различном ее открытии).

Все характеристики регулирующего вентиля при разном его открытии начинаются в точке

на оси абсцисс, соответствующей давлению конденсации, поскольку при P0=Pк

расход Gа р.в.=0.

пара

Так

как

холодопроизводительность

G q ,

а

температура

насыщенного

машины 0 функционально связана с его давлением, то характеристики регулирующего вентиля могут быть перенесены в координатную систему Q0-t (см.рис.2.5,б).

Если наложить характеристики V на характеристики I и II, то будет получен совмещенный график, показанный на рис.2.6,а. Легко убедиться, что не всякое открытие регулирующего вентиля соответствует условиям самовыравнивания при всасывании в компрессор сухого насыщенного

пара или пара, перегретого на 5…15 К. Когда у вентиля открыто проходное сечение площадьюf1
или f2, то количество холодильного агента, подаваемого в испаритель, меньше количества пара,
которое может поступить в компрессор при температуре кипенияt0, что вызовет понижение
уровня жидкости в испарителе и ухудшение использования его поверхности. В связи с последним
наклон характеристики испарителя понизится, что приведет к понижению температуры кипения,
сопровождающемуся	уменьшением	холодопроизводительности	компрессора. При	этом	в
компрессор будет поступать более перегретый пар.
Открытие вентиля до величины проходного сеченияfmax			приводит к переполнению
испарителя и к влажному ходу компрессора. Таким образом, необходимо, чтобы характеристика

регулирующего вентиля проходила через рабочую точку А(открытое сечение f3), так как только в этом случае в испаритель будет поступать столько жидкости, сколько из него выходит перегретого на 5…15 К пара, что обуславливает сухой ход компрессора и указывает на поступление компрессор количества пара, соответствующего установившейся температуре кипения t0.

В этой связи следует подчеркнуть не активную, а определенным образом пассивную роль регулирующего вентиля, так как установление температуры кипения происходит не в зависимости от степени открытия регулирующего вентиля, а в результате действия теплового баланса; напротив, открытие регулирующего вентиля должно быть подобрано таким образом, чтобы не

нарушить условий самовыравнивания и облегчать					стремление	системы	к	равнове
состоянию. Так, при понижении нагрузки на испаритель равновесие может быть достигнуто,
например, выключением части его поверхности(новая рабочая точка на рис.2.6,а будет А'), что
потребует	прикрытия	регулирующего вентиля(до сечения f2),			в противном случае		компрессор
начнет	работать	влажным	. ходомПовышение	температуры		конденсации		понижае
холодопроизводительность машины			и заставляет	также	прикрывать	регулирующий		венти
(рис.2.6,б), хотя температура кипения при этом повысится.

8
Следует установить, каким путем можно наиболее	рационально	контролиро

насколько правильно открыт регулирующий вентиль реальной холодильной машины. Если изобразить цикл холодильной машины в тепловой диаграмме(рис.2.7), то можно найти, что для осуществления этого цикла в определенных условиях внешних сред достаточно задать всего один независимый параметр; t1 или t2, так как каждый из них функционально связан с количеством подаваемого в испаритель жидкого холодильного агента. Все остальные параметры узловых точек цикла оказываются зависимыми, так как температуры кипения, конденсации и переохлаждения t3 самоустанавливается в зависимости от условий внешней среды (часть параметров обуславливается характером процессов, из которых составлен цикл).

Совершенно естественно, что регулировать следует только один независимый параметр, т.е.

t1 или t2 . Может показаться, что поддержание любого из этих параметров равноценн обеспечивает всасывание в компрессор обусловленного пара и тем самым гарантирует сухой ход компрессора. Однако это не так. Если удерживать на постоянном уровне температуру t2 пара, выходящего из компрессора, то при повышении температуры конденсации в компрессор будет поступать влажный пар(состояние 1а); при понижении давления конденсации в компрессор может поступать слишком перегретый пар. Нецелесообразно поддерживать на постоянном уровне

и нагрев пара	после	компрессора, т.е. разность температур t2=t2-tk, так как и она зависит от
времени года (	t2>Δt'2	при постоянной температуре t2 и t2<Δt”2 при постоянной температуреt1).

Кроме того, величина перегрева пара в компрессоре зависит от некоторых эксплуатационных факторов: от степени охлаждения стенок цилиндра водой, протекающей по водяной рубашке; от наличие пропусков пара через плотности в компрессоре. Таким образом, регулирующие подачи рабочего тела в испаритель по перегреву пара после компрессора может потребовать изменения уставки прибора несколько раз в течение года, кромеи того, может привести к серьезному искажению результатов.

Неправильным было бы удержание на постоянном уровне температурыt1 пара при входе в компрессор, так как при повышении температуры кипения в компрессор мог бы поступа влажный пар. Наиболее целесообразным оказывается поддержание перегрева пара, выходящего из испарителя, т.е. t1=t1-t0. Эта величина непосредственно не зависит от внешних условий и может удерживаться при любых изменениях температуры кипения. Постоянный перегрев всасываемого пара в определенной степени зависит от влажного хода компрессора и предуп возможность возникновения гидравлических ударов. С другой стороны, при всасывании в компрессор пара, перегретого на 5…15 К выше температуры кипения, в аммиачных компрессорах обеспечивается наибольшая величина коэффициента подачи. Повышение коэффициента подачи при всасывании перегретого пара происходит и у хладоновых компрессоров.

Таким образом, если удерживать перегрев выходящего из испарителя пара в интервале 5…15 К, то будет обеспечена постоянная работа компрессора в оптимальном режиме, которому соответствует и безопасная работа, и наибольшая холодопроизводительность при установившейся температуре кипения.

В связи с этим уравнение динамической характеристики испарителя может быть написано

так:
d(t1-t0)/dτ=(Gа исп-Gа р.в.)/N	(2.8)

где N – коэффициент емкости испарителя, представляющий собой количество хладагента, которое должно остаться в испарителе (увеличить его заполнение) для того, чтобы уменьшить на 1 К перегрев пара, выходящего из испарителя, кг/К.

Величина Gа исп есть результат возмущающего воздействия теплопритокаQt к испарителю Gа.р.в. в данном случае является регулирующим воздействием, которое заключается в изменении расхода хладагента через регулирующий вентиль. Если Gа.р.в.> Gа исп , то из испарителя будет выходить влажный пар, а если Gа.р.в.<Gа исп , то пар, выходящий из испарителя, окажется слишком перегретым. При равенстве Gа.р.в.=Gа исп производная d(t1-t0)/dτ=0, а перегрев пара t1-t0=const/

Поскольку холодильные установки предназначены для понижения или поддержания охлаждаемых объектах температура ниже температуры окружающей среды, то естественно, что одним из важнейших параметров, какой должен регулироваться в холодильных установках, является температура охлаждаемого объекта – важный технологический показатель.

9

Для охлаждения объекта5 (см.рис.2.1) необходимо отводить от него теплот, проникающую в объект из окружающей среды и выделяющуюся в нем. Это выполняется холодильной машиной (или средствами безмашинного охлаждения). Скорость изменения температуры tпп1 охлаждаемого объекта прямопропорциональна разности между теплопритоком в объект (холодопроизводительностью охлаждающих приборов, находящихся в объекте) и обратно пропорционально коэффициенту тепловой емкости G системы, а потому уравнение динамической характеристики одноемкостного охлаждаемого объекта должно иметь вид

dtпм/dt=Qт-Q0/G

(2.9)

Здесь G представляет собой количество теплоты, которое поглощается или выделяется элементами объекта при изменение его температуры на1 К, т.е. G измеряется в килоджоулях на кельвин (кДж/К).

Если теплоприток больше холодопроизводительности, .е. Qт>Q0, то и dtпм/dt>0. Это означает, что при недостаточной холодопроизводительности охлаждающих приборов температура охлаждаемого объекта будет возрастать. Если, напротив, теплоприток меньше холодопроизводительности, т.е. Qт<Q0, то dtпм/dt<0. следовательно, при избыточной холодопроизводительности температура охлаждаемого объекта будет понижаться.

Постоянство температуры достигается приdtпм/dt=0, чему соответствует равенство теплопритока к холодопроизводительности

Qт=Q0.

(2.10)

Таким образом, при постоянно изменяющемся теплопритоке к охлаждаемому объекту его температура tпм может регулироваться изменением холодопроизводительностиQ0 охлаждаемых приборов. Из (2.2) следует, что для восстановления равновесия в системе холодильной машины необходимо соответственно изменять и холодопроизводительность компрессора.

Для регулирования параметраtпм необходимо	изменять расход энергии, поскольку
получение нужной холодопроизводительности всегда	сопровождается расходом энергии(в

системах машинного охлаждения; в системах безмашинного охлаждения необходимый эффект достигается изменением расхода охлаждающего вещества).

Как уже упоминалось, теплоприток, Qт является возмущающим воздействием, и		если для
простоты считать его равным только теплопритокуQн	через ограждения, то его	величина
определяется зависимостью
Qт=Qн=kнFн(tн-tпм).		(2.11)

Тогда этот теплоприток может быть показан графической характеристикой помещенияVI (рис.2.8,а), представляющей собой прямую линию, выходящую из точки на оси абсцисс, соответствующей температуре наружного воздухаtн (так как при tпм=tн теплопоток QT=0), и идущую с наклоном, определенным качеством перемещения kнFн,

tgγ=Qt/(tн-tпм)*(m/n)= kнFнm/n.

Моменту равновесия соответствует двойное равенство

Qт=Q0 исп =Q0 км

(2.12)

Для осуществления этого равенства из графика, точка Б, принадлежащая характеристике охлаждаемого помещения, должна лежать на пересечении перпендикуляра, восстановленного из точки на оси абсцисс, соответствующей температуре помещения tпм , с линией, проходящей через точки А и Б, параллельно оси t.

Изменение теплопритока Qт стремится вызвать изменение температуры tпм. Так, повышению наружного воздуха до t’н может сопровождаться повышением температуры в помещении(рис. 2.8,б) до нового значения температурыt’пм. При таком построении характеристики помещения и испарителя перемещаются параллельно самим , себепоскольку остаются неизменными и “качество” перемещения kнFн и “качество” испарителя k0F0. Равновесие восстанавливается при

10

режиме, соответствующему новому положению рабочей точкиI, Аблагодаря возрастанию производительности компрессора, связанному с повышением температуры кипения. Процесс самовыравнивания температуры помещения tпм осуществляется потому, что в равенстве Qт=Q0

исп или

kнFн(tн-tпм)= k0F0(tпм-t0).

(2.13)

Происходит равноценное изменение разности температур в обеих сторонах, что возможно только при неодинаковом изменении самих температур. Рис. 2.8,б показывает, что наименьшему изменению подвергается температура кипения.

Так, как обычно необходимо сохранение постоянного значения температуры помещения tпм , то ее изменение потребует изменение производительности охлаждающего прибора(испарителя). Для этой цели, как видно из (2.4) и (2.13), при возрастании теплопритока возможно повышение «качества» испарителя k0F0 путем, например, включения дополнительной площади поверхности или усиления циркуляции воздуха. Новый наклон характеристики охлаждающего прибора будет

определяться тогда величиной угла αI. Рабочей точкой станет А1.								причинам	нельзя
Если	при	возрастании	теплопритока			по	каким-либо
характеристику		испарителя, то	для	этих	условий		холодопроизводительность		компрессор
окажется	недостаточной. Равновесие			при	той же	температуре помещенияtпм может быть

восстановлена, например, при пуске второго компрессора. Этому режиму соответствует новая рабочая точка А2 при более низкой температуре кипения t02. так используется и другой фактор, приведенный в (2.4).

При уменьшении величины теплопритока равновесие может достигаться при более низкой температуре кипения (t0I на рис.2.9) уменьшением величины площади охлаждаемой поверхности.

Так как понижение температуры кипения влечет за собой рост энергетических, тозатрат

экономически целесообразно уменьшить производительность компрессора									не	понижени
температуры	кипения,	а		иными	путями. Одним		из	этих	путей		я
периодическая(циклическая) работа компрессора, что эквивалентно замене данного компрессора
менее мощным, работающим непрерывно при прежней температуре кипенияt0. характеристика
этого компрессора обозначена на рисунке цифройI. Периодичность работы компрессора
характеризуется коэффициентом рабочего времени b, являющимся отношением рабочего времени
tрб к полному времени цикла tц,			т.е. b= τрб/τц, и		может	быть оценена		отношением	координат,
показанных на рис.2.9. здесь b=Qт/Q0, поскольку Qrτц= Q0τрб.
Работа	компрессора		с	периодическим		пуском	и	остановкой		происхо
неустановившемся состоянии, но это не отрицает те тенденции к равновесным состояниям,
которых шла речь выше.
Холодопроизводительность испарителя тоже будет определяться выражением
			Q0 исп=k0F0(tпм-t0)b,							(2.14)

а угол наклона линий III – tgα=k0F0b(m/n).

Можно прийти, следовательно, к выводу о том, что в любой холодильной установке минимально необходимым и обязательным является регулирование двух основных параметров: температуры охлаждаемого объекта и перегрев пара, всасываемого в компрессор (выходящего из испарителя). В простейших случаях, при наличии одного холодильного агрегата, для многих малых установок регулирование этих двух параметров является достаточным для комплексной автоматизации установки. В зависимости от размеров установки, ее сложности, целевого назначения и других факторов может потребоваться регулирование и других параметров, как это будет видно из дальнейшего изложения.