2 Управління холодильними компресорами

2.1 Задачі управління компресорами холодильних установок

Рішення основної задачі управління холодильною установкою в значущий мірі полягає в регулюванні холодопродуктивністю компресорів. В поточний час застосовуються різні способи та конструктивні рішення пристроїв для регулювання продуктивності поршневих компресорів. В суднових холодильних установках, поряд з добре вивченими та перевіреними в експлуатації способами, такими як байпасування, дроселювання на всмоктуванні, примусовий вплив на всмоктувальні клапани компресора, «пуск-зупинка» двигуна, все більше поширення отримують і інші способи, які раніше не застосовувались в суднових умовах.

Холодопродуктивність поршневого компресора Q_км можливо змінювати цільовим впливом на окремі складові, що входять до виразу, що визначає статичну характеристику продуктивності:

Вт, (2.1)

де λ – коефіцієнт подачі компресора;

V_h – теоретична об’ємна продуктивність компресора, м³/с;

q_υ – питома об’ємна холодопродуктивність компресора, Дж/м³;

h – хід поршню, м;

Д – діаметр поршню, м;

п – частота обертання валу компресора, с^-1;

q₀ – питома масова продуктивність робочої речовини, Дж/кг.

Усі способи регулювання продуктивності можливо поділити на три основні групи:

• з виконавчими пристроями, розташованими на трубопровідних комунікаціях компресора;

• з виконавчими пристроями, розташованими безпосередньо в конструкції компресора;

• з пристроями, що оказують дію на двигун компресора.

Будь-який з способів має свої недоліки та переваги. Однак, треба визначити, що практично всі вони були розроблені та зорієнтовані для застосування в компресорах середньої та великої холодопродуктивності.

Холодопродуктивність компресора повинна відповідати тепловому навантаженню на холодильну установку. Визначення теплового навантаження на установку безпосередньо, в зв’язку з цим, достатньо складно організувати, а його оцінка зазвичай здійснюється за такими показниками, як тиск або температура випарювання холодильного агента та температура середовища, що охолоджується.

Якщо продуктивність компресора та теплове навантаження дорівнюють одне одному, то тиск і температура випарювання в приладах охолодження залишаються незмінними. При зростанні теплового навантаження в випарнику утворюється більше пари, ніж всмоктується компресором та тиск підвищується, що, в свою чергу, супроводжується відповідним зростанням температури. У випадку зменшення теплового навантаження тиск та температура випарювання знижуються. Таким чином, для підтримання фіксованої температури випарювання холодильного агенту слід змінювати продуктивність компресора.

Продуктивність компресора, зазвичай, регулюють за значеннями температури або тиску випарювання. Однак, можливі випадки систем управління в яких використанні регулюючі пристрої, що одержують сигнал про значення температури середовища, що охолоджується.

Регулювання продуктивності компресорів може бути як позиційним, так і плавним. Основні способи регулювання продуктивності холодильних компресорів, з урахуванням їх конструктивних особливостей, наведені на рисунку 2.1.

Важливе значення при управлінні компресорами, особливо значної та середньої холодопродуктивності, має розв’язання питання розвантаження компресора під час пуску. Для цього, зазвичай, застосовуються байпасування, дроселювання або їх комбінація.

Рис. 2.1 – Методи управління холодопродуктивністю компресорів

Пуск з розвантаженням потребує використання, у випадку можливого перевищення моменту опору компресора, обертаючого моменту двигуна. У цьому випадку під час пуску штучно розвантажують компресор для зменшення моменту опору.

Важливим напрямом управління автоматичною роботою компресора є створення надійної системи захисту.

Небезпечні та аварійні випадки можуть виникати при підвищенні тисків та температур, припиненні або порушенні мащення пар тертя, при зупиненні або зниженні надходження охолоджуючого середовища (наприклад води або повітря) та ін. Якщо своєчасно не виконати певні дії по керуванню холодильною установкою можливі пошкодження вузлів та елементів холодильної машини. При цьому порушується не тільки технологічний процес, що забезпечується холодильною установкою, також можливо виникнення небезпеки для здоров’я і життя обслуговуючого персоналу та загроза навколишньому середовищу.

Системи автоматичного захисту забезпечують безпечну експлуатацію, блокують розвиток небезпечних ситуацій, виключають аварійні режими.

2.2 Розвантаження компресорів під час пуску

Співвідношення між обертаючим моментом електродвигуна та моментом опору компресора визначається за відповідними статичними характеристиками, які відображають залежності моментів від частоти обертання валу компресора. Ці характеристики носять назву статичних механічних характеристик. Загальний вид таких характеристик надано на рисунку 2.2.

Рис. 2.2 – Статичні механічні характеристики електродвигуна та компресора

Механічна характеристика асинхронного електродвигуна компресора визначає зміну його обертаючого моменту під час пуску. В цей же час частота обертання валу компресора, з’єднаного з валом двигуна послідовно, змінюється від нуля до робочого значення. Теоретично, при відсутності моменту опору, частота обертання п прямує до синхронізації з частотою обертання п_с = 60f/р, де f – частота електричного струму, Гц; р – кількість пар полюсів асинхронного електродвигуна.

Максимум моменту опору компресора при малих значеннях частоти обертання пов'язаний з малою ефективністю махових мас та відноситься до миттєвих значень моменту. Сталий режим функціонування системи електродвигун-компресор встановлюється після пуску і відповідає крапці перетину характеристик електродвигуна та компресора.

Якщо характеристика М_км1 розташована нижче характеристики М_дв1 та перетинається з нею тільки при значенні п близькому до п_с, пуск можливо здійснювати на пряму, без розвантажування компресора. В цьому випадку система вийде на сталий режим з частотою обертання п_р1. Якщо компресор з характеристикою М_км1 має привідний двигун з характеристикою М_дв2, перетин характеристик відбудеться при малих обертах, фактично в мить пуску. З таких умов електродвигун не зможе забезпечити вихід компресора на номінальний сталий режим. В цьому випадку пуск компресора стає неможливим без розвантаження за допомогою спеціальних пристроїв. Під час пуску необхідно змінити характеристику компресора на М_км2 = f(п). За таких умов електродвигун вийде на сталий режим з частотою обертання п_р2, наступним кроком, компресор переводиться до сталого режиму з частотою обертання п_р1. Аналогічна ситуація може мати місце у випадку зміни під час пуску характеристики електродвигуна, наприклад, у випадку значного зниження напруги при недостатньо потужному джерелі енергопостачання. Якщо номінальній напрузі відповідає характеристика М_дв1, а зниженій М_дв2, під час пуску компресора з характеристикою М_км1 потрібне розвантаження.

Розвантаження компресора під час пуску можливо здійснювати декількома методами. Найчастіше застосовується байпасування або перенаправлення пари зі сторони нагнітання на всмоктування і дроселювання всмоктувальної пари, в деяких випадках, комбінація обох методів.

При байпасуванні розвантаження компресора забезпечується шляхом зменшення співвідношення тисків нагнітання та всмоктування. Схема управління компресором у цьому випадку наведена на рисунку 2.2.

Рис. 2.3 – Управління компресором під час пуску з розвантаженням методом байпасування: а) схема; б) графічне відображення процесу в часі

Для управління використовується електромагнітний вентиль ЕВ, який представляє собою двопозиційний запірний пристрій.

На час пуску лінія нагнітання з’єднується з лінією всмоктування байпасною (обводною) лінією, на якій цей вентиль встановлено. Крім електромагнітного вентилю на лінії нагнітання встановлено зворотній клапан ОК, який відокремлює від компресора конденсатор та інші апарати. Електродвигун вмикається за командами регулюючого пристрою РП в режимі автоматичного управління або натисканням кнопки «КнУ-пуск» при ручному управлінні.

Режим визначається ключем управління КУ, релейний пристрій РВ визначає час функціонування байпасу.

В залежності від типу холодильної установки і режиму її роботи, безпосередньо перед пуском можливо різне співвідношення тисків всмоктування Р_вс і нагнітання Р_н. Під час тривалої зупинки можливе практичне зрівняння тисків. При нормальному циклічному функціонуванні зазначені тиски впродовж неробочої частини циклу суттєво не змінюються та можливо прийняти їх рівнозначними робочим.

Якщо в момент пуску тиск нагнітання практично дорівнює тиску конденсації Р_н = Р_к, при надходженні команди на пуск в момент часу τ₁, з умови відкриття електромагнітного вентилю, тиск Р_н достатньо швидко знизиться, що обумовлюється з’єднанням нагнітальної та всмоктувальної порожнин байпасною лінією. Водночас зворотній клапан перешкоджає зниженню тиску у конденсаторі Р_к. Зі зростанням частоти обертання валу компресора, тиск Р_н підвищується до проміжного значення Р_пр, величина якого залежить від опору байпасної лінії. Процес пуску завершується в момент τ₂ при закритті електромагнітного вентилю. При цьому тиск нагнітання практично миттєво підвищується до тиску в конденсаторі. Скрізь зворотній клапан вся пара нагнітається компресором до конденсатора.

Існують схеми, в яких байбасний вентиль відкривається після зупинки компресора і залишається відкритим на весь час стоянки, що дозволяє зрівняти тиски всмоктування і нагнітання до пуску компресора.

Метод дроселювання застосовують у тих випадках, якщо під час стоянки компресору тиск в випарнику може підвищитися до значень, які будуть потребувати неприпустимого моменту опору компресора під час пуску. Завдання складається в тому, щоб відбір пари з випарника здійснювався поступово, а тиск всмоктування не перевищував припустимого значення. Схема з регулятором тиску для цього випадку наведена на рисунку 2.4.

Рис. 2.4 – Пуск компресора з розвантаженням методом дроселювання: а) схема; б) статичні характеристики П-регулятора; в) зміна тиску в часі

Схема управління фактично не відрізняється від попереднього варіанту.

Регулятор тиску Р_гТ є регулятором тиску «після себе», який контролює тиск всмоктування Р_вс. В залежності від поточного значення тиску змінюється ступень відкриття клапану. Статичні характеристики П-регулятора тиску наведені на рисунку 2.4, б у вигляді графічних залежностей Р_вс = f(G_а). Кожна з кривих має відношення до визначеного значення тиску у випарнику Р₀. В межах зони пропорціональності (нерівномірності) σ витрата холодильного агенту практично лінійно залежить від тиску всмоктування при Р₀ = idem. За межами цієї зони залежність має параболічний характер.

Пуск компресора здійснюється з відкритими всмоктувальним та нагнітальним вентилями. На момент пуску значення тисків в випарнику і безпосередньо перед компресором припустимо рівні Р₀ = Р_вс = Р₁. Регулятор налаштовується на підтримання тиску після себе, що не перевищує припустимий Р_р ≤ Р₁, відповідно до цього клапан, що керується регулятором, в поточний момент часу, повністю закритий. В момент часу τ₀ вмикається електродвигун компресора. Компресор починає всмоктувати пару холодоагенту з ділянки всмоктувальної лінії після регулятора. Тиск Р_вс зменшується до значення Р_р, клапан який є керованим, починає відкриватися і компресор поступово знижує тиск в випарнику Р₀. Тиск Р_вс буде незначно знижуватися в межах зони пропорційності σ. Відповідно зі зменшенням тиску в випарнику, клапан відкривається до стану повного відкриття. На цьому процес пуску завершується. В відкритому положенні на клапані регулятора має місце падіння тиску ΔР у зв’язку з тим, що клапан представляє собою елемент маючий визначений гідравлічний опір. Значення ΔР дозволяє надати оцінку енергетичних витрат, обумовлених застосуванням розглянутого способу розвантаження.

В умовах виникнення великих перепадів тиску і великого тиску в випарнику можливо застосування комбінованих схем.

2.3 Дискретні способи регулювання холодопродуктивністю компресора

У випадку дискретного регулювання холодопродуктивності компресора зазвичай застосовують наступні методи:

• «пуск-зупинка»;

• відключення окремих циліндрів або груп циліндрів багатоциліндрового компресора;

• дискретна зміна частоти обертання валу компресора.

Обрання методу залежить від властивостей об’єкту, що охолоджується, можливого коливання теплового навантаження, вимог до точності підтримання температури, конструктивних особливостей компресора.

При використанні метода «пуск-зупинка» (рис. 2.5) компресор під впливом відповідних автоматичних регулюючих приладів періодично запускається та зупиняється в залежності від значень параметру, що контролюється, в наслідок такого циклу роботи, змінюється середня холодопродуктивність за час циклу «пуск-зупинка».

Рис. 2.5 – Дискретна автоматична зміна холодопродуктивності компресора методом «пуск-зупинка»

Холодильна машина призначена для підтримання температури об’єкту (наприклад провізійної камери) Об в заданих межах. Автоматичне управління здійснюється регулюючим пристроєм РП, в якості якого може бути використане реле температури. Чуттєвий елемент реле (термобалон) встановлено в середині приміщення камери. У випадку підвищення контрольованої температури до максимального значення t_п реле дає сигнал на пуск компресора. Робота компресора забезпечує поступове зниження температури t_п . При досягненні мінімального значення температури об’єкту t_с реле дає команду на зупинку компресора.

Значення ᴂ = t_п - t_с носить назву диференціалу реле температури. Процес управління можливо розділити на проміжки часу, що відповідають часу роботи компресора τ_р та його стоянці τ_с.

Сума τ_р + τ_с носить назву періоду або тривалості циклу. Зміна теплового навантаження на холодильну установку викликає зміну співвідношення між тривалістю робочої частини і повного циклу.

Величина b = τ_р / τ_ц має назву коефіцієнту робочого часу та може змінюватись від 0 до 1, що відповідає коливанню теплового навантаження від нульового до максимального. Тривалість циклів τ_ц та їх частота 1/ τ_ц залежать від значення встановленого диференціалу ᴂ реле температури. Чим більше значення диференціалу, тим більша тривалість циклу і менша частота. Необхідно враховувати, що диференціал визначає межі можливої зміни температури об’єкту t_об, амплітуда її коливань зростає зі збільшення диференціалу. Систему управління визнають задовільною, якщо при частоті циклів до 3-х за годину забезпечується потрібна точність підтримання температури.

Потрібно відзначити таку особливість застосування методу «пуск-зупинка»: чим менше теплове навантаження на холодильну машину, тим менше напрацювання компресора на відмову, більше строк праці компресора та час між проведенням технічного обслуговування.

Метод регулювання холодопродуктивності вимкненням циліндрів застосовується для багатоциліндрових компресорів, конструкція яких передбачає наявність пристроїв, що дозволяють вивести або ввести до роботи окремі циліндри або групи циліндрів. Зазвичай цей метод застосовують сумісно з методом «пуск-зупинка», що передбачає зупинку компресора при зниженні навантаження нижче холодопродуктивності «мінімального» ступеню.

В холодильних компресорах використовуються такі методи включення і виключення циліндрів як віджим всмоктувальних клапанів і байпасний перепуск з окремих циліндрів.

Загальним принципом для цих методів є повернення пари з відключеного циліндру до всмоктувальної порожними або скрізь віджатий всмоктувальний клапан, або скрізь нагнітальний клапан і байпас.

Пристрої для віджиму всмоктуючи клапанів забезпечують їх утримання в відкритому стані протягом потрібного часу. В залежності від типу приводу пристрою для віджиму клапанів, їх поділяють на електромагнітні та гідравлічні. Принцип дії і схематичне зображення електромагнітного пристрою наведено на рисунку 2.6.

Рис. 2.6 – Електромагнітні пристрої для віджиму всмоктуючи клапанів:

а) з внутрішніми котушками; б) із зовнішніми котушками

Електромагнітні пристрої мають в своєму складі котушки електромагнітів, магнітопроводи і пластини клапанів, які є рухомими елементами електромагнітів. Розрізняють пристрої з внутрішніми та зовнішніми котушками. Клапанна частина циліндру, яка має електромагнітний пристрій з внутрішніми котушками наведена на рисунку 2.5, а.

Котушки 1 розташовані в корпусі клапана 2, виготовленого зі сталі з високою магнітною проникливістю. Знизу котушка захищена проставкою 3 з немагнітного матеріалу. Кільцева пластина всмоктуючого клапану 5 переміщається між проставкою і сідлом 4. При відсутності в котушці струму, пластина клапану під тиском потоку газоподібного холодильного агенту переміщується, відкриваючи або перекриваючи прохід сідла. При подачі струму в котушку створюється магнітне поле, яке замикається скрізь пластину клапану. Пластина клапану утримується в верхньому положенні незалежно від руху поршню. При вимкненні струму магнітне поле зникає, пластина звільнюється і циліндр стає до роботи.

Схема з внутрішніми котушками достатньо проста і надійна, однак у випадку необхідності ремонту або заміни котушки потребує часткової розбірки компресора.

У випадку застосування електромагнітних пристроїв з зовнішніми котушками (рис. 2.5, б) котушка 1 розміщується в кришці компресора, яка є зовнішньою частиною магнітопроводу. В котушку вбудовано сталий магніт 2, який контактує з деталями, які створюють внутрішній магнітопровід. Для надання магнітному потоку потрібного напряму застосовують немагнітні проставки 3 та 4. Сталий магніт створює початковий магнітний потік, на який накладається потік потрібного напряму, що утворюється котушкою. Сумарний потік замикається через газову порожнину та пластину всмоктую- чого клапану 5. Таким чином, пластина фіксується в верхньому положенні.

Головною перевагою електромагнітних пристроїв є їх швидкодієвість (5÷10 мс), ця властивість дозволяє рекомендувати їх використання при створенні як простих багатопозиційних систем регулювання, так і систем, що наближаються за своїми якостями до систем плавного регулювання.

Гідравлічні пристрої віджиму клапанів складаються з гідравлічних приводів, елементів керування і розподілу, маслосистеми з насосом та трубопроводів. Зазвичай для віджиму клапанів використовується мастильна система компресора з її доповненням потрібними пристроями та трубопроводами. В якості гідравлічних приводів застосовують поршньові механізми зі зворотньою пружиною. При відсутності тиску масла, клапан знаходиться у віджатому стані, циліндр виведений з роботи.

Управління роботою гідравлічних приводів здійснюється за допомогою розподілювачів, забезпечуючи надходження масла до відповідних циліндрів за командами від регулюючого пристрою.

Найбільш поширені розподілювачі, в яких застосовані соленоїдні вентилі або золотникові пристрої.

У випадку використання для регулювання холодопродуктивності байпасного перепуску з окремих циліндрів потрібна конструкція компресора, яка передбачає наявність у кожного циліндра або групи циліндрів відокремленої нагнітальної порожнини та вихідного патрубку з неї (рис. 2.7).

Рис. 2.7 – Байпасний перепуск з окремих циліндрів

На відокремлених лініях нагнітання встановлені зворотні клапани 3К₁ та ЗК₂, а на байпасних лініях електромагнітні вентилі ЕВ₁ і ЕВ₂. Нагнітання з циліндру Ц₃ здійснюється безпосередньо в нагнітальний колектор. При закритих електромагнітних вентилях стисла пара скрізь зворотні клапани та нагнітальний вентиль В₂ надходить до конденсатору. Якщо сигналом регулюючого пристрою РП відкриється електромагнітний вентиль ЕВ₁, тиск Рн₁ на виході з циліндру Ц₁ стане нижче, ніж тиск Рн у спільній нагнітальній лінії. При цьому зворотній клапан ОК₁ перекриє доступ пари з нагнітальної лінії до циліндру. Пара холодильного агенту, яка нагнітається з циліндру Ц₁, буде повертатися до порожнини всмоктування, при цьому ступень стискання має мале значення. Ступень стискання для цієї пари визначається опором безпосередньо нагнітального клапану циліндру, електромагнітного вентилю та ділянки трубопроводу. Чим нижче опір і ступень стискання, тим менше енергетичні витрати в системи загалом.

З умови відкриття електромагнітного вентиля ЕВ₂, закривається зворотній клапан ЗК₂ і циліндр Ц₂ не приймає участі в роботі.

Конструктивно зворотні клапани можуть бути вбудовані у компресор або виконані в з’єднанні з електромагнітними вентилями. При проектуванні компресорів з розглянутим способом регулювання припустимий опір байпасної гілки визначають з урахуванням межевого ступеню стискання. При обранні електромагнітного вентиля слід враховувати можливість зростання температури пари та вимоги до герметичності затвору в зачиненому стані. У випадку порушення герметичності, перетікання пари викличе енергетичні втрати та передчасну відмову вентиля в наслідок тривалого впливу високої температури.

Спосіб дискретної зміни частоти обертання валу компресора передбачає наявність у компресора приводу з відповідним регулюванням.

Спосіб реалізується при використанні двох або багатошвидкісних асинхронних короткозамкнутих електродвигунів.

Зазвичай, для холодильних поршневих компресорів застосовують електродвигуни з чисельністю ступенів частоти обертання не більш чотирьох.

Як відомо, при заданій частоті живлячого струму f, синхронна частота обертання п_с залежить від кількості пар полюсів р електродвигуна: п_с = 60 f/р. Якщо зробити припущення про те, що холодопродуктивність компресора лінійно залежить від частоти обертання валу електродвигуна, то обрання степенів регулювання полягає в обранні електродвигуна з потрібною чисельністю пар полюсів. Наприклад, застосування трьохшвидкісного електродвигуна з синхронними частотами 1500, 1000, 500 об/хв забезпечить ступені зміни холодопродуктивності від максимальної при 1500 об/хв до 1/3 при 500 об/хв. Принципова схема управління трьохшвидкісним двигуном наведена на рисунку 2.8.

Переключення з однієї швидкості на іншу здійснюється зміною з’єднань між частинами обмотки статору, а комутуювання-застосуванням пристроїв П₁, П₂, П₃, чисельність яких дорівнює чисельності ступенів регулювання. Під час автоматичного управління перемикання здійснюється за командами регулюючого пристрою, який контролює температуру об’єкту, що охолоджується.

Рис. 2.8 – Схема дискретного управління трьохшвидкісним електродвигуном компресора

Прилад повинен мати релейну реверсивну характеристику відповідно кількості ступенів холодопродуктивності. Можливо використання групи двопозиційних приладів. Окрім автоматичного управління передбачено ручне перемикання частоти обертання електродвигуна.

Недоліком розглянутого типу систем є необхідність ускладнення електродвигуна. Зі зростанням чисельності ступенів зростає кількість обмоток статору потребуючих комунікації, кількість пристроїв, що забезпечують пуск, збільшуються розміри і маса електродвигуна, ускладнюється схема управління, погіршуються енергетичні показники. Припустима частота переключення ступенів відносно мала, що пов’язано зі спрацьованістю комутаційної апаратури та додатковим нагрівом двигуна.

2.4 Плавне регулювання холодопродуктивності компресорів

Плавне регулювання холодопродуктивності компресорів можливо здійснювати регулюванням частоти обертання асинхронних електродвигунів шляхом включення додаткового опору в лінію ротора, зміною живлючої напруги, включенням в лінію ротора, що керується ЕРС, або дроселюванням пари, що всмоктується чи її перепуском з нагнітальної сторони на сторону всмоктування.

Окремо потрібно розглядати методи регулювання холодопродуктивності гвинтових холодильних компресорів за допомогою спеціального золотникового пристрою вбудованого в компресор.

Схеми, які передбачають плавну зміну частоти електродвигуна наведені на рисунку 2.9.

Рис. 2.9 – Плавна зміна частоти обертання електродвигуна компресора: а)за допомогою включення додаткового опору; б)зміною частоти живлючого струму; в)включенням ЕРС, що керується

Схема, що передбачає зміну опору в ланцюзі ротора наведена на рисунку 2.9,а.

Компресор КМ має привід від асинхронного електродвигуна з фазним ротором Д. Пуск та зупинка електродвигуна здійснює пристрій управління КмУ. До ланцюга ротора включено опір-реостат Рт, опір якого змінюється виконавчим механізмом ВМ. Сигнал на виконавчий механізм надходить від регулюючого пристрою РП. Для зменшення частоти обертання опір реостату збільшують, для зростання - зменшують.

Цей метод регулювання характеризується значними енергетичними втратами, які збільшуються зі зниженням частоти обертання. В сучасних суднових холодильних установках він майже не застосовується.

Схема, в якій передбачена зміна частоти струму живлення наведена на рисунку 2.9,б. Функціонування схеми забезпечується перетворювачем частоти ПЧ, який одержує енергію від мережі зі стандартною частотою і під час дією керуючого сигналу змінює частоту на виході в необхідних межах. Струм від перетворювача частоти живить обмотку статора електродвигуна. Частота обертання пропорційна частоті живлючого струму f: п_с = 60f/р. Живлення від мережі здійснюється від пристрою (пускача) П. Сигнал, від регулюючого пристрою РП перетворюється в управляючому пристрої УП. Сучасні технології дозволяють виготовити перетворювач частоти та управляючий пристрій достатньо компактними та малої маси. Не зважаючи на складність та значну ціну комплектуючого обладнання, метод може бути рекомендовано для широкого застосування в холодильному обладнанні сучасних морських суден.

На рисунку 2.9, в наведена схема, в якої ЕРС, наведена в роторі електродвигуна, протиставлена зустрічній (опірній) ЕРС, дія якої аналогічна введено додаткового опору. Особливість такої схеми в тому, що відведена з ланцюга ротора енергія частково повертається до мережі живлення.

З цією метою струм ротора перетворюється у випрямлячі В на постійний та подається до інвертору Ін. Роботою інвертора управляє пристрій УП, який реагує на сигнали регулюючого пристрою РП.

Інвертор перетворює постійний струм в трьох фазний змінний заданої частоти, який повертається до мережі. Процес повернення енергії до мережі має назву рекуперації енергії. Чим більша частина енергії рекуперується, тим менша частота обертання електродвигуна.

Розглянутий метод дозволяє змінювати частоту обертання в широких межах, а рекуперація забезпечує достатньо високі енергетичні показники.

Як і схема з перетворювачем частоти, ця схема складна за устроєм, однак, у зв’язку зі стрімким поширенням компресорів з інверторними двигунами та чіткою тенденцією до енергозбереження, інверторні схеми регулювання холодопродуктивності можуть бути віднесені до найперспективніших.

Плавна зміна холодопродуктивності дроселюванням пари на всмоктуванні (рис. 2.10), здійснюється за допомогою регулюючого органу РО, розташованого на всмоктувальній лінії компресора Км.

Рис. 2.10 – Зміна холодопродуктивності дроселюванням пари на всмоктуванні: а)схема; б)графічні залежності холодопродуктивності (Q) та холодильного коефіцієнту від температури (тиску) випарювання; в)графічне визначення відносних втрат

Регулюючий орган під дією регулюючого пристрою РП змінює перетин для проходження пари, що всмоктується, змінюючи втрати тиску на ділянці трубопроводу від випарника (Р₀) до колектору компресора (Р_вс), що всмоктується. При максимальній холодопродуктивності клапан регулюючого органу повністю відкритий. Чим менше опір клапану, тим менше енергетичні втрати та втрати холодопродуктивності.

Потрібну пропускну здатність регулюючого органу можливо розрахувати завдаючи припустиме падіння тиску (Δр) в відчиненому стані:

де G – пропускна здатність РО;

В – коефіцієнт, що залежить від властивостей середовища та враховуючий вплив її стискання, визначається за довідковими даними, або розраховується;

К_V – коефіцієнт пропускної здібності РЩ, постійна величина, що характеризує властивості гідравлічного опору при деяких незмінних гідравлічних розмірах та чисельно дорівнює витратам при Δр = 1 та р = 1.

Мінімальний ступень відкриття регулюючого органу визначається найнижчою холодопродуктивністю, при цьому на клапані має місце максимальне падіння тиску. Для забезпечення стійкого регулювання розхідна характеристика регулюючого органу повинна наближатися до лінійної.

Спосіб регулювання дроселюванням пари, що всмоктується характеризується значними енергетичними втратами, які зростають зі зменшенням ступеню відкриття регулюючого органу.

Графіки наведені на рисунку 2.10, б показують, що зі зниженням тиску всмоктування зменшується не тільки холодопродуктивність Q₀, але й холодильний коефіцієнт ε. Для оцінки відносного зменшення холодопродуктивності та холодильного коефіцієнту можливо скористатися графічними залежностями наведеними на рисунку 2.10, в і 2.10, г. Графіки свідчать про те, що при зменшенні холодопродуктивності до 50% від максимальної, холодильний коефіцієнт знижується приблизно на 35%. Ступень зменшення холодопродуктивності для використаного в холодильній установці компресора обмежується припустимою різницею тисків нагнітання та всмоктування і їх співвідношенням.

Регулювання холодопродуктивності байпасуванням за основними принципами реалізації подібне до позиційного регулювання байпасуванням окремих циліндрів. Перепуск пари холодильного агенту з високим тиском може здійснюватися на всмоктувальну сторону компресора безпосередньо як з нагнітання компресора, так і з інших місць, наприклад з конденсатора. Пара, що пере пускається може надходити як до всмоктую чого патрубку компресора, так і в інші місця сторони низького тиску. З умови використання охолодженої пари для байпасування поліпшуються умови роботи компресора та знижується тиск нагнітання.

З енергетичної крапки зору розглянутий метод є недосконалим. Теоретичні збитки пропорційні ступеню зниження холодопродуктивності, в реальних умовах збитки ще вищі у зв’язку з опором байпасної лінії.

Однак використовуються холодильні установки, в яких застосовується комбіноване регулювання – дроселювання на всмоктуванні доповнене перепуском пари. Такі схеми доцільні при необхідності глибокого дроселювання, яке може привести до небажаного зниження тиску всмоктування.

Системи автоматичного управління холодопродуктивністю гвинтових компресорів значно відрізняються від систем застосованих в поршньових компресорах за своїми принципами дії та засобами реалізації.

Гвинтові компресори оздоблюються спеціальними золотниками (повзунами), які мають можливість переміщуватися паралельно вісям гвинтів. За рахунок такого переміщення змінюється хід стискання, що викликає зміну холодопродуктивності компресора. Завдяки простоті, надійності, легкому управлінню і можливості плавної зміни холодопродуктивності від 100 до 10% цей спосіб можливо розглядати, як фактично єдиний.

На рисунку 2.11 гвинтовий компресор Км з приводним електродвигуном Д має золотниковий пристрій для регулювання холодопродуктивності.

Рис. 2.11 – Управління холодопродуктивністю гвинтового компресора: а) принципова схема; б) статичні характеристики при постійному тиску нагнітання

Переміщення золотника – регулюючого органу, здійснюється виконавчим механізмом ВМ.

Виконавчий механізм належить до схеми автоматичного управління температурою об’єкту або теплоносія, можливо підключення до регулятору тиску (температури) кипіння холодильного агенту. Зв'язок з регулятором здійснюється по лінії А. Якщо вважати, що частота обертання електродвигуна і, відповідно до неї, гвинтів компресора п = const, статичні характеристики компресора є функцією положення золотникового регулюючого пристрою λ та тисків всмоктування та нагнітання р_вс, р_н:

Q₀ = f (λ, р_вс, р_н).

На рисунку 2.11, б наведено вигляд статичних характеристик гвинтового компресора при р_п = const для трьох значень тиску всмоктування:

р_вс1 > р_вс2 > р_вс3.

Розглянутий метод достатньо економічно ефективний, у зв’язку з тим, що питома холодопродуктивність при зниженні загальної продуктивності вдвічі, зменшується тільки на декілька відсотків. Повний діапазон можливої зміни холодопродуктивності знаходиться в межах від 100 до 10%.

В залежності від особливостей системи управління, привід золотника може здійснюватися від електричного, гідравлічного або пневматичного виконавчого механізму.

Вбудована система зміни холодопродуктивності може бути використана для розвантаження приводу під час пуску компресора. При цьому схема управління будується таким чином, щоб після зупинки золотник знаходився в положенні, яке відповідає мінімальній холодопродуктивності. У цьому випадку момент опору компресора під час пуску буде мінімальним, що суттєво полегшує пуск. Переміщення золотника в робочу позицію здійснюється по сигналу реле часу або при досягненні відповідного тиску мастила в системі мащення.

2.5 Порівняння методів регулювання холодопродуктивністю компресорів

Порівнюючи методи регулювання холодопродуктивності компресорів, в якості основного критерію слід обрати результуючу ефективність застосування того або іншого методу виходячи з первинних та експлуатаційних витрат.

До первинних витрат належать вартість обладнання та витрати на його монтаж. Ці витрати загалом визначаються складністю самої системи та її елементів, а також вимогами до надійності під час експлуатації. За розмірами первинних витрат, розглянуті вище методи слід розташувати в наступної послідовності (за зростанням витрат): «пуск-зупинка», дроселювання всмоктуючої пари, байпасування пари після стискання в компресорі, зміна чисельності працюючих циліндрів, зміна частоти обертання.

Експлуатаційні витрати складаються з енергетичних (вартості вжитої енергії), трудомісткості обслуговування та ремонту, вартості змінних елементів і деяких інших. За експлуатаційними витратами методи розташовуються в наступної послідовності (за збільшенням витрат): «пуск-зупинка», зміна чисельності працюючих циліндрів, зміна частоти обертання, дроселювання та байпасування.

Практично в усіх наявних джерелах порівняння методів регулювання має описовий характер. Можливо спиратися на експериментальні відомості для надання якісної оцінки деяких методів в регулюванні холодопродуктивності.

Визначимо глибину регулювання холодопродуктивності компресора як σ:

(2.1)

Для традиційних способів продуктивність Q₀₁ компресора менша ніж номінальна Q_0ном, відповідно σ<1.

Порівнюючи енергетичні ефективності різних методів зміни холодопродуктивності компресора слід використовувати відносні показники, розглядаючи характеристики для умов режиму змінюваної продуктивності і номінальної.

Приймемо позначення для і-го режиму роботи ХМ зі зміненою, тим чи іншим методом холодопродуктивності.

Миттєве значення дійсного холодильного коефіцієнта:

ε_е = Q_0і/Р_мхі, (2.2)

де Р_мхі – механічна потужність на валу приводу, Вт.

Миттєве значення електричного холодильного коефіцієнта:

ε_елі = Q_0і/Р_елі, (2.3)

де Р_елі – споживана приводом потужність з електричної мережі (або інша), Вт.

Миттєве значення коефіцієнта питомої дійсної холодопродуктивності

(2.4)

де - відносне значення механічної потужності на валу двигуна.

Миттєве значення коефіцієнта питомої електричної холодопродуктивності:

μ_ел = ε_ел/ε_ел.ном = σ ∙ (2.5)

де - відносне значення електричної потужності, що вживається.

У зв’язку з циклічністю роботи ХМ, більш інформативними є інтегральні показники коефіцієнтів (2.6).

Наприклад, інтегральні значення дійсного та електричного холодильних коефіцієнтів за проміжок часу τ₁… τ₂, до якого входять ділянки працюючого та відключеного стану компресора в і-му сталому режимі роботи ХМ визначаються виразами:

і (2.6)

Важливо враховувати, що реальний режим роботи компресора при зміні холодопродуктивності на конкретному експлуатаційному режимі визначається співвідношеннями:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

де t₀, t_к – температура випарювання і конденсації холодильного агенту, ⁰С;

Q₀ – холодопродуктивність компресора на експлуатаційному режимі, Вт;

l_s – адіабатна робота стискання, Дж;

G_a – масова витрата холодильного агенту, кг/с;

F_в , F_кд , k_в , k_кд – відповідно, площі теплообмінних поверхонь, м² і коефіцієнта теплопередачі, Вт/(м² ∙⁰С) випарника та конденсатора;

Δt_в, Δt_кд – температурні напори, ⁰С, на випарнику і конденсаторі, відповідно.

Відомо, що при зростанні тепло надходжень, холодильний коефіцієнт зазвичай зростає, однак, як слідує з рівнянь 2.7, 2.8, 2.9, при цьому зростає теплова напруженість в теплообмінних апаратах та знижується температура випарювання. В наслідок цих чинників компресор повинен перейти на режим роботи з меншим значенням холодильного коефіцієнту.

Таким чином, результуюче енергоспоживання ХМ буде залежити як від теплонадходжень Q_пр, так і від поточного значення холодильного коефіцієнта, який, в свою чергу, є складною функцією від техніко-експлуатаційних характеристик компресора; фактичного температурного режиму роботи компресора в складі холодильної машини; ефективної площі теплообмінних поверхонь випарника та конденсатора.

На рисунку 2.12 наведені графіки зміни коефіцієнтів питомої холодопродуктивності і питомої електричної холодопродуктивності μ_ел в функції від глибини регулювання σ для компресорів з різними пристроями регулювання.

Рис. 2.12 – Залежності коефіцієнтів питомої (а) і питомої електричної холодопродуктивності (б) від глибини регулювання продуктивності компресорів

Потрібно відзначити, що коефіцієнти ε_е, ε_ел, μ_е та μ_ел характеризують тільки узагальнену ефективність способів регулювання холодопродуктивності, об’єднуючи ємкісні та енергетичні показники і не дозволяють надати кількісну оцінку різних видів втрат.

Достатньо висока енергетична притаманна для компресорів фірма STAL типу U.4, в яких забезпечується регулювання холодопродуктивності клапаном, що всмоктується (крива 1, рис. 2.12, а). Однак, складність конструкції і виготовлення клапану і його елементів обумовлюють зниження надійності, що не сприяє поширенню цього рішення.

Система гідровіджиму клапанів, що всмоктуються, на частині ходу поршня застосовується на компресорах типу П-80 (крива 2, рис. 2.12, а), також дозволяє отримати непогані енергетичні результати при діаметрі циліндрів 76 мм, однак, збільшення діаметру до 115 мм (крива 3, рис. 2.12, а) призвело до значного зниження ефективності. Регулювання холодопродуктивності вимкненням окремих циліндрів (компресори фірми DWM, крива 4), дроселюванням на всмоктуванні (компресор FUU-80, крива 5), байпасуванням компресору (компресор FUU-80, крива 6) енергетично низько ефективні. Залежності на рисунку 2.12, а наведені для умов функціонування ХМ при температурах випарювання 273⁰К та конденсації 313⁰К з використанням холодоагенту R134А.

На рисунку 2.12, б наведені графічні залежності зміни коефіцієнту питомої електричної холодопродуктивності:

1 – для компресору 2VXH65 Worthington при гідравлічному віджиманні клапанів, що всмоктуються;

2 – для компресору ПБ-80 зі застосуванням електромагнітного віджимання клапанів, що всмоктуються;

3 – для компресору ПБ-60 з частотним тиристорним перетворювачем.

Незважаючи на те, що регулювання зміною частоти обертання валу асинхронного електродвигуна (рис. 2.12, б, крива 3) здається найменше ефективним, сучасний розвиток управляючої електроніки вимагає перегляду цієї точки зору для компресорів з конверторними електродвигунами.

Питання для самоконтролю

1. Які фактори обумовлюють необхідність регулювання холодопродуктивності?

2. За значеннями яких параметрів можливо здійснювати регулювання холодопродуктивності?

3. Чим обумовлюється потреба в розвантаженні компресора під час пуску?

4. Які методи розвантаження застосовуються під час пуску суднових холодильних компресорів?

5. Які методи регулювання холодопродуктивності застосовуються в суднових холодильних установках?

6. Як здійснюється розвантаження компресора байпасуванням?

7. Як здійснюється розвантаження компресора дроселюванням?

8. Як здійснюється регулювання холодопродуктивності методом «пуск-зупинка»?

9. Як здійснюється регулювання холодопродуктивності відключенням окремих циліндрів?

10. Як здійснюється регулювання холодопродуктивності методом ступеневої зміни частоти обертання валу?

11. Як здійснюється регулювання холодопродуктивності методом байпасування?

12. Як здійснюється регулювання холодопродуктивності за рахунок дроселювання пари?

13. Які можливості регулювання холодопродуктивності компресора шляхом управління асинхронним приводним електродвигуном?

14. Порівняйте методи регулювання холодопродуктивністю компресорів.