3 Управління конденсаторами суднових холодильних установок

3.1 Автоматизація конденсаторів з водяним охолодженням

Під час проектування холодильної машини теплообмінна поверхня конденсатору визначається виходячи зі значення максимально припустимого тиску конденсації Р_к при максимально можливій температурі охолоджуючого середовища t_ОС. Зрозуміло, що при зниженні температури охолоджуючого середовища тиск конденсації теж знижується.

Формально, при зниженні тиску конденсації витрати на одержання холоду зменшується, у зв’язку з чим регулювання Р_к при його зменшенні недоцільно. Достатньо використати захист від граничного підвищення тиску нагнітання компресору Р_н, так як останній практично дорівнює тиску конденсації. Однак, потрібно враховувати можливість зміни витрати охолоджуючого середовища (води або повітря) та зміни пропускної здатності пристроїв, в яких здійснюється дроселювання рідкого холодильного агенту і керування живленням випарників при зміни перепаду.

Витрати охолоджуючої води пов’язані з енергоспоживанням насосів, що забезпечують функціювання конденсаторів, для повітряних конденсаторів, витрати охолоджуючого повітря та його швидкість, визначають енергоспоживання вентиляторів.

Пропускна здатність регуляторів, в яких здійснюється дроселювання, зменшується зі зниженням тиску конденсації, водночас продуктивність компресора зростає. В наслідок цих чинників можливо виникнення ситуації, при якій поєднання характеристик регулятора та компресора не забезпечить працездатність холодильної машини при низьких температурах охолоджуючого середовища в наслідок неприпустимого зниження тиску конденсації.

Робота холодильної машини в широкому діапазоні зміни температури охолоджуючої води характерна саме для суднових холодильних установок. При цьому стійка робота холодильної установки повинна забезпечуватися підтриманням тиску конденсації в заданих межах.

В залежності від конструкції конденсатора та умов його експлуатації, можливо застосування двох способів підтримання заданих значень тисків конденсації:

• зміною швидкості і, відповідно, витрати охолоджуючого середовища;

• зміною ефективної теплопередаючої поверхні конденсатора.

Для кожухотрубних водяних конденсаторів, що використовуються в складі суднових холодильних установок, зазвичай, регулювання здійснюється шляхом зміни витрати охолоджуючого середовища.

Для конденсатора справедливі рівняння, які характеризують процес теплообміну.

Q_к = kF (t_к - t_Вср),

Q_к = G_wС_w (t_В2 – t_В1), (3.1)

де Q_к - теплове навантаження на конденсатор;

k – коефіцієнт теплопередачі;

F – теплообмінна поверхня конденсатора;

t_к – температура конденсації;

t_Вср – середня температура охолоджуючої води;

G_w – витрата охолоджуючої води через конденсатор;

С_w – теплоємність охолоджуючої води;

t_В2, t_В1 – температура охолоджуючої води на вході та виході конденсатора.

Рішення системи (3.1) з виключенням t_В2 дозволяє визначити t_к.

t_к = t_w1 + Q_к · [0,5 G_w С_w + 1/(k · F)].

Одержана формула дозволяє побудувати статичну характеристику конденсатора при t_В1 і Q_к = idem. В цьому випадку температура охолоджуючої води на вході до конденсатору і теплове навантаження мають назву параметрів статичної характеристики.

Для водяних кожухотрубних конденсаторів регулювання тиску конденсації здійснюється за допомогою регуляторів, які мають назву – водорегулюючі вентилятори (ВРВ), або водорегулятори тиску. Зазвичай, в якості ВРВ застосовуються статичні регулятори.

Рис. 3.1 – Статична характеристика конденсатора t_к + f(G_w), де t_{к min} визначається з умови G_w→∞

Схема включення ВРВ для водяного кожухотрубного конденсатора наведена на рисунку 3.2.

Рис. 3.2 – Схема включення ВРВ

На рисунку 3.3 наведені статичні характеристики водорегулятору для різних значень перепадів тисків на клапані регулятора

Р_к≤ Р_кно,

де Р_к – тиск конденсації;

Р_кно – тиск початку відкриття.

При підвищенні тиску конденсації клапан починає відкриватися до стану повного відкриття (Р_кпо).

Рис. 3.3 – Статичні характеристики водорегулятора (ΔР_wp1<Δ Р_wp2< Р_wp3)

Таким чином, номінальна нерівномірність регулятора

σ_ном = Р_кпо – Р _кно

Характеристика такого регулятора неоднозначна, бо її вигляд залежить від перепадів тиску на клапані регулятора.

При функціюванні в суднових умовах, значення ΔР_wp не є постійним, бо воно залежить від поточного положення клапану регулятора, гідравлічної характеристики водяного тракту та характеристики насоса.

Маючи статичні характеристики конденсатора для різних значень t_w1 і G_к і характеристику регулятора, можливо отримати сумісну характеристику системи «конденсатор-регулятор».

Рис. 3.4 – Побудова робочої характеристики регулятора

Для побудови робочої характеристики регулятора необхідна наявність гідравлічної характеристики конденсатора G_w = f(ΔP_кд) та статичних характеристик регулятора G_w = f (Р_к).

При побудові робочої характеристики регулятора виходять з положення про те, що сума перепадів тиску у водяній частині конденсатора та клапані регулятора залишається постійною впродовж роботи системи.

ΔР_заг = ΔР_кд + ΔР_р = ΔР_{кд min} + ΔP_{p max} = ΔP_{кд max} + ΔР_{р min}.

При максимальній витраті охолоджуючої води витрати напору в конденсаторі (перепад тиску максимальний, регулятор при цьому повністю відкритий). Перепад тисків на регуляторі (ΔР_р) буде мінімальним, а при найменшій витраті охолоджуючої води – навпаки.

Крапка перетину G_{w max} зі статичною характеристикою регулятора ΔP_{p min} визначає місцеположення крапки «а».

Виходячи з постійного значення ΔР_об можливо визначити положення крапки «б» для G₂ і «в» для G_{w min}. Чим більша кількість значень обрано в інтервалі G_{w max}…G_{w min}, тим точніше робоча характеристика. З’єднавши отримані крапки плавною кривою, одержують робочу характеристику водорегулятора.

Поєднана характеристика системи конденсатор-водорегулятор наведена на рисунку 3.5.

Рис. 3.5 – Поєднана характеристика системи конденсатор-водорегулятор

Використовуючи поєднану характеристику можливо визначити тиск конденсації при зміни в визначених межах температури охолоджуючої води

(t_{w1 min} … t_{w1 max}).

В системі без регулювання тиску конденсації скрізь конденсатор буде проходити охолоджуюча вода з постійною витратою G_{w max} та в межах тих самих змін температури води при t_{w1 min} встановиться значення тиску конденсації Р_кс < Р_{к min}.

Аналіз поєднаної характеристики показує, що система регулювання не виключає повністю вплив зміни температури охолоджуючої води на тиск конденсації, але значно поменшує його.

Використані в суднових холодильних установках водорегулятори мають номінальну нерівномірність σ_ном = 0,05÷0,1 МПа, що дозволяє підтримувати тиск конденсації в допустимих межах.

Устрій водорегулятора наведено на рисунку 3.6.

Рис. 3.6 – Устрій водорегулюючого вентиля

Тиск конденсації, що контролюється подається до водорегулятору скрізь штуцер 14 до порожнини між сильфонною коробкою 12 та сильфоном 13. Зміна тиску, що контролюється, викликає зміну деформації сильфону. До днища сильфону приєднаний штовхач 11. Рух від штовхача передається штоку 9. На верхню кінцівку штовхача, за допомогою тарілки 5, впливає налагоджувальна пружина 7. Початкове натягнення пружини (налагодження регулятору) встановлюється обертанням стакану 6, який виконує функцію задатчика. Зусилля від стакану до пружини передається опорою 8. Вузол клапана 2 монтується на штоці з двома мембранами 3 і 10. Краї мембран затиснуті між корпусом 1 і кришкою 4 та сильфонною коробкою 12. Мембрани відокремлюють внутрішні порожнини регулятора від зовнішнього середовища. При цьому в порожнинах «А» та «Б» тиск відповідає атмосферному. Ступінь відкриття клапана залежить від тиску, що контролюється та початкового натягу пружини.

Управління роботою водяного конденсатору може бути здійснено шляхом регулювання температури води на виході з конденсатора t_w2. В цьому випадку зазвичай використовуються пропорційні регулятори налаштовані таким чином, щоб при розрахованій температурі води забезпечити її необхідну витрату.

Підтримання температури води на виході з конденсатору в певному інтервалі опосередковано впливає на температуру конденсації. При використанні температурних водорегуляторів номінальна нерівномірність регулювання складає 5…10⁰С.

Рис. 3.7 – Схема стабілізації тиску конденсації регулюванням температури води на виході

Перевагою систем з температурними водорегуляторами є відсутність зв’язку регулятору з холодильним агентом, що підвищує надійність та спрощує конструкцію регулятора та системи.

З іншого боку, точність таких систем, в порівнянні з системами, в яких використовується сигнал з тиску конденсації, помітно нижча.

3.2 Автоматизація конденсаторів з повітряним охолодженням

Конденсатори з повітряним охолодженням, в порівнянні з водяними кожухотрубними конденсаторами, в значно більшій мірі реагують на зміни температури охолоджуючого середовища, тобто повітря.

Протягом доби коливання температури охолоджуючого повітря для конденсатора рефрижераторного контейнеру під час його знаходження на борту судна можуть перевищити 20⁰С. Можливі випадки функціювання повітряних конденсаторів і при температурах навколишнього повітря нижче 0⁰С.

В зв’язку з цими особливостями керування тиском конденсації для повітряних конденсаторів стає обов’язковим.

В повітряних конденсаторах підтримання заданого тиску конденсації можливо здійснювати двома методами:

• зміною швидкості (витрати) повітря;

• зміною ефективної теплопередаючої поверхні.

Найпростішим шляхом є зміна витрати охолоджуючого повітря за допомогою регулюючої системи типу «жалюзі» або заслонки.

Принципова схема для такого регулювання наведена на рисунку 3.8.

Рис. 3.8 – Система регулювання тиску конденсації зміною витрати охолоджуючого повітря

Управління рухомими жалюзями Ж здійснює механічний регулятор Р_гТ, реагуючий на значення тиску конденсації Р_к. При зниженні тиску жалюзі причиняються, швидкість охолоджуючого повітря зменшується, знижуються витрати повітря та коефіцієнт теплопередачі. Температура конденсації починає зростати. При досягнені потрібного значення тиску, регулятор отворяє жалюзі.

Поширення електродвигунів з регулюючою швидкістю обертання дозволяє вважати перспективним напрямком розглянутого методу зміни витрати охолоджуючого повітря шляхом зміни швидкості обертання вентилятору.

У великих конденсаторах застосовуються вентилятори зі змінним кутом повороту лопатів і регулятори непрямої дії з електричним або пневматичним приводом.

Зміна теплообмінної поверхні, що примусово обдувається повітрям зазвичай застосовується в конденсаторах, що складаються з декількох секцій з індивідуальними вентиляторами. У цьому випадку застосовується позиційна система регулювання з почерговим вмиканням та вимиканням вентиляторів.

Система для трьох секційного повітряного конденсатора наведена на рисунку 3.9.

Рис. 3.9 - Регулювання тиску конденсації відключенням окремих вентиляторів: а) схема; б) релейна характеристика

Керування роботою електродвигунів вентиляторів здійснюється трьома реле тиску. Для системи керування зазвичай використовується статична система з налаштуванням реле тиску зі зміщенням налаштувань відносно одне одного.

Налаштування повинно бути виконано таким чином, що при максимальній температурі повітря та всіх працюючих вентиляторах тиск конденсації не перевищував припустимого значення Р_{к разр}. Діапазон зміни тиску конденсації під час функціювання знаходиться у межах Р_{к min}…Р_{к пр}, де Р_{кпр =} Р_{к разр} – припустиме значення тиску конденсації.

У випадку, якщо тиск конденсації буде перевищувати значення Р_{к пр} холодильна установка буде зупинена системою захисту.

Враховуючи достатньо великий діапазон зміни тиску конденсації в процесі експлуатації холодильної установки можливо використання розімкнутої системи автоматичного регулювання Р_к по температурі охолоджуючого повітря. Використання такої системи дозволяє виключити можливість виникнення автоколивань, однак точність регулювання значно знижується. Схема системи наведена на рисунку 3.10.

Рис. 3.10 – Схема розімкнутої системи регулювання тиску конденсації по температурі охолоджуючого повітря

У випадку обрання цього способу, схема може бути реалізована за допомогою реле температури RT, чутливі елементи яких реагують на зміну температури повітря, що надходить до конденсатору. Попередньо необхідно визначити в яких діапазонах температур повинні працювати один, два або три вентилятори. Відповідно до цього здійснюється налаштування реле температур.

Потрібно звернути увагу на те, що для розглянутих багатопозиційних систем регулювання тиску конденсації бажано застосовувати соленоїдні вентилі на лінії холодильного агенту перед його подачею до секції конденсатора, що дозволяє вивести секцію з роботи при зупинці обслуговуючого цю секцію вентилятора.

Питання до самоконтролю

1. Яким чином визначається теплообмінна поверхня конденсатору?

2. Якими чинниками обумовлена необхідність регулювання тиску конденсації?

3. Які основні способи регулювання тиску конденсації застосовуються в суднових холодильних установках?

4. Як виглядає статична характеристика конденсатора та як її використати при налагодженні системи керування?

5. Який принцип дії водорегуляторів?

6. Які особливості має метод регулювання тиску конденсації по температурі охолоджуючої води?

7. Які способи застосовуються для регулювання тиску конденсації в повітряних конденсаторах?

8. По якому принципу будується системи регулювання тиску конденсації зміною площини теплообмінної поверхні?

9. В чому особливості системи регулювання тиску конденсації по температурі повітря?

10. Які наслідки надмірного зниження тиску конденсації?