Основы автоматизации холодильных машин

Развитие холодильной техники в последние десятилетия характеризуется как существенным совершенствованием и созданием принципиально новых машин и установок умеренного холода, так и быстрым внедрением их в различные отрасли народного хозяйства.

Современное состояние холодильной техники определяется несколькими основными факторами и прежде всего развитием конструкций холодильных компрессоров.

Поршневые компрессоры остаются основным по количеству типом. Однако в их конструкции произошли значительные изменения. Компрессоры стали быстроходными, частота вращения вала повышена до 1500–3000 об/мин, узлы подвергаются повышенным нагрузкам. Широкое распространение получили компрессоры со встроенными электродвигателями — герметичные и бессальниковые, причем наблюдается тенденция к увеличению их холодопроизводительности. Многие поршневые компрессоры снабжаются устройствами для изменения холодопроизводительности.

Главными преимуществами винтовых компрессоров являются высокая надежность и долговечность, простота регулирования и малая материалоемкость. Холодопроизводительность винтовых компрессоров от сотни до полутора тысяч киловатт.

Центробежные компрессоры предназначены для самых крупных машин. Их единичная холодопроизводительность достигает 10 и более тысяч киловатт. Современные центробежные компрессоры снабжены устройствами для изменения холодопроизводительности в широких пределах.

Существенным изменениям подвергается и теплообменная аппаратура.

Широкое распространение получают кожухотрубные испарители с внутритрубным кипением, интенсивные воздухоохладители, конденсаторы воздушного охлаждения и др.

Наряду с компрессионными машинами создаются и крупные теплоиспользующие машины, в частности водоаммиачные и бромисто-литиевые, которые могут работать от источников тепла с низким потенциалом и способствовать более рациональному и экономному использованию энергии.

Развитие холодильного оборудования потребовало и соответствующего подхода к вопросам его автоматизации. Цель автоматизации — повышение экономической эффективности оборудования и обеспечение безопасности при его работе.

Устройства автоматики повышают экономичность эксплуатации главным образом вследствие уменьшения затрат труда на обслуживание, повышения производительности труда персонала. Отказ от непрерывного обслуживания установок на предприятиях-потребителях холода позволил бы высвободить десятки тысяч квалифицированных рабочих.

Работы по автоматизации проводятся на разных этапах создания холодильного оборудования.

В настоящее время подавляющее большинство холодильных машин комплектуются приборами и средствами автоматизации при изготовлении на заводах. Эти машины могут полностью функционировать на объектах эксплуатации без каких-либо доделок.

В то же время в ряде отраслей промышленности и транспорта из отдельных машин и агрегатов создаются крупные разветвленные установки. Важную роль здесь играют проектные организации, которые наряду с технологическими процессами создают и системы автоматизации. Ныне крупными потребителями холодильного оборудования наряду с пищевыми отраслями промышленности и торговли являются химическая и нефтехимическая, сельское хозяйство, промысловый и транспортно-рефрижераторный флот, железнодорожный транспорт, системы кондиционирования воздуха и др.

Многообразие потребителей затрудняет унификацию оборудования и проектных решений, неоправданно расширяет номенклатуру приборов и средств автоматизации.

Вместе с тем при комплексном подходе к автоматизации многие технические решения можно унифицировать.

Все сказанное показывает, что в современных условиях возрастает роль инженеров-холодильщиков в решении комплексных задач по созданию высокоэффективного автоматизированного холодильного оборудования.

В современной технике под автоматизацией понимают комплекс технических мероприятий, частично или полностью исключающих участие людей в том или ином технологическом процессе. Говоря об автоматизации холодильных машин и установок, обычно имеют в виду автоматизацию их работы в период эксплуатации.

Автоматизацию холодильных машин и установок осуществляют в целях повышения их экономической эффективности и обеспечения безопасности работы людей. Повышение экономической эффективности достигается вследствие уменьшения эксплуатационных расходов и затрат на ремонт оборудования, а безопасность эксплуатации — применением автоматических устройств, защищающих установки от работы в опасных режимах.

Различают две степени автоматизации: частичную и полную.

При частичной автоматизации устройства автоматики управляют только некоторыми технологическими операциями. Поэтому требуется непрерывное обслуживание и наблюдение со стороны технического персонала. Однако по сравнению с неавтоматизированной установкой трудоемкость обслуживания установок уменьшается.

При полной автоматизации устройства автоматики управляют всеми основными процессами, что позволяет отказаться от непрерывного обслуживания. Обслуживание может быть периодическим (один раз в сутки, в неделю и т.д.) или по необходимости (участие персонала только в ликвидации ненормальностей).

Деление на две степени автоматизации в некоторой степени условно, так как в большинстве установок, которые могут в течение определенного времени функционировать без вмешательства персонала, остаются операции обслуживания, выполняемые вручную (проверка и обеспечение плотности соединений, выпуск масла из аммиачных систем, профилактический осмотр и проверка узлов и агрегатов и т.д.).

Большенство современных холодильных агрегатов, чиллеров, сплит-систем,моноблоков и проч. Являются полностью автоматизированными. Современная холодильная централь, водоохлаждающая установка,при полном  автоматическом  контроле ,способна работать без контролля спецпервонала многие годы с вывокой степенью надежности.

Общие сведения

Автоматизированная холодильная установка содержит одну или несколько отдельных систем автоматизации, каждая из которых выполняет определенную функцию. Все эти системы содержат автоматические устройства, и, кроме того, в них имеются общие устройства, объединяющие работу отдельных систем.

Системы автоматизации

Системой автоматизации называют совокупность объекта автоматизации и автоматических устройств, позволяющих управлять работой этого объекта без участия персонала.

Объектом автоматизации могут быть машина или установка в целом, либо отдельные ее агрегаты, узлы, аппараты и т. д. Объект характеризуется выходной, или регулируемой величиной и ее связью с входным, или регулирующим (управляющим), воздействием.

Системы автоматизации могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

Классификация

Автоматические регуляторы классифицируют по типу задающего элемента, в зависимости от источника энергии, от способа воздействия на объекты, от связи между элементами и между отклонением и регулирующим воздействием.

По типу задающего элемента (задатчика) автоматические регуляторы могут быть стабилизирующими, программными, следящими и оптимальными.

В стабилизирующих регуляторах уставка задатчика остается неизменной в течение длительного времени, в результате чего обеспечивается поддержание регулируемой величины на постоянном заданном уровне. Эти регуляторы могут иметь задатчики и не иметь их, а следовательно, и элементов сравнения. Например, для большинства регуляторов уровня заданное значение определяется высотой установки датчика, которая в дальнейшем не изменяется.

В холодильной технике наиболее распространены стабилизирующие регуляторы.

В отличие от стабилизирующего программный регулятор отрабатывает переменное задание по заранее намеченной программе. Задание может изменяться с помощью вращающегося кулачка определенного профиля, графика, изображенного на бумаге или пленке, и т. д.

Следящий регулятор получает задание, изменяющееся во времени по не известной заранее программе. К следящим регуляторам относят электронные мосты и потенциометры. Как и в любом измерительном приборе, положение стрелки в них должно соответствовать измеряемой величине, которая является заданным значением и может произвольно изменяться. Механизм, перемещающий стрелку, должен с минимальной погрешностью отрабатывать все изменения задающей (измеряемой) величины.

Оптимальные регуляторы имеют задающие устройства, содержащие кибернетические элементы. С помощью запрограммированных математических зависимостей, вводимых в задающее устройство, или путем последовательных проб определяется такое задание регулятору, которое при данных реальных условиях обеспечивает оптимальное ведение процесса (по производительности, стоимости, КПД или другим показателям).

В зависимости от источника энергии, приводящего в движение регулирующий орган, различают регуляторы прямого или непрямого действия.

В регуляторе прямого действия регулирующий орган перемещается под действием силы, развиваемой чувствительным элементом.

В регуляторах непрямого действия привод регулирующего органа может осуществляться вспомогательной энергией, подводимой извне, либо энергией, отбираемой от рабочей среды. Регуляторы с подводом вспомогательной энергии извне бывают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Регуляторы без подвода вспомогательной энергии извне, обычно использующие давление рабочей среды до регулирующего органа, состоят из небольшого управляющего регулятора прямого действия (пилота) и специального исполнительного механизма. Клапан пилота выполняет функции усилителя и управляет работой основного регулирующего органа. Таким образом, хотя регулятор и снабжен усилителем, энергия извне к нему не подводится.

В зависимости от способа воздействия на объекты регуляторы могут быть плавного и позиционного действия. В регуляторах плавного действия величина х может принимать любые значения в пределах между максимальным и минимальным. Так, регулирующий клапан, приводимый в движение электрическим или пневматическим исполнительным механизмом, может плавно изменять расход жидкости или пара.

В регуляторах позиционного действия величина х имеет два или несколько значений. Например, электромагнитный вентиль не занимает промежуточного положения, а может быть только открыт или закрыт.

В зависимости от связи между элементами системы могут быть непрерывными и импульсными.

Системы, в которых связь между элементами постоянна, т. е. каждый из элементов жестко присоединен к соседним, называют непрерывными.

Системы, в которых связь между любыми элементами не остается постоянной, а периодически размыкается, называют импульсными (прерывистыми). К таким устройствам относят многоточечные регуляторы. В них один усилитель обслуживает ряд регулирующих цепей, к которым он поочередно подключается. Каждая из цепей периодически на короткое время замыкается, а остальную часть периода остается разомкнутой.

В зависимости от характера связи между отклонением и регулирующим воздействием (иногда эту связь называют законом регулирования) различают пропорциональные и интегральные регуляторы.

Типовые элементарные звенья систем автоматизации

Каждую автоматическую систему условно можно представить в виде набора элементарных звеньев. Для удобства используются некоторые наиболее распространенные виды звеньев, которые называют типовыми. Элементарные звенья отличаются друг от друга характеристиками. Звенья являются линейными, если их статические характеристики не зависят от режима работы, а поведение можно описать линейными дифференциальными уравнениями.

К линейным элементарным звеньям относят апериодическое (инерционное) звено I порядка, интегрирующее звено и звено запаздывания. Кроме того, часто встречаются нелинейные звенья (например, с релейными характеристиками).

Характеристики этих звеньев не линейны. Их особенность состоит в том, что плавное изменение входного сигнала вызывает одно или несколько скачкообразных изменений выходной величины. Выходная величина релейного элемента может принимать лишь фиксированные (дискретные) значения, поэтому системы, содержащие эти элементы, часто называют дискретными. Реле бывают двух-, трех- и многопозиционными.

Характеристики идеальных реле однозначны. В реальных элементах из-за трения и люфтов статические характеристики неоднозначны. Кроме того, характеристики часто несимметричны.

Электрические исполнительные механизмы. Различают электромагнитные и электромоторные исполнительные механизмы.

Электромагнитные исполнительные механизмы. Эти механизмы, обычно имеющие релейную характеристику, предназначены для двухпозиционных систем регулирования. Исполнительные механизмы состоят из обмотки электромагнита, неподвижного и подвижного сердечников. На подвижный сердечник действуют нагрузка Р и сила сжатия пружины. При подаче тока в обмотку напряжением подвижный сердечник преодолевает сопротивление пружины и силы, в результате чего притягивается к неподвижному сердечнику. При этом совершается поступательное перемещение выходного штока. При отключении обмотки под действием пружины подвижные детали возвращаются в исходное положение.

Тяговое усилие электромагнита растет с увеличением ампер-витков обмотки и с уменьшением хода.

Управление работой электромагнитного исполнительного механизма осуществляется через двухпозиционное пусковое устройство УП, к которому подводится напряжение. Когда это напряжение достигает нужной величины, пусковое устройство, срабатывая, включает электромагнит.

Электромоторные исполнительные механизмы. Эти механизмы относят к классу реверсивных механизмов постоянной скорости с плавной интегральной характеристикой. Привод осуществляется от электродвигателя, поэтому основным типом является исполнительный механизм с вращательным движением выходного вала.

Для уменьшения выбега вала при выключении двигателя используют тормозные устройства. Во избежание перегрузки привода и его выхода из строя в состав исполнительного механизма входит муфта предельного момента, которая выключает двигатель при достижении предельного момента на валу.

Требуемый угол поворота устанавливается концевым выключателем, отключающим двигатель при достижении заданного положения вала.

Для схем пропорционального регулирования предусматриваются устройства обратной связи, которые выдают сигнал, пропорциональный углу поворота. Эти же устройства можно использовать для дистанционного указания положения вала.

Управление работой исполнительного механизма осуществляется пусковым устройством, при срабатывании которого двигатель включается с тем или другим направлением вращения.

Механические исполнительные механизмы. Их применяют в пневматических и гидравлических системах. По конструкции они бывают мембранные и поршневые, а по характеристикам могут быть пропорциональными и интегральными.

Выходным элементом механических исполнительных механизмов является шток, совершающий поступательное перемещение. В необходимых случаях в конструкцию вводят узлы для получения вращательного движения (кривошипный механизм).

В рассматриваемых исполнительных механизмах усилие, необходимое для перестановки штока, достигается за счет управляющей разности давлений, воздействующей на мембрану или поршень.

Мембранный исполнительный механизм. Его применяют в основном в пневматических системах на сжатом воздухе. Сверху к мембране прикладывается управляющее давление от пневматического усилителя. Снизу на мембрану действует атмосферное давление.

Регулирующие органы. Вид регулирующего органа, используемого в системе автоматического регулирования, зависит от выполняемых функций. Это могут быть устройства, изменяющие расход вещества через тот или иной трубопровод, а также холодопроизводительность компрессора и т. д.

Изменение расхода вещества, протекающего через трубопровод, достигается изменением проходного сечения регулирующего органа и связанного с ним перепада давления. В качестве регулирующего органа в холодильной технике в основном применяют регулирующие клапаны и вентили. От правильного выбора регулирующего органа зависит качественная работа системы регулирования.

На расчет и выбор регулирующего органа существенное влияние оказывает фазовое состояние протекающего вещества. Расчет регулирующего органа достаточно легко выполняется, если протекают однофазная жидкость или газообразная среда. Если среда двухфазная или если при ее протекании происходит фазовое превращение (вскипание), точный расчет представляет большие трудности и, как правило, заменяется эмпирическими соотношениями. В связи с этим ниже приводится методика расчета регулирующего органа, в котором протекает однофазная жидкость.

Как элемент системы автоматического регулирования регулирующий орган может иметь плавную или релейную характеристику.

При расчете регулирующего органа необходимо определить пропускную способность и рабочую статическую характеристику.

Регулирующие органы могут иметь одну из следующих плавных характеристик: линейную, параболическую или равнопроцентную.

Эти характеристики, определяемые обычно для одного перепада давлений, называют собственными, или внутренними, характеристиками регулирующего органа.

Основные схемы поддержания температур в объектах охлаждения

Схема автоматического регулирования температуры зависит от назначения и технологических особенностей холодильной установки.

Ниже рассматриваются некоторые наиболее типичные схемы, встречающиеся в практике автоматизации компрессионных холодильных установок.

В однообъектной установке температура рабочей среды (воздуха или жидкости) поддерживается путем непосредственного испарения хладагента в охлаждающем устройстве-испарителе. Такая схема встречается чаще всего в установках, где объектами являются камера для хранения продуктов, испытательные камеры и другие помещения, в которых необходимо поддерживать температуру воздуха.

При выборе системы регулирования следует учитывать тепловую емкость объекта, допустимые отклонения температуры от заданной, а также тип компрессора.

Если способ «пуск — остановка» неприемлем, то применяют многопозиционное регулирование либо в необходимых случаях плавное. В этих случаях регулирующий прибор должен обладать соответственно многопозиционной или плавной характеристикой и воздействовать на устройства регулирования компрессора.

Изменение холодопроизводительности компрессоров

Изменение холодопроизводительности компрессоров необходимо при решении основной задачи автоматизации — поддержании заданной температуры в объектах охлаждения.

Известны различные способы изменения холодопроизводительности. Одни из них осуществляются внешними устройствами, другие реализуются с помощью специальных узлов, конструктивно встроенных в компрессоры. Ниже рассматриваются способы изменения холодопроизводительности основных видов компрессоров: поршневых, винтовых и центробежных.

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры — наиболее распространенный тип холодильных компрессоров. Широкий диапазон холодопроизводительности (от сотен ватт до сотен киловатт), различные назначения и требования к установкам, где они применяются, обусловливают использование различных способов изменения холодопроизводительности. Главными из них являются «пуск— остановка», изменение числа работающих цилиндров, изменение частоты вращения вала компрессора, дросселирование всасываемого пара, байпасирование или перепуск сжатого пара на всасывающую сторону.

Выбор того или иного способа зависит от принятой системы регулирования температуры в объекте, конструкции компрессора, типа привода и т. д.

Способ «пуск — остановка»

Подавляющее большинство поршневых компрессоров приводится в действие от асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. В связи с этим рассмотрим способ «пуск — остановка» компрессоров, снабженных только таким типом привода.

В зависимости от соотношения между вращающим моментом электродвигателя и моментом сопротивления компрессора различают прямой пуск и пуск с разгрузкой. При прямом пуске вращающий момент электродвигателя больше момента сопротивления компрессора. В этом случае для пуска достаточно выключить электродвигатель. Пуск с разгрузкой применяют, когда возможно превышение момента сопротивления над вращающим моментом электродвигателя. На время пуска искусственно разгружают компрессор, уменьшая момент его сопротивления.

Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры в отличие от поршневых являются легкорегулируемыми, плавно и в широких пределах. Это достигается с помощью специального золотника (ползуна), встроенного в компрессор.

Роторы (винты) вращаются в цилиндрах, нижняя часть которых состоит из неподвижной стенки 6 и подвижного золотника 3. В крайнем левом положении золотник вплотную примыкает к неподвижной стенке, образуя сплошные цилиндры. Если золотник отводить вправо, то образующаяся щель уменьшает ход сжатия винтов и тем самым холодопроизводительность компрессора.

Золотник перемещается от исполнительного механизма с вращательным или поступательным движением. В рассматриваемом компрессоре привод золотника осуществляется через винтовую пару, винт и направляющую.

Для привода золотника компрессора применяют электрические исполнительные механизмы и гидравлические цилиндры.