Приборы автоматики холодильных машин. Цели автоматизации холодильных установок Компрессионная холодильная машина

ОТ ОПАСНЫХ РЕЖИМОВ

В процессе работы холодильных машин и установок из-за отказов отдельных узлов или агрегатов, а также из-за нарушений в системах энерго- и водоснабжения могут возникать опасные режимы: повышение давления и температуры, уровня жидкости в отдельных аппаратах или узлах машин, прекращение смазки трущихся пар, отсутствие охлаждающей воды и т.д. Если не будут приняты своевременные меры, могут быть повреждены или разрушены компрессоры, теплообменные аппараты или другие элементы установки. При этом возникает серьезная опасность для здоровья и жизни обслуживающего персонала.

Защита холодильных машин и установок включает в себя целый комплекс технических и организационных мероприятий, обеспечивающих их безопасную эксплуатацию. В этой главе будут рассмотрены лишь те из них, которые выполняются на основе автоматических приборов и устройств.

СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ

К способам защиты относят остановку машины или всей установки, включение аварийных устройств, выпуск рабочего вещества в атмосферу или перепуск в другие аппараты.

Остановка машины или всей установки. Этот способ осуществляется с помощью системы автоматической защиты (САЗ), которая состоит из первичных устройств - датчиков-реле защиты (или просто реле защиты) и электрической схемы, преобразующей сигналы от реле защиты в сигнал остановки. Этот сигнал передается в схему автоматического управления.

Реле защиты воспринимают контролируемые технологические величины и при достижении ими предельно допустимых значений вырабатывают аварийный сигнал. Эти приборы обладают чаще всего релейными двухпозиционными характеристиками. Число входящих в САЗ датчиков-реле определяется минимально необходимым количеством контролируемых величин.

Электрическая схема выполняется в одном из трех вариантов, в соответствии с чем САЗ бывают однократного действия, с повторным включением и комбинированными.

САЗ однократного действия осуществляет остановку машины или установки при срабатывании любого реле защиты и делает невозможным автоматический пуск до вмешательства обслуживающего персонала. Этот тип САЗ распространен преимущественно на крупных и средних машинах. Если установка работает без непрерывного обслуживания и оборудование не имеет автоматически включаемого резерва, то САЗ дополняется специальной сигнализацией для экстренного вызова персонала.

САЗ с повторным включением останавливает машину при срабатывании реле защиты и не препятствует ее автоматическому включению при возвращении реле в нормальное состояние. Ее применяют главным образом в малых установках торгового типа, где стремятся к упрощению схемы автоматики.

В комбинированных САЗ часть реле защиты, контролирующих наиболее опасные параметры, включают в электрическую схему однократного действия, а часть с менее опасными параметрами - в схему с повторным включением. Это позволяет, не прибегая к помощи персонала, вновь автоматически пускать машину, если это не сопряжено с опасностью аварии.

На практике встречается также разновидность защиты, называемая блокировкой. Ее отличие состоит в том, что сигнал получают не от реле защиты, а от элемента схемы контроля или управления другим агрегатом или узлом установки (например, насосом, вентилятором и т.д.). Блокировка исключает пуск или работу машины при невыполнении заданного порядка пуска контролируемых агрегатов. Обычно блокировку выполняют по схеме с повторным включением.

Включение аварийных устройств. Этот способ осуществляется также САЗ.

К аварийным устройствам относят:

Предупредительную сигнализацию об опасных режимах, которую применяют на особо крупных установках с непрерывным обслуживанием, чтобы по возможности избежать остановки машины;

Аварийную сигнализацию, информирующую персонал о срабатывании защиты, а также расшифровывающую конкретную причину аварийного срабатывания;

Аварийную вентиляцию, включаемую при повышении местной или общей концентрации в воздухе взрыво- и пожароопасных, а также токсичных рабочих веществ (например, аммиака).

Выпуск рабочего вещества в атмосферу или перепуск в другие аппараты. Этот способ осуществляется специальными предохранительными устройствами (предохранительными клапанами, предохранительными пластинами, плавкими пробками и др.), не входящими в САЗ. Их назначение - предотвратить разрушение или взрыв сосудов и аппаратов при повышении давления в результате неисправности установки, а также в случае пожара. Выбор предохранительных устройств и правила их использования определяются нормативными документами в соответствии с правилами безопасности и эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ

Системы защиты различаются в зависимости от типа холодильной установки, ее размеров, принятого способа эксплуатации и др. При построении всех САЗ необходимо учитывать общие принципы, обеспечивающие в наибольшей степени безопасность работы. В качестве примера рассматривается принципиальная схема САЗ компрессионной холодильной установки, состоящей из компрессора Км с электродвигателем Д, теплообменных аппаратов ТА и вспомогательных устройств ВУ - насосов, вентиляторов и др. (рис. 7.1). Схема представлена в общем виде без указаний конкретных величин и параметров, подвергаемых контролю.

Рис. 7.1. Принципиальная схема САЗ

Следует условиться, что САЗ предназначена для остановки компрессора при достижении одним из параметров предельно допустимого значения.

САЗ имеет десять каналов защиты. Каналы 1-8 работают от соответствующих реле защиты, воспринимающих технологические параметры. Каналы 9 и 10 обеспечивают блокировку компрессора и вспомогательных устройств.

В систему входит ключ, с помощью которого при необходимости (при пробах и обкатках) можно выключить часть защитных реле и цепей блокировки (2, 3, 5, 6, 8, 9, 10). Не подлежат выключению те защиты, которые должны функционировать в любом режиме работы установки.

Электрическая схема САЗ состоит из двух частей. Первая часть, в которую включены каналы 2, 5, 9 и 10, работает по способу с повторным включением, а вторая с остальными каналами обеспечивает защиту, работающую по принципу однократного действия, и контролирует наиболее ответственные параметры. При достижении ими предельно допустимых значений САЗ останавливает компрессор. Последующий пуск его возможен лишь после вмешательства персонала, который пользуется специальной кнопкой ввода в работу защит.

Сигналы от электрической схемы САЗ подаются в схему автоматического управления АУ. Эти сигналы останавливают двигатель компрессора независимо от сигналов оперативного управления ОУ.

Кроме основной функции САЗ - аварийной остановки компрессора, она выполняет и вспомогательные операции: включение необходимых аварийных устройств, а также световой и звуковой сигнализации. Расшифровывающая сигнализация защит с повторным включением действует только до тех пор, пока контролируемый параметр не вошел в нормальные пределы. Сигнализация защит однократного действия остается включенной после срабатывания до нажатия кнопки ввода в работу независимо от фактического состояния контролируемого параметра. Такая схема как бы «запоминает» происшедшее срабатывание защиты и информирует персонал в течение неограниченного времени.

Представленная схема может рассматриваться лишь как пример построения САЗ. Конкретные системы могут от нее отличаться количеством каналов и способами их включения.

Основным требованием к САЗ является высокая надежность, которая достигается применением высоконадежных реле защиты и элементов электрических схем, резервированием реле и других элементов защиты в особо ответственных случаях, уменьшением числа элементов, последовательно включаемых в САЗ, использованием наиболее безопасных вариантов электрических схем, организацией профилактических проверок и ремонтов в процессе эксплуатации.

Применение высоконадежных реле защиты и элементов электрических схем - наиболее простой и естественный путь, так как при прочих равных условиях использование более надежных элементов позволяет создать более надежную систему. Следует лишь иметь в виду, что при эксплуатации реле и другие элементы САЗ имеют весьма малую циклическую наработку (малое число срабатываний). Поэтому при оценке надежности в расчет следует принимать не циклическую долговечность и циклическую наработку на отказ, а другие показатели, характеризующие способность элементов сохранять готовность к срабатыванию (например, наработку на отказ по времени). При этом за отказ принимают любое нарушение способности элемента к срабатыванию.

Резервирование представляет собой параллельное включение двух или более однородных и совместно работающих элементов, выполняющих одинаковые функции. Выход из строя одного из них не нарушает работоспособности системы в целом. Резервирование используют в особо опасных случаях, когда внезапный отказ САЗ может привести к серьезным последствиям. К таким случаям относят, например, защиту от попадания жидкого аммиака в поршневой компрессор. Для этого на сосудах перед компрессором устанавливают основные и резервные реле уровня.

На упрощенной схеме (рис. 7.2) показан отделитель жидкого аммиака ОЖ, установленный между испарителем и компрессором Км. При нормальной работе жидкий аммиак в отделителе жидкости отсутствует. При выбросе жидкости из испарителя она накапливается в отделителе жидкого аммиака, и, если ее уровень достигает допустимого предела, срабатывают реле защит РЗ 1 и РЗ 2 (на схеме показаны их первичные преобразователи). Оба реле постоянно включены в работу и выполняют одну и ту же функцию. Такое резервирование значительно повышает надежность, так как вероятность одновременного отказа обоих реле крайне мала.

Уменьшение числа элементов, последовательно включаемых в САЗ, является одним из способов повышения надежности электрических схем САЗ. Наиболее надежна система, в которой реле защиты связаны непосредственно с пускателем двигателя компрессора без промежуточных элементов. Однако такую схему применяют только на самых малых установках. На более крупных установках приходится использовать промежуточные реле, что уменьшает надежность. Поэтому число последовательных промежуточных элементов, входящих в цепь аварийного отключения компрессора, должно быть минимальным.

Рис. 7.2. Упрощенная схема отделителя жидкости с резервированием реле защиты

от влажного хода компрессора

При использовании наиболее безопасных электрических схем обеспечивается остановка компрессора при возникновении отказов в САЗ. Наиболее характерным отказом электрической цепи является обрыв (исчезновение напряжения или тока), что может иметь место при физическом обрыве проводов, подгорании контактов, выходе из строя радиоэлектронных элементов (диодов, транзисторов, резисторов и др.), нарушениях в работе источников электропитания. Для того чтобы указанные отказы сигнализировались как аварийные, необходимо, чтобы в цепях защиты при нормальном состоянии циркулировал ток, а сигнал аварийной остановки соответствовал его прекращению. Следовательно, наиболее безопасной является электрическая схема защиты на нормально замкнутых контактах или других элементах.

Так, в схеме (рис. 7.3) контакты реле защиты РЗ 1 , РЗ 2 и РЗ 3 замкнуты, если контролируемые величины находятся в нормальных пределах, и разомкнуты при достижении предельно допустимых значений. Эти контакты включены последовательно в цепь обмотки электромагнитного реле РА, которое при срабатывании защиты отключает обмотку магнитного пускателя (на схеме не показан) и останавливает компрессор.

Рис. 7.3. Электрическая схема защиты на нормально замкнутых контактах

Когда все контакты реле защит замкнуты, цепь электромагнитного реле можно ввести в работу кратковременным нажатием кнопки КВЗ. При этом через обмотку электромагнитного реле потечет ток, это реле сработает и замкнет свой контакт РА. После отпускания кнопки цепь остается под током. Достаточно одному из реле защит разомкнуть контакт, как электромагнитное реле отпустит и его контакт разомкнется. Повторное включение будет возможно только после нажатия кнопки. Это схема однократного действия. В схеме с повторным включением контакт РА и кнопка не требуются.

Организация профилактических проверок и ремонтов в процессе эксплуатации играет решающую роль в обеспечении безопасной работы установок. Эти меры, если они выполняются через необходимые промежутки времени, практически исключают опасные ситуации, связанные с внезапными отказами в саз.

Для организации профилактических проверок необходимо, чтобы САЗ снабжались устройствами и приспособлениями, позволяющими по возможности в полном объеме проверять работоспособность защит. При этом желательно, чтобы проверка не вызывала вывода установки за предельно допустимые режимы. Так, в схеме (см. рис. 7.2) проверить работу реле защит можно без наполнения отделителя жидкости.

При нормальной работе вентили В 1 и В 2 открыты, а вентиль В 3 закрыт. Первичные преобразователи реле защит РЗ 1 и РЗ 2 подключены к сосуду.

Для проверки закрывают вентиль В 2 и открывают вентиль В 3 . Из трубопровода жидкость подается непосредственно в поплавковые камеры реле уровня и заполняет их. Если реле исправны, то они, срабатывая, выдают соответствующие сигналы.

После этого вентиль В 3 закрывают, а вентиль В 2 открывают. Жидкость стекает в сосуд, что свидетельствует об отсутствии засорения соединительного патрубка.

В процессе эксплуатации должен действовать график профилактических проверок, периодичность которых должна быть выбрана с учетом фактических показателей надежности.

СОСТАВ САЗ

Количество параметров, контролируемых с помощью САЗ, зависит от вида оборудования, его размеров и производительности, вида хладагента и др. Обычно число защит увеличивается с увеличением размеров оборудования. Более сложные САЗ обычно применяют на аммиачных установках.

В табл. 7.1 приведен рекомендуемый перечень контролируемых параметров для наиболее распространенных видов холодильного оборудования. Для некоторых видов оборудования предлагается несколько вариантов набора защит, которые выбираются исходя из конкретных условий. Так, для герметичных компрессоров можно использовать два варианта. Вариант со встроенными устройствами для защиты от повышения температуры обмоток электродвигателей является предпочтительным, так как при том же числе приборов обеспечивается защита от большего числа неисправностей.

В табл. 7.1 не вошли компрессоры бытовых холодильников и кондиционеров.

Некоторые из защит, входящих в состав САЗ, не обязательно вводить в схему однократного действия, при необходимости допускается включать их в схему с повторным включением.

На особо крупных установках с винтовыми и центробежными компрессорами целесообразно применять предупредительную сигнализацию. При достижении параметров предельно допустимых значений включается предупредительная сигнализация. Компрессор останавливается лишь в том случае, когда через заданный промежуток времени параметр не войдет в нормальные пределы. Параметры, допускающие включение через предупредительную сигнализацию, также отмечены в табл. 7.1. При этом следует обратить внимание на надежность устройства временной задержки и при необходимости принять соответствующие меры, например резервирование.

Таблица 7.1

Окончание табл. 7.1

Примечание. Звездочка (*) означает, что предусматривается защита:

* Допускается включение по схеме с повторным включением.

** Допускается остановка компрессора после включения предупредительной сигнализации.

*** Допускается включение через предупредительную сигнализацию.

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ

КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Похожая информация.

2. Регулирование температуры в охлаждаемом объекте

3. Регулирование давления хладагента

4. Реле контроля смазки

5. Регулирование холодопроизводительности

6. Регулирование давления конденсации

7. Регуляторы давления испарения.

8. Регуляторы производительности.

9. Пусковые регуляторы.

10. Соленоидные вентили и клапаны обратимости цикла

11. Автоматическое оттаивание испарителей.

12. Микропроцессорные приборы управления для холодильных установок.

13. Схемы автоматизации торгового холодильного оборудования.

1. Системы автоматического регулирования

Для обеспечения нормальной работы холодильной установки необходимо поддерживать в определенных пределах или регули­ровать в соответствии с заданной программой значения целого ряда физических величин или параметров, основными из кото­рых являются:

1. Температура в охлаждаемом объеме.

2. Оптимальное заполнение испарителя хладагентом.

3. Давления кипения и кон­денсации хладагента.

4. Производительность компрессора.

Автоматическое регулирование холодильной машины позво­ляет обеспечить точность поддержания заданных параметров. В ре­зультате поддержания оптимального режима эксплуатации холо­дильного оборудования сокращаются потери пищевых продуктов в холодильной камере, сохраняется их качество, снижаются экс­плуатационные затраты, увеличивается срок службы холодильных установок.

Автоматизация процессов регулирования, защиты и сигнализации. Автоматизация холодильной установки включает автоматизацию процессов сигнализации, защиты и регулирования.

Регулирование - это процесс поддержания значения па­раметра (температуры, давления и т.п.), называемого регулируе­мым, постоянным либо в заданных пределах. Процесс поддержа­ния постоянной температуры в охлаждаемом помещении называется регулированием температуры. Соответственно сама тем­пература будет регулируемым параметром. Система автоматичес­кого регулирования обеспечивает поддержание регулируемого параметра (температуры, давления или уровня) в заданных пре­делах.

Она включает в себя объект регулирования, автомати­ческий регулятор, регулирующий орган, а также связи между ними (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Структурная схема системы автоматического регулирования

Объект регулирования - это помещение, емкость, система или механизм, в которых регулируется протекающий процесс, т.е. под­держивается постоянное значение регулируемого параметра. Так, при регулировании температуры в охлаждаемом помещении объек­том регулирования будет само помещение.

Автоматический регулятор - контролирует заданный процесс в объекте регулирования и управляет работой регулирующего орга­на в соответствии с задачей регулирования.

Регулирующий орган (клапан, механизм) служит для измене­ния расхода вещества (хладагента, воздуха, рассола), подводимо­го к объекту регулирования.

Система автоматического регулирования работает следующим образом. Автоматический регулятор постоянно замеряет значение регулируемого параметра и сравнивает его с заданным. При от­клонении регулируемого параметра от заданного значения авто­матический регулятор через регулирующий орган изменяет рас­ход подводимого вещества таким образом, чтобы регулируемый параметр вернулся в исходное состояние. Например, увеличение тепловой нагрузки в охлаждаемом помещении вызовет в нем рост температуры. Автоматический регулятор, определив значение и знак отклонения регулируемой температуры от заданной, даст управляющий сигнал на регулирующий орган. Он увеличивает отвод теплоты из помещения, и его температура вернется к заданному значению.

Системы автоматической защиты - устраняют возможность ава­рий при внезапном изменении режима работы агрегата. При дос­тижении предельного значения контролируемого параметра авто­матический регулятор через регулирующий орган либо выключа­ет контролируемый агрегат, либо ограничивает рост параметра во избежание разрушения механизма.

Системы автоматической сигнализации в зави­симости от назначения делятся на две группы:

1. Системы аварийно-предупредительной сигнализации.

2. Системы сигнализации рабо­тающих механизмов.

Система аварийно-предупредительной сигнализации - при дости­жении контролируемым параметром предельного значения выда­ет световой или звуковой сигнал. Обслуживающий персонал из­меняет опасный режим работы механизма, воздействуя на регу­лирующий орган.

Система сигнализации работающих механизмов - дает световую индикацию на пульте управления о включении в работу наиболее важных механизмов.

Приборы автоматического регулирования и контроля процес­сов, протекающих при работе холодильной установки, предназ­начены для обеспечения безопасной эксплуатации установки и повышения эффективности ее работы. Экономичность эксплуата­ции повышается главным образом за счет уменьшения затрат тру­да на обслуживание холодильной установки и повышения произ­водительности труда персонала. Использование приборов автоматики и защиты позволяет решить главную задачу - поддержание заданной температуры охлаждаемого объекта. К за­дачам автоматизации процессов установки относят также поддер­жание определенного уровня жидкого хладагента в аппаратах и постоянной температуры конденсации; обеспечение защиты от гидравлического удара, перегрева отдельных частей установки, взрыва аппаратов, замерзания хладоносителя, срыва работы насоса.

Задачей обслуживающего персонала является грамотное тех­ническое обслуживание приборов, входящих в состав схемы, и периодическая проверка их исправности: защитных реле уровня - один раз в 10 дней, других приборов автоматики - один раз в месяц. Среди приборов автоматики наибольшее применение на­ходят реле температуры, давления и разности давлений, регуля­торы уровня и реле уровня с исполнительными механизмами, терморегулирующие вентили, реле протока и расхода. Настройка этих приборов, как правило, производится при пусконаладочных работах. Современные торговые хладоновые холодильные маши­ны оснащены рядом приборов, полностью или частично автома­тизирующих рабочие процессы. Применяются различные схемы автоматизации. При полной автоматизации отпадает необходимость в систематическом контроле за работой холодильной машины, и обслуживающий персонал осуществляет лишь периодическое наблюдение, проверяя исправность оборудования и устраняя воз­никшие технические неполадки.

Широко используемые в торговле хладоновые холодильные машины с непосредственной системой охлаждения, как прави­ло, полностью автоматизированы.

Применение средств автоматизации делает работу холодиль­ных машин более производительной, экономически выгодной и безопасной.

Главным условием технического развития любой отрасли промышленности является автоматизация производственных процессов, т.е. комплекс технических мероприятий, полностью или частично исключающих участие человека в определенном этапе производственного процесса.

Главными целями автоматизации холодильных установок являются:

• механизация производственного процесса;
• точное поддержание заданных параметров работы оборудования;
• предотвращение поломки оборудования;
• повышение срока службы холодильного оборудования;
• сокращение персонала и уменьшение затрат на оплату труда;
• обеспечение безопасной работы персонала.

Любая операция, производимая машинистом современных холодильных машин, поддается автоматизации, но это не значит, что необходимо автоматизировать все процессы. Автоматика для холодильного оборудования необходима только в тех случаях, когда для выполнения операций вообще не требуется квалификации исполнителя или когда исполнитель не сможет добиться необходимой точности регулирования. Также необходимо в обязательном порядке автоматизировать все процессы, проходящие во взрывоопасных и вредных для здоровья человека условиях.

По степени автоматизации холодильное оборудование можно условно разделить на три группы:

1. 1. Холодильное оборудование с ручным управлением – все функции управления и контроля холодильной системы выполняет персонал.
2. 2. В частично автоматизированном холодильном оборудовании некоторые процессы автоматизированы, но оборудование должно работать при постоянном присутствии персонала; в таких машинах чаще всего пуск происходит вручную, а остановка автоматизирована.
3. 3. Полностью автоматизированное холодильное оборудование не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, но не отменяет необходимости периодических осмотров и проведения технического обслуживания по установленному регламенту. В основном полностью автоматизированными бывают пароэжекторные и абсорбционные холодильные агрегаты из-за отсутствия в них движущихся механизмов.

Разновидности систем автоматизации холодильных установок

Система автоматизации – это совокупность объекта автоматизации и автоматических устройств, благодаря которым возможно управлять работой холодильных систем без участия обслуживающего персонала.

Виды систем автоматизации:

Разомкнутые системы – применяются редко, делятся на виды:

• разомкнутая система автоматизации с прямой связью, в которой слежение идет по косвенному параметру (например, в системах вентиляции по температуре наружного воздуха);
• разомкнутая система автоматизации с обратной связью, которая выполняет только информационные функции (измерение, сигнализация).

Замкнутые системы, принцип работы которых заключается в определении отклонения фактической величины регулирующего параметра от заданной. Именно такие системы автоматизации применяются для контроля работы холодильной установки . Виды замкнутых систем автоматизации:

• системы автоматического регулирования, т.е. те, которые поддерживают параметры на заданном уровне;
• системы автоматической защиты, т.е. те, которые автоматически выключают оборудование, когда его нормальная работа нарушается.

Основные части и приборы системы автоматизации холодильной установки

Основные части системы автоматизации холодильной установки :

• измерительный (чувствительный) элемент, снабженный приспособлением для настройки управления холодильными параметрами на заданное значение;
• датчик, который регистрирует изменение регулируемой величины;
• холодильный щит управления , т.е. регулирующий орган, который по сигналу измерительного элемента изменяет подачу сигнала или энергии в регулируемый объект;
• передаточное устройство, которое соединяет датчик с передаточным механизмом.

Щит управления холодильным агрегатом и устройствами автоматизации холодильной установки

Основным элементом, который контролирует приборы систем автоматизации холодильной установки, является щит управления холодильным агрегатом . На щите управления размещены устройства автоматического управления, регулирования и защиты, а также средства сигнализации, благодаря которым обеспечивается нормальное функционирование холодильной системы.

Приборы автоматического управления, размещенные на щите управления холодильным агрегатом , регулируют работу насосов и компрессоров при изменении нагрузки. При понижении температуры хладагента, а также при понижении давления в испарителях ниже предельного значения компрессоры автоматически останавливаются; при повышении температуры в испарителе компрессоры автоматически включаются. Иногда для автоматического управления компрессорами используется реле времени, которое программируют на определенное время включения агрегатов.

С помощью приборов автоматического регулирования на щите управления поддерживаются на оптимальном уровне ключевые параметры работы холодильной установки – температура и давление. При понижении тепловой нагрузки температура хладоносителя поддерживается на заданном уровне благодаря плавному автоматическому регулированию холодопроизводительности установки, которое может осуществляться такими путями:

1. 1) дросселированием паров хладагента перед компрессором, в результате чего понижается давление;
2. 2) перепуском части паров из нагнетательной линии во всасывающую;
3. 3) увеличением мертвого пространства в поршневом компрессоре, в результате чего снижается отсос паров хладагента из испарителя.

С помощью приборов автоматического регулирования, которые изменяют подачу хладагента в испаритель, также обеспечивается безопасная работа компрессора и его защита от гидравлического удара.

Автоматическая сигнализация применяется для извещения оператора холодильной установки об изменении режима функционирования оборудования, которое может вызвать срабатывание автоматической защиты. Также автоматическая сигнализация звуковым сигналом извещает оператора о включении и выключении оборудования, арматуры и приборов.

Автоматическая защита холодильного оборудования позволяет избежать опасных последствий нарушения нормальных параметров работы холодильных машин. При резких изменениях параметров функционирования (сильном увеличении давления нагнетания, снижении давления и температуры испарения, несоблюдении режима работы смазочной системы, проверка холодильной системы и других ситуациях) специально предназначенные приборы отключают холодильные установки, предотвращая их поломку.

Страница 4 из 5

Система автоматизации представляет собой последовательное объединение при помощи трубопроводов всех элементов холодильной установки, обеспечивающее точное поддержание заданной температуры охлаждения, непрерывный контроль и защиту машины от аварий, а также надежность эксплуатации холодильного оборудования. В системе должна быть предусмотрена возможность простой регулировки температуры и экономичной эксплуатации установки. Схему системы автоматизации выбирают в зависимости от холодопроизводительности и назначения установки.

Применяют системы автоматизации холодильных машин с регулированием производительности посредством отжатия электромагнитных клапанов, а также включения и выключения холодильных агрегатов. На транспорте наиболее распространены системы автоматики, устроенные по второму принципу.

Устройство системы автоматического регулирования фреоновой машины обусловливается типом компрессора, испарителя и конденсатора, способом изменения холодопроизводительности, а также числом ступеней сжатия или каскадов охлаждения.

Характерная особенность автоматизации аммиачных холодильных установок - повышенные требования в отношении безопасности эксплуатации вследствие высокой токсичности аммиака, его взрывоопасности, а также опасности разрушения компрессоров от гидравлических ударов.

В вагонах рефрижераторного подвижного состава, вагонах-ресторанах, в пассажирских вагонах с кондиционированием воздуха для охлаждения шкафов и небольших камер краткосрочного хранения продуктов применяют следующие автоматизированные фреоновые холодильные агрегаты :

• компрессор-двигатель;
• компрессор-конденсатор;
• испаритель-регулирующая станция;
• испаритель-конденсатор;
• компрессор-конденсатор-испаритель.

Компрессоры этих агрегатов обычно вертикальные или V-образные, многоцилиндровые блок-картерные, с воздушным охлаждением цилиндров. Существуют также герметичные агрегаты, в которых компрессор вместе с электродвигателем помещен в герметичный кожух. К таким агрегатам относятся установки домашних холодильников.

Рис. 1 - Схема холодильника «ЗИЛ» Москва

Холодильник «ЗИЛ-Москва» оборудован компрессором (7) (рис. 1) с электродвигателем (5), конденсатором (1), испарителем (2), термостатом (5), капиллярной трубкой (4), фильтром (5), пусковым и силовым реле. Компрессор имеет штуцер (6) для зарядки хладоном-12. Работа агрегата регулируется с помощью термостата, который автоматически поддерживает заданную температуру в холодильном шкафу. Включение электродвигателя осуществляется пусковым реле, в одном корпусе с которым смонтировано тепловое реле, защищающее двигатель от перегрузки.

Вагоны-рестораны оборудованы фреоновыми установками ФРУ и ФАК для охлаждения холодильных шкафов и камер. Схема фреоновой ротационной установки (ФРУ) показана на (рис. 2), а установки с поршневым компрессором - на рисунке 3.

Рис. 2 - Схема фреоновой ротационной холодильной установки: 1 - испаритель; 2 - терморегулирующий вентиль; 3 - жидкостная линия; 4 - предохранители; 5 - всасывающая линия; 6 - реле давления; 7 - арматурный щиток; 8 - выключатели; 9 - штепсельная розетка; 10 - магнитный пускатель; 11 - нагнетательный вентиль; 12 - газовый фильтр; 13 - ротационный компрессор; 14 - воздушный конденсатор; 15 - электродвигатель; 16 - всасывающий патрубок; 17 - обратный клапан; 18 - фильтр для жидкости; 19 - ресивер; 20 и 21 - запорные вентили ресивера

Рис. 3 - Схема фреоновой холодильной машины ИФ-50: 1 - испарительная батарея; 2 - терморегулирующий вентиль; 3 - магнитный пускатель; 4 - чувствительный патрон терморегулирующего вентиля; 5 - теплообменник; 6 - реле давления; 7 - компрессорно-конденсаторный агрегат

Холодильное оборудование цельнометаллического вагона-ресторана состоит из трех автоматических компрессорно-конденсаторных агрегатов типа ФАК-0,9ВР, снабженных приводом от электродвигателей постоянного тока ПНФ-5 напряжением 50 В. Каждый агрегат охлаждает два ящика или шкафа, оборудованных испарительными батареями и аккумуляционными плитами. В вагоне имеется три подвагонных ящика для хранения рыбы, мяса и напитков. В раздаточном отделении установлен шкаф для хранения кондитерских изделий; холодильный шкаф, который размещен на кухне, служит для хранения гастрономических продуктов; рядом с ним расположен шкаф для холодных блюд.

В холодильных установках вагонов-ресторанов используются две системы охлаждения - с непосредственным кипением хладагента и аккумуляционная. Для охлаждения подвагонных ящиков и шкафов применены трубчатые испарители из медных труб с плоскими латунными ребрами, а также испарители из медных труб сечением 12×1 мм с ребрами из тонкой латунной ленты. В подвагонном ящике для напитков и шкафу для кондитерских изделий установлены аккумуляционные плиты. Они представляют собой сварные баки из нержавеющей стали, внутри которых размещены трубчатые пластинчатые испарители. Межтрубное пространство внутри баков залито водой, которая замерзает во время работы установки и аккумулирует холод.

Все ящики и шкафы оборудованы терморегулирующими вентилями. Цикличность работы холодильных агрегатов обеспечивает реле давления РД-1, которое автоматически воздействует на пусковую аппаратуру электродвигателей.

Рис. 4 - Схемы автоматизированных поршневых холодильных установок с несколькими охлаждаемыми объектами: а - при двухпозиционном регулировании; б - при обслуживании двух камер; в - при регулировании температуры с помощью терморегуляторов; 1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - конденсатор; 4 - испаритель; 5 - терморегулирующие вентили; 6 - реле давления; 7 - магнитный пускатель; 8 - электродвигатель; 9 - автоматический дроссель давления; 10 - обратный клапан; 11 - промежуточное реле; 12 - соленоидный вентиль; 13 - терморегулятор; 14 - водорегулирующий вентиль

Типовые схемы автоматизации компрессионных поршневых холодильных установок с несколькими охлаждаемыми объектами могут быть выполнены в различных вариантах. Схема автоматизации при двухпозиционном регулировании в одном или двух испарителях с одинаковой температурой охлаждения воздуха камеры (рис. 4, а) предусматривает применение реле температуры испарителя, камеры или реле низкого давления компрессора. При обслуживании одной холодильной машиной двух камер с различными температурами (рис. 4, б) используют автоматический дроссель давления (9) (АДД). Схема регулирования температуры с помощью терморегуляторов показана на рисунке 4, в.

ЛЕКЦИЯ 9

Тема «КИП и автоматика холодильной машины»

Цель: Изучить устройство и принцип действия контрольно-измерительных приборов и приборов автоматики холодильных машин вагонов

1. Холодильные машины и установки конддиционированяе воздуха. Пигарев В.Е., Архипов П.Е. М., Маршрут, 2003.

2. Обучающая контролирующая программа «Кондиционирование воздуха в пассажирском вагоне».

План лекции:

1. Принципы автоматизации холодильных установок.

2. Основные понятия об автоматическом регулировании

приборов автоматики.

4. Регуляторы заполнения испарителя хладагентом.

Принципы автоматизации холодильных установок

Параметры окружающей среды - температура, влажность, направление и сила ветра, осадки, солнечная радиация непрерывно изменяются в течение суток, а также вследствие быстрого перемещения вагона. Соответственно изменяется и тепловая нагрузка на вагон. Чтобы в этих условиях поддерживать стабильные параметры воздуха внутри вагона, необходимо непрерывно изменять производительность системы охлаждения (летом) или отопления (зимой), а если это необходимо, то и производительность системы вентиляции. Следовательно, как бы совершенны ни были сами по себе системы вентиляции, отопления, охлаждения и электроснабжения и как бы хорошо ни были согласованы их параметры между собой и с тепловыми нагрузками на вагон, установка кондиционирования воздуха не сможет обеспечить комфортных условий в вагоне, если её управление не будет автоматизировано, а холодильная машина обеспечивать требуемую тепловую обработку скоропортящегося груза и поддерживавать заданный температурный режим охлаждаемого помещения. На рефрижераторном подвижном составе применяются холодильные установки, автоматизированные полностью или частично. Степень автоматизации холодильной установки выбирается в зависимости от ее конструкции, размеров и условий эксплуатации. В полностью автоматизированных установках пуск, отключение машин и регулирование холодопроизводительности осуществляются автоматически без вмешательства обслуживающего персонала. Такими установками оборудованы АРВ и секции ZB -5. Для полной автоматизации требуются большие первоначальные затраты и последующие расходы на обслуживание сложных аппаратов и приборов. Однако полная автоматизация холодильных установок АРВ позволила отказаться от сопровождения вагонов в пути следования обслуживающим персоналом и перейти на периодическое их техническое обслуживание на специализированных пунктах (ПТО АРВ).

При эксплуатации частично автоматизированных холодильных установок необходимо постоянное дежурство обслуживающего персонала. Наличие персонала позволяет отказаться от автоматизации включения и выключения холодильной машины, процесса оттаивания воздухоохладителя и др. В результате достигается значительное снижение первоначальных затрат. Защитная же автоматика в таких машинах должна предусматриваться в полном объеме, как и для полностью автоматизированной установки.

Из частично автоматизированных установок условно выделяют полуавтоматизированные установки, в которых включение и выключение оборудования выполняет вручную механик, а поддержание установленного режима работы осуществляют приборы автоматики. К полуавтоматизированным холодильным установкам относятся установки 5- вагонной секции БМЗ.

Автоматизированные холодильные установки всегда работают в оптимальном режиме. Это позволяет сократить время достижения требуемой температуры в грузовом помещении, увеличить за счет этого межремонтные сроки эксплуатации оборудования и снизить расход электроэнергии. Автоматизированная холодильная установка точнее поддерживает заданный температурный режим в охлаждаемом помещении, чего невозможно достигнуть при ручном регулировании. Это позволяет сохранить качество перевозимых грузов и уменьшить их потери при транспортировке. Система автоматизации надежно защищает холодильную установку от опасных режимов работы, увеличивая срок ее службы и обеспечивая безопасность для обслуживающего персонала. Автоматизация повышает культуру производства, улучшает и облегчает условия труда обслуживающего персонала. Практически обязанности поездной бригады сводятся к периодическим осмотрам и проверкам режима работы оборудования и к устранению выявленных неисправностей. Естественно, системы автоматики различны. Применительно к системам автоматики установки кондиционирования воздуха можно классифицировать по трем признакам: по регулируемым параметрам воздуха: по температуре или по влажности, или по обоим этим параметрам, т.е. по теплосодержанию; по характеру процесса обработки воздуха: мокрые камеры увлажнения и осушки с непосредственным разбрызгиванием и фильт189 рацией паровоздушной смеси, или камеры со смачиванием поверхности и также непосредственным тепломассообменом, или камеры с применением теплообмена через холодную (или горячую) стенку, охлаждаемую холодной водой или рассолом (нагреваемую горячей водой или рассолом), или камеры с воздухоохладителями непосредственного охлаждения, или камеры с твердыми или жидкими влагопоглотителями - адсорбентами; по схеме обработки воздуха: прямоточные камеры (без использования рециркуляции), или камеры с постоянной или переменной величиной первичной рециркуляции, или камеры с двойной рециркуляцией постоянной или переменной. Специальное устройство для регулирования влажности (специальная осушка воздуха осуществляется более глубоким его охлаждением, чем необходимо для поддержания температурного режима с последующим подогревом) в вагонных установках кондиционирования воздуха не применяется. Летом, когда требуется осушка воздуха, она выполняется одновременно с процессом его охлаждения в воздухоохладителе. Зимой, когда необходимо увлажнение воздуха, оно осуществляется за счет влаговыделения пассажиров. Таким образом, по первому признаку процесс автоматического регулирования работы вагонных установок кондиционирования является наиболее простым и сводится к поддержанию температуры в помещениях вагона в заданных пределах. Мокрые камеры, твердые и жидкие адсорбенты, теплообмен с помощью водяного или рассольного охлаждения в пассажирских вагонах не применяются. Из этого следует, что и по второму признаку системы автоматики вагонных кондиционеров довольно просты. Ни переменная, ни тем более двойная рециркуляция как постоянная, так и переменная, в вагонах не применяется. Наличие рециркуляции с постоянным соотношением наружного и рециркуляционного воздуха усложняет лишь систему вентиляции, не внося каких-либо из-менений в систему автоматического управления. Таким образом, и по третьему признаку, а значит, и в целом системы автоматики установок кондиционирования пассажирских вагонов по сравнению с системами автоматики других кондиционеров как комфортных, так и технологических, являются относительно простыми. Для поддержания температуры в охлаждаемом помещении в заданном интервале приходится регулировать холодопроизводительность установки, рассчитанную на максимальную потребность в холоде. Регулиро-вание может быть плавным или позиционным (ступенчатым).

Плавное регулирование можно выполнить: плавным изменением частоты вращения вала компрессора; перепуском (байлансированием) пара из нагнетательной линии во всасывающую; изменением рабочего объема компрессора (в винтовых компрессорах); открытием всасывающего клапана на части хода поршня и др. Многие из перечисленных выше способов применяются редко из-за сложности их конструкционного осуществления или из-за значительных энергетических потерь.

Позиционное регулирование можно выполнять изменением коэффициента рабочего времени, т.е. изменением продолжительности работы холодильной установки за цикл. Этот способ широко применяется в системах с большой тепловой аккумулирующей способностью. Позиционное регулирование выполняется также ступенчатым изменением частоты вращения коленчатого вала компрессора, используя многоскоростные электродвигатели. Частоту вращения вала электродвигателя изменяют переключением полюсов статора. На рефрижераторном подвижном составе применяется регулирование холодопроизводительности изменением коэффициента рабочего времени. Цикличная работа холодильной установки достигается периодическими ее включениями и выключениями. Отношение времени работы холодильной установки р к общей продолжительности цикла называется коэффициентом рабочего времени: b = р/ .

Коэффициент рабочего времени можно также определить как отношение теплопритоков в охлаждаемое помещение Q т к холодопроизводительности установки Q 0, т.е. b = Qт /Q 0.

Температуру в охлаждаемом помещении рефрижераторных вагонов обычно регулируют периодическими включениями и отключениями холодильной установки с помощью двухпозиционного автоматического прибора - термостата (реле температуры). При цикличной работе температура в охлаждаемом помещении не остается постоянной, а изменяется в определенных пределах, которые зависят от настройки дифференциала термостата. При увеличении дифференциала продолжительность цикла и пределы колебания температуры увеличиваются. Когда температура в охлаждаемом помещении достигнет верхнего установленного предела, термостат включит холодильную установку. После того как температура в охлаждаемом помещении достигнет нижнего предела, термостат подает электрический импульс на отключение установки. При увеличении теплопритоков в вагон продолжительность работы установки повышается.

2. Основные понятия

об автоматическом регулировании

Система автоматического управления - это совокупность объекта управления и управляющего устройства, осуществляющих какой-нибудь процесс полностью или частично без вмешательства обслуживающего персонала. Объект управления - комплекс технических элементов, выполняющих основную технологическую задачу - характеризуется значениями некоторых величин на его входе и выходе. Если в качестве объекта управления рассматривать рефрижераторный вагон, то величиной на выходе будет температура в грузовом помещении t ваг, а величиной на входе - холодопроизводительность холодильной машины Q 0. Величину на выходе, которую требуется поддерживать в определенном интервале, называют регулируемым параметром и обозначают X 0. Величина на входе объекта - это параметр, с помощью которого управляют значением величины на выходе. Внешнее воздействие на объект управления, вызывающее отклонение регулируемого параметра от исходного значения Х 0, называется нагрузкой. В данном случае это будут теплопритоки в вагон Q н. Действительное значение регулируемого параметра X под воздействием нагрузки Q н отклоняется от заданного значения X 0. Такое отклонение называется рассогласованием: Х=Х – X 0. Воздействие на объект, которое уменьшает рассогласование Х, является регулирующим воздействием. В нашем примере это будет холодопроизводительность машины Q 0. Если Q 0 = Qн , то Х = 0, а регулируемый параметр не изменяется: Х 0 - const.

Устройство, воспринимающее рассогласование АХ и воздействующее на объект для уменьшения рассогласования, называется автоматическим регулятором, или просто регулятором.

Объект и регулятор образуют систему автоматического регулирования (рис. 1).

Рис. 1. Система автоматического регулирования

Регулирование может выполняться по нагрузке и рассогласованию. В первом случае регулятор

воспринимает изменение нагрузки и на столько же изменяет регулирующее воздействие, поддерживая равенство Q 0 = Qн . Однако проще следить за отклонением регулируемого параметра Х 0, т.е. изменять регулирующее воздействие Q 0 в зависимости от значения Х.

Системы автоматизации различаются по своему назначению: управления, сигнализации, защиты, регулирования и комбинированные. Между собой они отличаются составом элементов и связями между, ними. Структурная схема автоматической системы определяет, из каких звеньев она состоит. Например, в систему автоматического регулирования входят объект регулирования и автоматический регулятор, состоящий из нескольких элементов - чувствительного элемента, задающего устройства, элемента сравнения, регулирующего органа и т.д. На рис. 2 показана простая одноконтурная система автоматического регулирования, широко применяющаяся при автоматизации холодильных установок. Работа объекта характеризуется параметром X на выходе, по которому ведется регулирование. На объект воздействует внешняя нагрузка Q н. Управление осуществляется регулирующим воздействием Q 0. Автоматический регулятор должен так изменять величину Q 0, чтобы значение X. соответствовало заданному Х 0. В системе имеются цепи прямой и обратной связи. Цепь прямой связи служит для формирования и передачи к объекту регулирующего воздействия Q 0; по цепи обратной связи поступает информация о ходе процесса. В цепь прямой связи входят усилитель (У), исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО). В цепь обратной связи включен чувствительный элемент (ЧЭ).

Рис. 2. Структурная схема автоматического регулирования

Обе цепи замыкаются элементом сравнения (ЭС). В регуляторе могут не применяться отдельные элементы (усилитель, исполнительный механизм). Некоторые детали могут выполнять функции нескольких элементов.

Система работает следующим образом. Чувствительным элементом регулятор воспринимает регулируемый параметр X и преобразует его в величину Х 1, удобную для дальнейшей передачи.

Эта преобразованная величина поступает в элемент сравнения, на другой вход которого подается сигнал Х 2, представляющий собой задание регулятору от устройства 3. В элементе сравнения производится операция вычитания, в результате которой получается рассогласование Х = X – Х 0.

Сигнал Х заставляет работать остальные элементы схемы. В усилителе его мощность повышается до Х 3 и воздействует на исполнительный механизм, который преобразует этот сигнал в удобный для использования вид энергии X 4 и изменяет положение регулирующего органа. В результате изменяется поток энергии или вещества, подводимого к объекту, т.е. изменяется регулирующее воздействие.

По взятому для примера рефрижераторному вагону можно проследить за взаимодействием элементов структурной схемы (рис. 1 и 2).

Температуру в вагоне X воспринимает термочувствительная система термостата, преобразует ее в давление Х 1 и воздействует на пружину термостата ЭС, отрегулированную на определенное усилие сжатия винтом задающего устройства 3. При повышении температуры в вагоне t ваг в результате теплопритоков Q н увеличивается рассогласование X .

При определенном значении t ваг замыкаются контакты термостата, включающие электрическую систему управления холодильной машиной У, которая получает энергию Е от внешнего источника. Исполнительные механизмы ИМ электрической системы включают холодильную машину РО, которая воздействует величиной Q н на объект. Структурные схемы других автоматических устройств можно получить из рассмотренной схемы. Сигнализирующая система отличается от системы регулирования тем, что в ней нет исполнительного механизма. Цепь прямой связи разрывается, и сигнал Х3 подается обслуживающему персоналу (звонок, включение сигнальной лампы), который и должен произвести регулирование. В системе автоматической защиты вместо исполнительного механизма и регулирующего органа имеется устройство управления, которое отключает холодильную установку. В системах сигнализации и защиты сигнал Х3 изменяется скачкообразно, когда величина X достигает заданного значения. Автоматические регуляторы классифицируются по назначению: регуляторы давления, температуры, уровня и т.д. Они различаются конструкцией чувствительного элемента. Регуляторы бывают прямого и непрямого действия. Если мощность сигнала рассогласования достаточна для воздействия на регулирующий орган, регулятор считается прямодействующим. В регуляторах непрямого действия для привода регулирующего органа используется внешний источник энергии Е (электрический, пневматический, гидравлический, комбинированный), подводимой через усилитель мощности У.

В зависимости от способа воздействия на объект различают регуляторы плавного и позиционного (релейного) действия. В регуляторах плавного действия регулирующий орган может занять любое положение в пределах между максимальным и минимальным. У позиционных регуляторов регулирующий орган может занимать два или несколько определенных положений. По типу задающего элемента регуляторы бывают стабилизирующие, программные, следящие, оптимизирующие. Стабилизирующие регуляторы поддерживают регулируемую величину на постоянном заданном уровне. Программные регуляторы изменяют регулируемую величину по заранее намеченной программе, следящие - в зависимости от изменений какого-нибудь внешнего параметра, Оптимизирующие регуляторы, анализируя внешние параметры, обеспечивают оптимальное ведение процесса. В холодильных установках чаще применяются стабилизирующие регуляторы.

Система регулирования согласовывает характеристики отдельных элементов машины при изменений их холодопроизводительности.

Характеристики представляют собой зависимости холодопроизводительности, расхода энергии на работу компрессора и охлаждение конденсатора от внешних условий, т.е. от температуры окружающей среды. Они позволяют установить взаимную связь параметров компрессора, испарителя и конденсатора. Построение характеристик проводят по уравнениям теплового баланса системы «холодильная машина - охлаждаемое помещение» и энергетическим соотношениям, описывающим работу основных элементов машины с учетом изменения по времени параметров хладагента и окружающей среды. При этом балансовые и энергетические соотношения представляют в функции температуры охлаждаемого объекта (температуры кипения хладагента) и температуры окружающей среды (температуры конденсации хладагента).

Процесс регулирования машины на требуемый режим охлаждения или на заданный температурный режим теоретически может быть реализован количественным или качественным способом. Первый предусматривает изменение расхода хладагента через испаритель, второй - изменение его параметров. Однако температура охлаждаемого объекта определяется температурой кипения хладагента, которая самоустанавливается в зависимости от холодопроизводительности компрессора, испарителя и конденсатора. Поэтому процесс регулирования определяет не только баланс холодопроизводительности компрессора Q oк и испарителя Q ои, но и температурный уровень отвода или подвода теплоты. Следовательно, регулирование паровой компрессорной машины представляет собой комбинированный процесс, сочетающий количественный и качественный способы.

Исполнительным органом системы регулирования (регулятором холодопроизводительности) служит дроссельный вентиль. Рабочий режим машины, который соответствует точке пересечения характеристик компрессора и испарителя Q oк = Q ои, обеспечивают изменением проходного сечения вентиля. Схема согласования характеристик основных элементов машины при некотором постоянном значении температуры окружающей среды приведена на рис. 3.

Характеристика испарителя Q oк =f (T 0) (T 0 - температура кипения хладагента) отвечает изменению теплопритоков охлаждаемого помещения, характеристика компрессора Q ок = f (T 0) - регулированию его производительности, расходная характеристика дроссельного вентиля Q дв= f (T 0) устанавливает степень его закрытия или открытия. Характеристики перечисленных элементов машины при изменении режима ее работы показаны штриховыми линиями. Точка А определяет рабочую точку системы «машина - охлаждаемое помещение» как объекта регулирования при переходе с одного режима работы на другой. При этом точка А ′соответствует рабочему режиму в процессе регулирования компрессора, а точка А ′′- при изменении характеристики испарителя. Регулирование холодопроизводительности машины с поршневым компрессором осуществляют плавным или ступенчатым (позиционным) регулированием его производительности. В машинах малой и средней мощности получили распространение следующие способы плавного регулирования с помощью внешних или встроенных конструктивных устройств: перепуск хладагента со стороны нагнетания на всасывание (балансирование), который осуществляют регулирующими вентилями, управляемыми от датчика давления или температуры; дросселирование на всасывании с переводом компрессора на работу при пониженном давлении всасывания; изменение объема мертвого пространства подключением к нему дополнительного внешнего объема; изменение частоты вращения вала компрессора.

Рис. 3. Характеристики основных элементов холодильной машины

Ступенчатое регулирование в машинах малой и средней холодопроизводительности в основном выполняют способом «пуск-остановка» с предельной частотой циклов до 5-6 в 1 ч; для многоступенчатых компрессоров эффективно используют отключение отдельных цилиндров путем отжатия всасывающих клапанов с помощью механических толкателей. Управление движением толкателей производят гидравлическими, пневматическими или электромагнитными приводами. Внедряется система электронного регулирования производительности с воздействием на всасывающие клапаны электромагнитного поля.

Примером ступенчатого пропорционального регулирования является регулирование температуры воздуха в вагоне летом, когда с увеличением теплопритока в вагон увеличивается холодопроизводительность холодильной установки (увеличиваются частоты вращения вала компрессора или включается большее количество его цилиндров). В этом случае импульсом, сигнализирующим необходимость увеличения холодопроизводительности, является дальнейшее повышение температуры воздуха в вагоне.

Пример пропорционального плавного регулирования - регулирование температуры воздуха в вагоне зимой, когда с увеличением теплопотерь вагона плавно увеличивается температура воды в котле водяного отопления. В этом случае импульсом, сигнализирующим необходимость повышения температуры воды в котле, является изменение температуры наружного воздуха. Наиболее совершенным, но и наиболее сложным видом пропорционального регулирования является изодромное регулирование, основанное на применении чувствительной и гибкой обратной связи, благодаря которой регулируемый параметр изменяется в очень узких пределах или даже держится на практически постоянном уровне. Первоначально изодромное регулирование применялось для обеспечения постоянной скорости вращения деталей машин, откуда и получило свое название (по-гречески изо - постоянный, равный; дромос - бег, скорость). В настоящее время оно применяется в самых различных процессах, например, для автоматического вождения морских кораблей по заданному курсу.

Вследствие сложности аппаратуры, трудных условий ее работы при вибрации и тряске, а главное из-за отсутствия практической необходимости в предельно точном регулировании температуры воздуха, в установках кондиционирования воздуха вагонов изодромное регулирование не применяется.

При выборе способа регулирования необходимо учитывать начальные и эксплуатационные затраты, технологичность и надежность конструкции. Для оценки энергетической эффективности системы регулирования используют отношение холодопроизводительности компрессора при заданной степени регулирования к номинальной: =qop/qон = f(T 0). Показатели сравнительной эффективности основных способов регулирования производительности поршневых компрессоров приведены на рис. 4. Для способов пуск-остановка (линия 1) и отжатие впускных клапанов (линия 2 ) характерны малые энергетические потери и практическая независимость от режима работы. При дросселировании на всасывании (линия 3 ) наблюдается резкое падение эффективности с ростом температуры кипения хладагента, поэтому этот способ применяют в компрессорах, которые работают в узком диапазоне давлений кипения. Балансирование (линия 4 ) - наименее эффективный вариант регулирования, так как он связан с потерями энергии сжатого пара при его перепуске, повышением температуры всасывания хладагента, а следовательно, и температуры нагнетания; энергетические потери при этом способе соответствуют степени уменьшения холодопроизводительности машины.

В холодильных машинах с винтовыми компрессорами используют следующие способы регулирования холодопроизводительности: дросселирование на всасывании, балансирование, изменение частоты вращения вала, золотниковой системой.

Дросселирование обеспечивают автоматическим перекрытием дроссельного клапана, установленного на входе в компрессор. Эффективность этого способа ограничена снижением производительности до 70% от номинальной; при более глубоком дросселировании существенно снижается экономичность.

Рис. 4. Энергетическая эффективность основных способов регулирования производительности поршневых компрессоров

Балансирование осуществляют перепуском части хладагента через безопасный клапан со стороны нагнетания на всасывание.

Применение такого способа обычно ограничивают компрессорами сухого сжатия.

Наиболее экономичное регулирование путем отключения в процессе сжатия части объема рабочих полостей обеспечивает золотниковая система. Несмотря на усложнение конструкции компрессора, такая система открывает дополнительные схемные возможности усовершенствования паровых холодильных машин.

Автоматизация работы холодильной машины позволяет с высокой точностью поддерживать требуемый уровень параметров процесса охлаждения, отвечающий оптимальному технологическому режиму, а также частично или полностью исключить участие обслуживающего персонала в эксплуатации холодильного оборудования.

В паровых компрессорных машинах объектами автоматизации являются теплообменные аппараты, в частности степень заполнения испарителя жидким хладагентом и давление процесса конденсации. Объективным и технически наиболее удобным показателем, отражающим степень заполнения испарителя, служит перегрев пара

на выходе из него. Действительно, когда часть теплопередающей поверхности испарителя обеспечивает перегрев паров хладагента, уменьшение его подачи приводит к снижению степени заполнения, а следовательно, к росту перегрева. При этом повышение температуры перегрева сверх расчетного уровня ухудшает энергетические показатели машины и надежность ее работы. Подача хладагента в испаритель в количестве, превышающем возможности процесса теплопередачи, связана с переполнением испарителя и снижением перегрева. Последнее приводит к снижению холодопроизводительности машины, а в ряде случаев к работе компрессора на влажном паре, что может привести к гидравлическому удару.

Системы автоматического регулирования степени заполнения испарителя по перегреву паров хладагента выполняют плавными и позиционными (обычно двухступенчатыми). В качестве автоматического регулирования в плавных системах широко используют терморегулирующие вентили (ТРВ), в которых величину перегрева паров хладагента получают в виде разности между температурой пара, выходящего из испарителя, и температурой кипения хладагента. Терморегулирующие вентили, обеспечивающие процесс дросселирования хладагента от давления конденсации до давления испарения, устанавливают на линии между конденсатором и испарителем.

Принципиальная схема автоматического регулирования уровня хладагента в испарителе с помощью ТРВ, используемая в хладоновых машинах РПС, приведена на рис. 5. Чувствительный элемент измерительной головки 1 терморегулирующего вентиля, выполненный в виде мембраны 2 или сильфона, находится под воздействием разности давлений перегретого пара, соответствующего температуре перегрева, и хладагента на выходе из испарителя 7 , отвечающего температуре кипения. Перегретый пар, который образуется в термосистеме, состоящей из термобаллона 6 и капилляра 3 , поступает в пространство над мембраной; пространство под мембраной связывают уравнительной трубкой 4 с всасывающей линией компрессора 5 . При этом уравнительную трубку присоединяют к всасывающей линии в месте установки термобаллона. В некоторых конструкциях в термобаллон вводят твердый поглотитель и всю термосистему заполняют газом.

Перемещение штока 12 в результате деформации чувствительного элемента при изменении температуры перегрева обеспечивает открытие или закрытие запорного клапана 11 , регулирующего поступление жидкого хладагента из конденсатора в испаритель по линии 10 . С помощью регулировочного винта 8 изменяют силу затяжки пружины 9 и, следовательно, необходимую величину температуры перегрева. В процессе автоматического регулирования ТРВ должен обеспечить оптимальный уровень заполнения испарителя и устойчивость системы во всем требуемом диапазоне изменения холодопроизводительности, что особенно важно для холодильных машин рефрижераторного подвижного состава. Практически устойчивая работа системы ТРВ начинается при перегреве (3 6) К. Для расширения диапазона регулирования и повышения его устойчивости в системе может быть использовано несколько ТРВ.

Рис. 5. Схема автоматического регулирования уровня хладагента в испарителе с помощью ТРВ

Процесс автоматического регулирования давления конденсации хладагента в машинах с конденсаторами воздушного охлаждения осуществляют изменением скорости или расхода охлаждающего воздуха.

Технически его обеспечивают системой жалюзи или поворотных заслонок, использованием вентиляторов с изменяемым углом установки направляющих лопаток, применением двухскоростных электродвигателей, а также периодическим выключением вентиляторов. Изменение скорости или расхода охлаждающего воздуха приводит к изменению коэффициента теплопередачи конденсатора, а следовательно, к

изменению температуры и давления процесса конденсации.

В ряде случаев повышения температуры конденсации добиваются частичным подтоплением поверхности конденсатора жидким

хладагентом.

Приборы автоматического регулирования, помимо контроля параметров испарителя и конденсатора, поддерживают заданную температуру воздуха в охлаждаемом помещении, обеспечивают своевременное удаление инея («снеговой шубы») с поверхности испарителя, регулируют уровень масла в маслоотделителях и т.д. Работу системы регулирования сочетают с автоматической защитой, которая включает комплекс мер по безопасной эксплуатации холодильных машин и предупреждает аварийные режимы путем отключения машины.

Система автоматической защиты включает соответствующие датчики (реле защиты и устройства для преобразования импульсов от этих реле в сигнал остановки). В ряде случаев систему защиты дополняют блокировкой, которая исключает повторный пуск машины без устранения причины, вызвавшей срабатывание защиты.

В компрессорных холодильных машинах датчики системы защиты следят за уровнем максимального давления и температуры хладагента на нагнетании компрессора, минимального давления на всасывании, за давлением и температурой масла в системе смазки, за работой электродвигателя, исключающей его перегрузку или короткое замыкание. В систему, автоматической защиты может быть введена световая или звуковая сигнализация, оповещающая о достижении предельного значения контролируемой величины или приближения к опасному режиму работы машины.

3. Классификация и основные элементы

приборов автоматики

По назначению приборы автоматики можно разделить на четыре основные группы: регулирования, защиты, контроля, сигнализации.

Приборы автоматического регулирования обеспечивают включение или выключение холодильной установки и отдельных ее аппаратов, а также управляют процессами работы. В холодильных установках подвижного состава приборы регулирования осуществляют следующие функции: правильно заполняют испаритель хладагентом (терморегулирующие вентили и др.); поддерживают температуру в охлаждаемых помещениях в заданных интервалах (термостаты, дуостаты); регулируют давление в конденсаторе в заданном интервале (прессостаты); обеспечивают своевременное оттаивание инея с испарителя (прессостаты, программные реле, термостаты); открывают или прекращают подачу жидкого или парообразного хладагента (электромагнитные вентили, обратные клапаны); ограничивают поступление хладагента в компрессор из испарителя (регуляторы давления всасывания).

Приборы автоматической защиты выключают всю холодильную установку или отдельные аппараты при наступлении опасных режимов работы: при достижении предельно допустимого давления нагнетания (прессостаты); при вакууме на стороне всасывания (прессостаты); при падении давления масла в системе смазки компрессора (релеразности давлений); при низкой температуре масла в картере компрессора (термостаты) ; при высокой температуре паров хладагента, сжатых в компрессоре (реле температуры); при перегрузке электродвигателя или коротком замыкании (тепловые реле, автоматические выключатели, плавкие предохранители).

Приборы автоматического контроля осуществляют измерения, а в некоторых случаях и записи определенных параметров работы холодильной установки, например температуры в охлаждаемом помещении (термограф), расхода электроэнергии (электросчетчик), времени работы оборудования (счетчики моточасов) и др. Приборы автоматической сигнализации включают световые или звуковые сигналы при достижении заданного значения контролируемой величины или при приближении к опасному режиму работы машины.

Приборы автоматики состоят из следующих основных частей: чувствительного элемента (датчика), передающего механизма, регулирующего (рабочего) органа, устройства для настройки (задатчика). Чувствительный элемент воспринимает контролируемую величину (температуру, давление, уровень жидкости и т.п.) и преобразует ее в удобный вид энергии для дистанционной передачи. Передающий механизм соединяет чувствительный элемент с регулирующим (рабочим) органом.

Регулирующий орган действует по сигналу чувствительного элемента. В приборах двухпозиционного действия (реле) рабочий орган может занимать только два положения. Например, электрические контакты реле давления (прессостата) или реле температуры (термостата) могут быть замкнуты или разомкнуты, клапан электромагнитного вентиля - закрыт или открыт. В приборах плавного (пропорционального) действия каждому изменению регулируемой величины соответствует перемещение регулирующего органа (например, плавное перемещение клапана регулирующего вентиля при изменении тепловой нагрузки на испаритель). Устройство для настройки прибора устанавливает заданное значение регулируемой или контролируемой величины. Отклонение регулируемой величины, не вызывающее перемещение регулирующего органа, называется зоной нечувствительности, или дифференциалом прибора. Чувствительные элементы приборов давления выполняются в виде сильфонов и мембран. Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку. Изготавливают сильфоны из латуни, бронзы, нержавеющей стали. При изменении давления в сильфоне длина его может значительно изменяться. Мембраны изготавливают в виде круглых эластичных пластин, закрепленных по периметру. Мембраны могут быть упругие (металлические) и мягкие (резиновые, пластмассовые, из прорезиненных тканей).

204 Температурные чувствительные элементы выполняют в виде биметаллических пластин и термочувствительных систем с различными наполнителями. В элементах, основанных на расширении твердых тел при нагревании, температура преобразуется в механическое перемещение (дилатометрические элементы). Перемещение происходит за счет неодинаковых коэффициентов линейного расширения у различных металлов. На рис. 3.6 а, б показаны элементы с двумя металлическими деталями 1 и 2 из разного материала, на рис. 3.6 в, г - чувствительный элемент из биметалла, т.е. из двух слоев металлов, сваренных между собой.

В элементах с тепловым расширением жидкостей используется зависимость изменения объема жидкости от температуры. Датчики, заполненные ртутью (рис. 3.7, а, б), используются для преобразования температуры в электрический сигнал без промежуточной механической системы. Датчик на рис. 3.7, а имеет релейную характеристику, на рис. 3.7, б - плавную. Применявшиеся ранее на рефрижераторных поездах ртутноконтактные датчики температуры оказались недостаточно надежными, так как из-за вибраций и толчков на ходу появлялись разрывы ртутного столба и нарушалась электрическая цепь. Кроме того, ртутно-контактные датчики рассчитаны на малую электрическую мощность сигнала.

Рис. 3.6. Дилатометрические чувствительные элементы

Рис. 3.7. Жидкостные

термочувствительные