Автоматика холодильных систем и установок. Системы автоматизации холодильных машин Автоматическое оттаивание испарителей

Автоматизация холодильных установок предполагает оснащение их автоматическими устройствами (приборами и средствами автоматизации), с помощью которых обеспечиваются безопасная работа и проведение производственного процесса или отдельных операций без непосредственного участия обслуживающего персонала или с частичным его участием.

Объекты автоматизации совместно с автоматическими устройствами образуют системы автоматизации с различными функциями: контроля, сигнализации, защиты, регулирования и управления. Автоматизация повышает экономическую эффективность работы холодильных установок, так как уменьшается численность обслуживающего персонала, снижается расход электроэнергии, воды и других материалов, увеличивается срок службы установок, вследствие поддержания автоматическими устройствами оптимального режима их работы. Автоматизация требует капитальных затрат, поэтому проводить ее надо, основываясь на результатах технико-экономического анализа.

Холодильную установку можно автоматизировать частично, полностью или комплексно.

Частичная автоматизация предусматривает обязательную для всех холодильных установок автоматическую защиту, а также контроль, сигнализацию и нередко управление. Обслуживающий персонал регулирует основные параметры (температуру и влажность воздуха в камерах, температуру кипения и конденсации холодильного агента и т.д.) при отклонении их от заданных значений и нарушении работы оборудования, о чем информируют системы контроля и сигнализации, а некоторые вспомогательные периодические процессы (оттаивание инея с поверхности охлаждающих приборов, удаление масла из системы) выполняются вручную.

Полная автоматизация охватывает все процессы, связанные с поддержанием требуемых параметров в охлаждаемых помещениях и элементах холодильной установки. Обслуживающий персонал может присутствовать лишь периодически. Полностью автоматизируют небольшие по мощности холодильные установки, безотказные и долговечные.

Для крупных промышленных холодильных установок более характерна комплексная автоматизация автоматические контроль, сигнализация, защита).

Автоматический контроль обеспечивает дистанционное измерение, а иногда и запись параметров, определяющих режим работы оборудования.

Автоматическая сигнализация - извещение с помощью звукового и светового сигнала о достижении заданных величин, тех или иных параметров, включении или выключении элементов холодильной установки. Автоматическую сигнализацию подразделяют на технологическую, предупредительную и аварийную.

Технологическая сигнализация - световая, информирует о работе компрессоров, наличии напряжения в электрических цепях.

Предупредительная сигнализация на защитных, циркуляционных ресиверах сообщает, что величина контролируемого параметра приближается к предельно допустимому значению.

Аварийная сигнализация световым и звуковым сигналами извещает о том, что сработала автоматическая защита.

Автоматическая защита, обеспечивающая безопасность обслуживающего персонала, обязательная для любого производства. Она предотвращает возникновение аварийных ситуаций, выключая отдельные элементы или установку в целом, когда контролируемый параметр достигает предельно допустимого значения.

Надежную защиту в случае возникновения опасной ситуации должна обеспечивать система автоматической защиты (САЗ). В простейшем варианте САЗ состоит из датчика-реле (реле защиты), контролирующего величину параметра и вырабатывающего сигнал при достижении ее предельного значения, и устройства, преобразующего сигнал реле защиты в сигнал остановки, который направляется в систему управления.

На холодильных установках большой мощности САЗ выполняют так, чтобы после срабатывания реле защиты автоматический пуск отказавшего элемента без устранения вызвавшей остановку причины был невозможен. На небольших холодильных установках, например на предприятиях торговли, где авария не может привести к тяжелым последствиям, нет постоянного обслуживания, объект включается автоматически, если величина контролируемого параметра возвращается в допустимую область.

Наибольшее число видов защиты имеют компрессоры, поскольку по опыту эксплуатации 75% всех аварий на холодильных установках происходит именно с ними.

Число параметров, контролируемых САЗ, зависит от типа мощности компрессора и вида холодильного агента.

Вида защиты компрессоров:

От недопустимого повышения давления нагнетания - предотвращает нарушение плотности соединений или разрушение элементов;

Недопустимого понижения давления всасывания - предотвращает повышение нагрузки на сальник компрессора, вспенивание масла в картере, замерзание хладоносителя в испарителе (реле высокого и низкого давления, оснащают практически все компрессоры);

Уменьшения разности давлений (до и после насоса) в масляной системе - предотвращает аварийный износ трущихся деталей и заклинивание механизма движения компрессора, реле разности давлений контролирует разность давлений на стороне нагнетания и всасывания масляного насоса;

Недопустимого повышения температуры нагнетания -предотвращает нарушение режима смазки цилиндра и аварийный износ трущихся деталей;

Повышения температуры обмоток встроенного электродвигателя герметичных и бессальниковых хладоновых компрессоров - предотвращает перегрев обмоток, заклинивание ротора и работу на двух фазах;

Гидравлического удара (попадание жидкого холодильного агента в полость сжатия) - предотвращает серьезную аварию поршневого компрессора: нарушение плотности, а иногда и разрушение.

Виды защиты других элементов холодильной установки:

• - от замерзания хладоносителя - предотвращает разрыв труб испарителя;
• - переполнения линейного ресивера - предохраняет от снижения эффективности конденсатора в результате заполнения части его объема жидким холодильным агентом;
• - опорожнения линейного ресивера - предотвращает прорыв газа высокого давления в испарительную систему и опасность гидравлического удара.

Предотвращение аварийной ситуации обеспечивает защита от недопустимой концентрации аммиака в помещении, что может вызвать пожар и взрыв. Концентрация аммиака (максимум 1,5 г/м.куб., или 0,021% по объему) в воздухе контролируется газоанализатором.

Для обеспечения неавтономных кондиционеров холодом применяют холодильные станции различной холодопроизводи-тельности. Холодильные станции обычно комплектуются двумя или более холодильными установками, работающими с промежуточным холодоносителем, как правило водой.

Рассмотрим автоматизацию отдельных элементов холодильных установок и холодильной станции в целом. Защита компрессора от повышенного давления на нагнетании и пониженного на всасывании осуществляется с помощью реле давления (рис. 8.10, а). Работу системы контролирует реле контроля смазки. Компрессоры большой холодопроизводительности охлаждаются водой. Для защиты их от перегрева в случае прекращения подачи охлаждающей воды устанавливают реле расхода. При отклонении какого-либо из параметров срабатывает соответствующее реле защиты и компрессор останавливается. При остановке электродвигателя компрессора закрывается сблокированный с ним соленоидный вентиль трубопровода охлаждающей воды.

Защита испарителя холодильной установки (рис. 8.10, б) предусматривается во избежание замерзания воды в трубах испарителя. На трубопроводе выходящей из испарителя воды установлен датчик позиционного терморегулятора, настроенного на 1-3 °С. При температуре воды ниже установленной размыкаются контакты регулятора и останавливается электродвигатель компрессора. Если внезапно прекратился приток воды через испаритель, регулятор вследствие инертности системы может не сработать даже при замораживании испарителя. Во избежание этого устанавливают

Рис. 8.10.

• 1 - реле контроля смазки; 2, 3 - реле низкого и высокого давления;
• 4 - регулятор расхода; 5 - соленоидный вентиль; 6 - реле расхода;
• 7 - терморегулятор

реле расхода, которое при уменьшении протока воды до критического значения срабатывает и останавливает электродвигатель компрессора.

Схема автоматизации холодильной станции приведена на рис. 8.11. Для упрощения на схеме показана одна холодильная машина. Из бака 1 насосы подают воду на испарители холодильных машин, охлажденная вода сливается в бак 2 и насосами подается к кондиционерам, а затем снова сливается в бак 1. На охлаждение конденсаторов вода подается из градирни.

Защита компрессора осуществляется с помощью реле 3 , 4 , 5, а испарителя - реле б и 7. Если какой-либо параметр отклонится от заданной величины, сработает соответствующее реле, остановится компрессор, а через небольшой промежуток времени остановятся и насосы оборотного водоснабжения. На щите автоматики включится сигнальная лампа того узла, в котором произошла авария, и начнет подаваться звуковой сигнал 9.

Рис. 8.11.

холодильной станции

Температура воды в баке 2 регулируется терморегулятором 10, настроенным на максимальную и минимальную температуру (например, 8 и 6 °С). При температуре воды 8 °С последовательно через определенный промежуток времени с помощью командного прибора 11 включаются холодильные установки, причем компрессор холодильной установки включается только в том случае, если работают насосы, подающие воду в испаритель и конденсатор, и если все параметры, контролируемые приборами зашиты, находятся в пределах нормы. При снижении температуры холодной воды до 6 °С холодильные установки отключаются в той же последовательности. Для поддержания постоянного давления воды, подаваемой к кондиционерам, установлен регулятор давления прямого действия 8. В целях экономии водопроводной воды для охлаждения конденсаторов холодильных машин применяются системы оборотного водоснабжения, в которых нагретая вода охлаждается в градирнях. Схема автоматизации таких систем охлаждения рассмотрена в разд. 7.5 (см. рис. 7.14).

Компрессионная холодильная машина

Хладоносители

Холодильные агенты

Процессы и способы охлаждения

Назначение холодильного оборудования

1. Назначение холодильного оборудования

Холод является самым распространенным и надежным способом консервирования, так как позволяет практически полностью сохранить все первоначальные; свойства продукта.

Под обработкой холодом понимают охлаждение и замораживание пищевых продуктов. Если в центре продукта температура равна О...+4С, продукт считается охлажденным, если же в центре продукта температура равна -8°С и ниже - замороженным.

Низкие температуры создают неблагоприятные условия для развития и размножения микроорганизмов и действия ферментов (в случае охлаждения). При замораживании вода переходит в лед, и микроорганизмы лишаются питательной среды, в результате чего 90-99 % из них погибают. Некоторые же микроорганизмы, например бактерии, только прекращают свою жизнедеятельность, но не погибают. Ферменты менее чувствительны к понижению температуры.

Процесс консервирования продуктов холодом связан с отводом тепла от продукта с помощью охлаждающей среды, в качестве которой могут быть жидкости, воздух (газы), твердая углекислота или водный лед.

Однако наряду с положительным влиянием консервирования холодом имеются и отрицательные моменты - это потеря влаги продуктом (усушка), незначительное снижение качества продукта в результате образования корочки подсыхания и возникающей пористости поверхности.

Сроки хранения охлажденных продуктов составляют от нескольких суток до нескольких месяцев. Для увеличения сроков хранения мясных, молочных, рыбных и других продуктов их завораживают. Сроки хранения замороженных продуктов составляют от нескольких месяцев до нескольких лет. Это позволяет создавать определенные запасы продуктов и обеспечивать продуктами население страны круглогодично.

2. Процессы и способы охлаждения

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене - это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды : таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Охлаждение бывает естественным и искусственным.

Естественным охлаждением называется теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом и водой естественных водоемов. Однако при таком охлаждении температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Для получения более низких температур применяют смесь льда с поваренной солью. Однако лед или смесь льда с солью воспринимают тепло охлаждаемых продуктов, изменяют свое агрегатное состояние и теряют охлаждающую способность.

К искусственному относится охлаждение «сухим льдом», а также с помощью кипящих жидких газов и термоэлектричества. Достоинством искусственного охлаждения является возможность поддержания заданного режима хранения в любое время года.

Охлаждение с помощью холодильных машин называетсямашинным охлаждением .

Под низкими температурами, как правило, понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до -40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением теп-

ла. К числу основных таких процессов относится:

Ø фазовый переход вещества - плавление, кипение (испарение), сублимация;

Ø адиабатическое расширение газа;

Ø дросселирование реального газа и жидкостей;

Ø термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

3. Холодильные агенты

Один из основных вопросов, возникающих при создании холодильных машин (далее - ХМ), - выбор холодильных агентов, которые способствовали бы надежной и экономичной работе машины в заданном температурном диапазоне.

Рабочие вещества, предназначенные для ХМ, должны отвечать следующим основным требованиям:

Обладать химической стабильностью и инертностью к основным конструкционным материалам и смазочным маслам;

Иметь допустимые значения рабочих давлений, разности и отношения давлений нагнетания и всасывания;

Не оказывать отрицательных воздействий на окружающую среду и человека;

Быть негорючими и взрывобезопасными;

Иметь высокую степень термодинамического совершенства, большую объемную холодопроизводительность;

Обладать благоприятным сочетанием теплофизических свойств, влияющих на массу и габариты теплообменной аппаратуры;

Выпускаться промышленностью и иметь относительно низкую стоимость.

Как правило, в ХМ применяют рабочие вещества, удовлетворяющие лишь наиболее важным требованиям. Кроме перечисленных, немаловажным требованием, которое предъявляется к холодильным агентам, является безопасность эксплуатации холодильного оборудования.

Рабочие вещества холодильных машин (называемые чаще рефрижераторами от английского «Refrigerant» и обозначаемые по международному стандарту ISO N°817-74 буквой «R» с добавлением индивидуального для каждого вещества цифрового обозначения), используются для осуществления обратных термодинамических циклов. Кроме чистых хладагентов все чаще находят применение их смеси, поэтому общее число хладагентов насчитывает несколько десятков.

К наиболее широко применяемым хладагентам в настоящее время относятся аммиак (хладагент R7I7) и хладоны (по старой классификации фреоны) - хладагенты R12, R22, R134a и R404A|

Несмотря на токсичность и взрывоопасность, аммиак в силу своих отличных термодинамических свойств и низкой стоимости продолжает использоваться на крупных пищевых производствах и предприятиях общественного питания, где потребность более 100 кВт. Развитие подобных систем холодоснабжения по линии внедрения холодильных машин с уменьшенной емкостью по этому хладагенту (менее 100 кг) и полной автоматизацией защиты. Однако и на относительно небольших торговых предприятиях, в том числе и в супермаркетах, уже используются малые аммиачные машины (Дания, Чехия и другие страны).

Наиболее широко на малых и средних предприятиях торговли и общественного питания применяются хладоны. Однако полной однозначности в выборе того или иного хладона в настоящее время нет. Это объясняется следующим. Еще в 1974 г. американские физики (ныне Нобелевские лауреаты) Ш. Роуленд и М. Молина обнаружили, что большинство из традиционно используемых хладонов (в том-числе R11, R12, R113, R502 и в значительно меньшей степени R22) при попадании в стратосферу активно разрушают озоновый слой Земли, задерживающий ультрафиолетовое излучение Солнца. Учитывая эту глобальную опасность, правительство СССР в 1987 г. подписало Монреальский протокол о постепенном запрете озоноразрушающих хладагентов. В соответствии с этим соглашением с 1 января 1996 г. в России запрещено использование в новом оборудовании широко применявшихся ранее хладагентов R12 и R502, а с 1999 г. полностью запрещено их производство. Хладагент R22 разрешен к применению в России до 2020 г. Полноценных заменителей этих хладонов в мире пока не найдено, однако в настоящее время считается, что наиболее вероятной заменой будут в среднетемпературном оборудовании и кондиционерах- хладагент R134а, в низкотемпературном оборудовании - хладагент R404A. Поэтому в подавляющем большинстве случаев, официально импортируемое Россией после 1996г. торгово-технологическое холодильное оборудование имеет заправку одним из четырех перечисленных выше хладагентов: аммиаком (R717) или хладонами R22, R134а и R404A.

Ниже приведены основные свойства этих хладагентов.

1. Аммиак. Формула NH 3 . Торговое название хладагента R717. Бесцветный газ с характерным резким запахом. Токсичен, сильно раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, ПДК 20 мг/м 3 . Пожаро- и взрывоопасен. Класс опасности 1. Хорошо растворим в воде. Химически инертен по отношению к черным металлам и бронзе, однако в присутствии влаги реагирует с медью и медно-цинковыми сплавами, а также быстро ухудшает качество смазочных масел. На порядок дешевле хладонов. Давление конденсации при +30°С равно 1,168 МПа; температура кипения при атмосферном давлении -33,34°С, теплота парообразования 1369,7 кДж/кг.

2. R22 - дифторхлорметан. Формула CFCIH. Бесцветный газ со слабым запахом трихлорметана. Нетоксичен, ПДК 3000 мг/м 3 . Негорюч. Класс опасности 4. Плохо растворим в воде, поэтому холодильная система требует тщательной осушки. Хороший растворитель органики и резины, инертен к большинству металлов. Давление конденсации при +30°С равно 1,191 МПа; температура кипения при атмосферном давлении -40,81°С, теплота парообразования 233,2 кДж/кг.

3. R134a. 1,1,1,2-тетрафторэтан. Формула CFCFH. Бесцветный газ. ПДК в настоящее время неустановлен. Трудногорюч. Класс опасности 4. Инертен к большинству металлов. Давление конденсации при +30°С равно 0,773 МПа; температура кипения при атмосферном давлении - 26,5°С, теплота парообразования 216,5 кДж/кг.

4. R404A (иногда обозначается НР62) - неазеотропная смесь чистых хладагентов R125/I43a/134a в пропорции 44:52:4 по массовым долям, поэтому кипение в испарителе происходит при переменной температуре (изменение температуры по длине аппарата около 5°С). Температура кипения при атмосферном давлении -4б,5°С, теплота парообразования близка к таковой для хладона R22. Высокое давление конденсации (≈ 2-2,8 МПа) предъявляет высокие требования к качеству монтажных работ.

Различают естественные и искусственные холодильные агенты. К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др., к искусственным - хладоны (смеси различных фреонов).

Фреоны - углеводороды (СН 4 , С 2 Н 6 , С 3 Н 8 и С 4 Н 10), в которых водород полностью или частично заменен фтором и хлором (в отдельных случаях бромом). Международным стандартом принято краткое обозначение всех холодильных агентов, состоящее из символа R (Refrigerant - хладагент) и определяющей цифры. Например, фреон-12 имеет обозначение R12. Поэтому насегодня все фреоны принято обозначать в международной символике, отсюда и их название - хладоны.

По термодинамическим свойствам наилучшим природным холодильным агентом считается аммиак. Поэтому в настоящее время на крупных холодильных установках с умеренно низкими температурами (-15...-25С) наиболее распространен аммиак.

По степени озоноразрушающей активности хладагенты

делят на две группы:

¨ хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью (ODP1,0);

¨ хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP <0,1).

К первой группе относятся хладоны R11, R12, R2З, R11З, R114, R115, R500, R501 и др.

Ко второй группе относятся менее озонобезопасные хладоны R21, R22, R23, R30, R40, R123, R124, R140 а, R160 и др. Молекулы каждого из названных хладонов содержат атом водорода и поэтому при гидролизе и пиролизе молекул хладонов в первую очередь образуется соляная кислота НС1, и в редких случаях при определенных условиях может выделиться несколько молекул свободного хлора. Этим и объясняется их низкая озонобезопасность.

Хладоны, не содержащие атомов хлора, являются полностью озонобезопасными.

4. Хладоносители

В холодильной технике хладоносители используют в тех случаях, когда по различным причинам применять систему непосредственного охлаждения камер нецелесообразно. Такими причинами, как правило, являются: значительная удаленность холодильных камер от машинного отделения, низкая температура кипения хладона в испарителе (воздухоохладителе), охлаждение одним холодильным агрегатом нескольких камер с большим различием температур в камерах, воздействие на систему охлаждения внешних сил (рефрижераторные суда).

Хладоносителем называют вещество, которое отбирает теплоту из одной части холодильной установки и отдает его другой, не меняя при этом своего агрегатного состояния. Вещество, выбранное в качестве хладоносителя, должно иметь низкую температуру замерзания, малые вязкость и плотность, высокие теплопроводность и теплоемкость, быть безопасным и безвредным, химически стойким, инертным по отношению к металлам, а также недефицитным и недорогим. Почти всею этим требованиям отвечает вода. Однако сравнительно высокая температура замерзания воды ограничивает область ее применения.

В качестве хладоносителей применяют растворы хлористого натрия, хлористого магния или хлористого кальция, которые называют рассолами, а также растворы этиленгликоля (антифриз), RЗО, дихлорметан (СН 2 С1 2) и др.

Недостатком рассолов является их коррозионное воздействие на металлы, которое резко усиливается в открытых системах из-за контакта воздуха (кислорода) с рассолом. Для уменьшения коррозии к рассолам добавляют вещества, которые называют пассиваторами. Это хромат натрия с едким натром.

Этиленгликоль. Для получения температур ниже -55°С использовать рассолы нельзя. В этом случае в качестве промежуточных хладоносителей используют водный раствор этиленгликоля (антифриз). Чистый этиленгликоль С 2 Н 4 (ОН) 2 имеет температуру замерзания всего -17,5°С. Поэтому применяют водные растворы этиленгликоля, температуры замерзания которых зависят от массовой доли этиленгликоля. Растворы этиленгликоля применяют в диапазоне температур кипения от -40 до -60°С. Этиленгликоль оказывает значительное коррозионное воздействие на металлы, поэтому для уменьшения такого отрицательного воздействия в раствор добавляют вещества, называемые пассиваторами.

R30 и спирты. Благодаря низкой температуре замерзания (-96°С) и малой вязкости широкое применение в качестве хладоносителя получил хладон-30. Его применяют в диапазоне температур от -40 до - 90°С. Спирты имеют более низкие температуры замерзания: этиловый спирт (-117°С), пропиловый спирт (-127С). Метиловый спирт (-97,8°С) ядовит и применять его в качестве хладоносителя не рекомендуется. Учитывая некоторые отрицательные качества рассолов, ученые постоянно ведут поиски новых видов теплоносителей.

5. Компрессионная холодильная машина

Из всех способов охлаждения наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что дает следующие преимущества: удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии.

Холодильная машина - это кольцевая герметически замкнутая система, по которой циркулирует одно и то же количество рабочего вещества, называемого холодильным агентом. Хладагент в машине лишь меняет свое физическое состояние.

В торговом машиностроении применяются холодильные машины двух видов: компрессионная и абсорбционная, в которых используются различные способы обеспечения циркуляции хладагента. В компрессионной холодильной машине для циркуляции хладагента затрачивается механическая энергия, а в абсорбционной - тепловая. Наибольшее распространение получила компрессионная холодильная машина.

Компрессионная холодильная машина состоит из четырех основных частей: испарителя, компрессора, конденсатора и терморегулирующего вентиля (ТРВ).

Охлаждение может быть естественным или принудительным, как это показано на рис. 28.1.

Компрессор холодильной машины предназначен для осуществления следующих процессов: всасывания паров хладагента из испарителя, адиабатического их сжатия и нагнетания в конденсатор. На рис. 31.2 – 31.6 представлены виды компрессоров холодильной машины.

Всасывание компрессором паров из испарителя. Испарители (воздухоохладители), расположенные в охлаждаемой среде (камере), при работающей холодильной установке имеют наинизшую температуру по сравнению с другими телами, находящимися в камере. В трубках испарителя (воздухоохладителя) находится хладагент, температура кипения которого зависит от давления. Образующиеся пары в испарителе постоянно отводятся компрессором, что обеспечивает постоянное давление и соответственно постоянную температуру кипения хладагента.

Если же тепловая нагрузка на испаритель резко возрастает (при внесении продуктов в камеру), то давление в испарителе возрастает. Соответственно возрастет и температура кипения, а тепловая нагрузка на испаритель снизится из-за уменьшения разности температур между воздухом в холодильной камере и поверхностью испарителя. Возрастание давления в испарителе приведет к увеличению плотности паров и повышению производительности компрессора. Давление и температура кипения хладагента в испарителе начнут понижаться. Если же теплопритоки на испаритель сильно уменьшатся (произошло полное охлаждение продуктов), то и количество пара в испарителе будет очень Незначительным, т.е. в испарителе практически не будет шаров, а, следовательно, компрессору нечего отводить из испарителя и он автоматически выключается.

Итак, работа компрессора по всасыванию паров обеспечивает определенное давление и соответственно температуру кипения хладагента в испарителе. Компрессор, забитая пары из испарителя, фактически выводит тепло из камеры.

Адиабатическое сжатие паров в компрессоре необходимо для повышения их температуры. Температура пара в конце сжатия должна быть обязательно выше температуры охлаждающей среды в конденсаторе для того, чтобы пары затем можно было охладить. При охлаждении пар переходит в жидкость.

Нагнетание паров. Если давление (и температура) при сжатии будут ниже, чем температура охлаждающей среды, то такие пары, поступая в конденсатор, охлаждаться не будут. Давление в конденсаторе снижаться не будет. Компрессор, выталкивая из цилиндра очередной объем пара, должен преодолеть большое сопротивление в конденсаторе, а для этого пары необходимо сжимать до такого давления, которое больше давления в конденсаторе. Повышение давления приводит к соответствующему росту температуры. Давление растет до тех пор, пока температура пара не превысит температуру охлаждающей среды.

Процессы холодильного цикла связаны с различными видами теплообмена: в испарителе хладагент отбирает тепло от воздуха охлаждаемой камеры или от хладоносителя, в конденсаторе тепло передается охлаждающей среде (воде или воздуху). Испаритель и конденсатор - основные тепло-обменные аппараты.

Испаритель (рис. 31.6) - это аппарат, в котором жидкий хладагент кипит при низком давлении, отводя тепло от охлаждаемого объекта (продуктов). Чем ниже давление, поддерживаемое в испарителе, тем ниже температура кипящее жидкости. Температуру кипения, как правило, поддержи-вают на 10-15°С ниже температуры воздуха в камере. Температура воздуха в камере зависит от вида охлаждаемого продукта. Испаритель может быть расположен непосредственно в охлаждаемом объеме (камере, шкафе), как показано на рис. 28.1, или же находится за его пределами. В соответствии с этим по назначению различают испарители для непосредственного охлаждения среды и испарителя для охлаждения промежуточного хладоносителя (вода, рассол, воздух, этиленгликоль и др.). Конструкция испарителя зависит от вида охлаждающей среды, необходимой холодопроизводительности, свойств самого хладагента и от температурного напора между средами. На рис. 31.7 представлен процесс изменение температуры кипения холодильного агента в испарителе во времени.

Конденсатор - аппарат, предназначенный для осуществления теплообмена между хладагентом и охлаждающей средой. В процессе теплообмена от хладагента отводится энергия, которая передается охлаждающей среде, а сам хладагент охлаждается и конденсируется. Охлаждающая же среда нагревается. В зависимости от вида охлаждающей среды различают конденсаторы с воздушным и водяным охлаждением.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) обеспечивает заполнение испарителя жидким хладагентом в оптимальных пределах. Переполнение испарителя может привести к его попаданию в компрессор и к поломке, а его малое заполнение резко снижает эффективность работы испарителя.

Степень заполнения испарителя зависит от температуры перегрева пара на выходе из испарителя. ТРВ производит сравнение температуры пара на выходе из испарителя с заданной и в зависимости от величины расхождения увеличивает или уменьшает поток жидкого хладагента в испаритель.

Кроме вышеперечисленных основных частей холодильная машина оснащена другими частями: приборами автоматики, пускозащитной электроаппаратурой, теплообменниками, фильтром-осушителем, ресивером.

6. Приборы автоматики холодильных машин

Автоматизацией называется комплекс технических мероприятий, позволяющих полностью или частично исключить участие человека в управлении процессом.

Охлаждаемый объем рассматривается как объект, в котором должен поддерживаться постоянный температурный режим. Поскольку время суток и время года влияют на температуру окружающего воздуха, а температура воздуха в камере должна быть одной и той же, то количество тепла, поступающего в камеру через ограждения (стены, пол, потолок), постоянно изменяется. Повышение температуры воздуха в камере уменьшает сроки хранения продуктов, а значительное ее снижение приводит не только к перерасходу электроэнергии, но и к замораживанию продуктов. Поэтому автоматизация установки должна предусматривать изменение режима работы испарителя в зависимости от тепловой нагрузки. Приборы автоматики должны обеспечивать не только эффективную, но и надежную работу всех элементов холодильной машины.

Автоматизация холодильных машин осуществляется по трем основным направлениям: автоматизация процессов регулирования с помощью систем; автоматизация защиты; автоматизация сигнализации.

Современные холодильные машины и установки невозможно представить без средств автоматизации. Они обеспечивают стабильную работу, защищают от недопустимых режимов эксплуатации и продлевают срок службы всей системы.

К устройствам холодильной автоматики относятся терморегулирующие вентили; регуляторы производительности, давления и уровня масла; пилотные, предохранительные и обратные клапаны; реле давления и температуры; реле протока. Сюда же включают различные электрические и электронные устройства: контроллеры, преобразователи частоты, регуляторы скорости вращения, автоматы защиты двигателя, таймеры и так далее. К сожалению, довольно часто на этой ответственной части оборудования стараются сэкономить. Нередко приходится сталкиваться также с незнанием возможностей и специфики применения автоматики. В данной статье мы постараемся дать краткий обзор основных механических устройств и решаемых с их помощью задач.

Устройства автоматики

Для плавного заполнения испарителя с целью наиболее эффективного использования его теплообменной поверхности предназначены терморегулирующие вентили (ТРВ). Показателем заполнения служит перегрев хладагента - разница его температуры на входе и на выходе испарителя. Именно по этому параметру и происходит регулирование. Бытует мнение, что ТРВ поддерживает температуру охлаждаемой среды или давление кипения, однако это принципиально невозможно по причине особенностей конструкции ТРВ.

Терморегулирующий вентиль (схема 1) состоит из термочувствительной системы (1), отделенной от корпуса мембраной; капиллярной трубки, соединяющей термочувствительную систему с термобаллоном (2); корпуса вентиля с седлом (3); регулировочной пружины (4).

Работа ТРВ зависит от трех основных параметров: давления в термобаллоне, действующего на верхнюю поверхность мембраны (P1), давления кипения, действующего на нижнюю поверхность мембраны (Р2), и давления регулировочной пружины, также действующего на нижнюю поверхность мембраны (Р3).
Регулирование осуществляется за счет поддержания равновесия между давлением в термобаллоне и суммой давлений кипения и пружины. Пружина обеспечивает регулировку перегрева.

ТРВ устанавливается на линии жидкого хладагента между конденсатором и испарителем. В нем происходит дросселирование рабочего вещества от давления конденсации до давления кипения. По конструктивному исполнению ТРВ делятся на вентили с внешним и внутренним уравниванием давления; разборные и неразборные. ТРВ с внутренним выравниванием применяются, как правило, на испарителях малой производительности с небольшим падением давления хладагента, например в торговом оборудовании.

ТРВ малой производительности выполняются неразборными (с заменяемой или с фиксированной дросселирующей вставкой), а ТРВ большой производительности - разборными, что позволяет при необходимости заменять отдельные элементы, а не весь клапан.

Регуляторы давления конденсации для конденсаторов с воздушным охлаждением предназначены для поддержания минимально необходимого рабочего давления конденсации при снижении температуры окружающей среды. Они обеспечивают так называемое «зимнее регулирование». На схеме 2 приведен вариант такого решения для конденсатора и ресивера, установленных на улице.

Для конденсаторов с водяным охлаждением применяются клапаны, изменяющие расход воды в зависимости от давления хладагента. Данные клапаны позволяют поддерживать давление конденсации с высокой точностью.

Регуляторы давления кипения устанавливаются на линии всасывания за испарителем для поддержания заданного давления кипения в холодильных системах. В системах с несколькими испарителями регулятор устанавливается за испарителем с наибольшим давлением кипения.

Регуляторы давления в картере позволяют избежать пуска и эксплуатации компрессора при слишком высоком давлении всасывания, на линии которого и устанавливаются непосредственно перед компрессором.

Подобные регуляторы часто используются в холодильных установках с герметичными или полугерметичными компрессорами, предназначенными для работы при низких температурах.

Регуляторы производительности, компенсирующие снижение тепловой нагрузки, применяются в системах с одним компрессором, не оборудованным другими средствами регулирования (отжим клапанов, преобразователь частоты). Устанавливаются на байпасной линии между всасыванием и нагнетанием компрессора, позволяя избежать снижения давления всасывания и частых пусков остановок компрессора. К достоинствам подобных регуляторов относятся простота и дешевизна, однако существует ряд ограничений на их применение. Так, из-за снижения скорости хладагента в системе, приводящего к проблемам с возвратом масла в компрессор, компенсировать падение нагрузки возможно не более чем на 50 %. Перепуск горячего газа во всасывающую магистраль герметичного или полугерметичного компрессора может привести к перегреву обмоток электродвигателя. Кроме того, растет и температура нагнетания. Для снижения температуры всасывания может потребоваться впрыск жидкого хладагента со стороны нагнетания, что требует тщательного подбора и настройки системы для недопущения гидроудара в компрессоре.

Разборный TPB Danfoss TE12

Реле давления (прессостаты) могут выполнять как регулирующую, так и защитную функцию. При регулировании реле включает и выключает компрессоры или вентиляторы конденсатора при достижении заданных рабочих параметров. По конструктивному исполнению реле бывают двухблочные (реле высокого и низкого давления в одном корпусе) и одноблочные, с автоматическим или ручным сбросом после срабатывания. Последние, как правило, выполняют функцию защиты.

Давление срабатывания реле, как правило, настраивается. У некоторых моделей настраивается и дифференциал срабатывания. Компактные реле без возможности настройки (картриджные прессостаты) применяются преимущественно крупными заводами-производителями компрессорных, компрессорно-конденсаторных агрегатов и моноблоков.

Реле перепада давления широко используются в качестве защиты компрессоров от падения давления масла в картере. Эти устройства зачастую включают в себя таймер, отключающий компрессор, если в течение заданного времени давление масла держится ниже минимально необходимого, - для нормальной смазки движущихся частей компрессора.

Неразборный TPB в разрезе

Реле температуры (термостаты) применяются для поддержания температуры и защиты элементов холодильной системы, например компрессора, от чрезмерно высокой температуры нагнетания. Реле, используемые для регулирования параметров, при срабатывании сбрасываются автоматически, защитные реле, как правило, вручную.

В холодильной технике применяются два типа заправки чувствительного элемента термостата - паровая и адсорбционная. Термостаты с паровым наполнителем применяются в системах, где изменение температуры происходит медленно (например, в холодильных камерах большого объема). В таких термостатах корпус реле должен находиться в более теплом помещении, чем чувствительный элемент. Реле с адсорбционной заправкой могут применяться для контроля там, где температура меняется быстро.

Применение автоматики

Рассмотрим применение устройств автоматики на примере системы холодоснабжения небольшой холодильной камеры, выполненной специалистами компании «Термокул» c использованием автоматики фирмы Danfoss.

Заполнение испарителя хладагентом регулируется при помощи разборного ТРВ ТЕХ 5–3 с внешним уравниванием давления. За температуру в камере отвечает электронный контроллер (на схеме не показан), управляющий электромагнитным клапаном EVR 10.

Поддержание давления конденсации в зимний период осуществляется при помощи регулятора давления конденсации KVR , дифференциального клапана NRD и обратного клапана NRV . Характерной особенностью данного технического решения является установка регулятора KVR перед конденсатором. Это приводит к определенному удорожанию системы, так как требуется регулятор большего размера по сравнению с регулятором на линии жидкости за конденсатором. В то же самое время это позволяет избежать проблем с запуском системы после длительной остановки в случае, когда конденсатор и ресивер установлены на улице или в неотапливаемом помещении. Для регулирования давления конденсации при работе установки используется ступенчатое управление вентиляторами конденсатора при помощи двух реле высокого давления КР 5 с автоматическим сбросом.

Управление компрессором осуществляется при помощи двухблочного реле KP 17 W: реле низкого давления включает и отключает компрессор в рабочем режиме, реле высокого давления - останавливает в случае превышения рабочего значения. В качестве дополнительной защиты от остановки по высокому давлению на агрегат установлено реле КР 5 с ручным сбросом.

Такая конфигурация автоматики позволяет, при относительно небольшой стоимости комплектующих, получить простую и надежную систему управления холодоснабжением, обеспечивающую стабильное поддержание заданных параметров.

Статья подготовлена Сергеем Смагиным и Сергеем Бучиным. Мы благодарим компанию «Термокул» (www.thermocool.ru) за информационную поддержку