Объекты охлаждения

Объектами охлаждения чаще всего являются холодильные камеры, в которых требуется поддерживать заданную температуру воздуха Некоторые холодильные установки предназначены для поддержания заданной температуры жидкого хладоносителя (воды или рассола), направляемого потребителю либо аккумулируемого в баках. В этом случае объект охлаждения — охладитель жидкости.

Рассмотрим упрощенные модели этих объектов охлаждения с точки зрения основной задачи — автоматического поддержания в них температуры рабочей среды (воздуха или жидкого хладоносителя).

Холодильная камера

На рис. 1, а показана холодильная камера, в которой требуется поддерживать температуру воздуха t_в. В камере смонтирован прибор охлаждения ПО, в котором непосредственно кипит при температуре t₀ подаваемый в него хладагент. Вентилятор В обеспечивает равномерное температурное поле по всему объему камеры, что позволяет измерять температуру воздуха в одной точке.

Рис. 1. Схема холодильной камеры (а) и совмещенный график установившихся процессов в ней (б)

Камера теплоизолирована от окружающей среды, имеющей температуру t_окр, которая также одинакова на всей внешней поверхности ограждения.

При установившихся, не изменяющихся во времени, значениях температур t₀ и t_окр холодильная камера находится в равновесном состоянии, которое характеризуется постоянным значением температуры воздуха, равным заданному (t_в=t_з=const). Если t_окр переходит к новому установившемуся значению, то t_в также стабилизируется на новом уровне, отличающемся от заданного. Задача автоматического управления состоит в том, чтобы возвратить температуру воздуха к заданному значению. Этого можно достигнуть воздействием на прибор охлаждения.

С некоторым допущением можно написать уравнение теплового баланса холодильной камеры, находящейся в равновесном состоянии:

Q_огр= Q_ПО (1)

где Q_oгp — количество теплоты, проникающей в единицу времени внутрь камеры через ограждение;

Q_ПО — количество теплоты, отводимое в единицу времени через поверхность прибора охлаждения ПО.

Поскольку

уравнение теплового баланса холодильной камеры в равновесном состоянии можно представить в следующем виде:

(2)

где (kF)_oгp и (kF)_ПО — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности соответственно ограждения камеры и прибора охлаждения.

Равенство (2) связывает все участвующие в установившемся процессе величины, при этом t_в является регулируемой величиной, а t_окр — внешним воздействием. Если t_окр изменяется, то равенство нарушается. Восстановить баланс можно, изменив t₀ либо (kF)_ПО. Параметр, используемый для компенсации внешнего воздействия, называют управляющим или регулирующим.

Установившиеся процессы можно иллюстрировать графиком в координатах Q, t_в (рис. 1, б).

Пусть требуется поддерживать температуру воздуха t_в при температуре окружающего воздуха, равной расчетному значению t_{окр.расч}. Принимаем, что (kF)_ПО = const. Подставляя эти значения в равенство (2), находим расчетную температуру кипения t_{0 расч}. Используя левую и правую части равенства (2), строим на графике линии Q_{огр.расч} и Q_{ПО расч}.

В соответствии с равенством (1) точка а их пересечения обозначает установившееся значение при расчетном режиме (требуемая холодолроизводительность при этом Q_расч). Аналогично строим линии для минимальной нагрузки (точка б) и максимальной нагрузки (точка в).

С помощью равенств (1) и (2) несложно также построить график для случая, когда в качестве управляющего воздействия используется величина (kF)_ПО. Семейство характеристик будет состоять из прямых с разными углами наклона.

Реальная холодильная камера работает в изменяющихся условиях. Следовательно, в ней происходят переходные процессы от одного равновесного состояния к другому. Причиной могут быть как внешние, так и внутренние факторы.

Рассмотрим пример, когда переходный процесс вызван изменением температуры кипения (рис. 2).

Рис. 2. График переходных процессов в холодильной камере

Пусть в камере установилась температура воздуха t_в1. При этом температура кипения равна t₀₁. Она может быть определена из равенства (2) для данной температуры окружающей среды. Если в момент времени t₁ скачкообразно изменить температуру кипения до значения t₀₂ и поддерживать ее на этом уровне, то температура воздуха также изменится, но не скачкообразно, а плавно, причем приближение к новому значению t_в2 будет асимптотическим.

При обратном скачке в момент времени t₂ температура воздуха постепенно возвратится к исходному значению.

Кривые, характеризующие переходные процессы, имеют достаточно сложную форму. Для упрощения анализа их часто заменяют
простыми экспоненциальными функциями.

В рассматриваемом примере они имеют вид:

для скачка вверх

,

для скачка вниз

,

где Dt_в — абсолютная разность температур воздуха |t_в1-t_в2|.

Постоянная времени Т характеризует скорость протекания переходного процесса. Она определяется как время, в течение которого температура воздуха изменяется на величину 0,63Dt_в от начального значения (см. рис. 2). Чем больше постоянная времени, тем медленнее протекает переходный процесс. Условно он считается законченным, если температура воздуха не дошла до установившегося значения менее чем на 1 % от начальной разности. Это условие удовлетворяется, если с момента начала скачка проходит время t³4,6Т. Таким образом, температура воздуха в переходном процессе определяется двумя величинами: начальной разностью температур и постоянной времени. Их следует учитывать при регулировании температуры воздуха в холодильной камере: создавая управляющее воздействие, не следует ожидать моментального перехода к новому установившемуся значению t_в.

Аналогичный анализ статических (при установившемся процессе) и динамических (при переходном процессе) характеристик можно сделать применительно к рассольному охлаждению. Отличие состоит в том, что, проходя через прибор охлаждения, рассол нагревается, в связи с чем в расчет надо принимать его среднюю температуру.

Охладитель жидкости

Охладитель жидкости (хладоносителя) используют в различных технологических процессах, в системах кондиционирования воздуха.

Статические и динамические характеристики охладителя жидкости близки к характеристикам холодильной камеры.

Упрощенная схема охладителя жидкости представлена на рис. 3. Отепленный хладоноситель с температурой t_s1 забирается насосом Н из системы потребления холода СПX, направляется в испаритель И, где охлаждается кипящим при температуре t₀ хладагентом, и с температурой t_s2 возвращается в СПХ.

Рис. 3. Схема охладителя жидкости

Задача управления обычно сводится к поддержанию заданной температуры хладоносителя на выходе из охладителя жидкости. Внешними воздействиями являются температура t_s1 и расход хладоносителя G_s, управляющим параметром — температура t₀.

Дата добавления: 2014-01-04