Лекция 7. кип и автоматика холодильных машин

Современные холодильные машины нуждаются в надежных контрольно-измерительных приборах (КИП) и средствах автоматизации. В зависимости от выполняемых функций различают приборы контроля (в том числе и автоматического), сигнализации, защиты, управления и регулирования.

К средствам контроля относятся различного типа термометры, манометры, мановакууметры, расходомеры и т.п. В ряде случаев эти приборы не только фиксируют параметры, но и записывают их. Из термометров наибольшее распространение получили спиртовые стеклянные и термометры сопротивления.

Давление, как правило, фиксируется манометрами и мановакууметрами. Поскольку они изготовляются на какой-то определенный холодильный агент, то при фиксации определенного давления в аппарате холодильной машины одновременно измеряется и соответствующая ему температура фазового перехода (фактически на шкалу такого прибора нанесена кривая упругости данного холодильного агента). Следует помнить, что и манометры, и мановакууметры измеряют избыточное давление.

До последнего времени отечественной промышленностью серийно выпускались мановакууметры для систем, заполненных R12, R22 и R717. Они широко используются в холодильных установках различного типа.

Приборы автоматической сигнализации включением световых или звуковых сигналов извещают о достижении заданного значения контролируемой величины, а также о включении или выключении отдельных элементов оборудования.

Приборы автоматической защиты прекращают работу всей установки или отдельных ее элементов при опасных значениях контролируемой величины (давления, температуры, уровня жидкости, режима смазки и т.д.).

Поэтому при проектировании и создании каждой холодильной установки предусматривают надежную систему автоматической защиты (САЗ) как отдельных частей, так и всей установки в целом.

При проектировании САЗ холодильной установки учитывают возможные отказы отдельных элементов установки и последствия, связанные с опасностью для здоровья обслуживающего персонала и величиной материального ущерба производству. Особенно это становится актуальным при работе с ядовитым и пожаро-взрывоопасным аммиаком.

Затраты на создание САЗ зависят, в первую очередь, от назначения и мощности холодильной установки. В простейших случаях она состоит из одного-двух реле защиты важнейших элементов установки (компрессора, конденсатора). На крупных холодильных установках – это сложная, взаимосвязанная и дорогостоящая система защиты, обеспечивающая долгосрочную безаварийную работу, поскольку при любых внештатных ситуациях установка выключается, пока обслуживающий персонал не разберётся в сущности создавшейся ситуации, устранит возникшие неполадки и только после этого включит установку снова.

Разновидностью защиты можно считать так называемую блокировку, когда на систему управления одного элемента влияет система управления другого. Например, систему управления современными компрессорами выполняют так, что они могут быть включены в работу только в том случае, если включены хотя бы один водяной насос, подающий воду в конденсатор, и рассольный насос (для систем с промежуточным хладоносителем).

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что 75 % всех аварий на холодильных установках происходят с компрессорами. Поэтому компрессоры имеют наибольшее число видов защиты. Наиболее существенными из них являются реле максимального и минимального давления.

Защита от недопустимого повышения давления нагнетания предотвращает нарушение плотности соединений или разрушение элементов. Реле максимального давления подключают к нагнетательному трубопроводу компрессора до запорного вентиля по ходу движения холодильного агента, чтобы реле сработало и при пуске компрессора с закрытым нагнетательным вентилем.

Защита от недопустимого понижения давления всасывания предотвращает повышение нагрузки на сальник компрессора, вспенивание масла в картере, замерзание хладоносителя в испарителе. Реле минимального давления подключают к всасывающему трубопроводу компрессора после запорного вентиля. Часто реле максимального и минимального давления компонуют в одном корпусе с общим электрическим контактом.

Реле давлений РД-1 состоит из двух реле (рис. 7.1) – низкого давления и высокого давления. Реле низкого давления в зависимости от давления в испарителе замыкает или размыкает электрические контакты 12, что вызывает периодический пуск и остановку компрессора. Реле высокого давления при опасно высоком давлении нагнетания размыкает те же электрические контакты.

Рис. 7.1. Реле давления РД-1

От тройника всасывающего вентиля компрессора пары холодильного агента через отверстие в штуцере поступают внутрь кожуха 1 и сжимают сильфон 2. Донышко его перемещается вправо, и шток 4 передает усилие на двуплечий рычаг 5. В этом же направлении действует сжатая пружина 3. Рычаг 5, преодолевая усилие пружины 7, поворачивается по часовой стрелке вокруг оси 0₁, и тяга 6, шарнирно укрепленная на длинном плече рычага, опускается. На верхнем конце тяги имеется загнутый зуб, который заходит в прямоугольный паз рамки 8. Когда тяга перемещается вниз, зуб упирается в пластину дифференциала 9, и вся рамка вместе с токонесущей пластиной 11, поворачиваясь вокруг оси 0₂, опускается до тех пор, пока не замкнутся электрические контакты 12.

Во время работы компрессора давление в испарителе понижается. Вращающий момент силы растянутой пружины 7 относительно оси 0₄ становится больше момента силы давления паров на сильфон и силы сжатой пружины 3. Двуплечий рычаг начинает поворачиваться против часовой стрелки; тяга идет вверх, пока не упрется своим зубом в верхнюю кромку паза рамки 8. Преодолевая усилие притяжения токонесущей пластины к постоянному магниту 13, пружина 7 обеспечивает размыкание электрических контактов. Регулировку давления выключения производят винтом П. При вращении винта П по часовой стрелке натяжение пружины 7 увеличивается, что повышает давление включения и выключения (на одинаковую величину).

Дифференциал реле регулируется внутренним винтом Д. При повороте винта Д по часовой стрелке, пластина дифференциала 9 поднимается, и зазор между пластиной 9 и верхней кромкой паза рамки уменьшается. При этом давление включения и дифференциал реле уменьшаются.

Винт Д находится под током. Поэтому регулировку дифференциала необходимо производить отверткой с изолированной рукояткой или выключать общий рубильник.

Реле высокого давления работает аналогично. Регулирование давления выключения производится изменением силы сжатия пружины гайкой М.

Защита от уменьшения разности давлений (до и после насоса) в масляной системе, а точнее от уменьшения объемной подачи масла, предотвращает аварийный износ трущихся деталей и заклинивание механизма движения компрессора.

Она выключает компрессор при снижении разности давлений ниже допустимой величины. В период пуска поршневого компрессора эта защита блокируется на 10-20 с для того, чтобы в масляной системе, имеющей привод от коленчатого вала, установилась номинальная подача масла.

Защита от недопустимого повышения температуры нагнетания предотвращает нарушение режима смазки цилиндра и аварийный износ трущихся деталей.

Защита от недостаточной подачи воды в охлаждающую рубашку поршневого аммиачного компрессора предохраняет цилиндры компрессора от перегрева. Реле выключает компрессор при снижении подачи воды до 30 % ее номинальной величины. При пуске компрессора защита блокируется на 10-20 с.

Защита от повышения температуры обмоток встроенного электродвигателя герметичных и безсальниковых хладоновых компрессоров предотвращает перегрев обмоток при перегрузке электродвигателя, заклинивание ротора и работу на двух фазах.

Защита от гидравлического удара (попадание жидкого холодильного агента в полость сжатия) – реле уровня предотвращает серьезную аварию поршневого компрессора – гидравлический удар, а также выход из строя радиально-упорного подшипника и сальника винтового компрессора. Чувствительный элемент реле уровня устанавливают на аппаратах стороны низкого давления: отделителях жидкости, защитных и циркуляционных ресиверах, испарителях, переполнение которых приводит к поступлению жидкого холодильного агента в компрессор. Для повышения надежности системы предусматривают установку двух реле уровня, дублирующих друг друга.

Защита от замерзания хладоносителя предотвращает разрыв труб испарителя. Она может осуществляться путем контроля различных параметров: расхода хладоносителя через испаритель, температуры (давления) кипения холодильного агента или температуры хладоносителя.

Защита от переполнения линейного ресивера предохраняет установку от снижения эффективности работы конденсатора в результате заполнения части его объема жидким холодильным агентом. Защита от опорожнения линейного ресивера предотвращает прорыв газа высокого давления в испарительную систему и опасность гидравлического удара. Реле уровня защищает линейный ресивер от переполнения и опорожнения. Датчики реле уровня устанавливают так, чтобы контролировался уровень, соответствующий 80 и 20 % заполнения объема сосуда.

Приборы автоматического управления призваны включать и выключать холодильную установку и таким образом управлять её работой. Типичным прибором этой группы является термореле дифференциальное. Оно регулирует температуру объекта охлаждения путём оперативного регулирования холодопроизводительности установки Q _о методом пуска и остановок компрессора.

Типичным прибором такого типа является серийно выпускаемое реле температуры АРТ-2 (рис. 7.2), широко используемое в бытовом и торговом холодильном оборудовании.

Положение А    

Положение Б

Рис. 7.2. Схема реле температуры: 1 – регулировочная гайка, 2 – плоская пружина, 3 – электрические контакты, 4 – регулировочная пружина, 5 – донышко сильфона, 6 – термочувствительный патрон, 7 – сильфон, 8 – корпус термочувствительной части реле, 9 – рычаг тяги, 10 – возвратная пружина, 11 – регулировочный винт, 12 – тяга, 13 – рычаг переключателя, 14 – винт настройки, 15 – ручка настройки реле

Чувствительным элементом реле служит капиллярная трубка 6, частично заполненная фреоном и плотно прижатая к испарителю холодильной машины. Другой конец трубки заканчивается сильфоном 7.

При повышении температуры в испарителе повышается температура, а, следовательно, и давление внутри сильфона. Донышко 5 сильфона 7 перемещается вверх, преодолевая усилие пружины 4, воздействует на систему рычагов 9, 12, поворачивая при этом рычаг вокруг осей 0₂ и 0₃. В результате рычаг 0₄–0₅ и, следовательно, подвижные контакты 3 резко опустятся вниз и замкнут электрическую цепь (положение Б).

При понижении температуры пружина 4 отожмет вниз донышко сильфона, и под действием пружины 10 тяга 12 отведет рычаг 13 вниз. Когда ось 0₃ спустится ниже линии рычага 0₄–0₅, контакты под действием силы Р резко разомкнутся (положение А).

Разность значений температур, при которой происходит замыкание и размыкание контактов реле, называют зоной нечувствительности, или дифференциалом реле.

Дифференциал реле температуры АРТ-2 не регулируется (его значение составляет 7…8 °С). Винт 14 устанавливают при сборке так, чтобы свободный ход зуба тяги 12 обеспечивал требуемый дифференциал, и затем пломбируют.

Температуру выключения (и соответственно включения) регулируют изменением натяжения пружины 4. При повороте штока 1 рукояткой 15 нижний зуб штока скользит по винтообразному срезу, и шток перемещается вверх или вниз. При повороте рукоятки 15 по часовой стрелке на один оборот (из положения «Выкл.» в положение «Холод») температура выключения понижается примерно на 8 °С.

Ниже приведен график изменения температуры охлаждаемого объекта во времени.

Реле температуры настраивают по значениям температур t _max и t _min. В момент t₁ компрессор включится, однако температура по инерции еще некоторое время будет расти, затем начнет понижаться. В момент t₃ реле выключит компрессор и снова включит его в момент t₅.

Интервал от t₁ до t₅ называют временем цикла. Из графика видно, что время работы компрессора t _р меньше времени цикла t _ц. Соотношение этих интервалов называют коэффициентом рабочего времени компрессора:

; 0,4 < b < 0,9.

У крупных холодильных машин величина b ближе к единице, а у приборов бытовой холодильной техники b = 0,4…0,6.

Приборы автоматического регулирования поддерживают заданное значение контролируемой величины или изменяет ее по определенной программе. Эти приборы могут выполнять функции автоматического управления. Типичный прибор этого класса – терморегулирующий вентиль (ТРВ). Его назначение – термостабилизация охлаждаемого объекта на заданном температурном уровне путем регулирования количества подаваемого в испаритель агента.

Сам ТРВ устанавливают перед испарителем, а его чувствительный элемент – после испарителя:

1 – термобаллончик (чувствительный элемент); 2 – капилляр; 3 – надмембранная зона; 4 – мембрана; 5 – шток; 6 – испаритель

Термобаллончик 1 заполнен холодильным агентом и закреплен прямо на всасывающем трубопроводе. В зависимости от температуры поверхности этого трубопровода в теплобаллончике устанавливается соответствующая температура а, следовательно, и давление в надмембранной области 3. В зависимости от значения этого давления мембрана 4 будет двигать шток 5 вверх, либо вниз, увеличивая, либо уменьшая при этом подачу холодильного агента в испаритель 6. Так, например, чрезмерная подача жидкого агента в испаритель приведет к уменьшению температуры выходящего из испарителя 6 пара, что, следуя приведенным выше рассуждениям, вызовет уменьшение подачи жидкого холодильного агента в испаритель и стабилизацию температуры в испарителе.

Практический интерес представляют и другие варианты схем регулирования температуры объекта в одноиспарительных системах. На рис. 7.3 а показана схема регулирования температуры воздуха в камере с помощью регулятора температуры. Датчик 1 реле температуры 2 фиксирует изменение температуры воздуха. В зависимости от того, ниже или выше температура воздуха, заданная в реле 2, оно дает команду магнитному пускателю 3 на пуск или остановку электродвигателя 4 компрессора 5.

На рис. 7.3 б представлена схема регулирования температуры воздуха с помощью реле давления. Датчик 1 реле давления 2 воспринимает давление кипения, и реле дает команду магнитному пускателю 3 в зависимости от ситуации на пуск или остановку электродвигателя 4 компрессора 5.

Рис. 7.3. Схема регулирования температуры воздуха в камере: а – с помощью реле температуры; б – с помощью реле давления; 1 – датчик; 2 – реле; 3 – магнитный пускатель;
4 – электродвигатель; 5 – компрессор

Применение реле температуры обеспечивает большую точность поддержания температуры воздуха в помещении, чем при использовании реле давления. Последнее применяют для регулирования температуры воздуха в некоторых типах торгового холодильного оборудования, где продукты хранят непродолжительное время и не требуется высокая точность поддержания температуры. Ниже приведена комплексная схема автоматизации простейшей холодильной машины для охлаждения воды.

ТРД

РД

МП – магнитный пускатель; Д – электродвигатель; МН – масляный насос; БХВ – бак холодной воды; ТРД – термореле дифференциальное; РКС – реле контроля смазки; РД – реле давления; ТРВ – терморегулирующий вентиль; СВ – соленоидный вентиль; ВРВ – водорегулирующий вентиль

Включенное в схему реле контроля смазки (РКС) отключит электродвигатель компрессора при снижении давления смазочного масла в системе.

Соленоидный вентиль (СВ) предназначен для разъединения стороны низкого давления (слева) от стороны высокого давления (справа). Он закрывается при остановке компрессора и открывается при его пуске, не допуская выравнивания давления в системе.

Дата добавления: 2014-01-04