Принципы автоматизации холодильных установок. Системы автоматизации холодильных машин Системы автоматизированного управления электроприводами холодильных агрегатов

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).

Обслуживающий персонал неавтоматизированной холодильной установки пускает и останавливает холодильную машину, регу­лирует подачу жидкого агента в испаритель, регулирует температурный режим в холодильных камерах и холодопроизводительность компрессоров, наблюдает за работой аппаратов, механиз­мов и т. п.

При автоматическом регулировании холодильных машин эти ручные операции отпадают. Эксплуатация автоматизированной установки намного дешевле, чем эксплуатация установки с ручной регулировкой (сокращение затрат на содержание обслуживающего персонала). Автоматизированная установка экономичнее по за­тратам энергии, точнее поддерживает заданные температурные режимы. Приборы автоматики быстро реагируют на всякие от­клонения от нормальных условий работы, а при возникновении опасности выключают установку.

Применяют различные автоматические приборы - управления, регулирования, защиты, сигнализации и контроля.

Приборы автоматического управления включают или выклю­чают в определенной последовательности машины и механизмы; включают резервное оборудование при перегрузках системы; включают вспомогательные аппараты при оттаивании инея с по­верхности охлаждающих батарей, выпуске масла, воздуха и т. п.

Приборы автоматического регулирования поддерживают в оп­ределенных пределах основные параметры (температуру, давле­ние, уровень жидкости), от которых зависит нормальная работа холодильной установки, или регулируют их в соответствии с за­данной программой.

Приборы автоматической защиты при возникновении опасных условий (чрезмерном повышении давления нагнетания, перепол­нении отделителей жидким аммиаком, повреждении системы смазки) выключают холодильную установку или ее части.

Приборы автоматической сигнализации подают световые или звуко-вые сигналы, когда контролируемая величина достигает заданных или предельно допустимых значений.

Н. Д. Кочетков

322 Автоматизация холодильных установок

Приборы автоматического контроля (приборы-самописцы) регистри-руют параметры машины (температуру в разных точках, давление, количество циркулирующего агента и т. п.).

Комплексная автоматизация предусматривает оборудование холоди-льной установки автоматическими устройствами управле­ния, регули-рования и защиты. Средства контроля и сигнализации необходимы лишь для наблюдения за правильным действием этих устройств.

В настоящее время установки небольшой и значительная часть установок средней производительности автоматизированы пол­ностью; крупные установки в большинстве случаев автоматизи­рованы частично (полуавтоматические установки).

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ХОЛОДИЛЬНЫХ

УСТАНОВОК

Применяемые приборы автоматического регулирования отличаются разнообразием выполняемых функций и принципов действия.

Каждый автоматический регулятор состоит из чувствительного эле-мента, воспринимающего изменение регулируемого параметра; регули-рующего органа; промежуточной связи, соединяющей чув­ствительный элемент и регулирующий орган. Рассмотрим способы регулирования основных параметров и наиболее характерные приборы.

Регулирование температуры холодильных камер. В холодиль­ных камерах необходимо поддерживать постоянные температуры, даже если меняется тепловая нагрузка на охлаждающие батареи.

Постоянная температура поддерживается регулированием холодо-производительности батарей. Простой и распространенной является двухпозиционная система регулирования. При этой системе в каждой камере устанавливается индивидуальное реле температуры, например, типа ТДДА - двухпозиционное дистан­ционное термореле (рис. 193), или других типов. На трубопроводе жидкого холодильного агента или рассола перед входом в батареи устанавливается соленоидный вентиль (рис. 194). При повышении температуры воздуха до верхнего заданного предела регулятор температуры автоматически замыкает электричес-кую цепь соле­ноидного вентиля. Вентиль полностью открывается, и охлаждаю­щая жидкость поступает в батареи; камеры охлаждаются. При по­нижении температуры воздуха до нижнего заданного предела регулятор температуры, наоборот, размыкает цепь вентиля, пре­кращая подачу холодной жидкости в батареи.

Термобаллон 1 (чувствительный патрон) регулятора температуры ТДДА (см. рис. 193), частично заполненный жидким фреоном-12,­

Автоматическое регулирование холодильных установок 323

размещают в холодильной камере, температуру которой требуется регулировать. Давление фреона в термобаллоне зависит от его температуры, которая равна температуре воздуха камеры. С повышением этой температуры давление в термобаллоне увели­чивается. Повышенное давление через капиллярную трубку 2 передается в камеру 3, в которой расположен сильфон 4, пред­ставляю-

щий собой гофрированную трубку. Сильфон сжимается и перемещает в осевом направлении иглу 5, которая поворачи­вает угловой рычаг 6 (см. также схему справа) вокруг оси 7 против часовой стрелки, преодолевая сопротивление пружины 22. Рычаг 6 песет на себе пластинчатую пру-жину с прикрепленной к ней тягой 8, которая при движении рычага против часовой стрелки перемещается влево. С тягой 8 скреплен палец 10, перемещаю­щийся в прорези контактной пластинки 12. В некоторый момент палец соприкасается с рычагом 9 и поворачивает этот рычаг, а также контактную пластинку 12 (которая связана с рычагом пружиной 11) вокруг оси 13 (в данном случае против часовой стрелки). В это

324 Автоматизация холодильных установок

время нижний конец контактной пластинки при­ближается к постоянному подковообразному магниту 18 и быстро притягивается им. Основной 17 и искрогасительный 26 контакты при этом замыкаются. Цепь управления соленоидного вентиля, установленного на жидкостной линии, замыкается, вентиль от­крывается, й жидкость посту­пает в батареи.

С понижением температуры воздуха давление в термобаллоне и в камере 3, где находится сильфон, уменьшается и угловой рычаг 6 под действием пружины 22 поворачивается по часовой стрелке. Палец 10 перемещается от рычага 9 до конца прорези в контактной пластинке 12 (свободный ход), нажимает на пластинку и, преодолевая притяжение магнита, резко поворачивает ее по часовой стрелке. В этот момент электрические контакты размы­каются, соленоидный вентиль закры-вается и подача жидкости в батареи прекращается.

Автоматическое регулирование холодильных установок 325

Температура камеры, при которой размыкаются электрические кон-такты, устанавливается в зависимости от натяжения пру­жины 22. Для настройки прибора на определенную температуру размыкания переме-щают каретку 21 с указателем 20 на соответ­ствующее деление темпера-турной шкалы 19, что достигается при вращении винта 23 ручкой 24.

Прибор регулируется на определенную разность температур замыка-ния и размыкания электрических контактов. Эта разность зависит от величины свободного хода пальца 10 в прорези кон­тактной пластинки. Свободный же ход меняется при перемеще­нии верхнего конца рычага 9 вдоль прорези, что достигается при повороте кулачка 14 вокруг оси 13. Чем больше радиус кулачка в месте касания рычага 9, тем больше свободный ход и тем больше разность температур замыкания и размыкания контактов.

Регулятор температуры ТДДА обеспечивает выключение соленоид-ного вентиля в пределах шкалы температур от -25 до 0° С. Возможная погрешность ±1° С. Минимальный дифференциал при­бора составляет 2° С, максимальный - не менее 8° С. Масса при­бора 3,5 кг, длина капилляра 3 м.

Для крупных холодильников разработана многоточечная цен­трализованная система автоматического регулирования темпера­туры в камерах - машина «Амур». Такие машины изготовляют па 40, 60 и 80 точек регулирования. Они могут быть использо­ваны не только для регулирования температуры воздуха, но и тем­пературы кипения холодильного агента, температуры рассола и т. п. Машина имеет устройства для измерения температуры в точках регулирования.

Соленоидные (электромагнитные) вентили (см. рис. 194) рабо­тают следующим образом. При подаче напряжения на катушку электромаг-нита возникает электрическое поле, которое втягивает сердечник; связанный с ним разгрузочный клапан приподнимается, открывая седло малого диаметра. После этого жидкость с нагне­тательной стороны, т. е. из полости над клапаном (в вентиле СВА) или над мембраной (в вентиле СВМ) через сквозные отверстия п малое седло поступает в полость под клапаном. Клапан разгру­жается от давления, которое прижимало его к седлу, и откры­вается для протока жидкости под напором из нагнетательного трубопровода. После выключения соленоидной катушки, наобо­рот, сердечник с разгрузочным клапаном опускаются вниз, пере­крывая седло малого диаметра. Давление сверху на основной клапан увеличивается, и он под действием собственного веса и пружины опускается на свое седло, перекрывая поток жидко­сти.

Соленоидные вентили относятся к числу наиболее распростра­ненных приборов автоматизации аммиачных и фреоновых холо­дильных уста-

326 Автоматизация холодильных установок

новок. Для жидкого и газообразного фреона и аммиака, рассола и воды соленоидные вентили выпускают с диа­метром условного прохода от 6 до 70 мм. Раньше использовались преимущественно поршневые соленоидные вентили типа СВА; в последнее время применяют мембранные вентили типа СВМ усовершенствованной конструкции. Температура рабочей среды может колебаться от -40 до +50° С. Соленоидный вентиль (с фильтром перед ним) устанавливают на горизонтальном участке трубопровода в вертикальном положении.

Регулирование температуры воздуха возможно также путем измене-ния температуры или расхода холодильного агента (при рассольном охлаждении холодоносителя) в батареях с использо­ванием пропорцио-нальных регуляторов температуры ПРТ. Такие регуляторы применяют редко.

Для автоматического регулирования температуры воздуха при испо-льзовании малых фреоновых установок с одним охлаждае­мым объек-том применяют включение и выключение компрессора. Для включения и выключения используют приборы, реагирующие на температуру или давление кипения в испарителе, или непо­средственно на температуру воздуха камеры.

Регулирование холодопроизводительности компрессоров. Тепло-вая нагрузка холодильных камер может меняться в широких пределах в зависимости от количества и температуры поступаю­щих продуктов, температуры окружающей среды и других фак­торов. Холодопроизво-дительность устанавливаемых компрессоров выбирают с расчетом поддержания требуемых температур при наиболее трудных условиях.

В небольших фреоновых установках непосредственного испа­рения производительность компрессоров регулируют одновременно с регулированием температуры охлаждаемого объекта методом пуска и остановок при соответствующих значениях одного из ре­гулируемых параметров.

В машинах с рассольным охлаждением наиболее удобным парамет-ром для регулирования производительности компрессора является тем-пература рассола при выходе из испарителя. В случае уменьшения теп-ловой нагрузки температура рассола в испарителе быстро понижается до нижнего заданного предела и регулятор температуры (например, типа ТДДА), размыкая цепь катушки магнитного пускателя, останав-ливает электродвигатель компрес­сора. При повышении температуры до верхнего заданного предела регулятор температуры включает вновь компрессор в работу. Чем больше тепловая нагрузка на испаритель (охлаждающие батареи), тем продолжительнее работает компрессор. Изменением коэффи­циента рабочего времени достигается необходимая Автоматическое регулирование холодильных установок 327

средняя про­изводительность компрессора.

В средних и крупных установках система содержит большое количество батарей, предназначенных для охлаждения многих по­мещений. При достижении заданных температур в отдельных помещениях часть охлаждающих батарей должна быть выключена н холодопроизводительность компрессоров соответственно умень­шена.

Наиболее приемлемым в таком случае является многопози­ционное (ступенчатое) регулирование путем изменения рабочего объема, описы-ваемого поршнями компрессоров. В установках с несколькими компрес-сорами многопозиционное регулирование осуществляют включением и выключением отдельных компрессо­ров, управляемых регуляторами температуры со смещенными пределами настройки. Наличие двух одинаковых компрессоров позволяет получить три ступени холодо-производительности: 100- 50-0%. Два компрессора АВ-100 и АУ-200 дают четыре ступени холодопроизводительности: 100-67-33-0%. Ступенчатое регули­рование многоцилиндровых непрямоточных комп-рессоров воз­можно выключением из работы отдельных цилиндров путем отжатия всасывающих клапанов специальным механизмом, управляе­мым реле низкого давления.

Значительно реже применяют плавное регулирование производитель-ности компрессора-дросселированием всасываемого пара, изменением величины мертвого объема компрессора и т. п. Эти спо­собы энергетичес-ки невыгодны. Сравнительно перспективным является метод регулирова-ния холодопроизводительности измене­нием числа оборотов компрессора (применение многоскоростных электродвигателей).

Регулирование подачи хладагента в испаритель. Независимо от величины тепловой нагрузки приборы автоматического регули­рования должны обеспечивать правильное заполнение испарителя холодильным агентом. Избытка жидкости в испарителе допускать нельзя, так как это приводит к снижению экономичности работы и к возникновению гидравлического удара («влажный ход»).

В случае недостатка жидкости некоторая часть поверхности не исполь-зуется, что также ухудшает режим работы вследствие понижения темпе-ратуры испарения.

Приборами, регулирующими подачу жидкости в испаритель, являются терморегулирующие вентили ТРВ и поплавковые регу­лирующие вентили ПРВ. В этих же приборах осуществляется процесс дросселирования жидкости.

Основной тип изготовляемых терморегулирующих вентилей –мембран-ные, в металлическом корпусе. Схема включения ТРВ приведена на рис. 195. Действие прибора зависит от перегрева пира, выходящего из испари-

328 Автоматизация холодильных установок

теля. Отсутствие перегрева указывает на излишек жидкости в испарителе и на возможность попадания ее во всасывающую линию и в компрессор. В этом случае ТРВ автоматически прекращает подачу жидкости в испаритель. Боль­шой перегрев паров хладагента при всасывании является, наобо­рот, признаком недостатка его в испарителе. При этом условии ТРВ усиливает подачу жидкости.

В аммиачном вентиле ТРВА термобаллон (чувствительный элемент прибора) заполнен фреоном-22, близким по рабочим давлениям к амми-аку. Термобаллон плотно прикрепляют к всасывающему трубопроводу; он имеет температуру паров аммиака, выходящих из испарителя.

Автоматическое регулирование холодильных установок 329

При изменении температуры давление в термобаллоне меняется. Клапан вентиля механически связан с мембраной, на которую сверху действует давление пара из термобаллона, передаваемое по капилляр-ной трубке, а снизу - давление из испарителя по урав­нительной трубке (через штуцер 7). От разности указанных дав­лений, пропорцио-нальной перегреву пара на выходе из испари­теля, зависит перемещение мембраны, а вместе с тем и открывание клапана, регулирующего пода-чу жидкости в испаритель. Аммиак поступает в ТРВА через штуцер 10. Дросселирование совершается и клапанном отверстии и частично в дроссельной трубке 8, ко­торая обеспечивает более спокойное и равно-мерное протекание агента через вентиль.

Во время работы машины ТРВА поддерживает постоянный перегрев пара; соответствующей настройкой величину перегрева можно менять в пределах от 2 до 10° С. Настройка осуществляется при помощи винта 4 и связанных с ним регулировочных зубчатых колес. При вращении винта меняется натяжение пружины 3, противодействующей открыванию клапана.

ТРВА позволяет надежно регулировать подачу аммиака в ис­парители разных типов при температурах кипения от 0 до -30° С. Питание ко-жухотрубных испарителей для охлаждения рассола настраивают при небольших перегревах (от 2 до 4° С). Выпу­скаются разные модели ТРВА, рассчитанные на холодопроизводительность от 6 до 230 квт (~5-200 Мкал/ч).

ТРВ на 12-190 квт 10-160 Мкал/ч) для фреоновых уста­новок по конструкции близки к вентилям типа ТРВА. В малых фреоновых маши-нах применяют мембранные ТРВ без уравни­тельных линий.

Регулирование подачи аммиака в испарители и сосуды со сво­бодным уровнем жидкости возможно при помощи поплавковых регулирующих вентилей низкого давления ПРВ (рис. 196).

ПРВ устанавливают на том уровне, который желательно поддержи-вать в испарителе (или другом сосуде). Корпус прибора соединяют с испарителем уравнительными линиями (жидкостной и паровой). Изменение уровня жидкости в испарителе приводит к изменению уровня в корпусе ПРВ. Одновременно меняется положение поплавка внутри корпуса, что вызывает перемещение клапана и изменение площади сечения для протока жидкости из конденсатора в испаритель.

В поплавковых вентилях непроходного типа холодильный агент пос-ле дросселирования в клапанном отверстии поступает непосредственно в испаритель, минуя поплавковую камеру. В вен­тилях проходного типа хладагент после дросселирования посту­пает в поплавковую камеру, а из нее отводится в испари­тель.

330 Автоматизация холодильных установок

Автоматическое регулирование холодильных установок 331

ния уровня жидкости в испарителях и сосудах. В отличие от вен­тилей низкого давления ПР-1 можно устанавливать на разных уровнях по отношению к испарителю и конденсатору.

К корпусу вентиля приварен штуцер, соединяющий вентиль с нижней частью конденсатора. Внутри корпуса расположен поплавок, связанный при помощи рычага с игольчатым клапаном. Аммиак через отверстие в седле клапана, канал и дроссельную трубку проходит к выходному

штуцеру и через него в трубопровод к испарителю. Внутри корпуса вентиля имеется капиллярная трубка. Верхний конец ее открыт, а нижний при помощи каналов соединен с дроссельной трубкой. Давле-ние в вентиле устанавливается немного ниже, чем в конденсаторе; жидкость из него поступает в корпус вентиля. Под действием жидкости поплавок всплывает. Чем больше жидкости поступает в корпус поп-лавка, тем больше открывается клапан для прохода ее в испаритель. При пользовании вентилем типа ПР-1 конденсатор свободен от жидкос-ти. Поэтому количество аммиака в системе должно быть таким, чтобы при полном перетекании аммиака в испаритель уровень жидкости в нем находился не выше, чем между первым и вторым сверху рядами труб испарителя. При таком заполнении

332 Автоматизация холодильных установок

исключается опасность попадания жидкого аммиака во всасы­вающую линию и создаются благоприятные условия для интен­сивного теплообмена в испарителе.

Для позиционного регулирования уровня жидкости в аппара­тах холодильной установки часто используют регуляторы уровня косвенного действия, состоящие из дистан-ционного указателя уровня (например,

ДУ-4, РУ-4, ПРУ-2) и управляемого им со­леноидного вентиля. Эти прибо­ры вклю-чают в схему (рис. 198) так, что в случае чрезмерного повышения уровня жидкости в аппарате дистанционный ука­затель раз-мыкает электриче­скую цепь управления солено­идного вентиля и он закры­вается, прекратив подачу холо­дильного агента в испаритель.

Если же уровень жидкости в испарителе понизится по сравне­нию с оп-тимальным, то дистанционный указатель снова замкнет электрическую цепь соленоидного вентиля; подача жидкости будет возобновлена.

Регулирование подачи охлаждающей воды на конденсатор.

Вода на конденсатор подается через водорегулирующий вентиль

(рис. 199), поддерживающий приблизительно постоянное давле­ние и температуру конденсации при разных нагрузках. Давление конденса-ции воспринимает мембрана вентиля или сильфон, изме­няющие положение шпинделя и сечение для прохода воды. В уста­новках с градирнями водорегулирующие вентили не применяют.
Автоматическая защита и сигнализация 333

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

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.

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.