Автоматизация систем кондиционирования воздуха

В процессе эксплуатации судна изменяются параметры наружного воздуха и температура забортной воды, причем температура и влажность воздуха меняются не только в зависимости от местонахождения судна и времени года, но и от времени суток. Холодо и теплопроизводительность кондиционеров в летнем и зимнем режимах должна изменяться в соответствии с потребностью в большем или меньшем охлаждении или нагреве воздуха в этих постоянно меняющихся климатических условиях с тем, чтобы обеспечить поддержание комфортных условий в помещениях. Эту задачу по поддержанию заданных или изменяющихся по заданному заказу параметров (t и φ) обработанного воздуха выполняет система автоматического регулирования.

Температуру воздуха tв2 на выходе из кондиционера можно изменить следующими способами:

регулируя количество хладоносителя (хладона или холодной воды, рассола), проходящего через воздухоохладитель летом, или теплоносителя (пара, горячей воды), проходящего через воздухонагреватель зимой;

обводя часть воздуха мимо теплообменника (воздухонагревателя или воздухоохладителя) с помощью байпаса (обводного канала) с регулирующей заслонкой;

уменьшая поверхность теплообменника путем отключения отдельных его секций и др.

Наибольшее распространение получила схема автоматического регулирования с изменением количества тепло или хладоносителя, проходящего через теплообменник. Она выгодно отличается от других своей простотой и относительно низкой стоимостью. В схемах такого типа обеспечение заданной температуры воздуха tв2 на выходе из кондиционера достигается: зимой — изменением подачи теплоносителя в ВН или ВРД; летом (в системах с промежуточным хладоносителем) — регулированием количества охлаждающей воды или рассола, прокачиваемого через ВО (путем байпасирования или уменьшения проходного сечения клапана), а при непосредственном охлаждении — изменением массы хладона, проходящего через воздухоохладитель. В соответствии с Санитарными правилами в судовых помещениях должна поддерживаться относительная влажность в пределах φпом=40-60%, т. е. зона комфорта по этому параметру достаточно широка. В летнем режиме работы кондиционера параметры воздуха на выходе из него таковы, что φпом поддерживается в пределах 40—60% без специального регулирования, а только путем поддержания заданной температуры tв2 на выходе из кондиционера. В зимнем же режиме воздух в кондиционере должен увлажняться, что требует применения средств автоматического поддержания за кондиционером φпом=40-60%. Автоматическое регулирование в системах кондиционирования воздуха осуществляется регуляторами температуры прямого действия, а также пневматическими, электрическими и смешанными системами автоматического регулирования.

Регулятор температуры прямого действия. Прибор применяют для регулирования температуры воздуха за воздухонагревателями центрального кондиционера путем изменения подачи к ним пара или горячей воды. Приборы имеют термочувствительную систему, заполненную незамерзающей жидкостью, и работают по принципу изменения объема этой жидкости в зависимости от изменения температуры. На рис. 8.14 показана схема установки регуляторов. Каждый регулятор имеет два термобаллона: основной: Об и дополнительный ДБ. Регулятор температуры РТВ1 обеспечивает поддержание постоянной температуры воздуха tв1| за ВН1, например 15°С, независимо от температуры наружного воздуха. Его основной термобаллон ОБ1 расположен в потоке воздуха за ВН1, дополнительный ДБ — в потоке наружного воздуха на входе в кондиционер. Прибор РТВ2, регулирующий подачу теплоносителя в ВН2, изменяет по заданному закону температуру tв2 за ВН2 в зависимости от температуры наружного воздуха tнар. Основной термобаллон ОБ2 регулятора РТВ2 расположен за ВН2, а дополнительный ДБ2 — в потоке наружного воздуха. РТВ2 в отличие от РТВ1 реагирует на изменение tнар, потому что объем его

Рис. 8.14. Схема установки регуляторов температуры прямого действия на центральном кондиционере двухканальной СКВ

термобаллона ДБ2 в 2,5 раза больше объема баллона ДБ1 (при равных объемах основных баллонов Об).

Устройство регулятора на рис. 8.15 состоит из термосистемы, регулирующего клапана и задатчика. Термосистема (термобаллоны Об и Дб, соединительные трубки 2 и 15 и пространство снаружи сильфона 3) герметична, заполнена незамерзающей жидкостью (в данном приборе ацетоном) и закрыта пробкой 1. Термобаллон Об совмещен с задатчиком 12. При изменении температуры термобаллонов меняется объем жидкости в термосистеме, нарушается равновесие системы, что приводит к изменению подачи теплоносителя в ВН. Например, при понижении температуры объем жидкости в термосистеме уменьшается, давление жидкости на сильфон 3 также уменьшается и под действием пружины 10, штока клапана 6, толкателя 5 и штока 4 сильфон 3 растягивается, а клапан 7 увеличивает подачу пара или горячей воды в ВН. При повышении температуры происходит обратное. Места установки основных и дополнительных термобаллонов хорошо видны на рис. 8.8, а.

Регуляторы на заданную температуру настраивают вращением ручки 13 (см. рис. 8.15). При этом изменяется длина (и объем) сильфона 11. Рабочая жидкость находится снаружи сильфона 11, поэтому изме­нение его объема (при той же тем­пературе воздуха) приводит к изме­нению давления на сильфон 3 ре­гулировочного клапана. Соответ­ственно изменится подача тепло­носителя в ВН.

Рис. 8.15. Регулятор температуры

Например, поворот рукоятки 13 в сторону увеличения температуры, указанной на шкале 14, сопровождается уменьшением объема сильфона 11. Для настрой­ки РТВ1 следует вращением ручки 13 установить указатель на шкале 14 против желаемой температуры за ВН1 (см. рис. 8.14), например 17 °С. Через 5—8 мин работы кондиционера в автоматическом режиме проверить по контрольному термометру температуру tв1. Если tв1 от­личается от желаемой больше, чем на 1,5°С, ручкой 13 довести tв1 до заданного значения. Характеристики регуляторов РТВ1 и РТВ2 показаны на рис. 8.16 и 8.17.

Заводская настройка РТВ2 обес­печивает работу регулятора в соот­ветствии с характеристикой, пока­занной сплошной линией. Из графи­ка видно, что если, например, тем­пература на входе в кондиционер tнар= -10°С, то рекомендуемая тем­пература на выходе из ВН2 tв2 = (37±1,5)°С; при tнар =+5°С, tв2= (30±1,5)°С и т. д. Для регуля­тора РТВ2 шкала является относи­тельной и, если термометр за ВН2 показывает температуру, отличающуюся от той, которая определена по графику, необходимо ручкой 13 довести tв2 до нужного значения. Регуляторы типа РТВ (РТВ5 и РТВ6) (см. рис. 8.15) можно применять также для регулирования подачи холодной воды (рассола) в воздухоохладители. Для этого конструкцию прибора изменяют таким образом, чтобы тарелка клапана 7 находилась по другую сторону седла 9, запрессованного в корпус 8. Тогда при повышении температуры термобаллонов регулирующий клапан будет не уменьшать, а увеличивать открытие, что и требуется в такой ситуации.

Широкое распространение на судах зарубежной постройки получили для тех же целей регуляторы температуры прямого действия типа «Клориус» (Швеция) и «Мертик» (Польша). Эти приборы имеют несколько иную конструкцию, но принцип их работы не отличается от рассмотренного выше. В качестве рабочей жидкости в них применяются в первом — глицерин, во втором — соляр. Термобаллоны прибора могут иметь вид спирали. Воздух увлажняется в зимнем режиме автоматически с помощью гигрометрических или психрометрических датчиков, которые вырабатывают импульс, приводящий в действие исполнительный механизм увлажнительного устройства. Им может быть соленоидный вентиль, установленный на паровом или водяном трубопроводе. В целях упрощения широко применяют также полуавтоматический способ увлажнения: увлажнитель У (см. рис. 8.14) подключают за РТВ1. При увеличении расхода пара на ВН1 пропорционально увеличивается и подача пара к увлажнителю. Дополнительное регулирование может быть произведено вручную запорным вентилем перед увлажнителем.

Автоматическое регулирование при непосредственном охлаждении кондиционера.

При изменении атмосферных условий меняется тепловая нагрузка воздухоохладителей. Так, при понижении температуры наружного воздуха тепловой поток через поверхность воздухоохладителя снижается. Ввиду этого интенсивность кипения хладона в змеевиках ВО также уменьшается. В воздухоохладителе образуется меньше (по массе) пара, чем отсасывает компрессор. В результате давление P0 , температура кипения t0 и температура воздуха tв2 на выходе из кондиционера снижаются.

При повышении температуры наружного воздуха происходит обратное: Pо, t0 и tв2 повышаются. Автоматическое регулирование в системах с непосредственным охлаждением сводится к поддержанию такого значения Pо (в некотором интервале), которое бы обеспечило необходимую температуру на выходе из кондиционера tв2. Такой интервал в высоконапорных СКВ для хладона R12 составляет Pо = 0,22 - 0,28 МПа, что соответствует температурам кипения t0 = 3~6 °С, для низко и средне-напорных СКВ P0 = 0,24 - О,32 МПа (t0 4-9°С); для хладона R22 тот же интервал температур кипения t0 требует более высоких давлений: для высоконапорных СКВ P0=0,45 - 0,51 МПа, для остальных Ро=0,47 -= 0,54 МПа.

Таким образом, для поддержания на заданном уровне Pо (Pвс) при его снижении холодопроизводительность компрессора должна быть снижена. Тогда соответственно снизится количество всасываемого из воздухоохладителя пара, а значение Po останется в заданных пределах. При повышении Po (Pвс) холодопроизводительность компрессора должна быть соответственно увеличена. Для изменения холодопроизводительности компрессора применяют дросселирование пара хладона на линии всасывания, перепуск пара из нагнетательного во всасывающий трубопровод, изменение частоты вращения компрессора или числа работающих цилиндров компрессоров с изменяемой холодопроизводительностью, т. е. все те способы, что и в провизионных холодильных установках, кроме цикличной работы.

Рис. 8. 18 Принципиальная схема автоматического изменения холодопроизводительности компрессора фирмы «Сабро» в СКВ

Последний применяют только при рассольном охлаждении воздухоохладителей. Перечисленное было рассмотрено в п. 6.4.

Остановимся подробнее на схе­мах автоматического изменения холодопроизводительности компрессо­ра путем изменения числа его рабо­тающих цилиндров, так как этот способ получил наиболее широкое распространение в СКВ.

На рис. 8.18 показана принци­пиальная схема автоматического изменения холодопроизводительности (устройство компрессора такого типа было рассмотрено в п. 2.6, см. рис. 2.25). Напомним, что каж­дая пара цилиндров компрессора снабжена механизмом отжима вса­сывающих клапанов. При отсут­ствии давления масла, всасываю­щие клапаны принудительно отжаты от своих седел и соответствующая пара рабочих цилиндров отключена. Сразу после пуска компрессора мас­ло от масляного насоса 1 поступает в исполнительные цилиндры па 1 и 4 рабочих цилиндров, толкатели опускаются, всасывающие клапаны освобождаются и эти цилиндры работают, обеспечивая холодопроизводительность, равную 50% номинальной. К всасывающей трубе компрессора через коллектор 2 подсоедены два оперативных реле давления ОРД 3 и 4, управляющих работой золотников 7 и 8, соединенных в одном блоке. От шестиреного насоса 1 масло постоянно поступает через окна В и Д в среднюю полость обоих золотников. При повышении Рвс ОРД4 замкнет цепь котушки соленоида 6, сердечник и золотник переместятся в верхнее положение (как показано на рисунке) и масло через окно 1 поступит к паре 3 цилиндров, повышенная холодопроизводительность машины до 75% номинальной. Па­ра 2 цилиндров при этом остается отключенной, так как исполнитель­ный цилиндр механизма разгрузки этой пары цилиндров через окна Б к А сообщен с картером ком­прессора. В случае дальнейшего по­вышения Рвс ОРДЗ включит соле­ноид 5 и поднимет левый золотник 7. Тогда масло от насоса через окна В и Б поступит к паре 2 цилиндров и компрессор выйдет на номиналь­ную холодопроизводительность. При снижении теплового потока через поверхность испарителя система срабатывает в обратном порядке: сначала ОРДЗ обесточит соленоид 5, масло из исполнительного ци­линдра пары 2 сойдет в картер, и эта пара выключится из работы, а затем при дальнейшем снижении температуры наружного воздуха аналогично отключится пара 3 ци­линдров компрессора. Понятно, что ОРДЗ настроен на более высокие давления, чем ОРД4. Значения, на которые настраиваются ОРД, нахо­дятся в рекомендованном выше интервале давлений.

Каждая холодильная машина, входящая в состав СКВ, всегда снабжается также приборами за­щиты, отрегулированными по давле­нию всасывания, по давлению на­гнетания (в данной схеме их функ­ции совмещает двухблочное РД) и по дифференциальному давлению масла — реле контроля смазки РКС.

Теперь рассмотрим показанную на рис. 8.19 схему изменения холодо-производительности, в которой функ­ции оперативных реле давления и соленоидов выполняют другие регулирующие устройства. Полость снаружи сильфона 11 сообщается трубкой 10 со всасывающим трубо­проводом компрессора. При высо­ком тепловом потоке через поверх­ность воздухоохладителя давление всасывания велико, сильфон 11 сжат,

(В последующих схемах автоматиза­ции СКВ приборы защиты не показаны), а игольчатый клапан 9 открыт не­значительно. Золотник 18 давле­нием масла от насоса 19, наве­шенного на вал компрессора, удер­живается в крайнем правом поло­жении (как показано на рисунке). Масло поступает под давлением по трубкам 16 и 5 в полость 4 серво­механизма, установленного на кла­панной плите компрессора, и удер­живает в верхнем положении кол­пак 3, обеспечивая работу этого цилиндра компрессора с полной холодопроизводительностью. Одно­временно масло подается по труб­кам 14 и 15 к сервомоторам вто­рого и третьего цилиндров компрес­сора. По мере уменьшения давления всасывания уменьшается давление и снаружи сильфона 11. Пружина 13, растягивая сильфон 11, пере­местит клапан 9 вниз и увеличит слив масла из левой полости золот­ника 18 во всасывающий трубо­провод компрессора и оттуда в кар­тер. Золотник, перемещаясь влево под воздействием пружины 17, сооб­щает трубопровод 16 сервомеханиз­ма с картером компрессора. При этом ввиду уменьшения давления масла в полости 4 колпак 3 под воздействием пружины 6 опустится вниз, а толкатели 8 упрутся в крыш­ку 7, нагруженную пружиной 6, и отожмут кольцевой всасывающий клапан 2 вниз до ограничителя 1. Цилиндр будет выключен из работы.

Если ряс продолжает уменьшать­ся, то золотник 18, перемещаясь влево, соединит сервомеханизм сле­дующего цилиндра с картером ком­прессора, и этот цилиндр также вы­ключится, и т. д. Включение цилинд­ров осуществляется в обратном по­рядке. Пуск компрессора произ­водится с отключенными цилиндра­ми, так как при отсутствии давле­ния масла золотник 18 находится в крайнем левом положении. Давле­ние кипения, которое должно под­держиваться в воздухоохладителе, регулируется винтом 12 пружины 13.

На судах отечественной построй­ки широкое применение в установках кондиционирования воздуха имеют компрессоры типа ФУ-РЭ, ФУУ-РЭ с электромагнитным отжи­мом всасывающих клапанов. Рас­смотрим схему автоматизации СКВ, в которых центральный кондицио­нер обслуживается 8-цилиндровым компрессором ФУУ-8ОРЭ (рис. 8.20). Первые три пары /, //, /// цилиндров имеют устройство для отключения цилиндров, следовательно, мини­мальная холодопроизводительность компрессора 25%. Допустим, что в данный момент тепловой поток через поверхность воздухоохлади­теля максимален, и в работу вклю­чены все 8 цилиндров. При сниже­нии теплового потока давление всасывания начинает снижаться. При Рвс, например, 0,24 МПа опе­ративное реле давления ОРД, уста­новленное на всасывающей стороне компрессора, срабатывает на раз­мыкание контактов. При этом устрой­ства, размещенные в шкафу авто­матического управления и регули­рования агрегата, обеспечат подачу импульса 24 В на катушки пары / цилиндров компрессора, что приве­дет к притягиванию всасывающих клапанов к ограничительным зуб­цам и выключению из работы этой пары цилиндров; холодопроизводительность снизится до 75%. Одно­временно это же ОРД посылает импульс на реле времени РВ, ко­торое входит в состав программного устройства, размещенного в шкафу управления. Реле времени через установленные промежутки времени повторяет полученную от. ОРД команду. Допустим, что установка на реле времени соответствует 5 мин. Это означает, что через 5 мин реле времени выключит дополнительно пару /// цилиндров, снизив холодо­производительность до 50% (рабо­тают пары // и IV). Так будет происходить до тех пор, пока в ре­зультате уменьшения холодопроизводительности

Рис. 8.20. Функциональная схема измене­ния холодопроизводительности компрессора ФУУ 80РЭ в СКВ (штриховыми линиями показаны электропровода цепи управления производительностью компрессора)

компрессора Рвс не повысится до значения, установлен­ного при настройке ОРД, например до 0,28 МПа. Тогда контакты ОРД замыкаются и подача импульса 24 В на катушки пары /// цилиндров прекращается (вместо него по­дается импульс размагничивания 6 В), всасывающие клапаны этой пары цилиндров освобождаются и холоденроизводительность компрес­сора увеличивается на 25%, то есть до 75%. Одновременно ОРД при­водит в исходное положение реле времени, которое с этого момента через каждые 5 мин подает им­пульс на включение последующей пары цилиндров и так до тех пор, пока в результате увеличения числа работающих цилиндров Рне не сни­зится в нашем примере до 0,24 МПа. Тогда контакты ОРД разомкнутся. Пуск компрессора производят при минимальной холодопроизводительности 25%. Одновременно с вклю­чением двигателя компрессора при работе на 25- и 50%-ной холодо-производительности происходит ав­томатическое открытие соленоидного вентиля СВ1. При работе на 75- и 100%-ной холодопроизводительности открывается также СВ2. Вы­ключение каждой ступени холодопроизводительности сопровождается включением лампочки на лицевой части шкафа управления.

Аналогично ведется регулирование в установках с компрессорами ФУ-4ОРЭ Разница в том, что у компрессора ФУ-4ОРЭ каждая ступень равна холодопроизводительности одного (а не двух) цилиндров.

Свои особенности имеет схема автоматизации СКВ (рис. 8.21; с 4-цилиндровым бессальниковым компрессором типа Н2, работающий па хладоне R22, широко применяемым на судах постройки Г'ермнии. Компрессор имеет 4 ступени холодопроизводительности. С этой целью три его цилиндра снабжены устройством для принудительной отжима всасывающих клапанов, который осуществляется давлением пара хладона из конденсатора. При уменьшении температуры tв2 на выходе воздуха из центрального кондиционера электронный регулятор холодопроизводительности открывает соответствующий соленоидныый вентиль и направляет пар на отжим клапана, тем самым уменьшая холодоироизводительность компрессора. Устройство для отжима всасываюших клапанов надежно срабатывает при разности давлений по

обе стороны отжимающих поршень­ков Рнаг – Рвс=0,5 МПа. При по­вышении Рвс происходит закрытие соответствующих соленоидных вен­тилей; пар хладона, оказывающий давление на отжимающие поршень­ки всасывающих клапанов, посте­пенно просачивается через зазоры в полость всасывания, всасываю­щий клапан освобождается, и ци­линдр включается в работу. Таким образом, импульсы от электронного регулятора производительности, по­даваемые на включение ступеней холодопроизводительности, испол­няются с замедлением на 3 мин 40 с.

Работа системы автоматического регулирования поясняется данными табл. 8.2.

Если установка переведена на ручное регулирование, то регулятор температуры не работает и ступени холодопроизводительности переклю­чают вручную; при

этом для пере­ключения на последующую ступень увеличивают на единицу число

Таблица 8.2 Варианты работы компрессора типа Н2

Примечание.

1-я ступень (пуск) работают цилиндры А1 цилиндры А2, В1, В2 отключены. Подача жидкого фреона в воздухоохладитель ВО осуществляется через соленоидный вентиль СВ3. Холодопроизводительность компрессора 25%.

2-я ступень: закрытием СВ1 введен в работу цилиндр А2; отключены цилиндры В1 и В2. Подача жидкого фреона в испаритель переведена с СВ3 на СВ4, имеющий большое проходное сечение. Холодопроизводительность компрессора 50%.

3-я ступень: в результате переключение соленоидных вентилей работают три цилиндра А1, В1, В2, отключен только цилиндр А2. Холодопроизводительность 75%.

Понятие о пневматической и электрической системах автоматического регулирования СКВ. Широкое распространение для автоматического регулирования СКВ как в летнем, так и в зимнем режимах получили пневматические САР. На рис. 8.22 показана структурная схема типа РАР фирмы «Хонвейвёлл» (США), которым оборудован центральный кондиционер одноканальной круглогодичной СКВ с каютными электрическими доводчиками. Автоматика здесь обеспечивает регулирование температуры, влажности воздуха на выходе из кондиционера и давление его в магистральных воздухопроводах. Для работы САР используется воздух от судовой системы низкого давления 0,6 МПа. Воздух проходит через редукционную станцию /, где давление его снижается до 0,15 МПа. очищается в фильтре и поступает к приборам автоматики.

В зимнем режиме регулирование температуры воздуха на выходе из воздухонагревателя ВН осуществляется в зависимости от температуры воздуха на входе в кондиционер. Датчик 16 помещен в потоке наружного воздуха. Пневматический рабочий сигнал зависит от температуры и соответственно изменяющегося давления от 0,02 до 0,1 МПа. От датчика 16 он поступает на вход регулятора 6. Одновременно на вход регулятора 6 поступает пневматический сигнал от датчика 9, установленного на выходе из кондиционера. В измерительном устройстве регулятора этот сигнал сравнивается с сигналом от датчика 16. Обобщенный, преобразованный в соответствии с заданным законом регулирования усиленный сигнал подается через пневмоманнипулятор 4 на сервомотор с регулирующим клапаном 7. Клапан изменяет подачу пара на воздухонагреватель ВН, что изменяет температуру воздуха на выходе из конди-ционера tв2. Регулирование производится изменением уставки задания на датчике 9. Система приходит в равновесие при достижении заданной температуры. Влажность воздуха, выходящего из кондиционера, регулируется с помощью датчика 10, регулятора влажности 5 и исполнительного клапана 8. При изменении влажности, воспринимаемой датчиком, соответственно изменяется пневмосигнал, поступающий на регулятор 5. В регуляторе сигнал от датчика сравнивается с внутренним сигналом от задатчика, их разность преобразуется, усиливается и подается через пневмоманнипулятор 3 на сервомотор с регулирующим клапаном 8, который изменяет расход пара на увлажнитель У. Источником холода в рассматриваемой схеме является ХМ, имеющая регулируемую холодопроизводительность (за счет изменения числа работающих цилиндров компрессора). Переключение ступеней холодопроизводительности осуществляется двухступенчатым электронным регулятором температуры 15 с диапазоном регулирования 13—19°С. Регулятор через распреелительный щит 17 управляет работой электропневматического реле 2, воздействующего на механизм изменения холодопроизводительности компрессора. Постоянное давление воздуха в нагнетательных воздухопроводах 14 поддерживается автоматическим пневморегулятором статического давления 13, который, получая импульс от датчика давления 12, воздействует на пневматический клапан 11, регулирующий выпуск части воздуха из магистрали в атмосферу.

Помимо пневматической САР «Хонейвелл» на судах применяются пневматические и смешанные САР «Транслог» и «Уналог». Все эти системы автоматического регулирования по своей функциональной схеме одинаковы, отличие заключается в основном в конструкциях элементов САР. В качестве элементов, определяющих закон физического воздействия на регулирующий орган, могут применяться микропроцессорные схемы.

В электрических САР в качестве исполнительных органов, регулирующих подачу рассола в воздухоохладители или пара в воздухонагреватели, широко применяются моторные клапаны. Электрический сигнал от датчика температуры, установленного на выходе из кондиционера, поступает на регулятор температуры, где сравнивается с внутренним сигналом от задатчика регулятора. В результате нарушения равновесия в мостовом измерительном блоке регулятора получается сигнал рассогласования, который преобразуется в командный сигнал на открытие или закрытие на определенное значение мотор- ного клапана. В результате мотор­ный клапан занимает положение, при котором подача хладо- или теплоносителя обеспечит темпера­туру на выходе из кондиционера, установленную при настройке на задатчике регулятора температуры.