Изменение холодопроизводительности

КОМПРЕССОРОВ

Изменение холодопроизводительности компрессоров необходимо при решении основной задачи автоматизации - поддержании заданной температуры в объектах охлаждения.

Известны различные способы изменения холодопроизводительности. Одни из них осуществляются внешними устройствами, другие реализуются с помощью специальных узлов, конструктивно встроенных в компрессоры. Ниже рассматриваются способы изменения холодопроизводительности основных видов компрессоров: поршневых, винтовых и центробежных.

ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Поршневые компрессоры - наиболее распространенный тип холодильных компрессоров. Широкий диапазон холодопроизводительности (от сотен ватт до сотен киловатт), различные назначения и требования к установкам, где они применяются, обусловливают использование различных способов изменения холодопроизводительности. Главными из них являются «пуск - остановка», изменение числа работающих цилиндров, изменение частоты вращения вала компрессора, дросселирование всасываемого пара, байпасирование, или перепуск сжатого пара на всасывающую сторону.

Выбор того или иного способа зависит от принятой системы регулирования температуры в объекте, конструкции компрессора, типа привода и т.д.

Способ «пуск - остановка»

Подавляющее большинство поршневых компрессоров приводится в действие от асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. В связи с этим необходимо рассмотреть способ «пуск - остановка» компрессоров, снабженных только таким типом привода.

В зависимости от соотношения между вращающим моментом электродвигателя и моментом сопротивления компрессора различают прямой пуск и пуск с разгрузкой. При прямом пуске вращающий момент электродвигателя больше момента сопротивления компрессора. В этом случае для пуска достаточно выключить электродвигатель. Пуск с разгрузкой применяют, когда возможно превышение момента сопротивления над вращающим моментом электродвигателя. На время пуска искусственно разгружают компрессор, уменьшая момент его сопротивления.

Соотношение между вращающим моментом электродвигателя и моментом сопротивления компрессора можно выявить, располагая соответствующими характеристиками. Примерный вид этих характеристик в виде зависимостей моментов от частоты вращения вала компрессора представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Характеристики электродвигателя и компрессора

Характеристики электродвигателя показывают изменение вращающего момента при его запуске, когда частота вращения вала компрессора последовательно пробегает от нуля до рабочего значения. Теоретически при отсутствии момента сопротивления частота вращения n стремится к синхронной n_с.

n_с = 60f / p, (3.1)

где f - частота тока, Гц; р - число пар полюсов двигателя.

Характеристика компрессора описывает зависимость его момента сопротивления от частоты вращения. Пик момента при малой частоте вращения связан с малой эффективностью маховых масс и относится к мгновенным значениям момента.

Установившийся режим системы «электродвигатель - компрессор» наступает после пуска и соответствует точке пересечения характеристик электродвигателя и компрессора.

Пусть электродвигатель имеет характеристику М_ДВ1, а компрессор - М_КМ1. Поскольку характеристика М_КМ1 лежит ниже характеристики М_ДВ1 и пересекается с ней лишь на последнем участке, пуск может осуществляться напрямую без разгрузки. При этом система выйдет на устойчивый режим с частотой n_Р1.

Если же компрессор с характеристикой М_КМ1 приводится во вращение электродвигателем с характеристикой М_ДВ2, то пересечение характеристик произойдет уже при малых частотах, т.е. в начале пуска. Это означает, что электродвигатель не может вывести компрессор на номинальный установившийся режим. В этом случае пуск невозможен без разгрузки компрессора. С помощью специальных устройств на время пуска компрессор получает характеристику М_КМ2, которая лежит ниже характеристики М_ДВ2. В этом промежуточном состоянии электродвигатель может выйти на режим с частотой n_p2 и далее компрессору возвращается естественная характеристика М_КМ1 с установившейся частотой n_Р1.

Аналогичное положение может иметь место и при изменении во время запуска характеристики электродвигателя, например из-за большого падения напряжения при слабом источнике электроснабжения.

Если нормальному напряжению соответствует характеристика М_ДВ1, а пониженному - М_ДВ2, то для пуска компрессора с характеристикой М_КМ1 требуется разгрузка.

Компрессоры с прямым пуском. Если характеристика электродвигателя обеспечивает прямой пуск, то схема управления (рис. 3.2) содержит минимальный набор элементов: пускатель П, ключ KУ и кнопки Кн.У.

Рис. 3.2. Схема управления компрессором при прямом пуске

Всасывающий и нагнетательный вентили В₁ и В₂ компрессора Км остаются постоянно открытыми, вследствие чего никаких предварительных операций перед пуском осуществлять не требуется.

Ключ управления, предназначенный для выбора режима работы, имеет два положения: «Ручное управление» и «Автоматическое управление». В положении ключа «Ручное управление» пуск и остановку компрессора осуществляет обслуживающий персонал нажатием кнопок «Пуск» или «Стоп». Этот режим управления используют в особых случаях (наладка, пробный запуск и т.д.). В положении ключа «Автоматическое управление» электродвигатель Д включается и выключается по командам от регулирующего прибора РП, который имеет релейную (двухпозиционную) характеристику. Исходя из соображений безопасности, схему обычно строят так, чтобы кнопка «Стоп» действовала в обоих положениях ключа управления.

Компрессоры с разгрузкой при пуске. Разгрузку компрессора при пуске можно осуществлять несколькими методами, главными из которых являются байпасирование, или перепуск пара с нагнетательной на всасывающую сторону, и дросселирование всасываемого пара, а также комбинация этих методов (комбинированная схема).

Байпасирование. Этот метод обеспечивает разгрузку компрессора путем уменьшения разности давлений всасывания и нагнетания. Для байпасирования чаще всего используют электромагнитный вентиль ЭВ (рис. 3.3, а), представляющий собой двухпозиционное запорное устройство, которое открывается при подаче тока в электромагнит и закрывается при его отключении. На время пуска с помощью электромагнитного вентиля соединяют линии всасывания и нагнетания.

В дополнение к электромагнитному вентилю применяют обратный клапан ОК, расположенный на нагнетательной линии. Обратный клапан отсекает от компрессора конденсатор и другие аппараты при остановке компрессора.

Управление осуществляется теми же элементами, что и при прямом пуске. Дополнительно применяют реле времени РВ, которое задает время работы байпаса.

Рис. 3.3. Управление компрессором с разгрузкой при пуске методом байпасирования:

а - схема; б - график процесса пуска во времени

В зависимости от типа установки, режима ее работы, взаимного размещения элементов перед пуском может иметь место различное сочетание давлений всасывания р_вс и нагнетания р_н. При длительной стоянке давления могут сблизиться или даже сравняться. В то же время при нормальной циклической работе эти давления в течение нерабочей части цикла не успевают существенно измениться. Поэтому их можно принять равными рабочим. Такое же положение наблюдается и при работе компрессора в составе группы машин, присоединенных к одной испарительной системе.

Процесс разгрузки компрессора (рис. 3.3, б) следующий. Пусть к моменту пуска установки давление нагнетания равно давлению конденсации (р_н = р_к). При поступлении команды на пуск в момент времени τ₁ одновременно включаются электродвигатель компрессора Км и электромагнитный вентиль Эв. Давление р_н достаточно быстро понижается, так как электромагнитный вентиль сообщает нагнетательную полость со всасывающей, а обратный клапан отсекает давление р_к от компрессора. По мере набора скорости вращения вала компрессора давление р_н постепенно повышается до промежуточного р_пр, величина которого зависит от гидравлического сопротивления байпасной петли: чем это сопротивление меньше, тем меньше промежуточное давление, момент сопротивления компрессора и потребляемая мощность.

Процесс пуска завершается в момент τ₂, когда реле времени выключает электромагнитный вентиль. При этом давление нагнетания практически мгновенно повышается до р_к (строго говоря, эта величина выше на падение давления в обратном клапане). Обратный клапан открывается, и компрессор нагнетает пар в конденсатор. Время, в течение которого байпасный вентиль открыт, для различных машин составляет 10-20 сек.

Расчет требуемого размера электромагнитного вентиля сводится к определению допустимого значения давления р_пр и по нему допустимого перепада давления на вентиле. При выборе электромагнитного вентиля следует иметь в виду, что в закрытом положении он должен плотно закрываться во избежание потерь холодопроизводительности, а в открытом - должен выдерживать значительное повышение температуры (в некоторых случаях до 80-110 °С и даже выше).

В некоторых случаях, когда требуется уравнять давления всасывания и нагнетания до пуска компрессора, применяют схему с предварительным открытием электромагнитного вентиля. Для этого в схему управления включают дополнительное реле времени, которое и создает нужный интервал времени. Существуют также схемы, в которых байпасный вентиль открывается при остановке компрессора и остается в открытом положении на все время стоянки. В такой схеме не требуется дополнительного реле времени.

Дросселирование всасываемого пара. Этот метод применяют, когда за время стоянки давление в испарителе может повыситься до значений, вызывающих недопустимый момент сопротивления компрессора при пуске. Задача сводится к тому, чтобы отсос пара из испарителя происходил постепенно без превышения допустимого давления всасывания. Схема с регулятором давления представлена на рис. 3.4, а. Остальная схема управления не отличается от схемы прямого пуска.

Регулятор РгД, представляющий собой регулятор давления «после себя», воспринимает давление на своем выходе и в зависимости от его изменений переставляет клапан. Статические характеристики П-регулятора представлены на рис. 3.4, б. График построен в координатах «давление всасывания р_вс - расход хладагента G_а». Каждая из кривых относится к определенному давлению кипения в испарителе, т.е. к давлению на входе в регулятор. В пределах зоны пропорциональности (неравномерности) σ расход хладагента примерно линейно зависит от давления р_вс при р_о = соnst. За пределами этой зоны зависимость имеет параболический характер.

Пуск компрессора осуществляется с открытыми всасывающим и нагнетательным вентилями. Предположим, что к моменту пуска давления в испарителе и перед компрессором одинаковы р_вс = р₀ = р₁. При этом регулятор настроен на поддержание после себя давления не выше допустимого р_д. Эти величины нанесены на график процесса пуска (рис. 3.4, в). Из сопоставления давлений видно, что настройка регулятора лежит ниже начального давления. Следовательно, в это время клапан регулятора полностью закрыт.

Рис. 3.4. Пуск компрессора с разгрузкой методом дросселирования:

а - схема; б - статические характеристики П-регулятора; в - график процесса пуска во времени

В момент времени τ₀ включается электродвигатель компрессора, и последний быстро отсасывает участок всасывающей линии после регулятора, давление р_вс уменьшается до р_д. В дальнейшем компрессор постепенно понижает давление в испарителе р_о. Давление р_вс будет незначительно понижаться в пределах неравномерности. При этом будет обеспечиваться работа компрессора в процессе пуска при давлении всасывания не выше допустимого. По мере уменьшения давления в испарителе клапан регулятора открывается, пока не откроется полностью. На этом процесс пуска завершается. В открытом положении на клапане регулятора остается падение давления ∆р, характеризующее регулятор как гидравлическое сопротивление и позволяющее оценить вызываемые им энергетические потери при нормальной работе холодильной машины.

Комбинированная схема. Этот метод применяют в случаях, когда при пуске возникают большие разности давлений и большие давления в испарителе. Работа такой схемы не отличается от работы рассмотренных выше схем.