Способы решения основной задачи автоматизации

Задача поддержания температуры появляется тогда, когда на объект действуют внешние воздействия, изменяющиеся во времени. Температура в объекте t_в имеет тенденцию изменяться с изменением наружной температуры t_н. Таким образом, основная задача состоит в том, чтобы компенсировать изменения внешних воздействий и добиться постоянства величины t_в.

Принимаются те же упрощающие условия, что и в предыдущем подразделе, и дополнительные: t_в = t_вз = соnst, т.е. основная задача решена (t_вз - заданное значение). Для описания поведения установки пользуются той же системой уравнений (2.1)-(2.3). Очевидно, что графики этих функций упростятся и будут иметь вид, представленный на рис. 2.2. Элементы установки выбирают таким образом, чтобы при максимальной нагрузке Q₂ рабочая точка I₂ располагалась на пересечении характеристик Q_км и Q_и. Следовательно, при меньших нагрузках для поддержания условия t_в = t_вз должны быть приняты специальные меры для сохранения условия Q_об = Q_и = Q_км. Этого можно достичь двумя способами: искусственным повышением тепловой нагрузки на объект либо уменьшением холодопроизводительности холодильной машины.

Рис. 2.2. Упрощенные статические характеристики

Сущность первого способа состоит в том, что в объект вводят управляемый нагреватель. Если внешняя температура t_на ниже предельной t_н2, то вносимая в объект извне теплота Q_об = Q_а < Q₂. Недостающую часть теплоты Q_т = Q₂ - Q_а должен дать нагреватель. Этот способ находит весьма ограниченное применение из-за высоких энергетических потерь, и в дальнейшем не рассматривается.

Сущность второго способа заключается в том, что рабочая точка характеристики холодильной машины перемещается в соответствии с нагрузкой на объект, причем это перемещение происходит по линии Q_и (эта линия остается неизменной из ранее принятого условия k_иF_и = соnst). Так, при внешней температуре t_на режим холодильной машины определяется рабочей точкой I_а. Отсюда следует, что задача будет решена, если характеристика компрессора Q_км изменится так, что точка ее пересечения с Q_и совпадет с I_а. Это означает, что при втором способе основная задача решается изменением характеристики компрессора, который является регулируемым элементом холодильной установки. Этот способ энергетически более совершенен, так как в общем случае для производства меньшего количества холода компрессор затрачивает меньше энергии.

Приведенные рассуждения относятся и к некомпрессионным холодильным установкам, например абсорбционным, в которых регулируемым становится основной энергопотребляющий элемент - генератор.

Различают две основные системы изменения холодопроизводительности: плавную и позиционную (ступенчатую). Плавная система может обеспечить любое значение холодопроизводительности между максимальным и минимальным. Позиционная система меняет холодопроизводительность скачками (ступенями). В зависимости от числа ступеней различают двух-, трех- и многопозиционные системы.

Существует также позиционное регулирование, приближающееся по своим свойствам к плавному. Это имеет место, когда размах колебаний очень мал, а их частота относительно велика.

Плавное изменение холодопроизводительности в компрессионных установках может реализовываться с помощью внешних и встроенных устройств.

К внешним относят регулирующие устройства (например, регулирующие клапаны), устанавливаемые на всасывающей линии компрессора или на линии перепуска с нагнетательной стороны на всасывающую. Клапаны на всасывающих линиях дросселируют пар перед компрессором, снижая его массовую производительность, а перепускные или байпасные клапаны возвращают часть сжатого пара на всасывание, в результате чего уменьшается количество пара, отсасываемого из испарителя. К внешним устройствам относят также плавно регулируемые приводы компрессоров (например, регулируемые электродвигатели постоянного или переменного тока, паровые или газовые турбины и т.д.).

Встроенными являются устройства, изменяющие внутренние параметры компрессоров. В поршневых компрессорах могут применяться золотники, сообщающие полость цилиндра с всасывающей плотностью и плавно изменяющие ход сжатия, а также устройства, плавно изменяющие мертвый объем цилиндров. В винтовых компрессорах регулирующие золотники изменяют ход сжатия винтов. В центробежных компрессорах применяют регулируемый входной направляющий аппарат.

В теплоиспользующих установках для плавного изменения холодопроизводительности используют исключительно регулирующие клапаны, изменяющие расход греющих или охлаждающих сред. Так, в абсорбционных установках регулирующие клапаны устанавливают на линии подачи пара или другой греющей среды в генератор.

Позиционное изменение холодопроизводительности в основном используют в установках с поршневыми компрессорами. Наиболее распространенным является способ «пуск - остановка» компрессора. Если в установке один компрессор, то осуществляется двухпозиционное регулирование, если несколько - многопозиционное.

Широко распространен способ изменения холодопроизводительности отключением части цилиндров в многоцилиндровых компрессорах. В зависимости от числа цилиндров такой способ позволяет создать системы с тремя, четырьмя и более ступенями холодопроизводительности. Если переключение цилиндров осуществляется с достаточно высокой частотой, то такая позиционная система по своим свойствам оказывается близкой к плавной.

Одним из возможных способов является применение многоскоростных электродвигателей с соответствующими схемами управления.

Реализация основной задачи автоматизации фактически сводится к выбору способа изменения холодопроизводительности и созданию соответствующих систем регулирования. При этом принимают во внимание различные технико-экономические факторы, характеризующие холодильные установки: первоначальную стоимость, долговечность, простоту, надежность в эксплуатации, затраты труда на эксплуатацию и ремонт, энергетическую эффективность и др.