СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СУДОВОЙ ПРОВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ

Полезная модель относится к холодильной технике, а именно к системам регулирования холодильной машины провизионной камеры, предназначенной для хранения пищевых продуктов.
Система регулирования предназначена для применения в холодильной машине, обеспечивающей работу провизионной камеры на судах различного типа, в том числе судах рыбопромыслового флота.
При работе холодильной машины судовой провизионной камеры возможно ее функционирование в достаточно широком диапазоне тепловых нагрузок, определяемых, в первую очередь, режимом работы - режимом захолаживания или режимом хранения пищевых продуктов.
В режиме захолаживания холодильная машина судовой провизионной камеры работает на максимуме своей холодопроизводительности для обеспечения минимального времени выхода на рабочий режим хранения, после выхода на который и загрузки продуктов потребная холодопроизводительность определяется только теплопритоками из внешней среды, которые должны быть компенсированы для поддержания заданной температуры хранения. Как правило, фактическая величина теплопритоков не превышает 50…60% холодопроизводительности машины на расчетном режиме, при этом регулирование производится путем включения/выключения компрессора холодильной машины, т.е. ее работа происходит в циклическом режиме. Данная система обладает рядом недостатков, а именно: невозможностью обеспечить высокую точность поддержания температуры в рабочем объеме, необходимостью частого включения и выключения машинных элементов и, как следствие, периодической работой в условиях высоких пусковых токов и плохих условиях смазки кинематических пар холодильного компрессора, что снижает его надежность и ресурс.
Из технического уровня известен способ регулирования (URL: http://bitzer.ru/sravnenie_sposobov_regulirovaniya_holodoproizvoditelnosti_kompressorov, дата обращения 23.04.2018 г.) путем изменения частоты вращения вала компрессора с помощью преобразователя частоты (частотного инвертора) для асинхронных двигателей, используемых в приводах холодильных компрессоров.
Преимуществами такого способа являются: плавное регулирование производительности в широком диапазоне, высокая точность регулирования, снижение числа пусков компрессора, а также потенциальное увеличение холодопроизводительности компрессора посредством превышения синхронной частоты (в отличие от прямого энергоснабжения). Кроме этого указанный способ обеспечивает значительно меньший пусковой ток при полном крутящем моменте, снижает механические нагрузки на компрессор и улучшает условия смазки.
К недостаткам способа нужно отнести недостаточную энергетическую эффективность применительно к работе компрессора в составе судовой холодильной машины провизионной камеры, включающей также воздухоохладители с электрическими вентиляторами для обеспечения циркуляции воздуха в рабочем объеме провизионной камеры, поскольку производительность вентиляторов не регулируется, и они постоянно работают на режиме максимальной производительности, что не является необходимым.
В качестве ближайшего аналога к предлагаемой системе принят способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха (RU Патент №2509678, опубликовано 10.06.2013 г.). В данном техническом решении при различных тепловых нагрузках на систему происходит включение-выключение компрессора, изменение количества работающих компрессоров или регулирование оборотов компрессора. В зависимости от величины заданной температуры хладоносителя устанавливают определенное давление кипения хладагента путем регулирования изменения частоты вращения привода компрессора.
К недостаткам прототипа нужно отнести неполную минимизацию потребляемой мощности холодильной машины, обусловленную тем, что регулированию с изменением частоты подвергается только холодильный компрессор.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в минимизации энергопотребления холодильной машины судовой провизионной камеры.
Дополнительный технический результат выражается в снижении «инееобразования» на ребрах воздухоохладителя при уменьшении производительности вентиляторов (снижении расхода циркулирующего воздуха), что позволяет увеличить интервалы между оттайками и дополнительно снизить энергопотребление на оттайку воздухоохладителей.
Для достижения заявленного технического результата решается задача создания системы регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры, обеспечивающей одновременное регулирование производительностей компрессора и вентиляторов воздухоохладителя в соответствии с фактической тепловой нагрузкой. Система регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры обеспечит автоматическое регулирование производительности компрессора за счет изменения частоты вращения привода компрессора и регулирование производительности вентиляторов воздухоохладителя в зависимости от температуры воздуха в рабочем объеме и режима работы (захолаживания или хранения) за счет снижения частоты вращения их привода при режиме хранения до 40% от номинальной.
Краткое описание чертежей.
Принципиальная схема системы регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры приведена на фиг. 1, где:
1 - холодильный компрессор;
2 - преобразователь частоты вращения холодильного компрессора;
3 - водяной насос охлаждения конденсатора;
4 - преобразователем частоты вращения привода водяного насоса охлаждения конденсатора;
5 - конденсатор;
6 - программируемый блок управления;
7 - датчик температуры воздуха в провизионной камере;
8 - электронный терморегулирующий вентиль;
9 - датчик перепада давления по воздуху на входе и выходе воздухоохладителя;
10 - вентилятор воздухоохладителя;
11 - преобразователем частоты вращения электродвигателя вентилятора воздухоохладителя;
12 - воздухоохладитель с ТЭНами оттайки;
13 - датчик давления хладагента после воздухоохладителя;
14 - датчик температуры перегрева хладагента после воздухоохладителя;
15 - датчик температуры конденсации хладагента.
Система регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры предназначена для применения на судах различного типа, в том числе судах рыбопромыслового флота, и включает (фиг. 1) программируемый блок управления (поз. 6), холодильный компрессор (поз. 1) с преобразователем частоты вращения холодильного компрессора (поз. 2), водяной насос охлаждения конденсатора (поз. 3) с преобразователем частоты вращения привода (поз. 4), конденсатор (поз. 5), датчик температуры воздуха в провизионной камере (поз. 7), электронный терморегулирующий вентиль (поз. 8), датчик перепада давления по воздуху на входе и выходе воздухоохладителя (поз. 9), вентилятор воздухоохладителя (поз. 10) с преобразователем частоты вращения электродвигателя вентилятора (поз. 11), воздухоохладитель с ТЭНами оттайки (поз. 12), датчик давления хладагента после воздухоохладителя (поз. 13) на всасывании в компрессор, датчик температуры перегрева хладагента после воздухоохладителя (поз. 14), датчик температуры конденсации хладагента (поз. 15). Машины и аппараты системы, относящиеся к холодильному контуру соединены между собой технологическими трубопроводами для обеспечения течения хладагента и жидкости для охлаждения конденсатора. Датчики и прочая микроэлектронная аппаратура являются типовыми серийно выпускаемыми изделиями, характерными для применения в системах охлаждения и (или) замораживания.
Система регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры работает следующим образом. Программируемый блок управления (поз. 6) принимает значения от датчиков температуры конденсации хладагента (поз. 15), температуры воздуха в объеме провизионной камеры (поз. 7), температуры перегрева хладагента после воздухоохладителя (поз. 14), перепада давления воздуха в воздухоохладителе (поз. 9), давления всасывания хладагента (поз. 13) и, в зависимости от режима работы, отправляет управляющий сигнал на исполнительные механизмы (поз. 2, поз. 4, поз. 8, поз. 11, поз. 12). В режиме захолаживания провизионной камеры для ускорения процесса выхода на режим хранения компрессор (поз. 1), водяной насос охлаждения конденсатора (поз. 3) и вентилятор воздухоохладителя (поз. 10) работают на своей номинальной производительности. При достижении требуемой температуры воздуха в провизионной камере система регулирования переходит в режим хранения. В этом режиме частота вращения вентилятора воздухоохладителя (поз. 10) зависит от показания датчика температуры воздуха в провизионной камере (поз. 7) и управляется платой ШИМ (широтно-импульсная модуляция), которая получает сигнал ПИД-регулятора, заложенного в программируемый блок управления (поз. 6). При снижении частоты вращения вентилятора воздухоохладителя (поз. 10) снижается подводимая теплота к воздухоохладителю (поз. 12), что приводит к снижению давления всасывания, измеряемого датчиком (поз. 13), что в свою очередь ведет к снижению частоты вращения электродвигателя холодильного компрессора (поз. 1) с помощью преобразователя частоты вращения (поз. 2), который также получает сигнал ПИД-регулятора, заложенный в программируемый блок управления (поз. 6). Снижение частоты вращения компрессора (поз. 1) снижает расход хладагента в холодильной системе, следовательно, падает тепловая нагрузка на конденсатор (поз. 5) и требуется меньший расход воды, обеспечиваемый водяным насосом (поз. 3). Программируемый блок управления (поз. 6) в зависимости от показаний датчика температуры конденсации хладагента (поз. 15) отправляет сигнал на преобразователь частоты вращения водяного насоса (поз. 4). Уменьшение расхода хладагента приведет к увеличению его перегрева после воздухоохладителя, который высчитывается в программируемом блоке управления (поз. 6) по показаниям датчиков (поз. 13 и поз. 14). При увеличении перегрева программируемый блок управления (поз. 6) отправляет сигнал «на закрытие» на шаговый двигатель электронно-расширительного вентиля поз. 8. Таким образом, система переходит в стационарный режим работы, что позволяет снизить потребляемую мощность установки в сравнении с режимом циклической работы путем включения/выключения. Низкая частота вращения вентилятора воздухоохладителя (поз. 10) позволяет снизить «инееобразование» на воздухоохладителе (поз. 12) и снизить частоту включения ТЭНов оттайки. Регулирование оттайки выполняется с помощью программируемого блока управления (поз. 6) по сигналу датчика перепада давления воздуха (поз. 9).
3
Из расчета холодильной машины судовой провизионной камеры полезным объемом 16 м и температурой хранения минус 18°С получаем:
Теплоприток в провизионную камеру при температуре окружающей среды плюс 35°С равен:
Коэффициент рабочего времени ориентировочно равен:
Требуемая холодопроизводительность холодильной машины:
Из формул определения критериев Рейнольдса и Нуссельта для теплообмена при турбулентном потоке воздуха следует, что:
где α - коэффициент теплоотдачи, определяющий общую теплопередачу воздухоохладителя, эквивалентную холодопроизводительности, w - скорость потока воздуха через воздухоохладитель.
Т.к. скорость потока воздуха прямо пропорциональна частоте вращения вентилятора, то:
где  - номинальная частота вращения вентилятора воздухоохладителя.
Отсюда следует, что требуемая частота вращения вентилятора на стационарном режиме (режиме хранения)  (снижение от номинальной составляет 40%).
Потребляемая мощность вентилятора пропорциональна частоте вращения в кубе с учетом падения КПД:
вент.стац.
где W - потребляемая мощность вентилятора при стационарном режиме (режиме хранения),
вент.ном.
3
W - номинальная мощность вентилятора, принята для судовой провизионной камеры полезным объемом 16 м равной 200 Вт,
кпд
β - коэффициент, учитывающий падение КПД, равный 4.
3
Таким образом, экономия электроэнергии при использовании рассматриваемой системы регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры полезным объемом 16 м за один год:
Система регулирования холодильной машины судовой провизионной камеры основана на применении массовых серийно выпускаемых комплектующих элементов (датчиков температуры, давления, частотных инверторов и ШИМ-регуляторов соответствующей мощности и др.).
Предлагаемая система регулирования может успешно применяться для холодильных камер с различными температурными режимами хранения в широком диапазоне значений полезного объема при соответствующих: выборе комплектующих элементов и настройке программируемого блока управления.