Холодильная установка для системы кондиционирования воздуха с регулируемой производительностью - Журнал С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование

Тепловлажностная обработка и перемещение воздуха в системе кондиционирования воздуха (СКВ) требует значительных расходов теплоты, холода и электроэнергии. В условиях изменяющихся параметров воздушной среды холодильная установка (ХУ) наряду с вентилятором предопределяют основные эксплутационные затраты (потребление электроэнергии) СКВ. В целях снижения потребления электроэнергии вентиляторным агрегатом СКВ обычно осуществляется его регулирование. Оно основывается на теоретических и экспериментальных исследованиях процессов и оборудования, специфических для количественного регулирования [1-3]. Однако при регулируемом расходе воздуха существуют особенности управления поверхностным воздухоохладителем кондиционера, связанные с тем, что он «работает» при переменной температуре, энтальпии охлаждаемого воздуха и коэффициенте влаговыпадения. Поэтому, прилагая управляющее воздействие к воздухоохладителю, необходимо изменять расход хладоносителя через него.
Особенность систем с регулируемым расходом хладоносителя заключается в том, что в любой момент времени должны выполняться следующие условия:

производительность кондиционера точно соответствует общим теплопоступлениям в обслуживаемые СКВ помещения;
тепловая нагрузка (холодо производительность) воздухоохладителя (при непосредственном охлаждении) должна быть равна холодопроизво дительности обслуживающей его хо лодильной машины (компрессора).

В результате задача регулирования холодо производительности компрессора сводится к поддержанию равенства холодо производительностей компрессора и воздухоохладителя в зависимости от внешней тепловой нагрузки на воздухоохладитель. Если ХУ проектируется с запасом на холодопроизводительность 20 % и более, компрессоры с регулируемой производительностью при пиковой нагрузке будут эффективнее в эксплуатации, чем обычные установки без регулирования, т.к. последние теряют эффективность при неполной нагрузке [4]. Изменять производительность компрессорного агрегата можно несколькими способами: управлением впускных и выпускных клапанов; изменением скорости вращения приводного двигателя. Второй способ является наиболее экономичным, что обусловлено такими факторами: работа механического трения сокращается пропорционально уменьшению производительности; при уменьшении частоты вращения уменьшаются скорости газа в клапанах и трубопроводах, вследствие чего сокращаются межступенчатые потери давления и индикаторная работа одного цикла становится меньшей; более интенсивное охлаждение газа в цилиндрах, вызванное удлинением периода цикла, также уменьшает величину индикаторной работы одного цикла. Общая мощность компрессора уменьшается почти пропорционально уменьшению производительности.
Вопросу регулирования производительности компрессорного агрегата путем изменения скорости вращения приводного двигателя компрессора крупные фирмы-производители уделяют существенное внимание. Примером такого подхода является серия компрессоров Octagon компании «Битцер» [5].

На рис. 1 показано изменение рабочего процесса поршневого компрессора Octagon для разных частот вращения. Изменение давления (Р) в компрессоре происходит при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндрической камере сжатия. При более высокой степени сжатия коэффициент подачи падает, причем главным образом из-за увеличения влияния процесса обратного расширения. При обратном расширении работа передается на коленчатый вал, происходит охлаждение газа и изоэнтропический КПД компрессора уменьшается, но не так сильно, как коэффициент подачи. Это свойство характерно только для поршневых компрессоров. Объемная производительность при глубоком охлаждении заметно падает, что влияет на выбор рабочего объема поршневого компрессора. Тот же эффект может наблюдаться в случаях привода компрессора от двигателя с изменяемой частотой вращения.
Холодопроизводительность поршневого компрессора может быть определена по формуле:

где U1 — удельный объем всасываемого компрессором газа;
G0 — количество циркулирующего хладоносителя;
q0 – количество тепла, отводимого от охлаждаемого объекта;
w – скорость вращения вала компрессора;
z – число цилиндров компрессора;
S – ход поршня;
D – диаметр цилиндра.
Количество (расход) циркулирующего хладоносителя с учетом коэффициента подачи определяется по формуле:

где — коэффициент подачи.
В соответствии с (2) при увеличении скорости вращения вала компрессора коэффициент подачи уменьшается (степень сжатия повышается).
Очень часто в схеме ХУ используют компрессоры с переменной скоростью вращения, но в остальном установка эксплуатируется также, как установка с постоянной скоростью. Обычная технология эксплуатации ХУ с постоянной скоростью не может полностью использовать все возможности, предоставляемые установкой с переменной скоростью вращения, из-за различий в показателях производительности ХУ с постоянной и переменной скоростью вращения.

   На рис. 2 приведена схема ХУ на основе поршневого компрессора, насосных агрегатов с регулируемыми скоростями вращения. В качестве прототипа выбрано оборудование центрального неавтономного кондиционера типа КВ63/25 (ООО «Завод Экватор» г. Николаев), функционирующего в «летнем» режиме. Кондиционер оснащен воздухоохладителем ОВВМ с промежуточным хладоносителем холодопроизводительностью 100 кВт, расходом охлаждающей воды 5,97 кг/с (с температурой от 2 °С).
Центральный кондиционер обслуживает ХУ, оснащенная одноступенчатым сальниковым непрямоточным компрессором Sabroe типа SMC – 104L холодопроизводительностью 165 кВт (с 20 %-м запасом). Число оборотов – 1500 об/мин, потребляемая мощность – 43,9 кВт, число цилиндров – 4, диаметр цилиндра – 100 мм, ход поршня – 100 мм. В качестве хладоносителя используется R22. Условия эксплуатации при температуре наружного воздуха от 20 до 45 °С. Температура конденсации +30 °С. Температура переохлаждения жидкого фреона – 10 °С.
    Схема ХУ (рис. 2), состоит из поршневого компрессора – 1, испарителя – 2, дросселирующего устройства – 3, конденсатора – 4, насоса охлаждающей воды – 5, рассольного насоса – 6. Поверхностный воздухоохладитель кондиционера – 7 (пластинчато-трубный). На рис. 2 также показаны вентилятор – 8, кондиционируемое помещение 9, а также электроприводы вентилятора 10, насосов 11 и 13 и компрессора 12. Расход хладоносителя через воздухоохладитель изменяется переменной
производительностью рассольного насоса. Расход хладоносителя через испаритель изменяется регулирующим дросселирующим устройством, а также в соответствии с (1) компрессорным агрегатом с изменяемой производительностью. Температура конденсации на выходе конденсатора изменяется регулированием насоса охлаждающей воды.
        В качестве дросселирующего устройства может применяться электронный расширительный клапан. Приводом клапана является шаговый двигатель, работающий по схеме, описанной в работе [6]. Игла клапана способна занимать любые из 2000 дискретных положений, что позволяет с высокой точностью задавать перепад давлений.
      В настоящее время, как правило, используется режим эксплуатации с поддержанием постоянной скорости охлаждающей воды в конденсаторе. Почти все принципы оптимальной эксплуатации при снижении нагрузки ХУ предусматривают отключение насоса охлаждающей воды одновременно с отключением компрессора. Если используются компрессоры с переменной скоростью вращения, такой подход неэффективен. То есть, чтобы одновременно использовать преимущества снижения температуры конденсации и снижать потребление энергии насосом, он должен также работать с переменной скоростью вращения.
Массовый расход воды, подаваемой насосом, можно определить по формуле:

где Uс – напряжение на зажимах фазных обмоток статора двигателя насоса;
S – скольжение двигателя;
Р – число полюсов двигателя;
R1 – активное сопротивление статора;
R2’ – приведенное активное сопротивление ротора;
х1 – реактивное сопротивление статора;
х2’ – приведенное реактивное сопротивление ротора;
f – частота сети;
wH – номинальная скорость вращения ротора двигателя;
— плотность воды;
Н – напор;
g – ускорение свободного падения;
H — удельный объем воды;
H , Д , ДH — КПД, соответственно, насоса, двигателя и передачи.
В формуле (3) учитываются параметры насосного агрегата, представляющего собой совокупность центробежного насоса и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Для изменения скорости вращения компрессора, насосов охлаждающей воды и рассольного наиболее эффективно использование электропривода на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутыми роторами с преобразователями частоты (ПЧ). В регулируемом электроприводе рекомендуются для использования ПЧ, реализующие скалярное управление [3], которое обычно выполняется посредством регулирования отношения напряжение/частота (U/f ) сети. За независимое воздействие принимают f, а значение напряжения при данной частоте определяет вид механической характеристики, значения пускового и критических моментов. Скалярное управление обеспечивает постоянство перегрузочной способности привода независимо от частоты напряжения, однако имеет место снижение развиваемого двигателем момента при низких частотах. Максимальный диапазон регулирования скорости вращения ротора при неизменном моменте сопротивления для приводов со скалярным управлением достигает 1:10.
В электроприводе насосов энергия, потребляемая электроприводом, пропорциональна частоте вращения в третьей степени. Отсюда следует, что если в процессе управления производительностью (при питании приводного двигателя от ПЧ) снижена частота напряжения от 50 до 40 Гц, то потребление энергии уменьшается почти в 2 раза.
На рис. 3 приведены характеристики насосного агрегата и сети при изменении скорости вращения приводного двигателя.

      Основным элементом ПЧ является инвертор, который в настоящее время строится с использованием транзисторов с изолированным затвором (JGBT). Впервые фирма «Тошиба» в 1980 г. выпустила на рынок установки, у которых частота вращения вала поршневого компрессора регулировалась электроприводом на основе электронного инвертора [7]. Он представляет собой устройство управления частотой вращения трехфазных двигателей переменного тока путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения. Чтобы регулировать частоту вращения, достаточно изменять частоту тока. Но с изменением частоты будет изменяться максимальный крутящий момент.
    Поэтому для сохранения неизменными перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одновременно с изменением частоты изменять и напряжение питания. Инверторный привод позволяет ограничить величину пускового тока двигателя. Для этого до статочно увеличить скважность импульсов напряжения на входе транзисторного каскада инвертора. В результате среднее за период напряжение, подводимое к обмоткам двигателя, уменьшается, вызывая уменьшение пускового тока. Скважность импульсов выбирается таким образом, чтобы пусковой ток не превысил номинальный ток двигателя. Пуск асинхронного двигателя при пониженном напряжении питания характеризуется уменьшением пускового момента. Это позволяет избежать ударных механических нагрузок и продлить ресурс компрессора.
    Ценным свойством ПЧ является удобство встраивания в систему АСУ ТП, т.к. микроконтроллеры системы управления имеют стандартные коммутационные порты, возможность создания удобного пользовательского интерфейса (RS-232, RS-422, RS-485). Для управления ПЧ можно использовать внешние программируемые логические контроллеры с использованием специального протокола.
Знакомство с различными типами ПЧ позволяет выбрать преобразователь с наиболее удобным интерфейсом пользователя, простыми процедурами программирования, дающими полную информацию о режимах работы привода. Для управления двигателями компрессоров и насосов ХУ рекомендуются следующие ПЧ: Altivar31 (Schneider Electric); Micromaster430 (Siemens); VLT6000 (Dаnfoss); PowerFlex400; GV300/SF.
    Работу систем управления насосными агрегатами, компрессором совместно с ПЧ рекомендуется осуществлять в соответствии с обобщенным прикладным алгоритмом, приведенным на рис. 4. В алгоритме заложен учет эксергетических потерь при управлении агрегатом, направленный на их минимизацию. При проведении эксергетического анализа ХУ, обслуживающей воздухоохладитель кондиционера, используется эксергетический КПД, определенный в [8]. Отдельно следует остановиться на выборе типа двигателя для ХУ, т.к. необходимо учитывать: максимально эффективную мощность механизма в расчетном режиме; условие передачи (частоту вращения механизма); пусковой момент (максимальный); окружающую среду и размещение агрегата, а также специфические требования, присущие холодильному агрегату. Электропривод холодильных поршневых компрессоров должен иметь запас мощности или обладать перегрузочной способностью, а также обеспечивать регулирование скорости компрессора. Выбор частоты вращения двигателем определяется типом передачи, частотой вращения вала компрессора и конструкцией агрегата.

В зависимости от типа нагрузки и правильности подбора всех компонентов ХУ уровень энергосбережения может меняться при частотном регулировании и достигать 15-20 %. Энергосбережение достигается за счет работы при более высоком, чем при традиционной схеме, давлении кипения и меньшем давлении конденсации.
ЧП позволяет производить плавный пуск компрессора, защищает электродвигатели от перегрузки и перегрева, имеет меньшее количество пусков/остановок компрессора, позволяет повысить его ресурс.
Помимо существенной экономии электроэнергии использование частотного регулирования насосов позволяет заметно упростить систему холодоснабжения с промежуточным хладоносителем. Система управления может поддерживать заданные температуру, давление, перепад давлений и т.д., изменяя производительность насоса.
Применение СКВ с регулируемой производительностью агрегатов ХУ позволяет более комфортно снижать температуру в помещении, значительно уменьшить потребление энергии и увеличить надежность оборудования.
Литература
1. Сотников А.Г. Системы кондиционирования и вентиляции с переменным расходом воздуха. – Л.: Стройиздат,1984.
2. Вычужанин В.В. Исследование характеристик судового центрального кондиционера // Холодильная техника. – 1984. – № 3.
3. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. – М.: Энергия,1980.
4. Guven H., Flynn I. Commissioning TES Systems. Heating, Piping, Air Conditioning Magazine. January, 1992.
5. Новые поршневые компрессоры «Octagon» // Холодильная техника. – 2004. – № 4.
6. Вычужанин В.В. Управление шаговым электродвигателем с помощью ПЛИС // Компоненты и технологии. – 2004. – № 3.
7. Air Conditioning // Heating and Refrigeration News. – 1987. – 171, № 6.
8. Вычужанин В.В. Эксергетический метод анализа эффективности комплекса комфортного кондиционирования воздуха – холодильная установка // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. – 2005. – № 3.