В схеме ХУ предусмотрены изменения температуры кипения в диапазоне 275…280 К и температуры конденсации в диапазоне 303…309 К. Схема исследуемой ХУ, обеспечивающей функционирование СКВ в «летнем» режиме работы, приведена на
рис. 1.
Типовая ХУ представляет собой техническую систему, для исследования которой применим подход, опирающийся на использование термодинамического потенциала процессов превращения энергии в системе. Для оценки энергоэффективности оборудования ХУ применен обобщенный показатель энергетической эффективности или эксертетический КПД (ηе).
Применение эксергетического анализа позволяет выбрать энергетически эффективный режим работы автоматизированной ХУ путем технико- и термодинамического сравнения различных вариантов с последующей термодинамической оптимизацией режимов работы установки.
При проведении термодинамического анализа использовался статический уровень решения задачи, при котором система рассматривалась на каждом этапе как находящаяся в стационарном состоянии.
Анализ был проведен аналитическими методами по размерным и безразмерным показателям реальной ХУ, с учетом того, что при проектировании установки основные ее параметры выбираются для экстремальных условий эксплуатации. К таким параметрам относятся расход рассола, фреона, степень подогрева рассола, температурный перепад между температурой воздуха на выходе из воздухоохладителя и рассола на его входе и т.д.
Эксергетический КПД ХУ с агрегатами СКВ, работающей в «летнем» режиме, определяется:
где Eв, Eво, Eрн, Eи, Eкм, Eк, Eнзв — эксергия, подводимая к двигателю вентилятора; отводимая от воздуха в воздухоохладителе; подводимая к двигателю рассольного насоса; отводимая от рассола в испарителе; подводимая к двигателю компрессора, к охлаждающей воде в конденсаторе, к двигателю насоса забортной воды соответственно;
ΣD — суммарные потери эксергии в соответствующих агрегатах схемы.
Эксергетический КПД каждого агрегата ХУ можно найти по формуле:
где n — индексы соответствующих агрегатов ХУ.
Эксергетические потери в ХУ обусловлены рядом причин. К основным факторам, влияющим на ηе, относят: необратимые теплообмены между хладагентом и рабочим агентом в испарителе, а также между хладагентом и окружающей средой повышенного потенциала в конденсаторе; сжатие в компрессоре перегретого пара хладагента по необратимой политропе вместо обратимого сжатия пара в идеальной установке.
Повысить ηе возможно, используя гибкую систему управления агрегатами ХУ, учитывающую ее конструктивно-технологические особенности. Прежде всего это термодинамический цикл исследуемой ХУ. Чем меньше процесс сжатия, тем выше его КПД, а также чем короче процесс охлаждения перегретого газа до состояния насыщения, тем также выше КПД.
Общее значение эксергетического КПД ХУ определяется с учетом продолжительности работы установки за «летний» период Т:
В формулах (1) и (2) часть параметров известна, другие измеряются на работающем объекте или определяются расчетным путем. Результаты предварительных затрат на функционирование агрегатов приведены в
табл. 1.
Используя расчетные зависимости ηе от потребляемой эксергии технологическими агрегатами ХУ, можно определять оптимальные величины изменяемых параметров, т.е. осуществлять их термодинамическую оптимизацию. Однако проведенный анализ ХУ, основывающийся только на термодинамических методах, имеет определенныеограничения. Исходя из этого, необходимо использовать «стоимость» эксергии.
В качестве критерия экономической эффективности ХУ можно использовать отношение приведенных затрат за время работы установки к выработанной за это время эксергии.
Приведенные затраты в формуле (4) при модернизации и эксплуатации ХУ могут быть определены:
где Nк — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений;
ΣК — суммарные капиталовложения;
m — коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию и текущий ремонт;
M — удельный расход топлива в судовой энергетической установке на функционирование ХУ;
ρзам — средневзвешенные замыкающие затраты на единицу эксергии;
ρm — удельные затраты на переработку топлива;
So — затраты на оборудование, ремонт, накладные расходы.
На основе полученных результатов термодинамического анализа и «стоимости» эксергии были определены оптимальные режимы функционирования агрегатов ХУ. Режимы работы ХУ исследовались на ЭВМ в широком диапазоне изменения: расходов хладоносителя; температур кипения и конденсации хладоносителя R22; температуры забортной воды; частот питающих напряжений двигателей компрессора и насосов.
Полученные результаты расчетов, направленные на улучшение потребительских характеристик и повышение энергоэффективности узлов и установки в целом, позволили создать САУ, обеспечивающую функционирование ХУ в экономичных режимах. Следует отметить, что технические системы современного уровня создаются на основе широкого использования программных средств САУ. Такие системы образуются интеллектуальными иерархическими уровнями. На верхних уровнях, обычно с помощью ПЭВМ, автоматизируются системы и процессы, имеющие достаточно сложный и общий характер, а на нижних — локальные системы, на базе микроконтроллеров (микропроцессоров) или других программируемых устройств. Все задачи реального времени выполняются локальной системой управления, а ПЭВМ используется для финальных расчетов и визуальной информации.
Расчетные значения эксергетических КПД, характеристики связей между отдельными частями ХУ, учет взаимодействия с окружающей средой, термодинамическая оптимизация установки и ее элементов послужили основой для дальнейшей работы по усовершенствованию ранее разработанной схемы [1]. Создание такой САУ обусловлено наличием десятков контролируемых и регулируемых параметров, необходимостью вычислений энергосберегающих режимов с учетом ηе и обеспечение работы оборудования ХУ в них, необходимостью управления преобразователями частоты электроприводов компрессора, насосов, требованиями защиты оборудования от аварийных ситуаций.
Локальные блоки САУ объединяют все управляющие и контролирующие функции. Автоматическая стабилизация состояний выходных переменных в условиях нестационарности теплообмена осуществляется изменениями потоков хладоносителей в аппаратах на основе использования специальных локальных регуляторов. При разработке локальных блоков САУ использовались экспериментально полученные переходные характеристики основных узлов ХУ. Проведенные исследования динамики, например воздухоохладителя (ВО), как объекта автоматизации позволили получить систему уравнений по каналам изменения энтальпии и влагосодержания.
Математическая модель ВО, звенья которой записаны в операторной форме, имеет вид:
Передаточные функции W1(P)... W7(P) в (6) представляют собой апериодические звенья первого порядка, коэффициенты передачи (К) и постоянные времени (Т) которых по соответствующим каналам передачи входных воздействий приведены в
табл. 2.
На
рис. 2 представлены используемые для получения модели (6) экспериментальные и расчетные кривые переходных процессов в ВО, определяющие зависимости изменения энтальпии воздуха на выходе теплообменного аппарата при:
1 — уменьшении холодопроизводительности (Q0);
2 — уменьшении расхода рассола (G…);
3 — увеличении энтальпии воздуха перед воздухоохладителем (I1).
Структурная схема ВО как объекта автоматизации, полученная в соответствии с моделью (6), приведена на
рис. 3.
Возмущающими воздействиями для ВО являются изменения энтальпии (ΔI1) и влагосодержания (Δd1) воздуха на входе агрегата. Управляющими воздействиями являются изменения расхода рассола (ΔG…) на стороне подачи в ВО. В качестве выходных параметров приняты изменения энтальпии (ΔI2) и влагосодержания (Δd2).
Математическая модель ВО имеет вид:
Результаты исследования статических и динамических свойств ВО как объекта автоматизации позволила разработать соответствующую схему регулирования. Структурная схема автоматического регулирования ВО изменением расхода хладоносителя (количественное регулирование) приведена на
рис. 4.
Как видно из
рис. 4, количественное регулирование (изменением расхода рассола через ВО) осуществляется с помощью регулятора 9, представляющего собой цифровое устройство, функционирующее в соответствии со схемой [2].
На вход регулятора подаются преобразованные в блоке 8 значения параметров температуры и относительной влажности воздуха в энтальпию и влагосодержание. Схема измерительного преобразователя 8 функционирует в соответствии с [2]. Электропривод 10 рассольного насоса выполнен на основе преобразователя частоты, реализующего скалярное управление.
Используя схему
рис. 4, с учетом рекомендаций [3], можно осуществить помимо количественного регулирования производительности ВО также качественное регулирование. При качественном регулировании используется управление трехседельным регулирующим клапаном 13 посредством редукторного электропривода 12. В результате такого регулирования изменяется температура рассола на входе в ВО.
При использовании разработанной САУ, обеспечивающей реализацию энергетически эффективных режимов приготовления охлажденного приточного воздуха регулированием процессов охлаждения, затраты энергии на выработку холода в ХУ и потребление ее в СКВ могут быть снижены до 40%.
Литература1. Вычужанин В.В. Эксергетический метод анализа эффективности комплекса система комфортного кондиционирования воздуха — холодильная установка // С. О. К. — 2005. — № 2.2. Вычужанин В.В. Устройство определения теплосодержания/влагосодержания воздуха на основе ПЛИС // Приборы и системы управления, контроль, диагностика. — 2005. — № 2.3. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. — М., Машиностроение, 1978. 
