Если компрессор имеет явно повышенную холодопроизводительность по отношению к потребителям холода в данный момент, мы только что убедились, что в этом случае температура в охлаждаемом объеме быстро падает и переразмеренность компрессора приводит к его частым запускам и остановкам. Вдобавок к преждевременному механическому износу компрессора, частые пуски и остановки, обусловленные работой регулятора температуры, вызывают очень быстрые изменения температуры воздушной струи на выходе из испарителя, что является недопустимым, особенно в кондиционируемых помещениях, так как порождает многочисленные жалобы со стороны находящихся там людей.


Решение проблемы состоит в исключении частого повторения циклов "пуск-останов" за счет максимально возможного дробления полной холодопроизводительности. Так, вместо того, чтобы иметь один компрессор с мощностью 10 кВт, предпочтительнее установить 2 компрессора по 5 кВт каждый. Еще лучше будет иметь 10 компрессоров по 1 кВт каждый (см. рис. 31.1) или даже 20 компрессоров по 0,5 кВт каждый.
Конечно, по соображениям трудностей реализации и чрезвычайно высокой стоимости, слишком мелкое дробление мощностей нельзя считать целесообразным.

Следовательно, решение будет заключаться в определении максимально допустимого числа компрессоров и их оборудовании системой автоматического регулирования мощности, что позволит, снижая холодопроизводительность по мере падения потребностей в холоде, увеличить время работы компрессоров и уменьшить частоту циклов "пуск-останов".
Существует много систем регулирования холодопроизводительности, но мы будем наиболее подробно изучать регулятор производительности, представляющий собой автоматический клапан, широко используемый в установках малой и средней мощности. Работа такого регулятора основана на том, чтобы поддерживать почти постоянный перепад температур на испарителе, то есть увеличивать давление кипения, когда температура воздуха на входе в испаритель уменьшается (см. также раздел 3.1. "Испаритель с прямым циклом расширения. Нормальная работа ").
На вход регулятора подается высокое давление (ВД) из магистрали нагнетания, выход соединяется со всасывающей магистралью низкого давления (НД). Конструкция полости такова, что площади поверхностей сильфона и седла клапана одинаковы. Поэтому ВД действует с одинаковой силой как на сильфон (вверх), так и на клапан (вниз), в результате чего положение штока клапана не меняется при любой величине ВД (см. рис. 31.2).


Следовательно, остаются только две противодействующие силы: сила пружины, открывающая клапан, и сила НД, закрывающая его. Если НД начинает падать, это указывает, что температура понижается и, следовательно, компрессор становится переразмеренным. В этот момент сила пружины начинает преобладать над силой НД и регулятор производительности открывается, осуществляя постоянный перепуск хладагента из высоконапорной части контура в низконапорную, что снижает расход хладагента через испаритель.
Снижение расхода хладагента уменьшает холодопро-изводительность и одновременно замедляет падение окружающей температуры, что нам и требовалось осуществить.

Подключение регулятора производительности можно выполнить двумя различными способами. Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из этих способов.

А) Регулятор производительности с перепуском во всасывающую магистраль



При таком способе регулятор производительности (поз. 1 на рис. 31.3) устанавливается непосредственно между патрубками нагнетания и всасывания компрессора. Когда температура воздуха на входе в испаритель высокая (поз. 2), давление кипения (поз. 3) также достаточно высокое, чтобы удерживать регулятор в закрытом положении: компрессор работает на полную мощность.
При уменьшении температуры воздуха на входе в испаритель давление кипения начинает падать. Отслеживая это падение, регулятор постепенно открывается, перепуская перегретые пары из патрубка нагнетания во всасывающий патрубок, что сразу же ограничивает падение давления кипения.
Заметим, что расход хладагента через компрессор остается практически неизменным, каким бы ни было положение клапана регулятора, а расход через конденсатор, жидкостную магистраль и испаритель меняется в зависимости от того, насколько открыт регулятор.

Когда регулятор открыт, перепуск горячего газа во всасывающий патрубок приводит к снижению холодопроизводительности испарителя благодаря двум основным факторам:
Во-первых, расход хладагента через испаритель падает (часть хладагента перепускается минуя испаритель во всасывающий патрубок), тем самым снижая холодопроизводительность. Во-вторых, при повышении температуры кипения уменьшается температурный перепад между хладагентом и поступающим на вход в испаритель воздухом, что также снижает холодопроизводительность, поскольку ухудшается интенсивность теплообмена (в пределе, если хладагент имеет ту же температуру, что и воздух, теплообмен отсутствует и холодопроизводительность становится нулевой, см. рис. 31.4)

Когда уменьшаются потребности в холоде, регулятор производительности пропорционально снижает холодопроизводительность испарителя, время, необходимое для достижения температуры отключения компрессора, увеличивается и компрессор будет работать дольше, что уменьшает возможность возникновения пульсирующего режима работы компрессора под действием задающего термостата.

Б) Проблемы, связанные с перепуском горячего газа во всасывающую магистраль

Монтаж регулятора производительности с перепуском горячего газа непосредственно во всасывающий патрубок имеет некоторые недостатки, хотя и представляется исключительно безупречным.


На рис. 31.5 показана ситуация, когда потребности в холоде достаточно высоки. При этом регулятор производительности закрыт и компрессор всасывает газ, приходящий из испарителя, например, при температуре 15°С и нагнетает его в конденсатор при температуре 70°С (то есть перепад температур в компрессоре, обусловленный его работой, равен 55 К).
Как только давление кипения начнет падать, регулятор станет открываться и перепускать во всасывающий патрубок пары хладагента, перегретые до 70СС, что приведет к подъему температуры в точке 1 (например, до 25°С). Но так как работа сжатия не меняется (поскольку расход хладагента через компрессор остается постоянным), температурный перепад на компрессоре также не меняется и температура нагнетания достигнет 25 + 55 = 80°С.
Поскольку температура нагнетания повышается, па-                        Рис. 31.5.
ры, впрыскиваемые во всасывающий патрубок, становятся еще горячее, что вновь поднимает температуру в точке 1 (и так далее...).

Следовательно, температура всасываемых паров будет повышаться очень быстро и ее значение будет тем больше, чем больше будет открыт регулятор производительности.
Таким образом, непосредственный впрыск горячих паров во всасывающую магистраль следует считать неприемлемым, особенно для компрессоров со встроенным электродвигателем, охлаждение которого производится за счет всасываемых паров. В этом случае приходится охлаждать всасываемые пары, используя для этого специальный ТРВ, называемый ТРВ впрыска (см. рис. 31.6).


ТРВ впрыска (поз. /) контролирует температуру всасываемых паров с помощью своего термобаллона (поз. 2) и впрыскивает прошедшую через дроссельное отверстие ТРВ жидкость против потока во всасывающую магистраль (поз. 3) с тем, чтобы по возможности, наиболее эффективно охладить газ, всасываемый компрессором.
Таким образом, когда давление кипения уменьшается, что приводит к открытию регулятора производительности, термобаллон ТРВ впрыска реагирует на повышение температуры и тотчас же открывается ТРВ впрыска, чтобы с помощью переохлажденного хладагента поддержать температуру всасываемых паров в разумных пределах, позволяющих обеспечить нормальное охлаждение двигателя компрессора.
Заметим, что в зависимости от модификаций термобаллон ТРВ впрыска может устанавливаться как на всасывающей магистрали (поз. 2), так и на магистрали нагнетания (поз. 4). Ручной вентиль (поз. 5) позволяет регулировать максимальный расход жидкого хладагента, впрыскиваемого во всасывающий патрубок, таким образом, чтобы исключить любую возможность гидроударов в компрессоре, даже если ТРВ впрыска открыт полностью. Фильтр (поз. 6) часто устанавливается на жидкостной линии, чтобы защитить магистраль от возможных загрязнений, а электроклапан (поз. 7) позволяет избежать вредных последствий впрыска жидкости во всасывающую магистраль при остановках компрессора.

В) Регулятор производительности с перепуском на вход в испаритель

При таком способе регулятор производительности соединяется не со всасывающим патрубком компрессора, а с выходом ТРВ (см. рис. 31.7). Принцип работы при таком способе подключения регулятора абсолютно идентичен описанному выше, однако перепуск горячих газов в этом случае осуществляется не во всасывающую магистраль, а на вход испарителя.


Огромное преимущество такого монтажа заключается в том, что ТРВ продолжает поддерживать расход хладагента через себя в зависимости от температуры своего термобаллона и, следовательно, обеспечивает постоянство перегрева паров, выходящих из испарителя.
!
а
В результате газы, выходящие из испарителя, имеют абсолютно нормальную температуру, что позволяет без проблем обеспечивать охлаждение двигателя компрессора.
При таком способе, в отличие от описанного выше перепуска газа на вход в компрессор, установка ТРВ впрыска становится совершенно излишней.
Заметим, наконец, что расход хладагента, проходящего через испаритель и компрессор остается практически постоянным независимо от положения, в ко-
тором находится клапан регулятора производительности.
С другой стороны, также как и в предыдущем варианте, где впрыск производится во всасывающий патрубок компрессора, в конденсаторе и жидкостной магистрали расход переменный.

Г) Проблемы, связанные с перепуском газа на вход в испаритель

Большинство испарителей с прямым циклом расширения, мощность которых превышает несколько сотен ватт, представляют собой набор множества секций, соединенных в параллель и запитываемых при помощи специального распределительного устройства, называемого распределителем жидкости. Поэтому, при перепуске горячего газа на вход в испаритель, магистраль впрыска газа должна соединяться с магистралью подачи хладагента в испаритель только между выходом из ТРВ и входом в распределитель жидкости.

Однако в некоторых случаях такое подключение чревато возможностью срабатывания предохранительного реле НД, если расход горячего газа становится слишком большим, а подключение магистрали впрыска выполнено с помощью обычного тройника.
Такое явление возникает главным образом тогда, когда производительность регулятора превышает 40 % полной производительности.
Если вихри горячего газа в тройнике слишком интенсивные, жидкость с огромным трудом проходит через них и ее подача в испаритель ухудшается. Поскольку компрессор при этом продолжает всасывать с прежней силой, в испарителе с плохой подпиткой начинает падать давление кипения.
Падение давления кипения приводит к увеличению расхода перепускаемого газа, что еще больше усиливает вихреобразование и еще сильнее препятствует прохождению жидкости в испаритель (и так далее, пока не сработает предохранительное реле НД...).

Во избежание такого явления рекомендуется использовать специальный тройник, называемый газожидкостным смесителем  который обеспечивает получение равномерной смеси газа и жидкости на входе в распределитель жидкости.
Заметим также, что диаметр трубок, выходящих из распределителя жидкости, выбирался исходя из того, что каждая трубка должна пропускать определенный расход жидкости. Однако мы знаем, что при равной массе пары занимают горадо больший объем, чем жидкость (см. раздел 1. "Влияние температуры и давления на состояние хладагентов ").
Таким образом, если расход горячего газа становится слишком большим, диаметр трубок питания может оказаться недостаточным для пропуска такого количества газа, перемешанного с жидкостью, и в этих трубках резко возрастут потери давления. В таком случае может возникнуть необходимость замены распределителя жидкости (всякий, кто имеет уже установленный и запаянный распределитель жидкости, поймет что, проще ограничить расход газа и не трогать распределитель жидкости).
Наконец, обратим ваше внимание на то, что при таком способе перепуска предпочтительнее использовать распределители жидкости на основе трубок Вентури, которые обладают меньшими потерями давления, чем распределители жидкости диафрагменного типа, потери давления в которых гораздо более значительны.

Априори представляется более заманчивым перепускную магистраль регулятора производительности подсоединять между ТРВ и питателем, нежели к магистрали всасывания компрессора, поскольку это позволяет избежать использования (довольно сложного) ТРВ впрыска. Однако встречаются установки, с полным основанием оборудованные регуляторами с перепуском во всасывающую магистраль.
Итак, в каких случаях впрыск после ТРВ невозможен?

Решение

Ответ очень простой: впрыск после ТРВ невозможен, если установка состоит из нескольких испарителей, то есть если один компрессор обслуживает несколько испарителей.


Рассмотрим простой пример установки, оснащенной одним компрессором и несколькими испарителями, работающими при одной и той же температуре, но находящимися в разных помещениях (см. рис. 31.9).
Если температура в помещении, охлаждаемом испарителем EV.1, становится приемлемой, регулятор отключает его при помощи электроклапана VI в то время как другие испарители продолжают работать. Испаритель EV.1 больше не производит паров, а компрессор продолжает работать и давление кипения начинает падать.
Куда в этот момент следует производить впрыск горячих газов? В EV.2? В EV.3?.. (причем делать это надо автоматически, а сети могут быть и гораздо более сложными).
Наиболее простым и экономичным решением в данном случае является впрыск во всасывающий патрубок компрессора, что требует обязательного использования ТРВ впрыска.
Заметим также, что применение впрыска во всасывающую магистраль компрессора может иногда оказаться целесообразным, если испаритель находится слишком далеко от компрессора и требуется сократить длину перепускной магистрали.

Д) Общие проблемы, возникающие при использовании регуляторов производительности

При изменении расхода (а следовательно, и скорости) хладагента всегда возникают проблемы с обеспечением нормальной циркуляции масла в холодильном контуре и его возвратом в компрессор (см. раздел 37. "Проблемы возврата масла").
Однако, если регулятор производительности перепускает горячий газ на вход в компрессор (поз. 1 на рис. 31.10), то расход хладагента через испаритель становится переменным.

Поэтому диаметр и расположение всасывающих трубопроводов должны определяться гораздо более тщательно, особенно если испаритель расположен относительно далеко от компрессора или ниже него.
С другой стороны, если перепуск осуществляется между ТРВ и испарителем, расход хладагента через испаритель остается практически постоянным и опасность возникновения проблем с возвратом масла при этом снижается.
Однако, куда бы ни производился перепуск, расход хладагента (и скорость) в магистрали нагнетания, конденсаторе и жидкостной линии всегда будет переменным.
Если изменения скорости хладагента в жидкостной магистрали не создают серьезных проблем, то к значениям скорости в нагнетающей магистрали, особенно при наличии разности в уровнях, нужно относится чрезвычайно внимательно из-за опасности столкнуться с большими неприятностями, обусловленными плохим возвратом масла.

Заметим также, что независимо от способа перепуска переменным будет и расход хладагента через ТРВ.
Итак, если регулятор производительности полностью открыт и перепускает максимальное количество хладагента, расход последнего через ТРВ может упасть настолько, что появится опасность переразмеренности ТРВ (см. раздел 8.2. "Замечания по поводу пульсаций ТРВ").
Чтобы избежать такой опасности, рекомендуется выбирать регулятор производительности исходя из условия, при котором его пропускная способность не превышала бы 40% полной производительности компрессора.
Использование регуляторов производительности для изменения холодопроизводительности связано и с другим типом проблем, возникающих в вопросах потребления электроэнергии.
Попробуйте понять, что это за проблемы, до того, как продолжите чтение.


Пни любом способе перепуска хладагента его расход через компрессор остается практически постоянным, также как и рабочие значения давлений всасывания и нагнетания.
Следовательно потребляемая компрессором мощность также остается постоянной (см. рис. 31.11).
Поскольку с падением холодопроизводительности потребляемая электрическая мощность не снижается, с энергетической точки зрения такой способ регулирования является совершенно неэкономичным.
Этот недостаток ограничивает использование регулятора производительности установками, мощность которых относительно небольшая. Поэтому для установок с поршневыми компрессорами повышенной мощности более распространен способ регулирования производительности, заключающийся в изменении числа работающих цилиндров и снижении за счет этого расхода хладагента, что приводит одновременно к снижению потребляемой электрической мощности.








Е) Настройка регулятора производительности


В качестве примера рассмотрим одиночный компрессор, задающий термостат которого настроен так, что запуск компрессора происходит при 23°С, а останов - при 21°С (обычный кондиционер).
Мы знаем, что полный температурный напор Абполн. на испарителе остается практически неизменным (см. раздел 7. "Влияние температуры охлаждаемого воздуха").
Принимая, что в нашем испарителе полный перепад температуры равен 18 К, получим в момент запуска температуру кипения 23 - 18 = 5°С (то есть давление кипения равно 4,8 бар для R22), которая при остановке компрессора понизится до 21 - 18 = 3°С (то есть 4,5 бар, см. рис. 31.12).
Если регулятор приизеодительнисти настроен таким образом, чтобы начинать открываться при давлении кипения ниже 4,5 бар, он будет постоянно закрытым при нормальной работе и компрессор будет включаться и выключаться, постоянно сохраняя 100% полной производительности.

При этом, из-за неправильной настройки регулятора, никаких преимуществ его использования вы не получите.
Если регулятор производительности настроен, например, на 4 бар (то есть 0°С), он будет служить только для ограничения падения температуры кипения в случае аномальных значений давления кипения (нехватка хладагента, слишком слабый ТРВ...), препятствуя обледенению испарителя.

С другой стороны, если регулятор производительности (допустим, что его мощность составляет 40% от полной мощности) настроен так, чтобы полностью открываться, когда замыкаются контакты термостата температуры в охлаждаемом помещении, компрессор будет запускаться, обеспечивая 60% полной производительности вместо предыдущих 100%.
При такой настройке, когда потребности в холоде окажутся ниже 60%, время, необходимое для достижения температуры отключения станет гораздо большим, чем если бы компрессор давал 100% холодопроизводительности. то есть желаемая цель будет достигнута.
С другой стороны, когда потребности в холоде окажутся выше 60%, холодопроизводитель-ность компрессора при запуске будет недостаточной и температура в охлаждаемом помещении начнет расти, одновременно повышая температуру кипения и вызывая, следовательно, постепенное закрытие регулятора до тех пор, пока не наступит равновесие между потребностью в холоде и холодопроизводительностью компрессора.
В этом случае рост температуры в охлаждаемом помещении будет тем слабее, чем меньше перепад давления АР, установленный на регуляторе, и компрессор будет работать непрерывно в течение часа. Заметим, что перепад давления на регуляторе АР, называемый также зоной линейности, представляет собой разность между давлением, при котором регулятор полностью открывается, и давлением, при котором регулятор полностью закрывается.
Легко понять, что настройку такого типа будет очень сложно осуществить. Поэтому регуляторы производительности, управляемые непосредственно давлением кипения, на практике наиболее часто настраиваются так, чтобы служить ограничителями давления кипения или предохраняющими антиобледенителями (в кондиционерах).


Чтобы обеспечить хорошую регулировку производительности с простой настройкой, превосходным решением является использование электромагнитного клапана перепуска, который управляется не давлением кипения, а значением температуры в кондиционируемом помещении, как это показано на схеме (рис. 31.13).
В этой схеме датчик температуры S постоянно измеряет температуру в охлаждаемом помещении и выдает сигнал на элетронный регулятор R.
Регулятор R управляет запуском и остановом компрессора С и определяет степень открытия перепускного клапана V в зависимости от разницы между температурой, измеренной датчиком S, и температурой, заданной потребителем.
Главным преимуществом этого регулирующего устройства является постоянная возможность большой гибкости регулировки, так как температура в охлаждаемом помещении и есть тот самый параметр, который определяет положение клапана и работу компрессора.
В качестве "римера рассмотрим представленный на графике (рис. 31.14) процесс регулирования с использованием электронного регулятора, управляющего компрессором и перепускным клапаном.











Когда температура в охлаждаемом помещении достигает 22°С, компрессор запускается при частично открытом перепускном клапане V (следовательно, компрессор запускается с пониженной производительностью).
В этот момент, если производительность компрессора выше потребностей в холоде, температура в охлаждаемом помещении начнет падать.
По мере того, как снижается температура в охлаждаемом помещении, клапан V открывается, уменьшая холодопроизводительность, что замедляет падение температуры, повышая тем самым продолжительность работы компрессора.
Для понижения температуры в охлаждаемом помещении с 21,5°С до 21°С компрессор продолжает работать с пониженной производительностью при полностью открытом клапане V. Когда температура достигает 21°С, компрессор останавливается.
С другой стороны, если производительность компрессора при запуске ниже, чем потребность в холоде, температура в охлаждаемом помещении будет продолжать расти. В этом случае клапан V закрывается, что повышает производительность компрессора до тех пор, пока она не станет равной потребностям в холоде. Компрессор при этом постоянно работает и в нашем примере достигает полной производительности при температуре в охлаждаемом помещении 22,5°С.

Этот способ регулирования и настройки полностью закрывает все вопросы и проблемы повышенной частоты циклов "пуск-останов", которые рассматривались в предыдущем разделе. Правда при этом величина давления кипения не влияет на положение перепускного клапана, а антиобледенительная безопасность испарителя кондиционеров не обеспечивается (однако вряд ли это входит в задачу регуляторов производительности).

Ж) Другие проблемы, связанные с использованием регуляторов производительности

Когда остановка компрессора производится с вакуумированием {см. раздел 29. "Остановка холодильных компрессоров"}, электроклапан устанавливается на жидкостной магистрали {поз. 1 на рис. 31.15) как можно ближе к ТРВ.
Но если для вакуумирования задающий термостат выключает этот клапан, вполне нормальное падение давления кипения может вызвать одновременное открытие регулятора производительности и затруднить нормальное вакуумирование.
Что Вы предложили бы, чтобы избежать этого?


Когда компрессор останавливается с вакууми-рованием, на перепускной магистрали обязательно должен устанавливаться еще один электроклапан (поз. 2 на рис. 31.15), который необходимо отключать одновременно с отключением клапана на жидкостной магистрали, чтобы обеспечить нормальное вакуумирование установки.
Дополнительно к этому, независимо от места подачи перепускаемого хладагента, на магистрали перепуска рекомендуется устанавливать ручной вентиль, чтобы упростить операции по обслуживанию установки (см. рис. 31.16).
Например, при проверках или ремонте, если ремонтник захочет отвакуумировать испаритель и всасывающую магистраль, закрыв вентиль на жидкостной магистали, вакуумирование будет невозможным из-за того, что регулятор производительности открывается, как только упадет давление кипения.

Благодаря ручному вентилю можно перекрыть перепускную магистраль и осуществить вакуумирование испарителя без перенастройки регулятора производительности.

Отметим, наконец, что некоторые типы регуляторов производительности, используемые главным образом для перепуска хладагента на выход из ТРВ, оснащены трубкой отбора давления (называемой внешним уравниванием), которая предназначена для соединения со всасывающей магистралью компрессора.







Действительно, вместо поддержания давления кипения, устанавливающегося между ТРВ и распределителем жидкости, внешнее уравнивание позволяет контролировать фактическое значение давления кипения на входе в компрессор, что обеспечивает учет потерь давления в питателе, испарителе и, при необходимости, в магистрали всасывания (см. рис. 31.17).
Рис. 31.17.
Внешнее уравнивание всегда должно быть подключено к всасывающей магистрали, иначе регулятор не сможет нормально работать.
Однако будьте внимательны и не путайте патрубки отбора давления внешнего уравнивания с манометрическим патрубком отбора давления, которым оборудуются некоторые типы регуляторов давления (например, регулятор давления кипения, часто используемый в торговом холодильном оборудовании, см раздел 61).