СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В ВОЗДУШНО-ВОЗДУШНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTING LEAKS IN AN AIR-TO-AIR HEAT EXCHANGER AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к средствам обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике системы вентиляции и кондиционирования воздуха в процессе их эксплуатации.
Известны способ и устройство обнаружения утечки в воздухо-воздушном теплообменнике, содержащем две магистрали для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, CN 102589811 А, опубл. 18.07.2012.
Способ обнаружения утечки включает создание в одной из магистралей высокого давления, подачу на вход магистрали с высоким давлением контрольного тела и измерение концентрации контрольного тела на выходе второй магистрали с низким давлением. В качестве контрольного тела используют газ, наличие которого на выходе второй магистрали определяют датчиком газа. Сначала осуществляют измерение при нормальном процессе, когда нет утечки газа. Затем сравнивают результаты изменений с измерениями при нормальном процессе. По их разности судят о наличии утечки. Устройство для осуществления способа содержит газовый резервуар, вход и выход для газа, между которвми последовательно соединены первый клапан, буферный резервуар, редукционный клапан, компрессор, второй клапан, камера обнаружения и третий клапан; газовый детектор расположен в камере обнаружения, которая также сообщена с газовым выпускным клапаном и вакуумным насосом.
Недостатком описанных способа и устройства является невозможность использования их в эксплуатационно режиме в системе вентиляции и кондиционирования воздуха из-за ограниченности запаса газа в газовом резервуаре, а также возможности ухудшения качества воздуха на выходе рабочей магистрали, который при эксплуатации в дальнейшем используется для дыхания людей. Кроме того, устройство является сложным, содержит несколько электро-механических устройств, вследствие чего имеет невысокую надежность.
Известны способ и устройство обнаружения утечки в воздухо-воздушном теплообменнике, содержащем две магистрали для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, US 7150180 В2, опубл. 19.12.2006. Способ включает создание в одной из магистралей высокого давления, подачу на вход магистрали с высоким давлением контрольного тела и измерение концентрации контрольного тела на выходе второй магистрали с низким давлением. В качестве контрольного тела используют гелий, наличие которого на выходе второй магистрали определяют датчиком гелия. По наличию гелия во второй магистрали судят о наличии утечки воздуха из одной магистрали в другую. Устройство для осуществления этого способа обнаружения утечки в воздушно-воздушном теплообменнике содержит источник контрольного тела и детектор контрольного тела; выход источника контрольного тела соединен с входом первой магистрали, выполненной с возможностью создания высокого давления воздуха, а вход детектора контрольного тела соединен с выходом второй магистрали с низким давлением; источник контрольного тела представляет собой баллон с гелием, а детектор контрольного тела выполнен в виде детектора гелия.
Описанные способ и устройство приняты в качестве прототипа настоящего изобретения в части способа и устройства.
Недостатками прототипа является невозможность использования при эксплуатации вследствие:
- ограниченности запаса гелия в газовом баллоне,
- изменения газового состава воздуха в рабочей магистрали, т.к. в качестве контрольного тела использован гелий. При большой концентрации гелия, попадающего в поток воздуха, предназначенного для дыхания людей, уменьшается удельный объем кислорода, в результате чего ухудшается качество воздуха. Кроме того, накладываются высокие требования к качеству гелия, не может быть использован технический газ.
Кроме того, прототип не обеспечивает возможность определения объема перетока воздуха из рабочей магистрали в продувочную магистраль.
Недостатком прототипа является также сложность устройства его невысокая надежность из-за необходимости хранения и обслуживания газа (гелия) под давлением, требующая наличия электро-механических устройств, в частности, клапанов.
Объем перетока воздуха из рабочей магистрали в продувочную является параметром, характеризующим исправность охладителя. Для принятия решения о возможности дальнейшего использования теплообменника нужно оценивать объем перетока. Рабочий воздух охлаждается и попадает в салон самолета и используется для дыхания людей (пассажиров).
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности непрерывного контроля исправности воздушно-воздушного теплообменника системы вентиляции и кондиционирования воздуха в процессе эксплуатации за счет:
- неограниченной продолжительности работы, благодаря использованию в качестве контрольного тела воздуха, обогащенного отрицательными ионами, которые получают непосредственно из рабочего воздуха,
- исключения влияния на газовый состав рабочего воздуха на выходе теплообменника, и даже улучшение качества воздуха за счет обогащения его отрицательными ионами.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности определения объема перетока при работе на эксплуатационных режимах, а также повышение надежности за счет отсутствия движущихся частей.
Поставленная задача в части способа решается за счет того, что в способе обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике, содержащем две магистрали для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, включающем создание в одной из магистралей высокого давления, подачу на вход магистрали с высоким давлением контрольного тела и измерение концентрации контрольного тела на выходе второй магистрали с низким давлением, согласно изобретению, в качестве контрольного тела используют воздух, обогащенный отрицательными ионами, причем концентрация отрицательных ионов на выходе второй магистрали определяет объем перетока воздуха из первой магистрали во вторую магистраль; преимущественно, в качестве контрольного тела используют воздух, обогащенный модулированным потоком отрицательных ионов.
Поставленная задача в части устройства решается за счет того, что в устройстве обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике, содержащем две магистрали для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, включающем источник контрольного тела и детектор контрольного тела, причем выход источника контрольного тела соединен с входом первой магистрали, выполненной с возможностью создания высокого давления воздуха, а вход детектора контрольного тела соединен с выходом второй магистрали с низким давлением, согласно изобретению, источник контрольного тела выполнен в виде ионизатора воздуха, а детектор контрольного тела выполнен в виде детектора концентрации ионов, причем устройство снабжено вычислительным устройством, соединенным с детектором концентрации ионов. Ионизатор воздуха, преимущественно, снабжен модулятором, выполненным с возможностью управления процессом модуляции ионов, причем вход модулятора соединен с вычислительным устройством, управляющим подключением питания модулятора; детектор концентрации ионов, преимущественно, выполнен в виде аспирационного конденсатора.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».
Благодаря реализации совокупности ограничительных и отличительных признаков изобретения достигается новый технический результат - обеспечение возможности непрерывного контроля исправности воздушно-воздушного теплообменника системы вентиляции и кондиционирования воздуха не только в производственных условиях при тестировании готового теплообменника, но и в процессе его эксплуатации. По концентрации контрольного тела на выходе продувочной магистрали судят об объеме перетока воздуха из рабочей магистрали в продувочную. Возможность непрерывного контроля исправности теплообменника обусловлена использованием в качестве контрольного тела воздуха, обогащенного отрицательными ионами. Отрицательные ионы получают непосредственно во время эксплуатации теплообменника из рабочего воздуха, запасы которого ничем не ограничены. При использовании же в качестве контрольного тела гелия или другого газа, запасы которого при эксплуатации теплообменника ограничены объемом резервуара для его хранения, возможен только разовый или периодический контроль исправности теплообменника. Кроме того, при использовании в качестве контрольного тела воздуха, обогащенного отрицательными ионами, исключается влияние контрольного тела на газовый состав рабочего воздуха на выходе теплообменника, и даже происходит улучшение качества воздуха за счет обогащения его отрицательными ионами, в результате чего время контроля качества теплообменника не ограничено. Контроль может осуществляться непрерывно в течение длительного времени.
Благодаря использованию совокупности признаков изобретения также обеспечивается возможность определения объема перетока при работе на эксплуатационных режимах, по которому судят об исправности теплообменника, т.к. объем перетока определяют по концентрации контрольного тела на выходе продувочной магистрали. Использование в качестве контрольного тела воздуха, обогащенного модулированным потоком отрицательных ионов позволяет исключить влияние фоновых концентраций ионов на результаты измерений, т.е. объем перетока определяют более точно.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схематическое изображение воздушно-воздушного теплообменника с указанием потоков воздуха;
на фиг. 2 - схематическое изображение устройства обнаружения утечек;
- на Фиг.3 - ионизатор воздуха;
- на Фиг.4 - детектор концентрации ионов, выполненный в виде аспирационного конденсатора.
В конкретном примере исполнения способ обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике, содержащем две магистрали для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, включает создание в одной из магистралей теплообменника, в конкретном примере, в рабочей магистрали, высокого давления, примерно, 2-10 Атм, подачу на вход рабочей магистрали с высоким давлением контрольного тела и измерение концентрации контрольного тела на выходе второй магистрали, в конкретном примере, продувочной магистрали с низким давлением. В качестве контрольного тела используют воздух, обогащенный отрицательными ионами. Концентрация отрицательных ионов на выходе продувочной магистрали определяет объем перетока воздуха из рабочей магистрали в продувочную магистраль. Объем перетока воздуха является параметром, характеризующим исправность теплообменника. Для исключения влияния на результаты измерений фоновых концентраций ионов в качестве контрольного тела используют воздух, обогащенный модулированным потоком отрицательных ионов.
Устройство для осуществления способа обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике 1, содержащем две магистрали, рабочую 2 и продувочную 3, для прохождения однонаправленных потоков воздуха, находящиеся в тепловом контакте, содержит источник контрольного тела, выполненный в виде ионизатора 4 воздуха, и детектор контрольного тела, выполненный в виде детектора 5 концентрации ионов. Выход ионизатора 4 соединен с входом рабочей магистрали 2, выполненной с возможностью создания высокого давления воздуха, а вход детектора 5 концентрации ионов соединен с выходом продувочной магистрали 3 с низким давлением. Устройство также содержит вычислительное устройство 6, соединенное с детектором 5 концентрации ионов, и модулятор 7, вход которого соединен с вычислительным устройством 6. Модулятор 7 выполнен с возможностью управления процессом модуляции ионов ионизатором 4, а вычислительное устройство 6 выполнено с возможностью управления подключением питания к модулятору 7.
В конкретном примере использован электроэффлювиальный ионизатор 4 воздуха. Ионизатор 4 представляет собой корпус 8 из материала с низкой электропроводностью, в частности, технической керамики, в который встроены два электрода 9, 10, расположенных коаксиально. Внутренний электрод 9 расположен по оси ионизатора 4 и представляет собой тонкий металлический стержень, заостренный с одного конца. Наружный электрод 10 представляет собой тонкостенный металлический цилиндр. Продольные оси внутреннего 9 и наружного 10 электродов совпадают. Взаимное расположение электродов 9, 10 таково, что заостренный конец внутреннего электрода 9 находится на расстоянии от переднего среза цилиндра наружного электрода 10.
Детектор 5 концентрации ионов содержит аспирационный конденсатор 11, источник 12 питания постоянного тока 5 В для питания аспирационного конденсатора 11 и датчик 13 тока, выполненный, в частности, в виде измерительного усилителя тока на микросхеме INA 116. Выход датчика 13 тока является выходом детектора 5 концентрации ионов и соединен со входом вычислительного устройства 6.
Аспирационный конденсатор 11 представляет собой корпус 14 из материала с низкой электропроводностью, в который встроены два электрода 15, 16, образующие пластины аспирационного конденсатора 11. При использовании продувочной магистрали 3 прямоугольного сечения электроды 15, 16 выполнены в виде пластин, закрепленных в изолирующем основании таким образом, что пластины, относящиеся к разным электродам, чередуются с постоянным шагом. При использовании продувочной магистрали 3 круглого сечения электроды 15, 16 выполнены в виде двух пластин, свернутых в спираль с постоянным шагом (Фиг. 4). Постоянный шаг обеспечивается конструкцией изолирующего основания. Конструкция аспирационного конденсатора 11 обеспечивает прохождение всего объема продувочного воздуха между его электродами 15, 16.
Вычислительное устройство 6 соединено с детектором 5 концентрации ионов и выполнено с возможностью вычисления значения перетока в зависимости от величины тока, поступающего с датчика 13 тока.
Модулятор 7 представляет собой электронный ключ, управляющий вход которого соединен с вычислительным устройством 6, выполненным с возможностью управления подключением питания к модулятору 7. Выход модулятора 7 соединен с управляющим входом источника 17 питания ионизатора 4.
В рабочей магистрали 2 на входе воздушно-воздушного теплообменника 1 системы вентиляции и кондиционирования\ воздуха располагают источник контрольного тела, выполненный в виде ионизатора 4 воздуха. Включают источник 17 питания ионизатора 4 воздуха, управляющий вход которого закрыт. Аспирационный конденсатор 11 располагают на выходе продувочной магистрали 3, от источника питания 12 подают питание на электроды 15, 16 аспирационного конденсатора 11. Устройство обнаружения утечек готово к работе.
Вычислительное устройство 6 формирует сигнал управления с частотой модуляции Fм, который поступает на управляющий вход модулятора 7. При этом с выхода модулятора 7 на управляющий вход источника 17 питания ионизатора 4 подается сигнал, который включает и выключает источник 17 питания ионизатора 4 с частотой модуляции Fм. Высокое напряжение источника 17 питания, превышающее пороговое значение напряжения ионизации, прикладывается к электродам 9, 10 ионизатора 4, вследствие чего ионизатор 4 формирует в рабочей магистрали 2 поток отрицательных аэроионов, пульсирующий с частотой модуляции Fм. Аэроионы, обладая массой, уносятся потоком рабочего воздуха в рабочую магистраль 2 воздушно-воздушного теплообменника 1. В дальнейшем аэроионы, движущиеся в рабочей магистрали 2, рекомбинируют с другими заряженными частицами и оседают на элементах конструкции, что приводит к быстрому снижению их концентрации до фоновых значений.
При отсутствии утечки между рабочей 2 и продувочной 3 магистралями теплообменника 1 аэроионы в продувочную магистраль 3 не попадают. Аспирационный конденсатор 11 расположен на выходе продувочной магистрали 3 теплообменника 1. К его электродам 15, 16 приложено постоянное напряжение от источника 12 питания таким образом, что один из электродов 15 имеет положительный заряд и по отношению к отрицательным аэроионам является собирающим, а другой электрод 16 имеет отрицательный заряд и по отношению к отрицательным аэроионам является отталкивающим. При отсутствии утечки аэроионы не попадают в продувочную магистраль 3 и, следовательно, не попадают в электрическое поле аспирационного конденсатора 11. Заряд на электроде 15 остается, проводимость воздуха между электродами 15, 16 аспирационного конденсатора 11 и ток, измеряемый датчиком 13 тока остаются постоянными.
При наличии утечки часть аэроионов из рабочей магистрали 2 проникает в продувочную магистраль 3 и, попадая в электрическое поле аспирационного конденсатора 11, оседает на собирающем электроде 15, изменяя его заряд. Движение аэроионов (частиц, имеющих электрический заряд) в электрическом поле аспирационного конденсатора 11 изменяет проводимость воздуха между его электродами 15, 16, что, в свою очередь, приводит к изменениям тока через аспирационный конденсатор 11. Ток в цепи аспирационного конденсатора 11, обусловленный движением аэроионов (ионный ток) измеряется датчиком 13 тока. Результаты измерений передаются в вычислительное устройство 6. По величине ионного тока судят об объеме перетока.
Вычислительное устройство 6 посредством модулятора 7 осуществляет синхронное управление включением источника 17 питания ионизатора 4 (при котором образуются отрицательные аэроионы) и измерение ионного тока. Наличие утечки определяется наличием модуляции тока в цепи аспирационного конденсатора 11 с частотой Fm. Величина утечки определяется глубиной модуляции ионного тока, то есть разницей ионного тока (концентрации ионов) в аспирационном конденсаторе 11 в моменты времени, когда ионизатор 4 выключен и когда он включен. При отсутствии утечки величина ионного тока определяется только фоновым значением концентрации ионов. При наличии утечки при включенном ионизаторе 4 возникает прибавка ионного тока, пропорциональная величине утечки. Соответствие между величиной утечки и прибавкой ионного тока рассчитывается или определяется калибровкой, при которой величина утечки измеряется инструментально на основе иного физического принципа.
Модуляция потока аэроионов позволяет исключить влияние на результат измерения фоновой ионизации естественного происхождения.
Продолжительность работы устройства обнаружения утечек в воздушно-воздушном теплообменнике не ограничена, т.к. в качестве контрольного тела использован воздух, обогащенный отрицательными ионами, которые получают непосредственно из рабочего воздуха, а запасы не ограничены. На выходе теплообменника имеется качественный, и даже улучшенный воздух за счет обогащения его отрицательными ионами, что позволяет осуществлять непрерывный контроль исправности воздушно-воздушного теплообменника системы вентиляции и кондиционирования воздуха в процессе эксплуатации.
Для реализации изобретения используются обычные конструкционные материалы и оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности «Промышленная применимость».