СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
BENCH FOR STUDYING HEAT-POWER CHARACTERISTICS OF SMALL REFRIGERATING MACHINES

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к стендам для исследования малых холодильных машин (МХМ) или для определения технического состояния их подсистем; и может найти применение на заводах-изготовителях холодильной техники, в сервисных центрах по ее ремонту, в исследовательских лабораториях, занимающихся совершенствованием холодильной техники.
Теплоэнергетические характеристики включают удельное энергопотребление и стабильность температур в камерах МХМ. Они используются для оценки совершенства малых холодильных машин, для определения их технического состояния в период эксплуатации.
Известны стенды и устройства для определения технического состояния и диагностики малых холодильных машин.
Например, переносной стенд для оперативного определения технического состояния бытовых холодильников «СХ-2» (Лепаев Д.А. Ремонт бытовых холодильников. М.: Легпромбытиздат, 1989, с. 255-25). Этот стенд обеспечивает определение напряжения питания и потребляемого тока исследуемого холодильника. Этим стендом проверяется изоляция электропроводки на пробой, измеряется активное сопротивление обмоток электродвигателя компрессора, измеряется время работы компрессора и общее время работы МХМ, что позволяет вычислить коэффициент рабочего времени (КРВ) компрессора, который является интегрирующим показателем состояния всех подсистем МХМ.
Этот коэффициент косвенно характеризует производительность агрегата в целом и герметичность холодильного шкафа. Прибор позволяет измерять температуры в холодильной и морозильной камерах бытового холодильника в трех точках одновременно. Вывод о техническом состоянии бытового холодильника, на этом стенде, выполняется на основании сравнения средних температур в его камерах и сравнения его КРВ аналогичными показателями эталонного бытового холодильника или с показателями заведомо исправного однотипного бытового холодильника.
Недостатком данного стенда является то, что при определении технического состояния испытываемого бытового холодильника не учитывается воздействие температуры окружающего воздуха, которая влияет и на величину температуры в его камерах, и на его КРВ. Описанный стенд дает ориентировочную оценку технического состояния бытового холодильника, что является недостатком этого стенда.
Также к недостаткам этого стенда относится необходимость участия исполнителя в выполнении измерений, необходимость «ручной» обработки результатов измерений при вычислении КРВ, т.е. процесс измерений и оценка технического состояния бытового холодильника не автоматизирован.
Известна также диагностическая система для бытовых электроприборов, в которой используются несколько датчиков измерения напряжения для оценки различных подсистем электроприбора (Заявка №2005121143/28 20.01.2006 г.). По отличию измеренных показаний напряжений от эталонных судят о техническом состоянии бытового электроприбора или о техническом состоянии его основных подсистем.
Недостатком такой системы является ограниченность в диагностировании температурных режимов в камерах холодильника. В этой системе не определяется холодопроизводительность агрегата, потребляемая мощность или иной показатель технического состояния, при этом не учитывается температура окружающей среды.
Известны также стенды для оценки характеристик МХМ, имеющие теплоизолированную камеру и калориметр. Например, стенд для испытания герметичного холодильного агрегата (SU №1315762, 07.06.1987 г.). В этом стенде реализуется метод измерения холодопроизводительности работающего холодильного агрегата при постоянных внешних условиях. Холодопроизводительность агрегата определяется в теплоизолированной камере путем ручного регулирования мощности нагревателя колориметра, размещенного в одной теплоизолированной емкости с испарителем исследуемого работающего агрегата. При этом добиваются теплового равновесия (теплового баланса) вырабатываемого холода и компенсирующего тепла. Полученное значение мощности нагревательного элемента при установленном тепловом равновесии характеризует холодопроизводительность агрегата. Фактическая холодопроизводительность сравнивается с теоритической, полученной расчетным путем или с холодопроизводительностью эталонного (образцового) однотипной МХМ и по сходимости или отличию этих показателей оценивается техническое состояние исследуемой МХМ. В стенде предусмотрена возможность регулировки и поддержания установленного значения температуры в теплоизолированной камере.
Недостатком рассмотренного стенда оценки технического состояния малой холодильной машины, в котором используется калориметр и теплоизолированная камера, является громоздкость стенда, длительность испытаний, ручное управление процессом измерений путем вращения вентилей, снятие показателей по шкальным манометрам и термометрам, а также то, что измерения имеют относительно высокую погрешность. При этом температура в теплоизолированной камере регулируется контактным термометром, который не обеспечивает точность регулировки температуры, что вносит существенные погрешности в процесс измерений. Контактный термометр, характеризует температуру только в одной точке внутри теплоизолированной камеры, а не температуру в объеме камеры. Данное техническое решение принято нами за прототип.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение автономности процесса определения теплоэнергетических характеристик работы малой холодильной машины, увеличение достоверности и точности измерений.
Задача решается тем, что стенд для исследования теплоэнергетических характеристик малой холодильной машины, включающий теплоизолированную камеру, блок изменения температуры в теплоизолированной камере; группу датчиков для измерения показателей работы МХМ, в том числе: группу датчиков для измерения температуры воздуха в камерах МХМ, группу датчиков для измерения температуры воздуха в теплоизолированной камере, группу датчиков для измерения температуры на поверхности испарителей, группу датчиков для измерения температуры на поверхности конденсатора, группу датчиков для измерения потребляемой мощности, группу датчиков для измерения давления в подсистемах холодильного агрегата, снабжен контроллером управления процессом измерений, блоком программного изменения температуры в теплоизолированной камере и блоком планирования и выполнения измерений, так, что контроллер управления процессом измерений подключен к блоку программного изменения температуры в теплоизолированной камере и к блоку планирования и выполнения измерений, выходы групп датчиков для измерения показателей работы холодильника подключены к входу блока планирования и выполнения измерений. Ко входу в блок программного изменения температуры в теплоизолированной камере подключены выходы датчиков температуры в теплоизолированной камере, при этом к выходу блока программного изменения температуры в теплоизолированной камере подключены тепловые генераторы и кондиционер так, что в теплоизолированной камере изменяются и поддерживаются заданные значения температур, при которых выполняются измерения показателей работы МХМ, а контроллер управления процессом измерений обеспечивает регистрацию этих показателей для каждого значения температуры в теплоизолированной камере.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где приведена общая схема размещения и подключения датчиков для измерения показателей работы МХМ, контроллера управления процессом измерений, блока программного изменения температуры в теплоизолированной камере и блока планирования и выполнения измерений.
Стенд состоит из теплоизолированной камеры 1, исследуемой МХМ, имеющей, по меньшей мере, камеру для охлаждения, или имеющей две камеры - низкотемпературную камеру 2 и камеру охлаждения 3; компрессора 4, конденсатора 5, испарителя 6, по меньшей мере, одного испарителя в камере охлаждения 3 или два испарителя - в низкотемпературной камере 2 и камере охлаждения 3; тепловых генераторов 7, кондиционера 8; блока программного изменения температуры 9 в теплоизолированной камере 1, блока планирования и выполнения измерений 10; контроллера управления процессом измерений 11; кабельных линий между группами датчиков 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19 и блоком планирования и выполнения измерений 10; кабельных линий между датчиками температуры 17 в теплоизолированной камере 1; тепловыми генераторами 7, кондиционером 8 и блоком программного изменения температуры 9 в теплоизолированной камере 1. Стенд может включать другие измерительные датчики, например датчики для измерения влажности в камерах МХМ и/или для измерения шумовых характеристик компрессора и другие датчики для измерения показателей работы МХМ.
В примере, приведенном на чертеже, в группу датчиков для измерения показателей работы МХМ входят: группа датчиков 13 температуры воздуха, по меньшей мере, в камере охлаждения 3 или группа датчиков 12 температуры воздуха в низкотемпературной камере 2 и группа датчиков 13 температуры воздуха в камере охлаждения 3; группа датчиков 15 температуры, по меньшей мере, на поверхности испарителя 6 холодильной камеры 3 или группа датчиков 14 температуры на поверхности испарителя 6 низкотемпературной камеры 2 и группа датчиков температуры 15 на поверхности испарителя 6 в камере охлаждения 3; группа датчиков 16 температуры на поверхности конденсатора 5, группа датчиков 17 температуры воздуха в теплоизолированной камере 1, группа датчиков давления 18 в системе агрегата, группа датчиков потребляемой мощности 19.
Перед включением стенда и проведением измерений выполняются подготовительные операции.
Малая холодильная машина помещается в теплоизолированную камеру 1 на опору, приподнятую над уровнем пола на нормированный уровень согласно ГОСТ Р МЭК 62552-2011, например на 0,3 м. В исследуемых камерах и подсистемах МХМ размещаются датчики температуры, датчики давления, датчики потребляемой мощности и иные датчики, характеризующие другие показатели исследуемой МХМ и размещаются датчики температуры воздуха в теплоизолированной камере.
Все линии от измерительных датчиков, размещенных в исследуемой МХМ, подключаются к блоку планирования и выполнения измерений 10, соединенному с контроллером управления процессом измерений 11. Датчики температуры 17 в теплоизолированной камере 1 и силовые линии электропитания и линии регулирования тепловыми генераторами 7 и кондиционером 8 подключаются к блоку программного изменения температуры 9 в теплоизолированной камере 1. Подключаются линии и других регулирующих и измеряющих устройств, для измерения иных показателей работы МХМ; для измерения, например, влажности в теплоизолированной камере или влажности в зоне свежести МХМ, шумовых характеристик компрессора и других необходимых показателей работы исследуемой МХМ.
Количество и тип датчиков в группах и места их размещения перед началом измерений определяются задачами исследований, например, для исследования влияния температуры окружающего воздуха на теплоэнергетические показатели работы малой холодильной машины, целесообразно размещать датчики температуры в охлаждаемых камерах, а также разместить датчики потребляемой мощности компрессора и вентилятора.
После подготовительных операций выполняется включение стенда. Включается электропитание стенда, электропитание МХМ и контроллера управления процессом измерений 11. Выполняется программирование плана измерений, программируется список температур в теплоизолированной камере 1, при которых автоматически будут выполняться измерения показателей работы холодильника, например, =250°С, =300°С, =320°С, =380°С.
Командой «Старт» стенд включается в режим автономной работы, после чего он работает в автоматическом режиме. Вначале программно устанавливается первое значение температуры воздуха в теплоизолированной камере 1, затем выполняются настройка и регистрация установившегося режима работы холодильного агрегата МХМ, затем выполняются измерения и регистрация результатов измерений при первом значении температуры воздуха в теплоизолированной камере 1. Результаты измерений с групп датчиков протоколируется в энергонезависимой памяти контроллера управления процессом измерения в реальном времени (с указанием даты, времени и сопроводительных записей). Затем в теплоизолированной камере 1 автоматически устанавливается следующее значение температуры воздуха из запрограммированного списка температур и вновь последовательно выполняются настройка и регистрация установившегося режима работы холодильного агрегата МХМ, измерения, регистрация результатов измерений при втором значении температуры воздуха в энергонезависимой памяти контроллера управления процессом измерения в реальном времени и так далее, до завершения запрограммированного списка температур, при которых необходимо произвести измерения. Одновременно с командой «старт» подается электропитание к исследуемой МХМ, включается компрессор 4 и контролируется температура в камерах МХМ и/или измеряется блоком планирования и выполнения измерений 10 и вычисляется контроллером управления процессом измерений 11 ее удельное энергопотребление, это необходимо для фиксации установившегося режима работы малой холодильной машины, для последующего измерения и регистрации теплоэнергетических характеристик и показателей работы МХМ. В блоке планирования и выполнения измерений 10 сравниваются показания температур, по меньшей мере, в одной из камер МХМ за каждый из последующих циклов, до момента когда наступает установившийся режим работы МХМ, согласно ГОСТ Р МЭК 62552-2011. Например, устанавливается такой режим работы малой холодильной машины, когда отклонение от среднего значения температуры, по меньшей мере, в одной из камер МХМ, за последовательные три-четыре цикла работы компрессора 4 не отличаются более чем на 5%. По сигналу с контроллера управления процессом измерений 11 о том, что режим работы стабилен - «установившийся», включается подпрограмма регистрации в ячейки памяти для значения температуры воздуха в теплоизолированной камере 1 и регистрация показателей работы МХМ со всех измерительных датчиков.
Для оперативной оценки результатов измерений возможна индикация показателей работы МХМ на дополнительном дисплее с построением графиков значений теплоэнергетических характеристик МХМ на координатных плоскостях с заданным шагом и масштабом измерений. После завершения регистрации измеренных показателей для значения температуры воздуха окружающего воздуха МХМ в теплоизолированной камере 1, программно подается команда на установление последующих значений температуры воздуха в теплоизолированной камере 1, которые устанавливаются и поддерживаются с использованием тепловых генераторов 7 и/или кондиционера 8.
Аналогично описанному алгоритму, программой контроллера управления процессом измерений 11 выполняется установка других заданных условий испытаний регистрация результатов измерений для каждого запрограммированного значения температуры воздуха в теплоизолированной камере 1. После этого выполняется команда «стоп» с выключением стенда. Результаты измерений могут быть получены из памяти контроллера для дальнейшей обработки и анализа.
Алгоритм процесса настройки установившего режима измерений и регистрации показателя МХМ реализуется программой контролера управления процессом измерений. Потребляемая мощность энергопотребителей МХМ (компрессор, вентилятор, лампы освещения, блока управления, и др.) определяется с помощью электронного счетчика электроэнергии за определенный промежуток времени или путем измерения значений тока и напряжения питания энергопотребителей МХМ с последующим вычислением среднего значения потребляемой мощности за определенный промежуток времени.
Для определения коэффициента рабочего времени подпрограммой контроллера управления процессом измерения измеряется время работы компрессора МХМ, в одном цикле в установившемся режиме, или суммарное время нахождения компрессора МХМ во включенном состоянии за сутки.
Установившийся режим работы малой холодильной машины определяется подпрограммой контроллера управления процессом измерений, в которой полученные значения температур за несколько последовательных циклов, в одной из камер МХМ, в период работы компрессора в цикле, сравниваются между собой. Вычисляется отклонение значений этих температур от среднего значения. При отклонении температур меньше чем на 5%, режим работы холодильной машины принимается установившимся, после чего вырабатывается команда готовности МХМ к измерениям. Измерение показателей работы МХМ выполняется в соответствии с основной программой. Установившийся режим работы МХМ может также определяться по показателю КРВ, согласно ГОСТ Р МЭК 62552-2011.
Эффективность заявленного технического решения, а именно автономность его работы, обеспечивается за счет того, что блок поддержания температуры в теплоизолированной камере 1 на постоянном уровне, используемый в аналоге, выполнен в виде блока программного изменения температуры 9 в теплоизолированной камере 1. Таким образом, в стенде в автоматическом режиме программно изменяются условия испытаний без непосредственного участия оператора. Это важно, например, когда исследования МХМ выполняются при относительно высоких температурах в теплоизолированной камере (38-43°C) 1, когда стабильность показателей ее работы, определяется через 18…23 часов непрерывной работы компрессора МХМ.
Работа стенда обеспечивается основной программой измерений и вспомогательными программами: подпрограммой программирования плана изменений температуры в теплоизолированной камере 1, подпрограммой установления температуры в теплоизолированной камере 1, подпрограммой определения установившегося режима работы исследуемой МХМ, подпрограммой настройки измерительных каналов.
Основная программа обеспечивает алгоритм работы стенда, которая включает команду программирования плана измерений, команду установки температуры в теплоизолированной камере 1, команду на определение установившегося режима работы холодильного агрегата, команду на регистрацию показателей работы МХМ с датчиков, работу стенда в последовательных циклах измерений, согласно плану измерений.
Команда программирования плана измерений обеспечивает ввод и сохранение необходимых значений температуры в теплоизолированной камере 1. Команда установки температуры в теплоизолированной камере 1 обеспечивает считывание показаний с датчиков температуры в теплоизолированной камере 1 и управление включением/отключением и/или регулировкой работы тепловых генераторов 7 и кондиционера 8 в теплоизолированной камере 1.
Команда на определение установившегося режима работы холодильного агрегата обеспечивает циклическое измерение температуры в камере МХМ, например в камере охлаждения 3, регистрацию момента установившегося режима работы холодильного агрегата МХМ, выработку сигнала о готовности исследуемой МХМ к измерениям. Команда на фиксацию показателей с датчиков обеспечивает настройку интерфейса связи датчиков с блоком планирования и выполнения измерений 10.
Автономность работы заявляемого стенда обеспечена тем, что в стенде автоматически изменяется и поддерживается температура в теплоизолированной камере 1 и автоматически определяется условие установившегося режима работы исследуемой МХМ. Эти возможности обеспечивают проведение измерений показателей работы МХМ без непосредственного участия человека-оператора. Заявленный стенд представляет собой систему конструктивных элементов, интерфейса и программного обеспечения, в совокупности обеспечивающих новое качество заявляемого стенда.
Точность измерений показателей работы МХМ обусловлена прецизионным определением установившегося режима работы компрессора 4, которое обеспечивается алгоритмом подпрограммой определения установившегося режима работы исследуемой МХМ и более точным значением температуры в теплоизолированной камере 1, устанавливаемой подпрограммой установления температуры в теплоизолированной камере 1.
Интерфейс и алгоритм измерения стенда позволяет выполнять регистрацию результатов измерений в виде файлов, с последующим считыванием результатов внешними устройствами или/и выводить результаты на внешний монитор или самописец для визуализации результатов измерений в реальном масштабе времени.
Возможна также дистанционная передача измерений на удаленный регистратор результатов измерений.
Автономность работы стенда обеспечивает также возможность дистанционного проведения измерений, передачу информации на удаленный персональный компьютер.
В заявляемом стенде обеспечена возможность дистанционного управления стендом для этого достаточно дистанционно программировать температуры в теплоизолированной камере, дистанционно запускать стенд и дистанционно получать результаты измерений.
Стенд полезен при проведении научных исследований, полезен для диагностики ремонтируемых холодильников в сервисных службах.