СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМАЙЗЕРОМ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к теплообменным аппаратам и другим отраслям, где побочным продуктом является тепловая энергия, и может быть использовано для управления процессом забора тепла от отработавших газов с целью его дальнейшего использования.
В устройствах отбора тепла от отработавших газов необходимо управление процессом теплообмена [1]. Конструкторы решают подобную задачу двумя способами.
Первое. Ручное или автоматическое управление заслонкой (заслонками), для изменения направления потока отработавших газов без какой-либо обратной связи.
Второе. Управление потоком жидкого теплоносителя с помощью гидравлических, паровых и воздушных клапанов.
В первом и во втором случае не обеспечивается отслеживание температуры теплоносителя в устройстве, что делает систему ненадежной и затруднительной в управлении с точки зрения перегрева и разгерметизации. Данные трудности ограничивают применение подобных систем на практике.
Известно изобретение [2] - отопитель салона транспортного средства, содержащий теплоизолированный теплообменник, имеющий две цилиндрические концентрично установленные обечайки, при этом указанный теплообменник сообщен с выходом отработавших газов из двигателя транспортного средства, а полость теплообменника соединена с расширительным баком и теплонагревательным элементом с образованием циркуляционного контура, содержащего жидкий теплоноситель, при этом нижняя часть полости между обечайками теплообменника, заполненная жидким теплоносителем, сообщена через запорно-регулирующую арматуру с источником сжатого воздуха, кроме того, теплообменник установлен непосредственно на выходе отработавших газов из двигателя, при этом внутренняя обечайка теплообменника представляет собой часть газоотвода, а часть трубопроводов отопителя, соединенная с теплообменником и находящаяся за пределами салона транспортного средства, теплоизолирована.
Недостатком изобретения является отсутствие возможности отвода отработавших газов от теплообменника, что приводит к необходимости наличия системы удаления теплоносителя из теплообменника, либо непрерывное циркулирование теплоносителя через теплообменник для предотвращения перегрева теплоносителя. Малая площадь внутренней цилиндрической обечайки не позволяет извлекать большую тепловую мощность, сравнимую с мощностью автономного отопителя.
Известно устройство «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта» [3] с использованием тепла отработавших газов, для этой цели в канал отвода отработавших газов и в контур циркуляции теплоносителя (тосола) встраивается блок подогрева. Основными функциональными режимами работы системы являются режим предпускового подогрева холодных двигателя и салона автотранспорта, а при работающем двигателе - режим зарядки теплового аккумулятора и режим отопления салона автотранспорта.
Основной недостаток этой системы - наличие обводного канала и 2-х заслонок, направляющих поток отработавших газов, усложняющий конструкцию данного устройства. Сложность системы затрудняет ее использование в качестве источника энергии для отопительных систем, подогревателя двигателя и отопителя салона автотранспорта.
Обнаруженные недостатки указанных устройств позволяют сделать вывод о необходимости разработки системы управления, исключающей недостатки существующих.
На фиг.1 приведена структурная схема АСУ. Для решения поставленной задачи автоматическая система управления (АСУ) разбита на блоки: 1 - объект управления (заслонка теплообменника), 2 - регулятор, 3 - привод, 4 - измерительная система.
o
Пусть задана температура теплоносителя на выходе - x, фактическая температура теплоносителя на выходе - y. При x=y сигнал управления u отсутствует. При возникновении ошибки регулирования e вследствие возникновения сигнала g (отклонение температуры теплоносителя, изменения температуры окружающей среды и отработавших газов) в регуляторе (2) генерируется сигнал u управления приводом (3) и происходит управляющее воздействие P(s) на объект (1). Звено H(S) передаточной функции R(S) в измерительной системе (4) служит для отрицательной обратной связи.
На фиг.2 приведена комбинированная схема системы автоматического управления экономайзером отработавших газов. Устройство имеет теплообменную секцию 1, содержащую каналы для пропуска горячих газов и каналы для протекания жидкого теплоносителя, причем каналы для газа соединены с системой выпуска отработавших газов; газовую заслонку 2, установленную внутри обводного газового канала 3, служащую для управления потоком проходящих газов; датчик температуры 4, установленный на одном из накопительных бачков теплообменной секции; электропривод 5 управления заслонкой 2; циркуляционный насос 6, установленный в циркуляционном контуре; электронный блок слежения и управления 7 (ЭБСУ); панель индикации 8, показывающая режим работы устройства и положение заслонки; защитный термовыключатель 9 принудительного открытия заслонки 2.
Теплоноситель подводится по подводящей и отводящей трубкам.
При этом теплообменная секция может быть соединена циркуляционным контуром с:
- аккумулятором тепловой энергии;
- системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания;
- автономным отопительным устройством;
- системой отопления.
Управление системой осуществляется по сигналу датчика температуры 4 теплоносителя на выходе из теплообменника изменением положения заслонки 2. Электропривод 5 служит для управления заслонкой.
Работу устройства в динамике покажем тремя возможными случаями:
T
P
P
1 случай: температура теплоносителя мала, салонный отопитель еще не работает, а отработавшие газы уже имеют достаточную температуру. После включения зажигания и запуска двигателя ЭБСУ 7 начинает отслеживать сигнал от датчика температуры 4. Температура теплоносителя t меньше рабочей температуры двигателя t ЭБСУ 7 сравнивает сопротивление датчика температуры 4 с опорным значением сопротивления и формирует сигналы на закрытие газовой заслонки 2 и включение циркуляционного насоса 6, при этом контакты электропривода 5 замыкают цепь светодиода холодного состояния теплоносителя на панели индикации 8. Отработавшие газы начинают поступать в теплообменную секцию и отдавать тепловую энергию жидкому теплоносителю, которая расходуется на прогрев двигателя и работу отопителя салона. По мере прогрева теплоносителя его температура достигает значения t, при этом сопротивление датчика температуры 4 превышает опорное значение сопротивления ЭБСУ и он формирует сигнал на открытие газовой заслонки 2 и перевод циркуляционного насоса 6 в режим малой мощности, при этом контакты электропривода 5 размыкают цепь светодиода холодного состояния и замыкают цепь светодиода нагретого состояния теплоносителя на панели индикации 8. Отработавшие газы, проходя через обводной газовый канал 3, минуют теплообменную секцию 1.
Т
P
P
2 случай: температура теплоносителя t. равна рабочей температуре t. Включение отопителей салона приводит к снижению температуры теплоносителя ниже значения t (например, при обогреве салона пассажирского автобуса). Сопротивление датчика температуры 4 становится ниже опорного значения и ЭБСУ 7 формирует сигнал на закрытие газовой заслонки 2 обводного газового канала 3 и перевод циркуляционного насоса в рабочий режим. Отработавшие газы начинают циркулировать через теплообменную секцию 1 и отдавать тепловую энергию теплоносителю. Контакты электропривода 5 размыкают цепь светодиода прогретого состояния и замыкают цепь светодиода холодного состояния теплоносителя на панели индикации 8.
K
3 случай: при отказе ЭБСУ с закрытой газовой заслонкой 2 обводного газового канала 3 температура теплоносителя может превысить критическое значение t. Контакты защитного термовыключателя 9, установленного на одном из бачков теплообменной секции 1, замыкаются и формирует сигнал на принудительное включение циркуляционного насоса 6, открытие заслонки обводного газового канала и замыкают цепь светодиода аварийного состояния ЭБСУ на панели индикации 8.
Предлагаемая система автоматического управления утилизацией тепла экономайзеров, использующая побочную тепловую энергию, позволяет:
- отслеживать температуру теплоносителя до момента включения устройства и запуск процесса утилизации тепла без участия оператора (водителя);
- отслеживать температуру теплоносителя в процессе утилизации тепла и отключение устройства при достижении необходимой температуры без участия оператора (водителя).
Таким образом, техническим результатом заявляемой полезной модели является управление процессом забора тепла экономайзеров в автоматическом режиме, поддержание рабочей температуры теплоносителя.
Литература
1. Патент РФ №120923 U1 «Экономайзер тепла выпускных газов двигателей внутреннего сгорания» / заявитель и патентообладатель В.А. Раков. - №2012117682/11 (026664); заявл. 27.04.2012 Решение о выдаче патента от 24.06.2012.
2. Патент РФ №2128118 С1 «Отопитель салона транспортного средства» / заявители и патентообладатели: А.Ф.Прокунцев, М.А.Прокунцев, Д.А.Прокунцев - RU2128118 С1, МПК В60Н 1/18, 27.03.1999.
3. Патент РФ №2293207 С1 «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта» / заявители Денискин В.П. и др. / патентообладатель ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» - №2005114992; С1, МПК F02N 17/04, 27.11.2006.