СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕПЛООТДАЧИ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится холодильной технике, в частности к системам автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильных установках и может быть использована в устройствах автоматического регулирования на транспорте, в энергетике, химической, нефтегазовой и пищевой отраслях промышленности. Система автоматического регулирования процессом теплоотдачи холодильной установки позволяет увеличить к.п.д. при сохранении энергопотребления за счет реализации в конденсаторах горизонтального, вертикального, наклонного исполнения максимально эффективного режима работы.
Известна система автоматического регулирования процессом теплоотдачи в парокомпрессионной холодильной установке, которая изменяет производительность компрессора и работу приводов от электродвигателей для интенсификации процесса охлаждения (Гущин А.В. и др. по патенту №2154245 дата публикации 10.08.2000 г.) В этой системе применена схема подключения магистральных и нагнетательных трубопроводов двух и одноступенчатых циклов, что позволяет компрессорам низкой ступени оптимально работать в низкой ступени цикла и электродвигателям привода автоматически изменять потребляемую мощность в зависимости от нагрузки на валу компрессора. Доля снижения энергопотребления производится с помощью дополнительно установленных электродвигателей с клиноременными передачами. Поддерживание требуемой температуры кипения хладагента в системах охлаждения с автоматическим регулированием холодопроизводительности осуществляется компрессорами - поршневыми, винтовыми и др., при использовании для их привода электродвигателей с изменяющейся на валу мощностью.
Основным недостатком указанной системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи для интенсификации процесса охлаждения в энергосберегающей холодильной установке является сложность практической реализации, кроме этого термодинамическая эффективность самого холодильного цикла остается на прежнем уровне, хотя ее повышение является перспективным направлением увеличения коэффициента полезного действия холодильных установок в целом.
Известна система автоматического регулирования процессом теплоотдачи энергосберегающей холодильной парокомпрессионной установки авторов Великанова В.И., Коптелова К.А по патенту №138287 дата публикации 10.03.2014 г. Эта система автоматического регулирования содержит: контроллер, регулятор давления конденсации, устройство регулирования расхода хладагента, терморегулирующий вентиль, электромагнитный клапан, которые обеспечивают перераспределение потока хладагента для повышения эффективности работы энергосберегающей парокомпрессионной холодильной установке. Недостатком указанной системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи энергосберегающей холодильной парокомпрессионной установки для интенсификации процесса теплообмена являются технологические трудности монтажа, требуется вынос системы охлаждения вне здания, а также возможность применения для холодильных парокомпрессионных установок определенного типа.
Близкой по технической сущности к заявляемой системе является система автоматического управления и регулирования холодильной установки авторов Доронина М.Н., Ким Л.А., Момот В.И. по патенту №2027960 дата публикации 27.01.1995 г., являющееся прототипом предлагаемой полезной модели, содержащая соленоидные вентили на линиях охлаждающей воды и фреона, датчик-реле температуры хладагента, датчики-реле защиты агрегатов установки, магнитные пускатели и электродвигатели насоса и компрессора, элементы сигнализации, снабжена бесконтактным логическим устройством, включающим управляющий триггер, блок автоматики безопасности, блок автоматического управления, микроэлектронный регулятор температуры, таймер и пост управления, причем блок автоматического управления на входе подключен к блоку автоматики безопасности и микроэлектронному регулятору температуры, а на выходе - к магнитным пускателям электродвигателей и соленоидным вентилям, управляющий триггер на входе соединен с постом управления, а на выходе - с блоком автоматического управления; таймер на входе подключен к посту управления, а на выходе - к блоку автоматического управления.
Недостатком известной системы (прототипа) является, отсутствие средств диагностики и регулирования режимами течения хладагента в конденсаторе, испарителе, соединительных трубопроводах холодильной установки, тем самым, исключается возможность оперативного управления процессом теплоотдачи в элементах холодильной установки, кроме этого термодинамическая эффективность самого холодильного цикла остается на прежнем уровне. Эта система управления и регулирования холодильной установки применяется для ограничения величины пусковых токов при включении и выключении компрессора и повышении надежности системы. Однако, она включает в себя излишнее количество автоматики: управляющий триггер, блоки автоматики, функции которых может выполнить контроллер, а надежность современных систем обуславливается безотказностью отдельных узлов и агрегатов, что позволят избежать дублирования и дополнительной диагностики.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке является повышение к.п.д. при сохранении энергопотребления.
Поставленная задача достигается тем, что система автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке, содержащая датчик температуры хладагента, расположенный в испарителе, датчики защиты, элементы сигнализации, снабжена бесконтактным логическим устройством, включающим управляющий триггер, блок автоматики безопасности, блок автоматического управления, микроэлектронный регулятор температуры, таймер и пост управления, ресивер, отличающаяся тем, что, в нее введены датчики температуры, давления, газосодержания, исполнительные устройства, содержащие электромагнитные клапаны, дозаторы, сепараторы, размещенные в трубе конденсатора, трубопроводы, соединяющие ресивер и сепараторы, а датчики защиты агрегатов установки, элементы сигнализации, блок автоматики безопасности, блок автоматического управления, микроэлектронный регулятор температуры, таймер и пост управления, объединены в контролер в системе автоматического регулирования процессом теплоотдачи холодильной установки, что обеспечивает технологичность, универсальность применения в любой холодильной машине. установлены датчики газосодержания интерферометры, имеющие минимальные энергопотребление и габариты среди существующих измерительных устройств состава смеси.
На фиг. 1. приведена структурная схема предлагаемой системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке. На фиг. 2 представлена схема преобразования сигналов системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке.
1
2
Предлагаемая система (фиг. 1.) содержит: 1 - контроллер, 2 - датчики температуры, давления, газосодержания, 3 - исполнительные устройства, 4 - ресивер, 5 - конденсатор, 6 - вход в конденсатор, 7 - выход из конденсатора, 8 - труба конденсатора, 9 - выход из ресивера к дросселю. Элементы исполнительных устройств: дозаторы, сепараторы, электромагнитные клапаны, - соединены трубопроводами - 10, 11 для обеспечения перераспределения жидкой фазы хладагента. Представленная на фиг. 2 схема преобразования сигналов системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке, содержит: входной сигнал системы регулирования - 12, сигнал, сформированный величинами комплексов Кутателадзе-Сорокина и Бейкера - 13, интегральный сигнал управления Y(t) - 14, компоненты которого Y(t), Y(t).
Реализация системы автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке может быть проведена со следующими элементами:
- микроконтроллер 1 - модель PIC16F676, ядром которого является RISC-процессор,
- датчик температуры 2 - измерительное устройство фирмы Analog Devices модель ADT7320, выпускаемые в корпусе LFCSP, габариты - 4×4 мм, температурный диапазон: от -40°C до +150°C,
- датчик давления 2 - измерительное устройство модель МТ 101, предназначенные для непрерывного пропорционального преобразования давления нейтральных и агрессивных сред (жидкостей и газов) в унифицированный токовый выходной сигнал, максимально допустимое давление 2,5 МПа,
- исполнительные устройства 3 - электромагнитные клапаны (малогабаритная модель фирмы ACL тип 207), дозаторы, сепараторы (полезная модель РФ 104284),
- датчики газосодержания 2 - интерферометры для измерения разности показателя преломления среды (авторское свидетельство №1663416 РФ).
- ресивера 4 - ресивер стандартной конструкции, соответствующий данному типу холодильной установки.
R22
4
4
R22
1
2
5
Предлагаемая система автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке работает следующим образом: хладагент R22 при массовом расходе G=0.179 (кг/с), холодопроизводительности холодильной установки - 32 (кВт), диаметре трубы конденсатора - D=0.025 (м), температуре на входе в конденсатор T-=303 К, давлении на входе в конденсатор P=11.92·10 (Па), подается на вход конденсатора 6 после сжатия в компрессоре в газообразном состоянии. В конденсаторе 5 установлено несколько датчиков 2 давления, температуры, газосодержания, количество которых обусловлено геометрическими параметрами теплообменной машины. Например, для парокомпрессионной холодильной установки, в которой массовый расход хладагента R22 равен G=0.179 (кг/с), диаметр трубы конденсатора - D=0.025 (м), число контрольных сечений целесообразно принять от 6 до 10, т.е. общее количество датчиков варьируется от 18 до 30 единиц. Показания измерений датчиков 2 поступают в контроллер 1 в форме входного многопараметрического сигнала 12 X(t), который далее преобразовывается в комплексы Кутателадзе-Сорокина и Бейкера 13. Формирование управления Y(t) 14 производится в контроллере 1 с учетом значений комплексов Кутателадзе-Сорокина и Бейкера 13, величины которых критериальны режимам течения хладагента,. Вышеназванные методики определения режимов течения (Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - 5-е изд., доп. М. Атомиздат, 1979. - 416 с., Хьюитт Дж. и Холл - Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М. Энергия, 1974. - 408 с., Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. - М.: Энергия, 1976. - 296 с.) успешно применяются для диагностики двухфазных потоков нефти и попутных газов, парожидкостных потоков в тепловых и геотермальных энергетических установках. Однако, они до сих пор не реализованы в системе автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке. Многопараметрический интегральный сигнал Y(t) 14 в виде составляющих его компонент Y(t), Y(t) поступает к исполнительным устройствам 3. Происходит срабатывание электромагнитного клапана в дозаторах и сепараторах, которые формируют кольцевой или волнового режимы течения рабочего тела в конденсаторе. Время одной фазы срабатывания сепаратора или дозатора для перестройки режимов течения составляет 1.4-2.8 сек в зависимости от величины массового расхода хладагента и числа контрольных сечений. В дозаторах 3 необходимое количество жидкого хладагента поступает в трубу конденсатора из ресивера по трубопроводу 10 и сепарируется по трубопроводу 11, чтобы исключить раздельный или снарядный режимы течения.
Приведенная система автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке обеспечивает следующие предлагаемого решения от прототипа изменения конструкции и параметров теплообменной машины:
- с помощью системы датчиков и контроллера диагностируется и формируется оптимальный режим течения рабочего тела в конденсаторе по известным методикам Кутателадзе-Сорокина и Бейкера, что обеспечивает увеличение теплоотдачи до 25%,
- оперативное управление процессом теплоотдачи, основанное на теоретических и экспериментальных исследованиях двухфазных сред Кутателадзе С.С., Накорякова В.Е., Стыриковича М.А. и др., позволяет переохладить хладагент на 5-7°C исключается наличие газовой фазы на входе в дросселирующее устройство.
- повышается термодинамическую эффективность холодильного цикла и холодильной машины в целом на 7-10%, причем энергопотребление холодильной установки сохранено в прежних величинах,
- технологичность предложенных минимальных изменений в конструкции холодильной машины основана применении серийно выпускаемых исполнительных устройств, контролерах, комплектующих, применяемых в системе автоматического регулирования процессом теплоотдачи в холодильной установке.