Воздухораспределитель с системой автоматического управления
AIR DISTRIBUTOR WITH AUTOMATIC CONTROL SYSTEM

3
Воздухораспределитель является компонентом вентиляционной установки, или воздухораспределительной секции, предназначен для подачи приточного воздуха в обслуживаемое помещение и регулирования направления раздаваемого воздушного потока в режимах: отопления, вентиляции, охлаждения. Диапазон производительности воздухораспределителя варьируется от 6500 до 11000 м/час.
Наиболее близким аналогом заявленного воздухораспределителя, принятым в качестве прототипа, является воздухораспределитель, известный из патентного документа RU 172716 U1, опуб. 21.07.2017. Так известный воздухораспределитель предназначен для подачи приточного воздуха в обслуживаемое помещение и регулирования направления раздаваемого воздушного потока в режимах: отопления, вентиляции, охлаждения. При этом воздухораспределитель состоит из диффузора с направляющими лопатками с кинематическим механизмом для поворота лопаток, дискового рассекателя, который устанавливается в потоке воздуха перед диффузором с направляющими лопатками. Контроллер по измеренным параметрам датчика температуры автоматически управляет системой воздухораспределения, а разворот лопаток осуществляется с помощью привода. Воздухораспределитель управляется в автоматическом режиме и угол поворота лопаток рассчитывается в зависимости от режима работы нагрев/охлаждение. Выход воздуха из воздухораспределителя осуществляется через диффузор, верхняя часть диффузора имеет радиусное закругление, а нижняя часть диффузора организована расширяющейся конической поверхностью, что обеспечивает плавное истечение воздуха. Направляющие лопатки установлены между плоскостями: нижней частью диска-рассекателя и верхней части диффузора.
Для формирования приточной струи во всех режимах необходимо обеспечить синхронный поворот лопаток относительно своей оси.
Недостатком прототипа является низкая эффективность воздухораспределителя, обусловленная, во-первых, плохой аэродинамикой из-за громоздкой конструкции поворотных механизмов, и, во-вторых, нечеткостью управления лопатками воздухораспределителя из-за рассинхрона угла поворота лопаток относительно своей оси в разных режимах формирования приточной струи.
Изобретение направлено на устранение недостатков уровня техники путем: улучшения аэродинамики за счет более компактной конструкции поворотных механизмов, находящихся в потоке воздуха; повышения четкости управления и снижения затрат на заводские испытания и пуско-наладочные работы за счет полной синхронизации угла поворота лопаток с управляющим напряжением привода 0-10 В (соответствие значений 0 В на приводе = 0 градусов поворота лопаток, 10 В на приводе = 50 градусов поворота лопаток); а также снижения рисков транспортных дефектов и уменьшения затрат на интеграцию воздухораспределителя за счет повышенной прочности и несущей способности воздухораспределителя (поставка воздухораспределителя на объект осуществляется в составе агрегата без необходимости доустановки на объекте и с минимизацией рисков повреждения при транспортировке в составе оборудования).
При осуществлении изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности воздухораспределителя за счет улучшения аэродинамики поворотных механизмов и повышения четкости управления лопатками воздухораспределителя за счет соединения лопаток с валом электропривода и полной синхронизации угла поворота лопаток с управляющим напряжением привода.
при этом, согласно изобретению,
Технический результат достигается воздухораспределителем с системой автоматического управления, состоящем из диффузора с направляющими лопатками и кинематическим механизмом для поворота лопаток, электрического привода для поворота лопаток, дискового рассекателя, который устанавливается в потоке воздуха перед диффузором с направляющими лопатками, датчика температуры приточного воздуха на выходе из диффузора, датчика температуры в рабочей зоне, и контроллера, выполненного с возможностью автоматического управления воздухораспределением по данным, полученным от датчиков температуры, осуществляя разворот лопаток с помощью привода, при этом направляющие лопатки установлены между плоскостями: нижней частью диска-рассекателя и верхней части диффузора, все лопатки в своем основании имеют опорные диски и оси, которые установлены в калиброванные отверстия в верхнем диске диффузора и механически закреплены самоконтрящимися шайбами для обеспечения вращения лопаток относительно оси и исключения осевого перемещения лопаток, при этом направляющие лопатки разделены на две группы в соотношении 50/50, а каждая группа объединена между собой пантографическим механизмом, при этом каждая пара лопаток внутри двух групп связаны друг с другом тягой, длина которой равна межцентровому расстоянию между осей вращения лопаток, а средняя лопатка в каждой из двух групп является ведущей и осью вращения у этих лопаток является вал, на который снизу верхнего диска диффузора установлены рычаги, которые в свою очередь посредством длинных тяг связаны с синхронизирующим валом, представляющим из себя вал с рычагами, установленными относительно оси вращения вала на 180° - синфазно, а электрический привод расположен на валу.
При этом угол поворота лопаток рассчитывается в зависимости от режима работы: нагрев или охлаждение.
При этом выход воздуха из воздухораспределителя осуществляется через диффузор, верхняя часть диффузора имеет радиусное закругление, а нижняя часть диффузора организована расширяющейся конической поверхностью.
При этом диффузор состоит из двух металлических пластин, а каждая из пластин диффузора имеет по периметру двойной внутренний отгиб, между собой пластины скрепляются по внешнему краю за счет восьми угловых и промежуточных проставок, при этом по внутреннему отверстию диффузора пластины склепываются между собой, образуя корпусную деталь торообразной формы, не подверженной изгибу и кручению при внешних нагрузках.
При этом на верхней пластине диффузора расположены направляющие лопатки, установленные вертикально в радиальном направлении и имеющие возможность вращаться от 0° до 50°.
При этом направляющие лопатки установлены с минимальным зазором, а расчет угла поворота лопаток ведется от базового угла, установленного для изотермического режима работы, когда температура воздуха в рабочей зоне равна температуре воздуха на выходе из агрегата.
При этом в зависимости от базового угла, режима работы и разницы температур на выходе из диффузора и в рабочей зоне, алгоритм контроллера подает управляющий сигнал на привод воздухораспределителя и осуществляет поворот лопаток на необходимый угол α=0°-50° с помощью электрического привода с напряжением 2-10 В.
При этом между опорной плоскостью лопатки и верхним листом диффузора установлена насыпная шариковая опора с сепаратором, лопатки на диске установлены консольно.
При этом привод выполнен с возможностью поворота 0°-90° с управляющим сигналом 2-10 В, а радиусы вращения кинематических пар «рычаг синхровала - длинная тяга» и «длинная тяга - рычаг ведущей лопатки» подобраны таким образом, что угол поворота привода 0°-90° обеспечивает поворот лопаток на 0°-50°, при этом минимальный управляющий сигнал электрического привода 2В соответствует крайнему минимальному углу поворота лопаток 0°, а максимальный управляющий сигнал привода 10В соответствует крайнему максимальному положению лопаток 50°.
При этом диск-рассекатель состоит из двух половин: нижняя плоская часть и верхняя часть аэродинамически со скругленными краями.
Сущность изобретения поясняется сопроводительными фигурами: фиг.1 - вид сбоку; фиг.2 - разрез А-А фиг.1; фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1; фиг.4 - разрез В-В фиг.1; фиг.5 - увеличенный вид Г фиг.9; фиг.6 - увеличенный вид Д фиг.2; фиг.7 - разрез Е-Е фиг.3; фиг.8 - угол поворота лопаток; фиг.9 - вид снизу, нижняя панель и диффузор не показаны; фиг.10 - аксонометрический вид воздухораспределителя; фиг.11 - фото воздухораспределителя без диска-рассекателя с лопатками, расположенными под углом 0°; фиг.12 - фото воздухораспределителя без диска-рассекателя с лопатками, расположенными под углом 50°; фиг.13 - фото воздухораспределителя с диском-рассекателем с лопатками, расположенными под углом 0°; фиг.14 - фото воздухораспределителя с диском-рассекателем с лопатками, расположенными под углом 50°.
Позиции элементов на сопроводительных фигурах:
1 - панель с лопатками;
2 - левая опора синхровала;
3 - правая опора синхровала;
4 - опора;
5 - рассекатель;
6 - диффузор;
7 - синхровал в сборе;
8 - поворотная лопатка ведущая;
9 - поворотная лопатка;
10 - рычаг вала;
11 - штанга;
12 - тяга лопатки;
13 - электропривод.
Воздухораспределитель состоит из следующих компонентов:
- диффузор с направляющими лопатками и кинематическим механизмом для поворота лопаток с углом поворота в диапазоне 0-50 градусов;
- электрический привод 2-10 В для поворота лопаток;
- дисковый рассекатель, который устанавливается в потоке воздуха перед диффузором с направляющими лопатками;
- датчик температуры №1 приточного воздуха на выходе из диффузора;
- датчик температуры №2 в рабочей зоне;
- контроллер для автоматического управления системой воздухораспределения.
Приточный воздух подается в воздухораспределитель сверху, встречает на своем пути диск-рассекатель потока, попадает на регулируемые направляющие лопатки и нагнетается в помещение через диффузор.
Дисковый рассекатель потока, обеспечивает формирование зоны разрежения в корне струи, удлиняя ее шейку. На начальном участке струи угол ее раскрытия близок к нулю.
В результате, при небольшом развороте направляющих лопаток обеспечивается необходимая дальнобойность струи, остающейся компактной на начальном этапе ее развития.
Вместе с тем, направляющие лопатки в зависимости от их разворота способствуют закручиванию струи. По мере удаления от среза сопла эффект закручивания усиливается за счет присоединения масс инжектируемого воздуха.
На некотором расстоянии эффект раскрытия струи за счет её закручивания превалирует над эффектом поджатия за счет изначально формируемого ядра разряжения, в результате чего струя резко раскрывается, обеспечивая необходимую площадь покрытия без избыточной подвижности воздуха. Разворот лопаток приводом осуществляется с помощью электрического привода с напряжением 2-10 В.
Возможны следующие предельные состояния:
если угол разворота лопаток α=0°, то закручивания струи не происходит и воздух подается вертикально вниз. При нагреве приточный воздух имеет более высокую температуру и меньший удельный вес, чем воздух в помещении и, следовательно, поднимается вверх. Чем больше разница температур приточного и окружающего воздуха, тем менее закрученной должна быть струя (т.е. угол разворота α), чтобы обеспечить оптимальную дальнобойность и подачу воздуха непосредственно в рабочую зону. При работе на нагрев, чем больше разница температуры в верхней зоне и температуры в нижней зоне, тем меньший угол положения лопаток будет задан.
при максимальном угле разворота α=50° образуется горизонтальная веерная струя. При охлаждении приточный воздух характеризуется более низкой температурой и высоким удельным весом по сравнению с воздухом в помещении, и, следовательно, имеет тенденцию опускаться вниз в рабочую зону. Во избежание сквозняков воздух подается в помещение в горизонтальном направлении и плавно опускается вниз. При работе на охлаждение, чем больше разница температуры в верхней зоне и средней температуры в нижней зоне, угол положения лопаток будет увеличиваться.
при развороте лопаток под определенным промежуточным углом воздушной струе задается движение по касательной с соответствующей степенью закручивания и уменьшением дальнобойности. При этом длина вертикального участка (ножки) струи при автоматическом регулировании постоянно отслеживается в зависимости от внешних динамических воздействий, опуская или приподнимая горизонтально расходящуюся часть струи непосредственно над обслуживаемой зоной.
Алгоритм управления работой поворотных лопаток осуществляется контроллером в зависимости от разницы температур на выходе из диффузора (датчик температуры №1) и в рабочей зоне (датчик температуры №2).
Воздухораспределитель управляется в автоматическом режиме и угол поворота лопаток рассчитывается в зависимости от режима работы нагрев/охлаждение и разницы температур воздуха на выходе из агрегата и рабочей зоне.
Расчет угла поворота лопаток ведется от базового угла, установленного для изотермического режима работы, когда температура воздуха в рабочей зоне равна температуре воздуха на выходе из агрегата.
В зависимости от базового угла, режима работы и разницы температур на выходе из диффузора и в рабочей зоне, алгоритм контроллера подает управляющий сигнал на привод воздухораспределителя и осуществляет поворот лопаток на необходимый угол α=0-50°.
Взаимосвязь между составными частями
Воздухораспределитель является оконечным устройством вентиляционной системы и предназначается для подачи воздуха в обслуживаемое помещение.
Выход воздуха из воздухораспределителя осуществляется через диффузор. Диффузор состоит из двух металлических пластин. Верхняя пластина диффузора имеет радиусное закругление, а нижняя пластина диффузора организована расширяющейся конической поверхностью, что обеспечивает плавное истечение воздуха.
Каждая из пластин имеет по периметру двойной внутренний отгиб, для обеспечения жесткого контура собранного корпуса воздухораспределителя. Между собой пластины скрепляются по внешнему краю за счет восьми усиленных угловых и промежуточных проставок, а по внутреннему отверстию диффузора пластины склепываются между собой, образуя корпусную деталь торообразной формы, не подверженной изгибу и кручению при внешних нагрузках. При транспортировке собранного изделия, вертикальная нагрузка от веса передается через восемь проставок на нижний лист - нижнюю пластину диффузора.
На верхней пластине диффузора расположены направляющие лопатки, установленные вертикально в радиальном направлении и имеющие возможность вращаться от 0° до 50°.
Все лопатки в своём основании имеют опорные диски и оси, которые установлены в калиброванные отверстия в верхнем диске диффузора и механически закреплены самоконтрящимися шайбами для обеспечения вращения лопаток относительно оси и исключения осевого перемещения лопаток.
Между опорной плоскостью лопатки и верхним листом диффузора установлена насыпная шариковая опора с сепаратором для обеспечения легкости вращения лопаток и уменьшения трения. Таким образом, лопатки на диске установлены консольно.
Сверху лопаток располагается диск-рассекатель. Диск-рассекатель состоит из двух половин: нижняя плоская часть и верхняя часть аэродинамически со скругленными краями.
Направляющие лопатки установлены между плоскостями: нижней частью диска-рассекателя и верхней части диффузора с минимальным зазором.
Для формирования приточной струи во всех режимах необходимо обеспечить синхронный поворот лопаток от 0° до 50° относительно своей оси.
Все направляющие лопатки разделены на две группы в соотношении 50/50.
Каждая группа объединена между собой пантографическим механизмом. На верхней плоскости опорного диска каждой лопатки установлены оси вращения с равным удалением от центра вращения лопатки. Расстояние между осей каждой соседней пары лопаток равно межцентровому расстоянию между осей вращения лопаток. Каждая пара лопаток внутри двух групп связаны друг с другом тягой, длина которой равна межцентровому расстоянию между осей вращения лопаток.
Таким образом, каждые пары лопаток внутри двух групп образуют пантографический механизм. Это даёт равные угловые перемещения всех опорных дисков вместе с лопатками при вращении ведущего диска с лопаткой каждой из двух групп.
Средняя лопатка в каждой из двух групп является ведущей и осью вращения у этих лопаток является вал, на который снизу верхнего листа диффузора установлены рычаги, которые в свою очередь посредством длинных тяг связаны с синхронизирующим валом, представляющим из себя вал с рычагами, установленными относительно оси вращения вала на 180° - синфазно.
На валу расположен электрический привод с возможностью поворота 0-90° с управляющим сигналом 2-10 В. Радиусы вращения кинематических «рычаг синхровала - длинная тяга» и «длинная тяга - рычаг ведущей лопатки» подобраны таким образом, что угол поворота привода 0-90° обеспечивает поворот лопаток 0-50°. При этом нет необходимости ограничивать угол поворота привода, что необходимо делать в аналогичных моделях. Минимальный управляющий сигнал электрического привода 2В соответствует крайнему минимальному углу поворота лопаток 0°, максимальный управляющий сигнал привода 10В соответствует крайнему максимальному положению лопаток 50°.
Предложенная конструкция воздухораспределителя позволяет исключить недостатки существующего уровня техники, позволяя достичь технический результат, заключающийся в повышении эффективности воздухораспределителя, поскольку отличительные признаки формулы изобретения позволяют улучшить аэродинамику поворотных механизмов (предложенная конструкция поворотных механизмов имеет лучшие по сравнению с прототипом аэродинамические характеристики) и повысить четкость управления лопатками воздухораспределителя за счет соединения лопаток с валом электропривода и полной синхронизации угла поворота лопаток с управляющим напряжением привода.
Поиск по общедоступным источникам информации показал, что из уровня техники не известна и явным образом не следует вся совокупность признаков воздухораспределителя, в связи с чем изобретение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Воздухораспределитель изготавливается из стандартных для этой области техники материалов на общеизвестном оборудовании, то есть может быть использован в промышленности, ввиду чего изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления предлагаемого воздухораспределителя, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации изобретения. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными настоящим изобретением в объеме прилагаемой формулы.