CC BY
10
THE USE OF GENERATING PRIMARY TRASDUCERS IN SYSTEMS OF COMMERCIAL ACCOUNING WATER
Adsract: The expediency of automated systems for commercial accounting of water. The role of the means of measurement of water consumption, established at the end-users. We formulate the problem of power supply of these funds and discusses the various ways of solving it. The conclusion about the possibility of use as a stand-alone energy generating primary converters. Compared rotary and vortex flowmeters. Outlined ways of improving primary vortex converters to improve their energy efficiency
Keywords: economy and accounting of water consumption measuring, autonomous energy sources, whirlpool and rotary converters
ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ОТОПИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМОЙ Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева», г.Москва, Россия (e-mail: asa-finance@yandex.ru) Флегонтов Евгений Александрович, аспирант Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева», г.Москва, Россия (e-mail: evgeniflegontov@mail.ru)
Перечисляются экологические проблемы, требующие решения при эксплуатации теплонасосных отопительных систем с грунтовыми теплообменниками. Выявляются недостатки механического управляющего устройства для поочередного подключения двух теплообменников. Приводится описание электронного устройства для автоматического управления теплонасосными отопительными системами. Рассматривается последовательность работы электронного устройства на примере теплона-сосной отопительной системы с тремя теплообменниками.
Ключевые слова: отопительная система, грунтовый теплообменник, промерзание грунта, поочередное подключение теплообменников.
Возрастающая роль в современных системах автономного отопления небольших сельскохозяйственных сооружений и односемейных жилых домов принадлежит теплонасосным системам. В этих системах большое место занимают конструкции, использующие естественную теплоту грунта. Как известно, в средней полосе России грунт на глубине 1,5 - 2,0 м практически не промерзает. Поэтому грунтовая среда вполне успешно может быть использована как источник тепловой энергии для обеспечения работоспособности испарительных контуров тепловых насосов.
К сожалению при чрезмерно интенсивном использовании теплоты грунта мы сталкиваемся с некоторыми технологическими и экологическими проблемами. Во-первых, теплоты грунта может просто оказаться недоста-
точно. Забирая теплоту с ограниченного объема грунта, определяемого ограниченной площадью земли, мы рискуем не получить теплоноситель в конденсаторе теплового насоса с требуемой температурой. А это, в свою очередь, определит неработоспособность или неэффективность системы отопления. Во-вторых, при интенсивном отборе теплоты из грунта последний охлаждается слишком сильно. Это приводит к тому, что корневая система растений, растущих в окрестности теплообменников, функционирует в неестественном режиме и растения могут погибнуть. Чрезмерное охлаждение грунта (почвы) также негативно сказывается на жизни насекомых и микроорганизмов, участвующих формировании растительного слоя. Переохлаждение грунта нежелательно и для строительных конструкций: для фундаментов, свай и т.д.
Для решения названных проблем был предложен способ поочередного подключения теплообменников к испарительному контуру теплового насоса. При осуществлении этого способа нагрев теплоносителя осуществляется не в одном, а, по крайней мере, в двух теплообменниках. Эти теплообменники соединены в одну гидравлическую систему и расположены на некотором расстоянии друг от друга. При этом процесс нагрева теплоносителя происходит периодически: сначала теплота отбирается от первого теплообменника, а затем (по мере охлаждения грунта) он отключается и включается второй теплообменник. Примечательно, что смена теплообменников происходит до момента достижения температурой теплоносителя установившегося значения.
Техническая реализация предложенного способа осуществляется с помощью механического управляющего устройства [1]. Это устройство содержит манометрические датчики температуры теплоносителя и систему переключения потоков. Несмотря на относительную несложность устройства, при его эксплуатации стал очевидным ряд его недостатков:
1. Наличие в конструкции управляющего устройства движущихся элементов, подвергающихся износу и требующих смазки.
2. Зависимость работоспособности управляющего устройства от положения в пространстве (наклона относительно земной поверхности).
3. Чувствительность к вибрациям.
4. Зависимость работоспособности управляющего устройства от температуры окружающей среды, так как последняя влияет на давление газа внутри полых цилиндров и на вязкость смазки в узлах трения.
5. Сложность регулировки управляющего устройства и установки температуры срабатывания.
6. Материалоемкость и громоздкость конструкции.
7. Невозможность реализации принципа подключения грунтовых теплообменников ко входу испарителя теплового насоса при трех и большем количестве грунтовых теплообменников.
Перечисленные недостатки удалось устранить в электронном устройстве для автоматического управления теплонасосной отопительной системой
[2]. Кроме того, разработанное устройство оказалось проще и гораздо дешевле известного прототипа.
На рисунке представлена функциональная схема теплонасосной отопительной системы, управляемой электронным устройством. При этом в качестве примера рассмотрена отопительная система с тремя грунтовыми теплообменниками, хотя на практике количество теплообменников может быть любым.
14
£ 15
£ 16
£
17
23
18
19
20
24
/ >
?1 25
>
?? 26 у
| г ' 1_.
21,
п
28,
У.
10
29,
1С
н г
'4' 13
Л
о
гл
Г
---------------------------------
Рис.1. Функциональная схема теплонасосной отопительной системы, управляемой электронным устройством.
Теплонасосная отопительная система включает контур циркуляции низкотемпературного теплоносителя 1 и грунтовые теплообменники 2, 3 и 4. Грунтовые теплообменники представляют собой полые емкости, выполненные из материала с высокой теплопроводностью (например, из стали, алюминиия и пр.). Эти теплообменники обладают большими поверхностями соприкосновения с внешней средой, что достигается их оребрением или гофрированием. Грунтовые теплообменники заполнены жидким теплоносителем (например, водой или низкозамерзающим текучим веществом). Теплообменники расположены в грунте на глубине 0,8...2,0 м и на расстоянии 5.25 м друг от друга. Входы грунтовых теплообменников объединены между собой и связаны с выходом испарителя 5 теплового насоса. Выходы теплообменников через устройство переключения 6 соединены со входом того же испарителя.
Система отопления 7 состоит из конденсатора 8 теплового насоса, соединенного трубопроводом 9 с отопительными приборами 10.
В грунтовых теплообменниках установлены датчики температуры 11, 12 и 13. В качестве датчиков температуры можно использовать полупро-
водниковые или металлические терморезисторы, рабочий диапазон температур которых совпадает с температурой внутри контура циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1. Датчики температуры соединены с прямыми входами компараторов 14, 15 и 16 соответственно. К инверсным входам этих компараторов подключены настроечные (установочные) резисторы. Компараторы представляют собой, комбинированные устройства, оснащенные источниками питания, мостовыми измерительными схемами и дифференциальными усилителями. Выходы компараторов 14, 15 и 16 подключены ко входам инверторов 17, 18 и 19 и к первым входам логических элементов «И» 20, 21 и 22 соответственно.
Выходы инверторов соединены между собой и связаны со входом кольцевого счетчика 23. В качестве кольцевого счетчика 23 может быть использован, например, трехфазный триггер. Выходы кольцевого счетчика через усилители 24, 25 и 26 подключены к управляющим входам электромагнитных клапанов 27, 28 и 29. В качестве электромагнитных клапанов 27, 28 и 29 могут быть использованы, например, пружинные электромагнитные устройства с двумя устойчивыми состояниями («открыто-закрыто») , установленные на выходах грунтовых теплообменников 2, 3 и 4.
Теплонасосная отопительная система работает следующим образом.
Устройство переключения 6 контролирует температуру низкопотенциального теплоносителя в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 и управляет процессом отбора теплоты от каждого из них в контуре циркуляции низкопотенциального теплоносителя 1.
При включении теплонасосной отопительной системы происходит измерение температуры в грунтовых теплообменниках 2, 3 и 4 посредством датчиков 11, 12 и 13 температуры. Сигналы с датчиков температуры подаются на прямые входы компараторов 14, 15 и 16. На инверсных входах компараторов формируются сигналы, определяемые порогом срабатывания и заданные оператором. В случае, если измеряемые температуры теплоносителя окажутся большими или равными установленных значений (если сигналы на прямых входах компараторов 14,15 и 16 будут большими или равными сигналов на их инверсных входах), на выходах компараторов 14, 15 и 16 появляются логические единицы. Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока температуры низкопотенциального теплоносителя внутри грунтовых теплообменников не опустится ниже предельного уровня. Логические единицы с выходов компараторов поступят на входы инверторов 17, 18 и 19 и обусловят отсутствие сигналов на их выходах. В то же время сигналы с выходов компараторов 14, 15 и 16 попадают на первые входы логических элементов «И» 20, 21 и 22. На вторые входы этих логических элементов «И» сигналы поступают не одновременно. Наличие сигнала на вторых входах логических элементов «И» определяется положением кольцевого счетчика 23. При подаче питания кольцевой счетчик оказывается в первом устойчивом состоянии, характеризующимся нали-
чием логической единицы на его первом выходе. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента «И» 20. При наличии сигнала на его первом входе (при допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 2) логический элемент «И» 20 срабатывает. При этом на выходе этого логического элемента появляется сигнал. Образовавшийся сигнал усиливается усилителем 24 и подается на управляющий вход электромагнитного клапана 27. Этот электромагнитный клапан открывается и низкопотенциальный теплоноситель из грунтового теплообменника 2 поступает на вход испарителя 5 теплового насоса, отдает свою тепловую энергию и возвращается в грунтовый теплообменник 2 через выход испарителя теплового насоса 5. В конденсаторе 8 теплового насоса происходит увеличение температуры теплоносителя системы 7 отопления, который подается посредством трубопровода 9 к отопительным приборам 10. Поскольку на втором и третьем выходах кольцевого счетчика 23 в это время сигналы будут отсутствовать, логические элементы «И» 21 и 22 не сработают, на их выходах, а также на выходах усилителей 25 и 26 сигналов не будет, электромагнитные клапаны 28 и 29 окажутся закрытыми, препятствуя движению низкопотенциального теплоносителя от грунтовых теплообменников 3 и 4.
По мере отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 2 температура низкопотенциального теплоносителя в нем будет уменьшаться. При значительном снижении этой температуры логическая единица на выходе компаратора 14 пропадает. Это вызывает появление сигнала на выходе инвертора 17 и одновременное исчезновение сигнала на первом входе логического элемента «И» 20. Появившийся на входе компаратора 23 сигнал переводит его во второе устойчивое состояние, характеризующееся отсутствием сигнала на его первом и третьем выходе и наличием сигнала на втором выходе. Сигналы на выходе логического элемента «И» 20 и усилителя 24 пропадают, и в то же время сигнал со второго выхода кольцевого счетчика 23 подается на второй вход логического элемента «И» 21, который сработает, если на его первом входе окажется сигнал о допустимой температуре низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 3. На выходе усилителя 25 появится сигнал, который поступит на управляющий вход электромагнитного клапана 28. Электромагнитный клапан 28 откроется и на вход испарителя теплового насоса 5 начнет подаваться низкопотенциальный теплоноситель от грунтового теплообменника 3.
Аналогично после отбора тепловой энергии от грунтового теплообменника 3 и снижения в нем температуры низкопотенциального теплоносителя, произойдет исчезновение сигнала на выходе компаратора 15 и на первом входе логического элемента «И» 21. Одновременно появится сигнал на выходе инвертора 18 и кольцевой счетчик 23 переключится в третье устойчивое состояние. При этом на третьем выходе кольцевого счетчика 23 появится сигнал, который будет подан на второй вход логического элемен-
та «И» 22. Логический элемент «И» 22 может сработать при допустимом значении температуры низкопотенциального теплоносителя в грунтовом теплообменнике 4, что должно сопровождаться появлением сигнала на выходе компаратора 16 и исчезновением сигнала на выходе инвертора 19. При срабатывании логического элемента «И» 22 сигнал с его выхода будет усилен усилителем 26. Это состояние будет характеризоваться появлением сигнала на управляющем входе электромагнитного клапана 29. Электромагнитный клапан 29 откроется и обеспечит подачу на вход испарителя 5 теплового насоса низкопотенциального теплоносителя от грунтового теплообменника 4.
Далее очередность работы автономной отопительной системы повторяется.
Таким образом, описанное управляющее устройство позволяет реализовать принцип поочередного подключения ко входу испарителя теплового насоса практически любого количества грунтовых теплообменников при одновременном соблюдении условия равенства температуры низкопотенциального теплоносителя заданному значению. Варьируя значениями напряжений на инверсных входах компараторов, оказывается возможным достичь оптимального режима отбора теплоты от грунта с учетом особенностей и рельефа местности, а также глубины размещения, объема и площади поверхности теплообменников. Список литературы
1.Патент № 140455 U1 Российская Федерация Федерация МПК F24D3/08 (2006.01) Система автономного обогрева помещений / Андреев С.А., Судник Ю.А., Трушевский С.Н., Флегонтов Е.А.// Заявка 2013147025 от 22.10.2013.Опубл. 10.05.2014 , бюлл.№ 13; приоритет полезной модели 22.10.2013.
2.Патент № 149505 U1 Российская Федерация МПК F24D12/02 (2006.01) Автономная отопительная система / Андреев С.А., Судник Ю.А., Трушевский С.Н., Флегонтов Е.А. //Заявка 2014119706 от16.05.2014. Опубл. 10.01.2015, бюлл. № 1; приоритет полезной модели 16.05.2014.
Andreev Sergey Andreevich, Cand.Tech.Sci, associate professor (e-mail: asa-finance@yandex.ru)
Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after K.A.Timiryazev, Moscow,Russia Flegontov Evgeny Alexandrovich, postgraduate student (e-mail: evgeniflegontov@mail.ru)
Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after K.A.Timiryazev, Moscow, Russia
ELECTRONIC DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL HEAT PUMP
HEATING SYSTEM
Abstract. Lists the environmental problems to be solved when exploitation is heat pump heating systems with ground heat exchangers. Identifies weaknesses mechanical control device for alternately connecting the two heat exchangers. The description of the electronic device for automatic control of heat pump heating systems. A sequence of operation of the electronic devices for example heating heat pump system with three heat exchangers.
Keywords: heating system, ground heat exchanger, soil freezing, alternately connect coils.
