CC BY
50
УДК 621.577.22
Р. И. Сафуанов, И. М. Валеев ОБЗОР ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ КАК ОПОРНОГО СИГНАЛА ДЛЯ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА НА ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ
Ключевые слова: источники низкопотенциального тепла, тепловые насосы, термодатчик.
В статье рассмотренна упрощенная математическая модель помещения с применением датчика температуры которая сравнивается с моделью без термодатчика.
Key words: sources of low-potential heat, heat pumps, temperature sensor.
The article considers a simplified mathematical model of the room with the temperature indicated, which is compared with the model without a temperature sensor.
Проблема энергоэффективного получения тепла является актуальной для ресурсосберегающей эксплуатации зданий и сооружений. Одним из путей ее решения является использование тепловых насосных установок для отопления и обеспечения горячей водой потребителей. Такие установки при правильном расчете имеют высокий коэффициент преобразования энергии, чем и обеспечивают свою рентабельность. Эта технология позволяет в прямом смысле высасывать тепло из земли или другой среды и использовать его в нуждах потребителя.
Для использования тепловых насосов необходимо ознакомится с источниками низкопотенциального тепла. Температура верхних слоёв грунта зависит в большей степени от внешних факторов солнечного тепла и температуры воздуха. В зимнее время и ночью грунт до определённых глубин охлаждается, а летом и днём прогревается вслед за изменением температуры воздуха с некоторым запаздыванием, увеличивающимся с глубиной [1]. На глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров заканчивается влияние суточных колебаний температуры воздуха. На некоторой глубине температура грунта постоянна и примерно равна среднегодовой температуре воздуха. Усреднено температура с увеличением глубины растёт на 2,5-3°С на каждые 100 м [2]. Геотермическим градиентом называют отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними [3].Сезонные колебания имеют более значительное влияние на температуру грунта и могут достигать десятков метров.
Работа тепловых насосов как и большинство современных технологических процессов идет сейчас по пути автоматизации. Кроме того, управление многочисленными механизмами и агрегатами, а зачастую и машинами просто немыслимо без точных измерений всевозможных физических величин. Не маловажными являются измерение давления, уровня и многие другие. Но самыми распространенными являются
температурные измерения.
Датчик - это элемент измерительного, регулирующего, сигнального или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения,
регистрации, хранения, передачи, обработки, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы.
Для измерения температуры существует несколько разновидностей термодатчиков.
Термометры сопротивления.
Простейшим и наиболее распространенным типом датчика является термометр сопротивления. Принцип его работы основан на сопротивлении металлов. Это означает, что по мере повышения температуры сопротивление металлической проволоки будет увеличиваться. Коэффициент, описывающий такую зависимость, называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Для металлов эта величина положительна.
Конструктивно термометр сопротивления представляет собой миниатюрный катушку из меди или платиновой проволоки, упакованную в защитный кожух. Для получения оптимальных измерительных характеристик провод стараются взять по возможности большей длины. Для удобства использования все термометры стандартизированы так называемым нулевым сопротивлением, то есть сопротивлением при температуре 0°С. В промышленности выпускаются термометры с нулевым сопротивлением 50, 100, 500, 1000 Ом. Термометры обозначаются типом используемого металла для измерения и нулевой температурой. Например, используются медные детекторы ТСМ100 и платиновые ТСП100 и РШ0. Характеристики двух последних отличаются друг от друга, что необходимо учитывать.
Термометры сопротивления для измерения температуры от -50 до 200°С. Их преимущества включают высокую точность измерений при низких затратах. Для продуктов, используемых в промышленности, значение ошибки составляет 0,1 градуса.
Терморезисторы
Принцип действия терморезисторов схож с термометрами сопротивления. Они отличаются, прежде всего, технологией производства и конструктивными особенностями. По внешнему виду они часто напоминают обычные резисторы. Терморезисторы существуют с положительными ТКС - позисторы и отрицательными ТКС-термисторы.
Нулевое сопротивление терморезисторов может достигать десятков килоом. Их использование аналогично термометрам сопротивления. Недостатки включают существенную нелинейность этих элементов. Термопары
Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектрической мощности (эффект Зеебека) на стыке двух разнородных металлов. Величина ЭДС пропорциональна разности между «горячим» концом или спаем и «холодным» концом, который является точкой подключения проводников к измерительному устройству. (Международное обозначение - К, отечественное - ХА), хромель-копель (тип L или ТХК), платинородий-платина (тип S или ТИП). Есть также некоторые другие типы термопар.
Выходным сигналом термопары является напряжение, значение которого измеряется в милливольтах. Это означает, что для измерений необходимо использовать усилитель. Второй особенностью использования термопар становится необходимость компенсации температуры холодного спая. В общем случае термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Точки подключения проводников к измерительному устройству схожи с местом спая, что вносит ошибку в измерения. Чтобы учесть это, в месте ближайшем к точке соприкосновения, установлен дополнительный датчик температуры, показания которого вычитаются из показаний основного. Третья особенность заключается в том, что соединительные кабели специального типа, обычно изготавливаемые из того же материала, что и термопары. Пренебрежение этим требованием увеличивает ошибку измерения.
Основное преимущество термопар - способность измерять высокую температуру. Так для типа ХА диапазон измерений от -180 до 1300 градусов. Для некоторых специальных моделей верхнее значение может достигать 1800 градусов. Наряду с широким диапазоном термопары характеризуются низким классом точности. Кроме того, особенно при большом диапазоне измеряемых температур, необходимо учитывать нелинейность термопар.
Полупроводниковые датчики температуры
Температурная зависимость проявляется не только у металлов, но и у р-п-перехода. При протекании тока на нем падение напряжения будет меняться в зависимости от изменения температуры. Используя эту зависимость, можно измерить температуру в диапазоне от -55 до 150 градусов. В качестве датчиков могут использоваться обычные диоды или один из р-п- переходов транзистора. Схема измерительных цепей с использованием этих устройств схожа с терморезисторами. Существуют также запатентованные продукты, которые являются измерительными устройствами с аналоговым выходным сигналом,
пропорциональным температуре.
Терморегуляторы, комнатные термостаты, датчики комнатной температуры - это все названия одного и того же понятия. Их применение повышает
показатели комфорта экономии и долговечности. А именно, комфортной температуры в помещении, экономии расхода электроэнергии и увеличения срока службы отопительного агрегата.
При отсутствии термодатчика температуры помещения регулировка происходит путем увеличения или уменьшения температуры теплоносителя в системе отопления. Включение и выключение котла происходит уже в зависимости от того, достиг ли теплоноситель в системе отопления заданной на котле температуры. При понижении или повышении температуры за пределами помещения появляется необходимость регулировать температуру отопления вручную. Эти манипуляции необходимо проделывать весь отопительный сезон, когда температура в отапливаемом помещении становится либо слишком прохладной, либо слишком жаркой.
Комнатный термостат - прибор, который регулирует работу отопительного агрегата в зависимости от температуры воздуха в помещении.
На термостате есть возможность задания необходимой температуры в помещении, — например + 23°С. При понижении температуры воздуха, термостат дает команду на повышение температуры- отопление начинает работать. Как только температура воздуха в помещении достигает + 23,25°С - + 24°С термостат отключает отопление.
Для наглядного показания преимущества использования датчика была создана упрощенная тепловую модель дома рис.1. Эта система моделей внешней среды, тепловых характеристик дома, и системы отопления.
Рис. 1 - Тепловая модель дома
Уставка
"Уставка" - это постоянный блок. Он определяет температуру, которая должна поддерживаться в помещении.
Нагреватель
Нагреватель, он же тепловой насос, представляет собой подсистему, которая имеет свое передаточное число и звено защиты от закипания теплоносителя.
Дом
"Дом" - это подсистема, которая вычисляет перепад температур. Она учитывает параметры помещения, тепло от нагревателя и потери тепла в окружающую среду рис.2.
Рис. 2 - Дом. Подсистема
Моделирование окружающей среды
Окружающая среда моделируется в качестве теплоотвода с бесконечной теплоемкостью и время разной температуры зазывают. Постоянные блока "Средняя Наружная температура" указывает среднюю температуру воздуха на улице. "Ежедневные временные вариации" синусоида блок создает суточные колебания температуры наружной температуры.
Для сравнения можно рассмотреть математическую модель дома без термодатчика рис. 3.
Рис. 3 - Математическая модель дома без термодатчика
Температуру в помещении с термодатчиком и без него можно посмотреть на рисунке 4. По результатам можно судить о том, что при наличии термодатчика температура более комфортна в связи с почти полным отсутствием ее колебаний.
повышение комнатной температуры, свыше требуемой, даже на 1°С, кроме ощутимого дискомфорта, приводит к значительному перерасходу энергии.
Теоретически за счёт только геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.
Рис. 4 - Результаты моделирования математической модели дома с термодатчиком и без него
Литература
1. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС. Энергоатомиздат, 1998. 288 с.
2. Кравченко Г.М. Оценка эффективности работы водяных систем отопления. Теплоэнергетик. 2004. №4. 72-75 с.
3. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. Энергоатомиздат, 1989. 200 с.
4. Суханова Н.Н., Суханов В.И., Юровский А.Я. Полупроводниковые термопреобразователи с расширенным диапазоном рабочих температур. Датчики и системы, №7, 8, 1999.
Густав Олссон, Джангуидо Пиани «Цифровые системы автоматизации и управления» СПб.: Невский Диалект, 2001
5
6.
https://www.mathworks.com/examples/simulink/mw/simuli nk_product-sldemo_househeat-thermal-model-of-a-house
Выводы
При работе комнатного термодатчика нет необходимости регулировать температуру вручную из-за изменения погодных условий, ее можно задать на термостате один раз.
Тепловые агрегаты не управляемые термостатом, бесполезно расходуют до 25-30% энергии, так как
© Р. И. Сафуанов - магистр кафедры электроэнергетики и электротехники КНИТУ, safuanov.ruslan@mail.ru; И. М. Валеев -доктор технических наук, профессор кафедры "Электропривода и электротехники" КНИТУ, ilgizvaleev@yandex.ru.
© R. I. Safuanov - Master of the Department of Electric Operations and Engineering Kazan National Research Technological University, safuanov.ruslan@mail.ru; I. M. Valeev - doctor of technical sciences, professor of the department "Electric drive and electrical engineering" KNRTU, ilgizvaleev@yandex.ru.
