CC BY
25
УДК 665.6
m1
I з о 23
25 2*3
М. А. Таймаров, Д. А. Ефремов, А. Р. Хаертдинова, И. Ю. Мазаров
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КОНДИЦИОНЕРОВ
Ключевые слова: Кондиционер, конденсатор, компрессор, запорный вентиль, датчик давления хладогента, осушитель,
датчик тока, жидкокристаллический индикатор.
В данной статье рассматривается схема кондиционера с предотвращением попадания фреона в атмосферу из-за неисправности в циркуляционном контуре.
Keywords: air conditioner, condenser, compressor, shut-off valve, pressure sensor the refrigerant, dehumidifier, current sensor, liquid
crystal display.
In this article examines the scheme of the air conditioner to prevent ingress of refrigerant into the atmosphere due to a malfunction in the circulation loop.
Описание проблемы
В области производства и использования бытовых кондиционеров имеется проблема с применением фреонов в качестве хладоагентов. Международное соглашение - Монреальский протокол, ограничивает производство и использование фреонов. Поэтому одним из решений проблемы является разработка конструкций кондиционеров, предотвращающих попадание фреонов в атмосферу из-за технических неисправностей. В данной статье предлагается структурная схема для кондиционеров с предотвращением попадания фреонов в атмосферу из-за неисправностей в их циркуляционном контуре.
Описание предлагаемой структурной схемы кондиционера
В основе работы кондиционеров лежит свойство жидкостей поглощать тепло при испарении и выделять его при конденсации [1,2]. В известных кондиционерах содержатся: испаритель с электрическим вентилятором, конденсатор с электрическим вентилятором, компрессор с электродвигателем, терморегулирующий вентиль, заправочный штуцер с сервоприводом и компьютеризированным управлением от
электронного блока, баллон с хладоагентом, размещенный непосредственно в устройстве, датчик температуры перегрева хладоагента после испарителя, компьютеризированный блок управления и индикации с пультом дистанционного управления, четырехходовой клапан, осушитель, датчик давления хладоагента для регулирования скорости вращения вентилятора конденсатора, датчик давления хладоагента для выключения компрессора, датчик температуры воздуха после испарителя, расширитель [2,3].
В исследованной структурной схеме предлагается применение микроконтроллера с блоком оптронных развязок и модемом для передачи данных по силовой электросети, связанных с компьютеризированным блоком управления и индикации.
Рис. 1 - Схема предлагаемого устройства: 1 -испаритель с электрическим вентилятором, 2 -конденсатор с электрическим вентилятором, 3-компрессор с электродвигателем, 4 -терморегулирующий вентиль, 5 - заправочный штуцер с сервоприводом, 6 - баллон с хладоагентом, 7 - запорный вентиль, 8 - датчик температуры перегрева хладоагента, 9 -компьютеризированный блок управления и индикации, 10 - четырехходовой клапан, 11-осушитель, 12 - датчик давления хладоагента для регулирования скорости вращения вентилятора конденсатора, 13 - датчик давления хладоагента для выключения компрессора, 14 - датчик температуры воздуха после испарителя, 15 -расширитель, 16 - провода силовой электросети, 17 - провода силовой нагрузки, 18 -трансформатор, 19 - датчик тока, 20 - датчик напряжения, 21 - преобразователь мощности и частоты, 22 - микроконтроллер, 23 - блок энергонезависимой памяти, 24 -жидкокристаллический индикатор, 25 - драйвер жидкокристаллического индикатора, 26 -драйвер программного интерфейса, 27 - РЬС-модем для передачи данных по силовой электросети, 28 - блок оптронных развязок, 29 -блок фазового сопряжения с узкополосным режекторным фильтром, 30 - блок автономного питания
Назначение элементов и узлов следующее.
Испаритель 1 с электрическим вентилятором (на рис. 1 электро-приводной вентилятор вместе с испарителем обозначены условно одной позицией)
служит для нагрева холодного хладоагента - фреона и его испарения. Конструктивно испаритель представляет собой трубчатый теплообменник, внутри медных трубок которого протекает жидкий хладоагент, а по их наружной поверхности движется воздух.
Продуваемый через наружную радиаторную поверхность испарителя воздух, соответственно, охлаждается и подается в помещение. Электродвигатель вентилятора испарителя соединен электрической связью (на фиг. связь обозначена пунктирной линией) с компьютеризированным блоком управления 9, который по программе в соответствии с режимными параметрами состояния хладоагента изменяет число оборотов крыльчатки вентилятора испарителя.
Конструктивно корпус испарителя 1 имеет воздушный фильтр, систему воздухораспределения (на рис. 1 эти элементы позициями не показаны). Воздушный фильтр предназначен для фильтрации кондиционируемого воздуха.
Система воздухораспределения включает автоматические жалюзи, распределяющие воздушный поток по помещению в необходимом направлении. Система воздухораспределения регулирует направление воздушного потока в горизонтальном и вертикальном направлении. Корпус испарителя, воздушный фильтр, система воздухораспределения, электровентилятор
испарителя, компьютеризированный блок управления и индикации 9 и дистанционный пульт управления (на рис. 1 позицией не обозначен) в совокупности представляют собой единый сборочный узел, расположенный внутри помещения.
При работе устройства в реверсивном режиме, то есть при нагреве воздуха в помещении, в испаритель 1 подается от компрессора 3 нагретый газообразный хладоагент, который отдает теплоту нагреваемому воздуху в помещении (на рис. 1 направления движения хладоагента показаны сплошными стрелками).
Конденсатор 2 (на рис. 1 обозначенный как единый узел вместе с электрическим вентилятором) служит для конденсации газообразного хладагента, то есть перевода из газообразного состояния в жидкое. Хладагент отдает тепловую энергию через трубчатую теплообменную поверхность наружному воздуху вне помещения.
Электрический вентилятор конденсатора 2 создает поток воздуха через наружную поверхность конденсатора и обеспечивает регулирование интенсивности теплопередачи от нагретого хладоагента к наружному воздуху. Электродвигатель вентилятора соединен электрической связью с компьютеризированным блоком управления 9 (на рис. 1 связь обозначена пунктирной линией), который по программе в соответствии с режимными параметрами состояния хладоагента изменяет число оборотов крыльчатки вентилятора.
Компрессор 3 электродвигателем (на рис. 1 электродвигатель отдельной позицией не показан)
служит для сжатия паров хладагента и поддерживает движение хладоагента по холодильному контуру. Конструктивно компрессор с электродвигателем расположены в одном наружном блоке вместе с конденсатором 2 вне помещения. Электродвигатель компрессора 3 соединен электрической связью с компьютеризированным блоком 9 управления и индикации для изменения производительности компрессора в зависимости от тепловой нагрузки. Электродвигатель компрессора охлаждается парами хладоагента - фреона, которые проходят один виток теплообменной трубки в конденсаторе 2 и направляются в герметичный кожух компрессора, где находится обмотка статора электродвигателя (рис. 1 виток трубки отдельной позицией не показан). Охладив обмотку, хладоагент снова поступает в конденсатор 2.
Терморегулирующий вентиль 4 служит для понижения давления жидкого хладоагента-фреона перед испарителем 1. Если испаритель 1 полностью заполнен жидким фреоном, то из него выходит насыщенный пар, температура которого равна температуре кипения. Температура паров хладоагента на выходе из испарителя регистрируется датчиком температуры (на рис. 1 датчик температуры условно не показан) и передается в компьютеризированный блок управления 9, который выдает электрический сигнал на регулирующий орган вентиля 4 (на рис. 1 регулирующий орган позицией не обозначен). Но основе сигнала с блока 9 регулирующий орган вентиля 4 при этом закрывается. Если из испарителя 1 выходит пар, нагрев которого превышает допустимую температуру
регулирующего органа вентиля 4, то
регулирующий орган открывается настолько, чтобы площадь его проходного сечения соответствовала допустимой величине. Фактически
терморегулирующий вентиль 4 является автоматически регулирующимся дросселем.
Терморегулирующий вентиль 4 может быть выполнен в виде капилляра, представляющего длинную тонкую медную трубку, свитую в спираль. В результате прохождения через капилляр давление хладоагента - фреона понижается до 0,3...0, 5 МПа и фреон остывает. Часть фреона может при этом испариться. Капиллярная трубка создает перепад давления между конденсатором и испарителем, вследствие чего жидкий хладоагент-фреон переходит в испаритель в газообразном состоянии. При этом он поглощает большое количество тепла, отнимая его от стенок испарителя и соприкасающегося с ним воздуха, засасываемого вентилятором из помещения.
Заправочный штуцер 5 с сервоприводом связан электрическим соединением с
компьютеризированным блоком управления 9 и служит для восполнения нормируемых потерь хладоагента - фреона в системе по сигналу с датчика 8 температуры перегрева хладоагента. Газообразный хладоагент-фреон поступает из баллона 6 по трубопроводу при открытии с
помощью сервопривода впускного вентиля (на фиг. впускной вентиль не показан) штуцера 5 в соответствии с температурой перегрева. Сигнал для включения сервопривода для открытия впускного вентиля на штуцере 5 формируется блоком управления 9 по компьютеризированной программе.
Значение перегрева определяется как разность между температурой фреона на выходе из испарителя 1 и температурой испарения фреона. Поддерживаемая величина перегрева составляет от 5 до 8 градусов К. Если значение измеренной датчиком 8 температуры перегрева превышает рекомендуемые значения, то это свидетельствует о нехватке фреона в системе.
Вентиль 7 служит для герметизации баллона 6 с фреоном при снятии его с кондиционера для транспортировки.
Датчик 8 температуры перегрева служит для формирования электрического сигнала по величине температуры перегрева хладоагента - фреона на выходе из испарителя 1. Величина температуры перегрева задается в блоке управления 9 по компьютерной программе.
Компьютеризированный блок 9 управления и индикации с пультом дистанционного управления совмещает в себе узел управления электрическим питанием через пусковые реле (на рис. 1 пусковые реле не показаны) от внешней электросети и служит для подачи в соответствии с компьютерной программой необходимой электрической мощности через пусковые реле от проводов нагрузки 17 на электродвигатели вентиляторов испарителя 1, конденсатора 2, на электродвигатель компрессора 3, на электрические вентили управления движением хладоагента заправочного штуцера 5 и четырехходового клапана 10, на электродвигатели системы воздухораспределения блока испарителя 1. С блоком 9 управления связан пульт дистанционного управления работой кондиционера (на рис. 1 пульт не показан). От блока 9 управления в автоматическом режиме по компьютерной программе включаются электродвигатели вентиляторов испарителя и конденсатора при пуске компрессора 3.
Четырехходовой клапан 10 служит для создания реверсивного движения хладоагента-фреона в кондиционере по сигналу от блока управления 9. В реверсивном режиме работы кондиционера горячий хладоагент-фреон после компрессора 3 подается не в конденсатор 2, а в испаритель 1 за счет автоматизированного переключени положения входных и выходных вентилей четырехходового клапана 10 (на фиг. входные и выходные вентили и реверсивное направление движение хладоагента условно не показаны). В испарителе при реверсивном режиме нагревается воздух, подаваемый вентилятором в помещение.
Осушитель 11 служит для отфильтровывания от хладоагента фреона продуктов износа компрессора и излишних посторонних включений в виде жидкости.
Датчик 12 давления хладоагента служит для регулирования скорости вращения вентилятора
конденсатора 2. Когда охлаждение конденсатора 2 недостаточно, давление в напорной магистрали начинает быстро расти. При этом хладоагент -фреон в конденсаторе 2 перестает конденсироваться. Датчик 12 реагирует на скачок давления и передает сигнал на блок управления 9, который включает вентилятор конденсатора 2 на полную мощность.
Датчик 13 давления хладоагента служит для выключения компрессора 3, если давление в напорной магистрали после компрессора достигает запредельных величин.
Датчик температуры 14 воздуха после испарителя связан электрическим соединением с блоком управления 9 и вырабатывает сигнал для выключения компрессора 3, если температура воздуха, продуваемого вентилятором через наружную поверхность теплообменных трубок испарителя, становится слишком низкой.
Расширитель 15 служит для предотвращения гидравлического удара между испарителем 1 и компрессором 3.
Провода силовой электросети 16 и провода силовой нагрузки 17 служат для подвода электроэнергии к электродвигателям вентиляторов испарителя 1, конденсатора 2 и электродвигателя привода компрессора 3 и подвода электроэнергии к исполнительным механизмам управления устройства. Провода электросети 16 и провода нагрузки 17 также служат для передачи информации по силовой электросети по технологии PLC (Power Line Communication - коммуникации через силовые линии).
Трансформатор 18 служит для обеспечения точного, стабильного и независимого от внешних условий коэффициента трансформации. Трансформатор обладает свойством согласования цепей источника и нагрузки. Кроме того, он обеспечивает "негальваническую" магнитную связь между обмотками.
Датчик тока 19 и датчик напряжения 20 представляют собой твердотельные электронные элементы для создания на выходе импульсов, число которых пропорционально входной величине тока и напряжения.
Преобразователь 21 мощности и частоты служит для преобразования аналоговых и усиления входных сигналов тока, напряжения и частоты в счетный импульс. Этот импульсный сигнал прямо пропорционален той электрической мощности, которая потребляется электрооборудованием.
Микроконтроллер 22 служит для обработки сигналов, поступающих с преобразователя 21 и передачи полученных результатов на жидкокристаллический индикатор 24.
Микроконтроллер 22 синхронизирован с кварцевым резонатором хода часов (на фиг. кварцевый резонатор не показан). Запуск и коррекция точности хода часов микроконтроллера производится программным способом. Микроконтроллер 22 управляет работой индикатора 24 с целью отображения измеренных данных. Конструктивно блок микроконтроллера 22 совмещен с
компьютеризированным блоком управления и индикации 9.
Блок 23 энергонезависимой памяти представляет собой микросхему и служит для периодического сохранения данных микроконтроллера 22. В случае возникновения аварийного режима "зависания" микроконтроллера 22 или падения напряжения блока 30 автономного питания микроконтроллер 22 восстанавливает данные из блока 23.
Драйвер 25 жидкокристаллического индикатора осуществляет динамическую выдачу информации, помещенной в его память, на соответствующие сегменты жидкокристаллического индикатора 24.
Драйвер 26 программного интерфейса представляет собой микросхему и служит для обеспечения связи с внешним управляющим удаленным диспетчерским компьютером (на рис. 1 не показан) автоматизированной системы контроля текущих режимных параметров работы кондиционера. Информационные интерфейсные сигналы от микроконтроллера 22 поступают на микросхему драйвера 26 интерфейса через блок 28 оптронных развязок.
Модем 27 служит для передачи данных по силовой сети. Одним из назначений модема 27 является обеспечения обратной связи от внешнего управляющего диспетчерского компьютера через силовую электросеть.
Блок 30 автономного питания в виде литиевой батареи или аккумулятора служит для обеспечения резервного питания при отключении электросети.
Блок 29 фазового сопряжения с узкополосным режекторным фильтром служит для объединения трех электрических фаз для осуществления функционирования модема по технологии PLC и для блокирования в процессе передачи данных определенных частот, предотвращая таким образом появление радиопомех.
Работа структурной схемы кондиционера
Исследуемая схема кондиционера работает следующим образом. Заданная температура воздуха в помещении устанавливается дистанционно с переносного пульта (на рис. 1 не показан) и в дальнейшем поддерживается автоматически с помощью регулятора температуры,
вмонтированного в компьютеризированный блок управления 9, по команде датчика температуры 14.
Газообразный хладоагент - фреон на выходе из компрессора 3 имеет высокое давления и температуру. Попадая по трубопроводам последовательно через четырехходовой клапан 10 в теплообменник конденсатора 2 хладагент начинает конденсироваться - переходить из газообразного состояния в жидкое. Процесс конденсации происходит в следствие того, что вентилятор, создавая циркуляцию наружного воздуха через теплообменную поверхность конденсатора 2 охлаждает его, а следовательно и хладагент.
При этом конденсируясь, хладагент отдает тепловую энергию наружному воздуху. Далее жидкий, сконденсированный хладагент попадает
через осушитель 11 в терморегулирующий вентиль 4, который в наиболее простой форме представляет собой капиллярную трубку, а затем в зону низкого давления в испарителе 1. В зоне низкого давления, давление, а, следовательно, и температура жидкого хладагента, падает.
Из испарителя 1 хладоагент - фреон отсасывается через расширитель 15, четырехходовой клапан 10 и заправочный штуцер 5компрессором 3. Далее цикл повторяется.
При недостатке хладоагента - фреона значение измеренной датчиком 8 температуры перегрева паров хладоагента-фреона превышает
установленные значения от 5 до 8 °С. Датчик температуры 8 подает сигнал блок управления 9, который в свою очередь, открывает впускной вентиль (на рис. 1 впускной вентиль не показан) заправочного штуцера 5 для пополнения системы порцией хладоагента- фреона из баллона 6. Степень и продолжительность открытия впускного клапана регулируются по компьютерной программе на блоке управления 9. Запорный вентиль 7 при этом открыт.
При подсоединенном к электросети состоянии проводов 16 и приложенной электрической нагрузки к проводам 17 значения режимных параметров напряжения электросети, потребляемой кондиционером электрической мощности, температуры воздуха после испарителя 1, датчика 8 температуры перегрева хладоагента, датчиков давлений хладоагента 12 и 13 считываются с компьютеризированного блока управления 9 и через микроконтроллер 22, блок оптронных развязок 28 и РЬС-модем 27 по проводам нагрузки 17 и электросети 16 передаются к внешнему управляющему удаленному диспетчерскому компьютеру (на рис. 1 не показан). На индикаторе 24 отображается текущее значение активной мощности в нагрузке в кВт.
В блоке 23 энергонезависимой памяти сохраняются значения давлений с датчиков 12 и 13, количество отключений по суткам и значения учтенной активной значение учтенной активной энергии с начала эксплуатации кондиционера с нарастающим итогом.
По модему 27 на диспетчерский компьютер передается информация об удельной потребленной электроэнергии на выработку 1 кал холода и о количестве состояний компрессора в режиме перегрева в течение суток. Положительный эффект в заявляемой конструкции достигается за счет предотвращения аварийного износа компрессора вследствие перегрева, так как текущее состояние режимных параметров, в том числе и аварийных, непрерывно отражается и регистрируется на мониторе удаленного диспетчерского компьютера.
Выводы
1. Исследованная схема кондиционера фиксирует текущее состояние по режимным эксплуатационным параметрам давления и температуры хладоагента -фреона с компьютеризированного блока управления через микроконтроллер, блок оптронных развязок и
РЬС-модем на внешнем управляющем удаленном диспетчерском компьютере с возможностью предотвращения аварийных ситуаций, связанных с утечкой фреона в атмосферу.
2. Наличие внешнего удаленного диспетчерского компьютера с применением предлагаемой структурной схемы позволяет проводить дистанционный мониторинг состояния хладоагента-фреона по показателям наличия в нем влаги и загрязняющих включений и управлять дистанционно в автоматическом режиме работой нескольких кондиционеров.
Литература
1. Таймаров М.А Повышение эффективности работы энерготехнологических. Научное издание. Казань, КГЭУ, 2010. 108 с.
2. Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. Технологические расчеты установок переработки нефти. М., Химия, 1987. 352 с.
3. Сарданашвили А. Г. Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М., Химия, 1980. 256 с.
4.Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М., Химия, 201. 568 с.
5.Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: Учебное пособие. Ч.1. - М.: МГУЛ, 2002. 688 с.
6. Таймаров М.А., Лавирко Ю.В., Хаертдинова А.Р. Повышение эффективности работы радиантных топок. Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т.17, N 21. - С.136-138.
7.Таймаров М.А., Додов И. Р. Установка для производства синтетического моторного топлива // Вестник технол. ун-та. - 2015. - Т.18, N 8. - С.162-166.
8. Таймаров М.А., Додов И.Р., Степанова Т.О. Сжигание сбросных газов для теплофикации в нефтехимии. Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18. № 24. С. 95-98.
9. Таймаров М.А., Кувшинов Н.Е., Степанова Т.О. Технология воспламенения топлива // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 24. С. 41-44.
10. Сафин Р.Г., Зиатдинова Д.Ф., Сафина А.В., Степанова Т.О., Крайнов А.А. Современные направления переработки лесных ресурсов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №15. - С. 144-148.
11. Сафин Р.Г., Галиев И.М., Степанова Т.О., Разработка террасных досок и плит из древесины-полимерных композиционных материалов / Деревообрабатывающая промышленность. 2015, в.3, с.56-60.
12.Таймаров М.А. Энергетические машины. Казань: КГЭУ, 2003. - 112 с.
13. Лэнли Б.К. Холодильная техника и кондиционирование воздуха. М., Издательство: Легкая и пищевая промышленность. 1981. - 480 с.
© М. А. Таймаров - д-р техн. наук, профессор каф. ПДМ, КНИТУ, Taimarovma@yandex.ru; Д. А. Ефремов - ст. лаборант каф. КУШ , КГЭУ; dmitrij_efremov_1992@mail.ru; А. Р. Хаертдинова - студент каф. ПТЭ, КГЭУ, kh.alina2014@yandex.ru; И. Ю. Мазаров - магистрант каф. ПДМ КНИТУ, ivanmazarov92@mail.ru.
© M. A. Taymarov - Doctor of Engineering, professor of chair of processing of wood materials, KNRTU, Taimarovma@yandex.ru; D. A. Efremov - senior laboratory assistant of the Department. KUPG, Kazan state power engineering University; dmitrij_efremov_1992@mail.ru; A. R. Hayertdinova - student of PTE, KGEU department; kh.alina2014@yandex.ru; 1 Yu. Mazarov - undergraduate of chair of processing of wood materials, KNRTU, ivanmazarov92@mail.ru.
