ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Переход от ручного управления технологическими процессами к автоматизированному привёл к развитию средств автоматизации в промышленности. Стремление к снижению влияния человеческого фактора и к повышению производительности привело к появлению релейно-контакторных систем управления, на смену которым в 1968 году пришли первые программируемые логические контроллеры и интеллектуальные реле. Распространение средств автоматизации в промышленности привело к логичному проецированию возможностей автоматизации на инженерное оборудование зданий. Инженерное оборудование – это комплекс технологических средств, который создаёт благоприятные условия для работы людей и протекания технологического процесса в зданиях. Применение систем автоматизации инженерных систем позволяет повысить безопасность здания, предотвратить аварийные ситуации или уменьшить их последствия , повысить эффективность использования энергоресурсов, улучшить комфорт для пребывающих в здании людей, чего можно достичь лишь при использовании продуманных сложных алгоритмов и глубоком понимании объектов управления.

1. Актуальность темы

С введением в эксплуатацию больших торговых и развлекательных центров, офисных зданий, а также с проведением реконструкции библиотек, банков, производственных зданий на первые позиции выходит стоимость содержания зданий. В условиях постоянно возрастаюших тарифов на энергоресуры становится актуальной задача рационализации их потребления. Используя системный подход к автоматизации здания можно минимизировать расходы на энергопотребление и содержание здания в целом. Поскольку расход теплоресурсов составляют до 90% от общего энергопотребления, то объектом исследования выбраны установки центрального кондиционирования и вентиляции воздуха с воздушным отоплением.

Магистерская работа посвящена актуальной проблеме в области систем управления инженерным оборудованием зданий, а именно поиску резервов для снижения энергопотребления с помощью регулируемого электропривода, а также исследованию и разработке алгоритмов управления исполнительными механизмами установок вентиляции и кондиционирования.

2. Задачи исследования, планируемые результаты

Основные задачи исследования:

  1. Анализ существующих схем центрального кондиционирования воздуха.
  2. Исследование режимов работы исполнительных механизмов установок центрального кондиционирования.
  3. Поиск способов уменьшения затрат на теплоресурсы.
  4. Исследование алгоритмов управления элементов установок центрального кондиционирования с утилизацией теплоты.

Объект исследования: установки центрального кондиционирования воздуха.

Предмет исследования: использование методов утилизации теплоты.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Разработка математического описания энергосберегающих объектов.
  2. Составление алгоритмов их управления.

3. Обзор исследований и разработок

Поскольку системы центрального кондиционирования воздуха являются одними из наиболее распространённых инженерных систем, им посвящены работы как отечественных специалистов, так и зарубежных. Однако задачи управления рассмотрены лишь в некоторых из них.

3.1 Обзор международных источников

Общая теория термодинамики, психрометрических показателей воздуха, теория термокомфорта, расчет загрузки и требуемой мощности установок центрального кондиционирования воздуха рассмотрены в [1]. Основное инженерное оборудование систем отопления, вентиляции и кондиционирования, теоретические выкладки, описывающие суть протекающих процессов описаны в [2]. По этим трудам можно сделать вывод, что западные коллеги имеют достаточно серьёзную теоретическую базу. Зарубежные производители установок кондиционирования и вентиляции помимо каталогов прилагают техническую документацию, в которой могут быть отображены экспериментальные характеристики элементов установок, анализ которых даёт лучшее представление об объекте [3]. Краткое описание средств автоматизации на примере оборудования Шведской компании TAC представлено в [4].

3.2 Обзор отечественных источников

Компанией ИВИК разработано учебное пособие [5], в котором в доступной форме изложены как основы технологии и управления, так и системы автоматики систем кондиционирования воздуха (СКВ) и тенденции их развития. Теоретические основы получения холода, тепла, элементная база климатического оборудования, рекомендации для наладчиков и монтажников СКВ в достаточном объеме изложены в [6]. Вопросы энергосбережения хорошо освящены в справочно-методическом пособии [7]. Примеры расчета СКВ и выбора оборудования для различных производственных объектов и общественных зданий приведены в [8]. В [9] впервые за несколько десятилетий читатель может найти подробное систематизированное описание трех весьма важных подсистем СКВ и СВ: утилизации теплоты и холода вентвыбросов и сбросных вод, увлажнения воздуха, очистки наружного и приточного воздуха. В основу этой книги положены данные о многочисленном и разнообразном отечественном и зарубежном оборудовании этих подсистем, разработанных во второй половине XX в. В ней использованы и систематизированы основные разработки российских и советских ученых и специалистов. В другом томе этой книги рассмотрены подсистемы нагрева, охлаждения и осушения воздуха [10].

3.3 Обзор локальных источников

Изучение вопросов автоматизации зданий в Донецком национальном техническом университете находится на начальной стадии и осуществляется на кафедре Электропривода и автоматизации промышленных установок в Авторизированном центре обучения Schneider Electric. Первые публикации в этом направлении представлены в разделе Библиотека.

4. Использование методов утилизации теплоты вентиляционных выбросов в установках центрального кондиционирования и вентиляции

Для систем вентиляции и кондиционирования в целях снижения энергопотребления могут использоваться следующие способы утилизации теплоты вентиляционных выбросов:

  1. Рециркуляция части вытяжного воздуха;
  2. Применение рекуперативных теплообменников-утилизаторов;
  3. Применение регенеративных теплообменников-утилизаторов;
  4. Применение двух теплообменников, использующих промежуточный теплоноситель.

Рассмотрим способ утилизации теплоты вентиляционных выбросов при помощи регенеративного теплообменника-утилизатора, как наименее изученный.

Применение регенеративных теплообменников-утилизаторов

К регенеративным теплообменникам-утилизаторам относятся теплоутилизаторы роторного типа. В регенераторах теплообмен происходит за счет обдува вращающегося теплообменника встречными потоками приточного и вытяжного воздуха (рис. 1). Эффективность регенерации зависит от скорости вращения – чем быстрее вращается ротор регенератора, тем больше эффективность регенерации. Однако, существует предельная скорость, свыше которой эффективность теплообмена падает. Обычно, эта скорость и является максимальной, и, как правило, составляет 10-15об/мин. Вариант типовой схемы центрального кондиционера с регенеративным теплоутилизатором представлен на рис. 2. Функциональная схема отображает лишь часть защит и может иметь или не иметь в своём составе те или иные датчики, секции кондиционера.

Рисунок 1 – Принципиальная схема работы роторного теплоутилизатора

Функциональная схема центрального кондиционера с роторным регенератором

Рисунок 2 – Функциональная схема центрального кондиционера с роторным регенератором

Теплообменники роторного типа сложнее в эксплуатации, чем рекуперативные теплообменники, поскольку требуют дополнительных затрат электроэнергии на привод ротора, однако установка регулируемого электропривода даёт возможность управления производительностью теплообмена, что является преимуществом перед пассивными рекуператорами. Также к преимуществам перед рекуператорами можно отнести компактность, меньшую металлоёмкость, меньшее аэродинамическое сопротивление, отсутствие необходимости непрерывного удаления конденсата. В регенеративных теплообменниках-утилизаторах возможны перетечки вытяжного воздуха (0.1…2%) как в канал приточного воздуха, так и вытяжного. Как и в рекуперативных теплообменниках-утилизаторах, должна быть предусмотрена защита от замораживания. На примере схемы рис. 1 она представлена датчиком температуры, установленным после ротора утилизатора в канале вытяжного воздуха. Если температура вытяжного воздуха становится ниже 5…10 °С, то привод ротора должен перейти на пониженную скорость, заслонки наружного воздуха нужно закрыть, а приточный вентилятор выключить. Теплообменник, обдуваемый более теплым отработанным воздухом, оттает. При использовании датчика температуры вытяжного воздуха не учитывается влажность наружного и вытяжного воздуха, поэтому защиту от замораживания стоит выполнять с помощью дифференциального датчика давления, установленного на регенераторе. Для повышения надёжности защиты могут использоваться оба датчика. Системы центрального кондиционирования с регенератором тепла, работающие в условиях холодных зим, желательно комплектовать секцией предварительного нагрева, установленного перед роторным теплообменником-утилизатором (рис. 3).

Функциональная схема центрального кондиционера с роторным регенератором и секцией предварительного нагрева

Рисунок 3 – Функциональная схема центрального кондиционера с роторным регенератором и секцией предварительного нагрева

Для обеспечения надёжности работы установки, помимо защиты от замораживания роторного регенератора, необходим контроль за тепловым состоянием двигателей вентиляторов, контроль силовых и управляющих цепей вентиляторов (установка дополнительных блок-контактов, реле), контроль за температурой обратной воды водяного калорифера, контроль за состоянием воздушных фильтров (на рис. 2 и рис. 3 предложен вариант установки дифференциального датчика перепада давления). Современные приводы заслонок и клапанов имеют дополнительный аналоговый выход для контроля положения исполнительного механизма, что может использоваться как для мониторинга состояния, так и для диагностических целей.

Учитывая вышесказанное, при выборе контроллеров стоит резервировать дополнительные входы для защиты оборудования.

Существуют 3 основных модификации утилизаторов роторного типа [13]:

  1. Стандартное исполнение. Ротор разделен на 4-6-8-12 секторов. Применяются для утилизации явной теплоты удаляемого воздуха. Роторы стандартного исполнения являются конденсационными роторами, которые переносят влагу только тогда, когда отработанный воздух ниже температуры точки росы. Матрица намотана из алюминия устойчивого к морской воде;
  2. Высокотемпературные. Применяются для утилизации явной теплоты удаляемого воздуха с температурой до плюс 250 °С;
  3. Энтальпийные. Применяются для утилизации полной теплоты, при этом дополнительно осуществляется передача влаги. Передают от вытяжного воздуха приточному полную, т.е. явную и скрытую теплоту.

Энтальпийные роторы целесообразно применять в СКВ с регулированием влажности. В таком случае возможно повышения эффективности тепловозврата до двух и более раз [3]. Высокотемпературные роторы имеет смысл применять при больших избытках тепла. В остальных случаях применяются роторы стандартного исполнения.

Тепловая эффективность регенераторов по перепаду температур является функцией скорости и может достигать 80% (рис. 4). На основе уравнений теплового баланса разработана модель роторного регенератора (рис. 5).

Зависимость эффективности теплообмена от скорости вращения ротора

Рисунок 4 – Зависимость эффективности теплообмена от скорости вращения ротора

Упрощенная модель роторного регенератора

Рисунок 5 – Упрощенная модель роторного регенератора

На рис. 5 приняты следующие условные обозначения:
η – эффективность теплообмена, являющаяся функцией скорости;
tприт – температура приточного воздуха после регенератора, °С;
tнар – температура приточного воздуха до регенератора, °С;
tвыт – температура вытяжного воздуха после регенератора, °С;
tотр – температура вытяжного воздуха до регенератора, °С;
Т – постоянная времени теплообменника (примем Т≈20 с).

Для управления установкой используют специализированные жестко запрограммированные, зональные и свободно программируемые контроллеры. Применение последних даёт максимальную гибкость для написания алгоритма. В рамках работы используется программное обеспечение TAC Menta, которое предназначено для работы со специализированными, свободно программируемыми контроллерами TAC Xenta.

В ходе работы был разработан алгоритм управления приводом роторного регенератора, который учитывает режим работы «зима-лето», предусматривает работу в автоматическом и ручном режиме, предусматривает возможность защиты двигателя от перегрева и защиту ротора от замораживания.

Заключение

Качественное управление тепловлажностными показателями воздуха требует понимания процессов, происходящих в установках центрального кондиционирования воздуха. Синтез алгоритма управления роторным регенератором представляет не только теоретико-исследовательский, но и практический интерес.

Магистерская работа посвящена актуальной задаче снижения расхода теплоресурсов и энергопотребления в зданиях. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Разработана модель роторного регенератора, которая может быть использована для разработки алгоритмов управления скоростью вращения ротора теплоутилизатора и исследования тепловых процессов в системах центрального кондиционирования с постоянным расходом воздуха.
  2. На основании анализа литературных источников выделены требования к алгоритму управления приводом регенератора.
  3. Установлен характер влияния скорости движения воздуха в воздуховодах на эффективность теплообмена.
  4. Установлены методы борьбы с взаимными перетоками воздуха.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

  1. Качественное совершенствование модели роторного регенератора. Учет влияния переменного расхода воздуха через ротор.
  2. Отладка алгоритма управления приводом ротора.
  3. Исследование других способов утилизации вентиляционных выбросов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. ASHRAE. (1993):"1993 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS," SI-edition. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.
  2. ASHRAE. (1992):"1992 ASHRAE HANDBOOK, HVAC Systems and Equipment," SI-edition. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta.
  3. Carnes [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.carnes.com.
  4. Каталог Schneider Electric Интеллектуальное здание TAC, 2008 – 174 с.
  5. Бондарь Е.С., Гордиенко А.С., Михайлов В.А, Нимич Г.В. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – К.: ТОВ Видавничий будинок Аванпост-Прим, 2005 – 560 с.
  6. Нимич Г.В., Михайлов В.А, Бондарь Е.С. Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха. – К.: ТОВ Видавничий будинок Аванпост-Прим, 2003 – 626 с.
  7. Данилов О.Л., Костюченко П.А. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов: в 7 разделах. – ЗАО Технопромстрой, 2006 – 668 с.
  8. Примеры расчета систем кондиционирования овздуха / Сребницкий Б.Н. – К.: Будівельник, 1970. – 160 с.
  9. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции: в двух томах. Том 2, С.-Петербург, AT, 2006. – 416 с.
  10. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции: в двух томах. Том 1, С.-Петербург, AT, 2006. – 504 с.
  11. Каталог Rosenberg. Модульные установки Airbox. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rosenberg-gmbh.com.ua/....
  12. Википедия. Рекуператор. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/....
  13. Форум АВОК [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forum.abok.ru/....