ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Перехід від ручного керування технологічними процесами до автоматизованого привів до розвитку засобів автоматизації у промисловості. Прагнення до зниження впливу людського фактора і до підвищення продуктивності привело до появи релейно-контакторных систем керування, на зміну яким в 1968 році прийшли перші програмовані логічні контролери й інтелектуальні реле. Поширення засобів автоматизації в промисловості привело до логічного проеціювання можливостей автоматизації на інженерне обладнання будівель. Інженерне обладнання – це комплекс технологічних засобів, що створює сприятливі умови для роботи людей і протікання технологічного процесу у будівлях. Застосування систем автоматизації інженерних систем дозволяє підвищити безпеку будівель, запобігти аварійних ситуацій або зменшити їхній наслідок, підвищити ефективність використання енергоресурсів, поліпшити комфорт для людей, що перебувають у будівлі, чого можна досягти лише при використанні продуманих складних алгоритмів і глибокому розумінні об'єктів керування.

1. Актуальність теми

Із введенням в експлуатацію великих торгових і розважальних центрів, офісних будівель, а також із проведенням реконструкції бібліотек, банків, виробничих будівель на перші позиції виходить вартість утримання будівель. В умовах постійно зростаючих тарифів на енергоресури стає актуальною задача раціоналізації їхнього споживання. Використовуючи системний підхід до автоматизації будівель можна мінімізувати витрати на енергоспоживання й утримання будівлі взагалі. Оскільки витрати теплоресурсів складають до 90% від загального енергоспоживання, то об'єктом дослідження обрані установки центрального кондиціювання і вентиляції повітря із повітряним опаленням.

Магістерська робота присвячена актуальній проблемі в області систем керування інженерним обладнанням будівель, а саме пошуку резервів для зниження енергоспоживання за допомогою регульованого електроприводу, а також дослідженню і розробці алгоритмів керування виконавчими механізмами установок вентиляції та кондиціювання.

2. Задачі дослідження, результати, що плануються

Основні задачі дослідження:

  1. Аналіз існуючих схем центрального кондиціювання повітря.
  2. Дослідження режимів роботи виконавчих механізмів установок центрального кондиціювання.
  3. Пошук способів зменшення витрат на теплоресурси.
  4. Дослідження алгоритмів керування елементами установок центрального кондиціювання з утилізацією теплоти.

Об'єкт дослідження: установки центрального кондиціювання повітря.

Предмет дослідження: використання методів утилізації теплоти.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

  1. Розробка математичного опису енергозберігаючих об'єктів.
  2. Складання алгоритмів їх керування.

3. Огляд досліджень та розробок

Оскільки системи центрального кондиціювання повітря є одними з найбільш поширених інженерних систем, їм присвячені роботи як вітчизняних фахівців, так і закордонних. Проте задачі керування розглянуті лише в деяких із них.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Загальна теорія термодинаміки, психрометричні показники повітря, теорія термокомфорту, розрахунок завантаження і необхідної потужності установок центрального кондиціювання повітря розглянуті в [1]. Основне інженерне обладнання систем опалення, вентиляції і кондиціювання, теоретичні викладки, що описують суть процесів, що протікають описані в [2]. За цими роботами можна зробити висновок, що західні колеги мають досить серйозну теоретичну базу. Зарубіжні виробники установок кондиціювання та вентиляції крім каталогів додають технічну документацію, в якій можуть бути відображені експериментальні характеристики елементів установок, аналіз яких дає краще уявлення про об'єкт [3]. Короткий опис засобів автоматизації на прикладі обладнання Шведської компанії TAC представлено в [4].

3.2 Огляд вітчизняних джерел

Компанією ИВИК розроблено навчальний посібник [5], в якому в доступній формі викладені як основи технології і керування, так і системи автоматики систем кондиціювання повітря (СКП) і тенденції їх розвитку. Теоретичні основи отримання холоду, тепла, елементна база кліматичного обладнання, рекомендації для наладчиків і монтажників СКП в достатньому обсязі викладені в [6]. Питання енергозбереження добре освячені в довідково-методичному посібнику [7]. Приклади розрахунку СКП і вибору обладнання для різних виробничих об'єктів і громадських будівель наведені в [8]. В [9] вперше за кілька десятиліть читач може знайти детальне систематизований опис трьох вельми важливих підсистем СКП і СВ: утилізації теплоти та холоду вентвибросів і скидних вод, зволоження повітря, очищення зовнішнього та приточного повітря. В основу цієї книги покладено дані про численне і різноманітне вітчизняне та зарубіжне обладнання цих підсистем, розроблених у другій половині XX ст. У ній використані і систематизовані основні розробки російських і радянських вчених і фахівців. В іншому томі цієї книги розглянуті підсистеми нагріву, охолодження і осушення повітря [10].

3.3 Обзор локальных источников

Вивчення питань автоматизації будівель в Донецькому національному технічному університеті перебуває на початковій стадії і здійснюється на кафедрі Електропривода і автоматизації промислових установок в Авторизованому центрі навчання Schneider Electric. Перші публікації в цьому напрямку представлені в розділі Бібліотека.

4. Використання методів утилізації теплоти вентиляційних викидів в установках центрального кондиціонування і вентиляції

Для систем вентиляції і кондиціювання з метою зниження енергоспоживання можуть використовуватися такі способи утилізації теплоти вентиляційних викидів:

  1. Рециркуляція частини витяжного повітря;
  2. Застосування рекуперативних теплообмінників-утилізаторів;
  3. Застосування регенеративних теплообмінників-утилізаторів;
  4. Застосування двох теплообмінників, що використовують проміжний теплоносій.

Розглянемо спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів за допомогою регенеративного теплообмінника-утилізатора, як найменш вивчений.

Застосування регенеративних теплообмінників-утилізаторів

До регенеративних теплообмінників-утилізаторів відносяться теплоутилізатори роторного типу. В регенераторах теплообмін відбувається за рахунок обдування теплообмінника, що обертається, зустрічними потоками приточного і витяжного повітря (рис. 1). Ефективність регенерації залежить від швидкості обертання – чим швидше обертається ротор регенератора, тим більше ефективність регенерації. Однак, існує гранична швидкість, понад яку ефективність теплообміну падає. Зазвичай, ця швидкість і є максимальною, і, як правило, становить 10-15об/хв. Варіант типової схеми центрального кондиціонера з регенеративним теплоутілізатором представлений на рис. 2. Функціональна схема відображає лише частину захистів і може мати або не мати в своєму складі ті чи інші датчики, секції кондиціонера.

Рисунок 1 – Принципова схема роботи роторного теплоутилізатора

Функціональна схема центрального кондиціонера з роторним регенератором

Рисунок 2 – Функціональна схема центрального кондиціонера з роторним регенератором

Теплообмінники роторного типу складніше в експлуатації, ніж рекуперативні теплообмінники, оскільки вимагають додаткових витрат електроенергії на привод ротора, однак установка регульованого електроприводу дає можливість керування ефективністю теплообміну, що є перевагою перед пасивними рекуператороми. Також до переваг перед рекуператором можна віднести компактність, меншу металоємність, менший аеродинамічний опір, відсутність необхідності безперервного видалення конденсату. В регенеративних теплообмінниках-утилізаторах можливі перетікання витяжного повітря (0.1...2%) як в канал приточного повітря, так і витяжного. Як і в рекуперативних теплообмінниках-утилізаторах, повинен бути передбачений захист від заморожування. На прикладі схеми рис. 1 він представлений ??датчиком температури, що встановлен після ротора утилізатора в каналі витяжного повітря. Якщо температура витяжного повітря стає нижче 5...10 °С, то привод ротора повинен перейти на знижену швидкість, заслонки зовнішнього повітря потрібно закрити, а приточний вентилятор вимкнути. Теплообмінник, що обдувається теплішим відпрацьованим повітрям, відтане. При використанні датчика температури витяжного повітря не враховується вологість зовнішнього і витяжного повітря, тому захист від заморожування варто виконувати за допомогою диференціального датчика тиску, встановленого на регенераторі. Для підвищення надійності захисту можуть використовуватися обидва датчики. Системи центрального кондиціювання з регенератором тепла, що працюють в умовах холодних зим, бажано комплектувати секцією попереднього нагріву, встановленого перед роторним теплообмінником-утилізатором (рис. 3).

Функціональна схема центрального кондиціонера з роторним регенератором і секцією попереднього нагріву

Рисунок 3 – Функціональна схема центрального кондиціонера з роторним регенератором і секцією попереднього нагріву

Для забезпечення надійності роботи установки, крім захисту від заморожування роторного регенератора, необхідний контроль за тепловим станом двигунів вентиляторів, контроль силових і керуючих ланцюгів вентиляторів (установка додаткових блок-контактів, реле), контроль за температурою зворотної води водяного калорифера, контроль за станом повітряних фільтрів (на рис. 2 і рис. 3 запропонован варіант установки диференціального датчика перепаду тиску). Сучасні приводи заслонок і клапанів мають додатковий аналоговий вихід для контролю положення виконавчого механізму, що може використовуватися як для моніторингу стану, так і для діагностичних цілей.

Враховуючи вищесказане, при виборі контролерів варто резервувати додаткові входи для захисту обладнання.

Існують 3 основних модифікації утилізаторів роторного типу [13]:

  1. Стандартне виконання. Ротор розділений на 4-6-8-12 секторів. Застосовуються для утилізації явної теплоти, що видаляється. Ротори стандартного виконання є конденсаційними роторами, які переносять вологу тільки тоді, коли відпрацьоване повітря нижче температури точки роси. Матриця намотана з алюмінію, що стійкий до морській води;
  2. Високотемпературні. Застосовуються для утилізації явною теплоти повітря, що видаляється з температурою до плюс 250 °С;
  3. Ентальпійні. Застосовуються для утилізації повної теплоти, при цьому додатково здійснюється передача вологи. Передають від витяжного повітря приточному повну, тобто явну і приховану теплоту.

Ентальпійние ротори доцільно застосовувати у СКП з регулюванням вологості. У такому випадку можливе підвищення ефективності тепловозврата до двох і більше разів [3]. Високотемпературні ротори має сенс застосовувати при великих надлишках тепла. В інших випадках застосовуються ротори стандартного виконання.

Теплова ефективність регенераторів за перепадом температур є функцією швидкості і може досягати 80% (рис. 4). На основі рівнянь теплового балансу розроблена модель роторного регенератора (рис. 5).

Залежність ефективності теплообміну від швидкості обертання ротора

Рисунок 4 – Залежність ефективності теплообміну від швидкості обертання ротора

Спрощена модель роторного регенератора

Рисунок 5 – Спрощена модель роторного регенератора

На рис. 5 прийняті наступні умовні позначення:
η – ефективність теплообміну, що є функцією швидкості;
tприт – температура приточного повітря після регенератора, °С;
tнар – температура приточного повітря до регенератора, °С;
tвид – температура витяжного повітря після регенератора, °С;
tвідпр – температура витяжного воздуха до регенератора, °С;
Т – постійна часу теплообмінника (приймаємо Т≈20 с).

Для керування установкою використовують спеціалізовані жорстко запрограмовані, зональні і вільно програмовані контролери. Застосування останніх дає максимальну гнучкість для написання алгоритму. В рамках роботи використовується програмне забезпечення TAC Menta, яке призначене для роботи зі спеціалізованими, вільно програмованими контролерами TAC Xenta.

В ході роботи був розроблений алгоритм керування приводом роторного регенератора, який враховує режим роботи зима-літо, передбачає роботу в автоматичному і ручному режимі, передбачає можливість захисту двигуна від перегріву і захист ротора від заморожування.

Висновки

Якісне керування тепловологовими показникамии повітря вимагає розуміння процесів, що відбуваються в установках центрального кондиціювання повітря. Синтез алгоритму керування роторним регенератором представляє не тільки теоретико-дослідний, але і практичний інтерес.

Магістерська робота присвячена актуальній задачі зниження витрати теплоресурсів та енергоспоживання в будівлях. У рамках проведених досліджень виконано:

  1. Розроблено модель роторного регенератора, яка може бути використана для розробки алгоритмів керування швидкістю обертання ротора теплоутилізаторів, дослідження теплових процесів в системах центрального кондиціонування з постійною витратою повітря.
  2. На підставі аналізу літературних джерел виділено вимоги до алгоритму керування приводом регенератора.
  3. Встановлено характер впливу швидкості руху повітря в повітроводах на ефективність теплообміну.
  4. Встановлено методи боротьби з взаємними перетоками повітря.

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

  1. Якісне вдосконалення моделі роторного регенератора. Облік впливу змінного витрати повітря через ротор.
  2. Налагодження алгоритму керування приводом ротора.
  3. Дослідження інших способів утилізації вентиляційних викидів.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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/....