Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха



Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха
Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха

 


Владельцы патента RU 2509678:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический комплекс "Криогенная техника" (RU)

Изобретение относится к судовым водоохлаждающим холодильным машинам системы кондиционирования воздуха. При различных тепловых нагрузках на систему происходит включение-выключение компрессора, изменение количества работающих компрессоров или регулирование оборотов компрессора. В зависимости от величины заданной температуры хладоносителя устанавливают определенное давление кипения хладагента путем регулирования изменения частоты вращения привода компрессора. Достигается увеличение времени поддержания температуры хладоносителя в заданном диапазоне температур, времени работы машины при электропитании от источника с ограниченной емкостью и располагаемого ресурса машины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к судовым системам кондиционирования воздуха, а именно к водоохлаждающим холодильным машинам, используемым в системе кондиционирования воздуха подводных аппаратов, преимущественно к способам энергосбережения.

Известна холодильная машина для судовых систем кондиционирования воздуха и способ ее работы (см. Холодильная техника, 2007, №8, с.6). С целью обеспечения низких виброшумовых параметров поддерживается постоянным давление конденсации и давление кипения (температура кипения) в хладоновом контуре машины, производится ограничение потребляемой электрической мощности выше номинала.

Недостатком этого способа регулирования холодильной машины является отсутствие оптимизации потребляемой электрической мощности в режиме поддержания температуры хладоносителя.

Известен способ стабилизации (поддержания) состояния рабочего тела на стороне низкого давления, т.е. давления кипения рабочего тела путем включения (выключения) дополнительных компрессоров или увеличения (уменьшения) числа оборотов компрессоров (см. а.с. 389367 СССР, МПК F25B 49/00, G05D 16/02, опубл. 05.07.1973 г.). При этом достигается регулирование холодопроизводительности, но не ограничивается и не оптимизируется энергопотребление машины.

Также известен способ регулирования производительности компрессора холодильной машины, в котором по величине тепловой нагрузки испарителя корректируют значение температуры или давления, используемого в качестве контролируемого параметра (см. патент РФ №2052739, МПК F25B 49/00, опубл. 20.01.1996 г.). Способ не дает возможности ограничивать энергопотребление и не рационален с точки зрения энергосбережения.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ ограничения потребляемой мощности компрессора холодильной машины при значении мощности компрессора выше заданного значения (см. а.с. 559083 СССР, МПК F25B 49/00, F04B 49/06, опубл. 25.05.1977 г.), а в качестве контролируемого параметра при поддержании температуры хладоносителя используется температура хладоносителя (охлаждаемой воды).

Недостатком этого способа является отсутствие ограничения и оптимизации потребляемой электрической мощности в режиме поддержания температуры хладоносителя.

Задачей настоящего изобретения является создание способа регулирования судовой водоохлаждающей холодильной машины (далее по тексту - машины), который позволит снизить ее энергопотребление в режиме поддержания температуры хладоносителя в заданном диапазоне.

Техническими результатами изобретения являются:

- увеличение времени поддержания температуры хладоносителя в заданном диапазоне;

- увеличение времени функционирования машины при энергопотреблении от источника с ограниченной емкостью;

- увеличение располагаемого ресурса работоспособности машины;

- увеличение дальности автономного хода подводного аппарата.

Указанные технические результаты при осуществлении способа достигаются тем, что в известном способе регулирования производительности компрессора машины в автоматическом режиме с использованием в качестве контролируемого параметра температуры хладоносителя, в режиме поддержания температуры хладоносителя, производительность компрессора регулируют изменением частоты вращения привода компрессора в зависимости от температуры хладоносителя, в зависимости от заданного значения этой температуры изменяют давление кипения хладагента в холодильной системе по следующей зависимости:

где РКИП - давление кипения хладагента;

Р0 - значение давления кипения хладагента при 0°С;

tXH - заданное значение температуры хладоносителя;

А - коэффициент, учитывающий теплотехнические характеристики теплообменника-водоохладителя;

КРТ - коэффициент, учитывающий тип хладагента, его теплофизические свойства.

Кроме того, отличие способа заключается в том, что коэффициент А принимают равным среднеарифметическому температурному напору Δ t ¯ в теплообменнике-водоохладителе:

где ΔtБ - большая разность температур теплообменивающихся потоков на одном из концов теплообменника;

ΔtM - меньшая разность температур теплообменивающихся потоков на другом конце теплообменника.

Кроме того, способ отличается тем, что коэффициент КРТ принимают равным первой производной функции равновесного состояния хладагента Р=f(t) в точке (tXH-A):

Повышение эффективности судовых систем кондиционирования воздуха дает существенную выгоду, т.к. снижается энергопотребление, расход топлива и т.д. Например (см. а.с. 1217723 СССР, МПК B63J 2/00, опубл. 15.03.1986 г.), повышение эффективности судовой системы кондиционирования воздуха, содержащей холодильные машины, проводится оптимизацией раздачи хладоносителя. Наиболее энергоемкими в этой системе являются холодильные машины, и именно снижение энергопотребления холодильной машины определяет заявленные технические результаты.

Известно, что мощность, потребляемая компрессором, напрямую зависит от степени сжатия (например, см. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Основы теории, расчет, конструкция. - Л.: Машиностроение, 1970, с.31, рис.18). Комфортные условия для человека зависят от времени года, от режима работы или бодрствования; теплопритоки в помещении меняются в течение суток (например, см. Серебряков В.Н. Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1983, табл.1, рис.3; Селиверстов В.М. Расчеты судовых систем кондиционирования воздуха. - Л.: Машиностроение, 1971, с.91, рис.43).

Большое значение для подводного аппарата имеет температура забортной воды, которая может меняться от минус 2 до 36°С. От этого меняются теплопритоки (теплооттоки) от подводного аппарата, меняются температуры ограждений, изменяются комфортные ощущения людей.

Для обеспечения комфортных температурных условий в системе кондиционирования циркулирует хладоноситель, имеющий в каждом конкретном случае соответствующую температуру, что обеспечивается регулированием холодопроизводительности машины.

В известных технических решениях это достигается регулированием оборотов компрессора или отключением части компрессоров (для многокомпрессорных машин). Однако при всех этих способах регулирования степень сжатия газа в компрессоре ε остается практически постоянной и равной:

где PH - давление нагнетания;

PB - давление всасывания, т.к. все известные судовые холодильные машины работают на практически постоянных температурах кипения хладагента, это обусловлено использованием существующей регулирующей аппаратуры, в частности терморегулирующих вентилей, и отсутствием алгоритма управления температурой кипения.

Использование в предлагаемом способе изменения давления кипения (всасывания) для изменения степени сжатия основано на том, что степень сжатия ε в большей степени меняется от изменения давления всасывания, чем от такого же по величине изменения давления нагнетания. Таким образом, при любых тенденциях изменения заданной температуры хладоносителя минимизируется степень сжатия газа в компрессоре за счет изменения давления кипения хладагента.

Расчеты холодильной машины номинальной холодопроизводительностью 180 кВт показали:

1) При температуре кипения хладона 134а, равной 2°С, и соответствующего давления кипения, равного 3,14 бар, потребляемая мощность составляет 53,89 кВт, а частота вращения ротора компрессора - 3556 об/мин.

2) При температуре кипения хладона 134а, равной 8°С, и соответствующего давления кипения, равного 3,86 бар, потребляемая мощность составляет 45,97 кВт, а частота вращения ротора компрессора - 2977 об/мин.

При одной и той же холодопроизводительности 180 кВт возможно существенное снижение энергопотребления и частоты вращения ротора компрессора.

Полученные положительные результаты анализа и расчета положены в основу конструкции и системы управления судовой автоматизированной холодильной машины с частотным регулированием электропривода и с вновь созданным дроссельным устройством с функцией регулирования давления кипения хладагента. Именно сочетание частотного регулирования электропривода и дроссельного устройства с функцией регулирования давления кипения хладагента позволяет получить указанные выше положительные результаты.

Применение в реализации способа математических зависимостей основано на том, что современные системы управления допускают программирование и обработку аналоговых и статистических данных, измеряемых параметров и математических зависимостей.

Структура формулы (1), применяемой в изобретении, объясняется следующим.

1. Зависимость должна работать независимо от характеристик водоохладителя (состояние поверхности теплообмена, эффективности и др.) - это обеспечивается коэффициентом А, который в первом приближении является минимальной разницей температур для обеспечения теплообмена.

2. Зависимость должна работать независимо от типа хладагента, его теплофизических свойств - это обеспечивается коэффициентом КРТ, который, учитывая адекватность давления кипения температуре кипения хладагента, является, в первом приближении, удельной величиной значения давления на единицу изменения температуры.

3. В качестве точки отсчета при расчетах давления принимается Р0 -давление кипения хладагента при 0°С, конкретное для каждого хладагента.

Выигрыш в энергопотреблении изменением давления кипения хладагента по данному способу обеспечивает следующие технические результаты.

1. Увеличивается время работы машины в режиме поддержания температуры хладоносителя, т.к. при снижении степени сжатия ε превышение энергопотребления выше номинала происходит при большей холодопроизводительности.

2. Снижение электропотребления машины при работе в ряде режимов дает возможность работать более длительно от источника ограниченной емкости, например от аккумуляторных батарей.

3. При более высоком давлении кипения при работе в ряде режимов, для обеспечения номинальной холодопроизводительности снижаются обороты компрессора, т.к. на всасывание поступает более плотный газ и увеличивается холодопроизводительность. Работа на более низких оборотах снижает износ компрессора и увеличивает располагаемый ресурс работоспособности машины.

4. Неиспользованная энергия источника подводного аппарата позволяет увеличить дальность автономного хода.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источника, характеризующегося признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенном в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками (или их сочетанием) заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата в судовых системах кондиционирования воздуха.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Реализация способа происходит следующим образом.

Если при работе холодильной машины по какой-либо причине температура хладоносителя изменяется от заданного значения, происходит регулирование производительности компрессора изменением частоты вращения электропривода. Если температура стала выше, частота увеличивается, при этом увеличивается холодопроизводительность и температура хладоносителя снижается. Если температура стала ниже, то частота вращения снижается, холодопроизводительность уменьшается и температура хладоносителя повышается.

Если по какой-либо причине электрическая мощность, потребляемая компрессором, становится выше установленного значения, автоматически снижается частота вращения электропривода, и мощность снижается.

Указанные процессы производятся регуляторами, построенными на базе известных электрических и электронных компонентов.

Алгоритм регулирования давления кипения хладагента показан на блок-схеме (см. чертеж).

В блоках 1, 2 и 3 задается температура хладоносителя, вводятся характеристика применяемого рабочего тела и коэффициент А, соответственно. В блоках 4 и 5 рассчитывается и выделяется, для дальнейшего расчета РКИП, давление Р0 и коэффициент КРТ. В блоке 6 рассчитывается РКИП.

Далее значение давления хладагента РХЛ, измеренное блоком 7 - датчиком ВРХЛ в блоке 8, сравнивается с рассчитанным значением РКИП. В зависимости от результатов сравнения «больше-меньше-равно» блок 8 выдает соответствующий управляющий сигнал на исполнительный механизм - блок 9 - дроссельное устройство с функцией регулирования давления.

Учитывая, что температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена в водоохладителе меняется незначительно, для коэффициента А удобно применять среднеарифметический температурный напор, который легко измеряется и рассчитывается.

Использование в качестве коэффициента КРТ первой производной функции равновесного состояния хладагента позволяет увеличить точность вычислений давления кипения РКИП.

На основании предложенного способа создана система управления и конструкция судовой автоматизированной водоохлаждающей холодильной машины холодопроизводительностью 180 кВт. Изготовлен опытный образец.

Система управления, изготовленная на основе электронных компонентов (процессоров и т.д.) позволяет в автоматическом режиме реализовать задание необходимой температуры хладоносителя в зависимости от температуры забортной воды, измерения температур и давлений парокомпрессионного цикла (для этого машина снабжена необходимым количеством датчиков) и расчет на их основе коэффициентов, необходимых для реализации предложенного способа.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для промышленного использования, а именно в судовых системах кондиционирования воздуха;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха с ограничением потребляемой мощности, поддержанием температуры хладоносителя и контролем заданного значения температуры хладоносителя, отличающийся тем, что в режиме поддержания температуры хладоносителя в автоматическом режиме производительность компрессора регулируют изменением частоты вращения привода компрессора в зависимости от температуры хладоносителя, в зависимости от заданного значения этой температуры изменяют давление кипения хладагента в холодильной системе, в следующей зависимости:

где РКИП - давление кипения хладагента в холодильной системе;
Р0 - значение давления кипения хладагента при 0°С;
tXH - заданное значение температуры хладоносителя;
А - коэффициент, учитывающий геометрические и теплотехнические характеристики теплообменника-водоохладителя;
КРТ - коэффициент, учитывающий теплофизические свойства хладагента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент А принимают равным среднеарифметическому температурному напору Δ t ¯ теплообменника-водоохладителя на номинальном режиме работы машины:

где ΔtБ - большая разность температур теплообменивающихся потоков на одном из концов теплообменника;
ΔtM - меньшая разность температур теплообменивающихся потоков на другом конце теплообменника.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент КРТ принимают равным первой производной функции равновесного состояния хладагента P=f(t) в точке (tXH-A):



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству и способу холодной осушки газов. Устройство для холодной осушки газа содержит теплообменник, первая часть которого представляет собой испаритель контура охлаждения, а вторая часть предназначена для охлаждения газа и конденсации паров воды из этого газа, и контур охлаждения, заполненный хладагентом и содержащий компрессор, конденсатор, первое средство расширения, байпасный трубопровод, на котором установлено второе средство расширения и регулирующий клапан, который регулируют с помощью блока управления в зависимости от сигналов, поступающих от измерительных элементов.

Изобретение относится к устройствам, использующим тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для отопления и горячего водоснабжения до температуры 50-70°С, в жилых домах, промышленных зданий, а также предприятий АПК.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для предотвращения попадания влагосодержащего пара в цилиндры компрессоров, применяемых для повышения давления в трубопроводах по транспортировке природного газа на газоперерабатывающих заводах.

Изобретение относится к холодильной технике. .

Изобретение относится к системам кондиционирования. .

Изобретение относится к системам кондиционирования. .

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к средствам и способам определения технического состояния бытовых холодильных приборов (БХП). .

Изобретение относится к холодильной системе и способу производства холода. .

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к компрессионным холодильникам с конденсаторами принудительного воздушного охлаждения, используемым на предприятиях химической, нефтегазовой, пищевой и других отраслей промышленности, а также в кондиционерах промышленного и бытового назначения.

Изобретение относится к системам регенерации воздуха в обитаемых герметичных объектах, например, таких, как космические корабли, орбитальные станции, подводные лодки, герметичные подводные и подземные объекты.

Изобретение относится к аварийно-спасательной технике, а именно к устройствам, предназначенным для вентиляции отсеков аварийной подводной лодки, лежащей на грунте, с целые поддержания жизнедеятельности личного состава до его опасения.

Изобретение относится к подъемно-мачтовым устройствам и может найти применение в системах подачи воздуха электрокомпрессорам атомных подводных лодок. .

Изобретение относится к области энергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок.

Изобретение относится к области энергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок.

Изобретение относится к области энергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок.

Изобретение относится к энергетике и двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок.

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к системам обеспечения работы электрохимического генератора водородо-кислородного типа и предназначено для использования на обитаемых подводных и космических аппаратах.

Изобретение относится к способам обеспечения воздухом подводного объекта в экстренных ситуациях. Для подачи воздуха в подводный объект включают подъем воздуховода низкого давления над поверхностью воды, подъем компрессора и связанного с ним воздуховода высокого давления от подводного объекта. Подачу атмосферного воздуха производится в компрессор через воздуховод низкого давления и нагнетание воздуха в подводный объект от компрессора через воздуховод высокого давления. Подача атмосферного воздуха в компрессор через воздуховод низкого давления осуществляют без уменьшения расхода. При этом располагают компрессор под слоем воды, который защищает компрессор от ударного воздействия волн и предметов, плавающих на воде. Достигается обеспечение подачи воздуха с большим требуемым расходом в подводный объект. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх