Способ регулирования холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха

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 Р_КИП - давление кипения хладагента;

Р₀ - значение давления кипения хладагента при 0°С;

t_XH - заданное значение температуры хладоносителя;

А - коэффициент, учитывающий теплотехнические характеристики теплообменника-водоохладителя;

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

Кроме того, отличие способа заключается в том, что коэффициент А принимают равным среднеарифметическому температурному напору $$\overline{\Delta t}$$ в теплообменнике-водоохладителе:

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

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

Кроме того, способ отличается тем, что коэффициент К_РТ принимают равным первой производной функции равновесного состояния хладагента Р=f(t) в точке (t_XH-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 P_H - давление нагнетания;

P_B - 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 К_РТ, 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 Р_КИП, давление Р₀ и коэффициент К_РТ. В блоке 6 рассчитывается Р_КИП.

Далее значение давления хладагента Р_ХЛ, измеренное блоком 7 - датчиком ВР_ХЛ в блоке 8, сравнивается с рассчитанным значением Р_КИП. 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 К_РТ первой производной функции равновесного состояния хладагента позволяет увеличить точность вычислений давления кипения Р_КИП.

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

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент А принимают равным среднеарифметическому температурному напору $$\overline{\Delta t}$$ теплообменника-водоохладителя на номинальном режиме работы машины:

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

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