Способ управления потоком воздуха в вентиляционной установке и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК F24F11/63 F24F7/00 

Заявляемые решения относятся к автоматической коррекции рабочего режима преобразователя частоты вентилятора в зависимости от изменений физических параметров воздушного потока при обеспечении заданной скорости.

Известен способ управления приточной вентиляционной установкой, реализуемый системой с переключателем на режим экономичного теплопотребления. (патент РФ №2487302, МПК: F24F 7/00, опубл. 10.07.2013 г.) - аналог.

Система содержит вентиляционную установку и присоединенную к ней систему автоматического управления, при этом вентиляционная установка включает в себя вентилятор, теплообменник, установленный до или после вентилятора по ходу движения воздуха, подающий и отводящий трубопроводы теплообменника, присоединенные соответственно к подающей и обратной магистралям тепловой сети, регулирующий клапан, дополнительный трубопровод-перемычку.

Недостатком известного решения является то, что для обеспечения более активной работы вентиляционной установки, необходимо вручную переключать режим работы.

Известно также решение по применению пропорционально-интегрального регулятора в системе вентиляции - (https://www.technowell.ru/info/articles/sistemy-ventilyatsii-primer-tipovogo-primeneniya-pi-regulyatora/?ysclid=18mpyzeb wb35738757) - прототип.

В известном решении воздух поступает через входное отверстие из внешней атмосферы и по центральному каналу направляется к мотору системы вентиляции. Этот воздух проходит через фильтр, очищаясь, пред тем как он будет распределен по выпускным каналам непосредственно в помещения. Мотор-вентилятор соединен с преобразователем частоты Lenze SMD. Преобразователь контролирует скорость мотор-вентилятора для постоянного поддержания необходимого объема / давления воздуха, передаваемого по системе каналов. Уровень давления определяется датчиком (Д). Таким образом осуществляется обратная связь с преобразователем частоты. Датчик давления измеряет давление воздуха в миллибарах и имеет диапазон от 10 до 160 мбар. Датчик давления имеет выход 0-10V и подключен к аналоговому входу преобразователя частоты. Сигнал датчика давления воздуха имеет линейную характеристику, также как происходит снижение давления.

Недостатком известного решения является то, что датчик давления Д, настроенный на некую величину среднего значения давления Р, присущего воздушному потоку, не позволяет учитывать мгновенные изменения физических параметров поступающего в систему внешнего потока воздуха.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части способа, является повышение надежности и достоверности учета изменений физических параметров воздушного потока для поддержания заданного расхода воздуха, пропорционального массовому расходу, что позволяет в системах вентиляции зданий и сооружений при сохранении нормированного потока воздуха уменьшить потребление электроэнергии.

Указанный технический результат в части способа, достигается тем, что в способе управления потоком воздуха в вентиляционной установке, определяют параметры потока воздуха вентиляционной установки, для чего задают образцовое напряжение потока воздуха Uref, измеряют температуру потока воздуха в воздуховоде, его статическое и динамическое давление, на основании которых определяют среднюю скорость потока воздуха, преобразуют ее в напряжение постоянного тока Uv, сравнивают полученное напряжение постоянного тока Uv с образцовым напряжением Uref и по результатам сравнения формируют выходной электрический сигнал, связанный линейной зависимостью с массовым расходом воздуха, поступающий на преобразователь постоянного напряжения в частоту управления и питания асинхронного двигателя вентилятора в воздуховоде для автоматической коррекции рабочего режима вентилятора.

Известна система управления приточной вентиляционной установки с переключателем на режим экономичного теплопотребления. (патент РФ №2487302, МПК: F24F 7/00, опубл. 10.07.2013 г.) - аналог.

Система содержит вентиляционную установку и присоединенную к ней систему автоматического управления, при этом вентиляционная установка включает в себя вентилятор, теплообменник, установленный до или после вентилятора по ходу движения воздуха, подающий и отводящий трубопроводы теплообменника, присоединенные соответственно к подающей и обратной магистралям тепловой сети, регулирующий клапан, дополнительный трубопровод-перемычку.

Недостатком известного решения является то, что для обеспечения более активной работы вентиляционной установки, необходимо вручную переключать режим работы.

Известна система автоматического управления и регулирования для вентиляционных установок (патент РФ №2098722, МПК: F24F 11/08, опубл. 10.12.1997 г.) - прототип.

Система содержит вентилятор рециркуляционного воздуха с электродвигателем и магнитным пускателем, вентилятор приточного воздуха с электродвигателем и магнитным пускателем, калорифер с исполнительным механизмом клапана на линии обратного теплоносителя, клапан наружного воздуха с исполнительным механизмом, клапан рециркуляционного воздуха с исполнительным механизмом, клапан выбросного воздуха с исполнительным механизмом, регулятор температуры с датчиком температуры контролируемой воздушной среды и датчиком температуры обратного теплоносителя, бесконтактное логическое устройство, входы которого подключены к датчику температуры воздуха после калорифера, регулятору температуры, таймеру, входы которого через блок дистанционного управления подключены к пусковому устройству.

Недостатком известного решения является то, что отсутствует плавное регулирование производительности вентиляционной установки с учетом потребности в тепловой энергии и приточном воздухе.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части устройства, является повышение надежности и достоверности учета изменения физических параметров воздушного потока для поддержания заданного расхода воздуха, пропорционального массовому расходу, что позволяет в системах вентиляции зданий и сооружений при сохранении нормированного потока воздуха уменьшить потребление электроэнергии.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство управления потоком воздуха в вентиляционной установке содержит преобразователь скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения, усилитель разности напряжений, датчик температуры и датчик динамического давления, причем датчик температуры размещен на датчике динамического давления, их выходы связаны с входом преобразователя скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, который связан с источником образцового напряжения, а выходы преобразователя скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока и источника образцового напряжения, посредством усилителя разности напряжений передает сигнал на преобразователь напряжения в частоту управления и питания асинхронным двигателем.

Устройство, характеризующееся тем, что датчик динамического давления выполнен в виде трубки Пито.

Устройство, характеризующееся тем, что преобразователь скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения, усилитель разности напряжений, датчик температуры и датчик динамического давления могут быть расположены в едином корпусе.

Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлено устройство управления потоком воздуха, на фиг. 2 вентиляционная установка с заявляемым устройством управления потоком воздуха.

Устройство управления потоком воздуха содержит преобразователь 2 скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения 3 и дифференциальный усилитель 4 разности двух напряжений постоянного тока, которые могут быть размещены в отдельном корпусе 1. Кроме того, заявляемое устройство содержит датчик динамического давления 5, выполненный, например, в виде напорной трубки (трубка Пито) и датчик температуры 6. Вентиляционная установка, кроме устройства управления потоком воздуха, содержит также преобразователь 7 постоянного напряжение в частоту управления и питания асинхронного двигателя вентилятора 8.

Принцип действия заявляемого решения основан на формировании выходного электрического сигнала, связанного линейной зависимостью с массовым расходом воздуха, описываемым выражением:

Qм=ρVS, (1)

где: Qм - массовый расход воздуха, кг/с;

ρ - плотность воздуха, кг/м³;

V - скорость воздушного потока, м/с;

S - площадь сечения потока, м².

В качестве измерительной информации учитываются несколько параметров воздуха вентиляционной системы: температура, динамическое и статическое давление.

Скорость воздушного потока V в измерительном канале блока преобразования регулятора потока воздуха, например, БП РПВ1-4/20-0/10П, рассчитывается по формуле:

где ρ - плотность воздуха при рабочих условиях, кг/м³.

- динамическое (скоростное) давление, мм вод. ст.;

Образцовое напряжение потока воздуха Uref можно контролировать при его регулировке, подключив вольтметр к контактам 1 и 3 разъема, к которому подсоединяется датчик температуры.

При этом измерительный канал, например, может настроен таким образом, чтобы его выходное напряжение Uv соответствовало зависимости:

где: V - скорость воздушного потока, м/с;

Кm - безразмерный коэффициент трубки Пито (он индивидуален для каждой трубки, но обычно, Кт ≈1±0.1);

- динамическое (скоростное) давление, мм вод. ст.;

t° - температура потока воздуха, (°С).

Кроме этого, учитывая, что, как правило, температура воздуха в вентилируемом помещении приводится к «нормальной» (летом охлаждается, зимой подогревается) можно считать, что массовый расход воздуха должен быть стабилен. В этой связи согласно выражению (1), например, в выходном сигнале БП РПВ1-4/20-0/10П, учитывается Δ плотности воздуха ρ от его температуры с дополнительным множителем (273+t°)/293.

Этот множитель приводит объемный расход холодного или горячего воздуха к нормальной температуре 20°С.

Напорная трубка (трубка Пито) 5, формирующая динамическое (скоростное) давление (мм вод. ст.)

=Pn-Рс,

где: Pn - полное давление;

Рс - статическое давление.

Датчик температуры 6 (t°C, например, термометр сопротивления платиновый Rt=1000 Ом).

Преобразователь 2 скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока

Работа заявляемого устройства, заключается в том, что оно считывает физические параметры нагнетаемого воздуха с помощью, напорной трубки (Трубка Пито) 5 и датчика температуры 6. Датчик температуры установлен непосредственно в напорной трубке 5. Такая конструкция позволяет более точно воспринимать изменения физических параметров воздушного потока. В качестве измерительной информации учитывают несколько параметров воздуха в вентиляционной системе: температуру, динамическое и статистическое давление. Задается скорость воздушного потока (нормативная величина V), посредством передачи данных на преобразователь 2 скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока. Источник образцового напряжения 3 в свою очередь поддерживает на своем выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение для бесперебойной работы вентилятора. Информация из преобразователя скорости потока воздуха 2 в напряжение постоянного тока отправляется на дифференциальный усилитель разности двух напряжений постоянного тока 4 с коэффициентом усиления (например, k=10). Далее формируется выходной сигнал, который поступает на преобразователь постоянного напряжение в частоту 7 управления и питания асинхронного двигателя вентилятора 8 в воздуховоде для автоматической коррекции рабочего режима.

Способ управления, представлен в виде функциональной схемы работы (фиг. 2).

Заявляемые решения работают следующим образом. Включается вентилятор (после нажатия на кнопку пульта и т.п.). Далее вентилятор начинает нагнетать воздух в воздуховод, в котором установлено заявляемое устройство (фиг. 1). Устройство анализирует физические параметры воздушного потока и формирует выходной сигнал, подаваемый на преобразователь постоянного напряжения в частоту 7 управления и питания асинхронного двигателя вентилятора 8.

Заявляемое устройство выполнено с возможностью формирования выходного электрического сигнала, связанного линейной зависимостью с массовым расходом воздуха. В качестве измерительной информации учитываются несколько параметров воздуха вентиляционной системы: температура, динамическое и статическое давление, т.е. устройство, учитывает изменения физических параметров воздушного потока в реальном времени.

Заявляемое решение выполнено с возможностью учета влияния на выходной электрический сигнал, Δ плотности воздуха ρ от его температуры, например, с дополнительным множителем (273+t°)/293.

Основным преимуществом применения заявляемого решения в условиях эксплуатации (повседневный цикл работы вентиляционной установки) является автоматическое управление потоком воздуха, за счет формирования сигнала, стабилизирующего массовый расход воздушного потока, плотность которого изменяется от температуры.

Использование заявляемого решения наряду с обеспечением технических преимуществ, обеспечивает энергосбережение:

- исключения из технологического цикла повседневной работы на механическую настройку оборудования;

- экономии топливно-энергетических ресурсов, используемых для вентиляционных установок;

- обеспечения высокого уровня электробезопасности, энергосбережения и соблюдение норм охраны труда, минимизация случаев производственного травматизма и влияния человеческого фактора, возникающего в процессе эксплуатации вентиляционных установок эксплуатационным персоналом;

- увеличения производительности труда, за счет создания комфортных климатических условий;

- в системах вентиляции зданий и сооружений позволяет при сохранении нормированного потока воздуха уменьшить потребление электроэнергии.

Заявляемые решения относятся к автоматической коррекции рабочего режима преобразователя частоты вентилятора в зависимости от изменений физических параметров воздушного потока при обеспечении заданной скорости. Решения обеспечивают повышение надежности и достоверности учета изменений физических параметров воздушного потока для поддержания заданного расхода воздуха, пропорционального массовому расходу, что позволяет при сохранении нормированного потока воздуха уменьшить потребление электроэнергии. В способе управления потоком воздуха в вентиляционной установке определяют параметры потока воздуха вентиляционной установки, для чего задают образцовое напряжение потока воздуха Uref, измеряют температуру потока воздуха в воздуховоде, его статическое и динамическое давление, на основании которых определяют скорость воздушного потока воздуха, преобразуют ее в напряжение постоянного тока Uv, сравнивают полученное Uv с Uref и по результатам формируют выходной электрический сигнал, поступающий на преобразователь постоянного напряжения в частоту управления и питания асинхронного двигателя вентилятора в воздуховоде для автоматической коррекции рабочего режима вентилятора, причем устройство управления потоком воздуха в вентиляционной установке содержит преобразователь скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения и усилитель разности напряжений, датчик температуры и датчик динамического давления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления потоком воздуха в вентиляционной установке, заключающийся в определении параметров потока воздуха вентиляционной установки, отличающийся тем, что задают образцовое напряжение потока воздуха Uref, измеряют температуру потока воздуха в воздуховоде, его статическое и динамическое давление, на основании которых определяют скорость воздушного потока, преобразуют ее в напряжение постоянного тока Uv, сравнивают полученное напряжение постоянного тока Uv с образцовым напряжением Uref и по результатам сравнения формируют выходной электрический сигнал, связанный линейной зависимостью с массовым расходом воздуха и поступающий на преобразователь постоянного напряжения в частоту управления и питания асинхронного двигателя вентилятора в воздуховоде для автоматической коррекции рабочего режима вентилятора.

2. Устройство управления потоком воздуха в вентиляционной установке, содержащее датчик температуры, отличающееся тем, что содержит преобразователь скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения, усилитель разности напряжений, датчик динамического давления и датчик температуры, причем датчик температуры размещен на датчике динамического давления, их выходы связаны с входом преобразователя скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, который связан с источником образцового напряжения, а выходы преобразователя скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока и источника образцового напряжения, посредством усилителя разности напряжений передает сигнал на преобразователь напряжения в частоту управления и питания асинхронным двигателем.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что датчик динамического давления выполнен в виде трубки Пито.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что преобразователь скорости потока воздуха в напряжение постоянного тока, источник образцового напряжения и усилитель разности напряжений расположены в едином корпусе.