WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЕРШОВА Ирина Георгиевна

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ МИКРОКЛИМАТА КАРТОФЕЛЕХРАНИЛИЩА

05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Новикова Галина Владимировна

Официальные оппоненты:

Воробьев Виктор Андреевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина», профессор кафедры «Автоматизированный электропривод в сельском хозяйстве»

Трунов Станислав Семенович, кандидат тех­нических наук, государственное научное учре­ждение «Всероссийский научно-исследователь­ский институт электрификации сельского хозяй­ства», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация – 

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится «30» октября 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ.

Автореферат разослан «25» сентября 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук  А. И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В соответствии с законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. и с учетом «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» № 1715-р от 13.11.2009 г. в сельскохозяйственном производстве необходимо расширить применение энерго-, ресурсосберегающих технологий и оборудования. В рамках реализации государственной программы «Развитие агропромышленного комплекса Чувашской Республики и регулирование рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008…2012 годы» и ведомственной целевой программы «Инновационное развитие картофелеводства в Чувашской Республике на 2012…2015 годы» в сельскохозяйственных предприятиях предусматривается:

- увеличение валового сбора картофеля в хозяйствах всех категорий с 0,8 млн. тонн до 1,01 млн. тонн;

- строительство и реконструкция мощностей для хранения картофеля на 107,4 тыс. тонн.

Обеспечен­ность Чувашской Республики (ЧР) картофелехранилищами составляет 80 %, при этом, за счет отклонения параметров его микроклимата, потери продукции достаточно высокие. Поэтому поиск новых энергосберегающих систем по поддержанию параметров микроклимата картофелехранилища является важной задачей. В связи с этим применение теплового насоса, поддерживающего температурный режим картофелехранилища, эффективно функционирующего при использовании модернизированных электрических регуляторов, является актуальным.

Целью настоящей работы является обоснование параметров и режимов работы электрических регуляторов, повышающих эффективность функционирования теплового насоса в системе поддержания микроклимата картофелехранилища.

Основные научные задачи:

  1. Обосновать схему управления потоком энергоносителя в преобразователе низкопотенциального источника энергии с использованием теплового насоса в системе поддержания микроклимата картофелехранилища.
  2. Разработать методику расчета параметров модернизированных электрических регуляторов теплового насоса и алгоритм согласования их режимов работы с контролируемыми и регулируемыми параметрами микроклимата картофелехранилища.
  3. Модернизировать и испытать в производственных условиях электрические регуляторы теплового насоса (релейно-импульсный, с твердым наполнителем и термоэлектрическим модулем, с твердым наполнителем и электронагревателем).
  4. Разработать рациональные системы поддержания микроклимата картофелехранилища с использованием теплового насоса, управляющего потоком энергоносителя с модернизированными электрическими регуляторами.
  5. Оценить технико-экономическую эффективность применения модернизированного электрического регулятора теплового насоса для поддержания микроклимата картофелехранилища.

Объектом исследования являются модернизированные электрические регуляторы теплового насоса в разработанных системах поддержания микроклимата картофелехранилища.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса регулирования потоком энергоносителя с помощью модернизированных электрических регуляторов теплового насоса в системе поддержания микроклимата картофелехранилища.

Методика исследования. В теоретических исследованиях применены основы системы автоматического управления, в том числе теории регулирования контролируемых параметров. Экспериментальные исследования в лабораторно-производ-ственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, а также пользуясь методикой трехфакторного активного планирования эксперимента типа 23 и программой «Statistic V5.0». Основные расчеты и обработку результатов экспериментальных исследований выполняли с применением методов математической статистики.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- преобразователь низкопотенциального источника энергии с использованием теплового насоса с модернизированными электрическими регуляторами, реализованный в структурной схеме;

- алгоритм согласования режимов работы электрических регуляторов в тепловом насосе с контролируемыми и управляемыми параметрами микроклимата, обеспечивающими снижение потерь картофеля при хранении;

- конструктивно-технологические параметры и режимы работы модернизированных электрических регуляторов, испытанных в производственных условиях, для обеспечения эффективного функционирования теплового насоса, управляющего потоком энергоносителя в системе поддержания микроклимата картофелехранилища;

- разработанные системы поддержания микроклимата картофелехранилища с использованием модернизированных электрических регуляторов теплового насоса, новизна которых подтверждена патентами РФ.

Практическую значимость представляют конструктивно-технологические схемы электрических регуляторов теплового насоса; изготовленные и испытанные образцы электрических регуляторов (релейно-импульсного, с твердым наполнителем и термоэлектрическим модулем, с твердым наполнителем и электронагревателем) теплового насоса; разработанные системы управления потоком энергоносителя для поддержания параметров микроклимата картофелехранилища с использованием модернизированных электрических регуляторов теплового насоса (патент № 100873 от 10.01.2011 г.; патент № 101321 от 20.01.2011 г.; патент № 103579 от 20.04.2011 г.; патент № 109507 от 20.10.2011 г.; патент № 117256 от 27.06.2012 г.; патент № 118406 от 20.07.2012 г.; решение о выдаче патента по заявке № 2012103116/06 (004589) от 06.08.2012 г.).

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

- преобразователь низкопотенциального источника энергии с использованием теплового насоса с модернизированными электрическими регуляторами, реализованный в структурной схеме;

- алгоритм согласования режимов работы электрических регуляторов в тепловом насосе с контролируемыми и управляемыми параметрами микроклимата картофелехранилища;

- конструктивно-технологические параметры и режимы работы модернизированных электрических регуляторов, обеспечивающих эффективное функционирование теплового насоса, управляющего потоком энергоносителя в разработанных системах поддержания микроклимата картофелехранилища.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке электрических регуляторов теплового насоса в системе поддержания микроклимата картофелехранилища проводились в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО «Чувашской ГСХА» в лаборатории «Электротехнологии». Производственные испытания электрических регуляторов осуществлялись в ООО «Агрофирма «Слава картофелю», Чебоксарском филиале ОАО Компания ЮНИМИЛК Чувашской Республики. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашской ГСХА», АНО ВПО «Региональный институт технологии и управления», ФГБОУ ВПО «Чувашский ГУ им. И. Н. Ульянова», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: республиканской экономической конференции «Инновационное развитие потребительской кооперации» (г. Чебоксары, 28.09.2010 г.); II-й международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 02.10.2010 г.); международной научно-практической конференции «Science and Innovation» (г. Новочебоксарск, 25.02.2011 г.); конференции «Инновационные технологии» (г. Ульяновск, 18.04. 2011 г.); всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Чебоксары, 05.10.2011 г.); V республиканском конкурсе инновационных проектов «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»  (г. Чебоксары, 17.11.2011 г.); всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства» (г. Чебоксары, 24.11.2011 г.); всероссийской конференции II этапа конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ (г. Уфа, 11.04.2012 г.); всероссийской  научно-практической конференции «Инновационные электротехнологии и электрооборудование – предприятиям АПК» (г. Ижевск, 20.04.2012 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения с.-х. производства» (г. Казань, 25.04.2012 г.); международном конкурсе научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (г. Таганрог, 27.04.2012 г.); XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции с. х.», «Марийский ГУ» (г. Йошкар-Ола, 16.02.2012 г.); республиканском конкурсе «Молодой изобретатель ЧР» (г. Чебоксары, 2010 г.); VIII всероссийской научно-практической  конференции «Молодежь и инновации» (г. Чебоксары, 04.04.2012 г.); республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ – Чувашия» (г. Чебоксары, 2012 г.). Образцы электрических регуляторов демонстрировались на XVII и XVIII межрегиональных выставках «Регионы – сотрудничество без границ» (г. Чебоксары, 2010 г., 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 6 патентов, 3 – из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложений. Материал изложен на 197 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 60 рисунков, 7 приложений. Список использованной литературы включает в себя 173 источника, в том числе 38 – на иностранных языках.

Выражаю огромную признательность научному консультанту по техническим средствам автоматики – к.т.н., доценту ФГБОУ ВПО «Чувашский ГУ имени И. Н. Ульянова» Тимофееву Виталию Никифоровичу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, выделены объект и предмет исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Основываясь на существующие системы управления температурным режимом хранения картофеля типа «ШАУ-АВ», «ШАХ-1», «КУВ-1», «Среда-1», «Муссон» и др., нами модернизированы электрические регуляторы теплового насоса, поддерживающего температурный режим в картофелехранилище при длительном хранении картофеля.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ объемов производства картофеля и вместимости картофелехранилищ в РФ и ЧР. Обзор научных источников в области разработки: технологического оборудования и электротехно­логии хранения картофеля таких авторов, как Д. С. Стребков, А. М. Башилов, В. А. Воробьев, И. Ф. Кудрявцев, А. К. Лямцов, И. Л. Волкинд, С. А. Гусев, Л. В. Метлицкий, Б. П. Коршунов; системы автоматического регулирования темпера­туры – И. Ф. Бородин, А. И. Емельянов, А. С. Клюев, Н. Н. Иващенко, В. А. Бесекерский, В. И. Круглов, Е. П. Стефани, В. Н. Тимофеев, Ю. Н. Цветков, Т. А. Исмай­лов и др., геотермальных теплонасосных систем тепло- и хладоснабжения – Г. П. Васильев, Д. Макмайкл, Д. Ю. Соболев, К. Н. Сотникова и др., позволил сформули­ровать цель научного исследования, определить задачи для ее достижения и модер­низировать электрические регуляторы теплового насоса.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы электрических регуляторов теплового насоса» приведены: структурная схема исследований (рис. 1); алгоритм согласования режимов работы электрических регуляторов с контролируемыми и управляемыми параметрами микроклимата картофелехранилища (рис. 2); блок-схема управления потоком энергоносителя с помощью теплового насоса с электрическим регулятором (рис. 3); структурная схема преобразователя низкопотенциального источника энергии (НПИЭ) (рис. 4).

Рисунок 1 – Структурная схема исследований

Рисунок 3 – Блок-схема управления потоком энергоносителя с помощью теплового насоса с электрическим регулятором

Преобразователь НПИЭ (рис. 4) расположен в помещении, примыкающем к картофелехранилищу. В зависимости от периода хранения картофеля НПИЭ в результате теплообмена поддерживает заданную температуру картофелехранилища при помощи электрических регуляторов теплового насоса. При достижении необходимой температуры воздух из преобразователя НПИЭ подается вентилятором 4 в увлажнитель 5 (защищен патентом № 117256), далее в картофелехранилище 10.

Замкнутая одноконтурная система автоматического регулирования температурой (САРТ) состоит из двух звеньев – объекта (картофелехранилища) и регулятора (рис. 5).

Картофелехранилище характеризуется координатами: входной температуры Твх (первая входная координата), выходной Твых и нагрузки (возмущающего воздействия) (вторая входная координата в картофелехранилище).

Регулятор характеризуется температурой входа Тр.вх, выхода Тр.вых и задания Тзд. На линиях связи указаны передаточные коэффициенты связей Кс1, Кс2, Кс3. За счет возмущающего воздействия происходит изменение температуры воздуха картофелехранилища. Регулирующее воздействие через регулирующий орган (РО) изменяет выходные параметры энергоносителя, поступающего в картофелехранилище. Для обеспечения эффективным управлением температурного режима картофелехранилища проведены исследования параметров и режимов работы трех вариантов исполнения электрических регуляторов, а именно релейно-импульсного, с твердым наполнителем и термоэлектрическим модулем (ТМ), с твердым наполнителем и электронагревателем (ЭН).

В существующем трехпозиционном регуляторе (№ 2142169, Великобритания) используется исполнительный механизм, статическая характеристика которого является нелинейной. С целью ее линеаризации при различных диапазонах изменения режимов работы картофелехранилища нами модернизирован трехпозиционный регулятор для работы в релейно-импульсном режиме (первый вариант), обеспечивающем эффективное функционирование теплового насоса и регулирование потока энергоносителя в картофелехранилище.

Электрический регулятор с ТМ (второй вариант) работает в режимах нагрева и охлаждения и осуществляет нагрев твердого наполнителя от ТМ и энергоносителя (рис. 6). 

 

 

Термореактивным наполнителем электрического регулятора служит воскообразный материал, способный при отклонениях температуры переходить из пластического состояния в сверхупругое с изменением объема (применен в датчике ТД-13). Твердый наполнитель позволяет развивать значительные перестановочные силы (более 1 кН) и имеет достаточные перемещения на единицу массы (ход штока более 20 мм при массе 1...8 г наполнителя).

Под действием температуры силового датчика (твердого наполнителя с нагревательным элементом и баллона) и изменения его объема происходят процессы, позволяющие перемещать шток, регулирующий поток энергоносителя в тепловом насосе.

ТМ представляет собой совокупность последовательно соединенных термопар, выполненных из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Степень охлаждения и нагрева будет пропорциональна величине тока. При смене полярности тока происходит реверс горячей («горячий» спай) и холодной («холодный» спай) сторон модуля.

Эффективность работы ТМ зависит от добротности полупроводникового вещества, включающего удельную электропроводность, удельную теплопроводность и коэффициент термоЭДС.

Теплопроизводительность ТМ определяем по формуле (Цветков Ю. Н.):

  , Вт, (1)

а отопительный коэффициент – ,  (2)

где коэффициент термоэдс ТМ, В/оС; Тг температура горячего спая, оС; I – сила тока, А; R – сопротивление, Ом; k коэффициент теплопроводности, Вт/(моС); Т – разность температур между спаями, оС; W потребляемая мощность ТМ, Вт; – толщина керамической пластины, м.

С учетом максимально возможной температуры горячего спая 74 оС и эмпирического выражения 13, формула для определения теплопроизводительности ТМ выглядит следующим образом:

(3)

Отопительный коэффициент можно выразить через холодильный коэффициент, зависящий от силы тока и теплового потока Q0 (Вт), подводимого от внешней среды к холодной стороне ТМ: =.          (4)

Процесс поддержания температурного режима в картофелехранилище при использовании регулятора с ТМ происходит следующим образом. В режиме нагрева твердый наполнитель благодаря действию ТМ и теплоносителя расширяется, воздействует на шток, открывающий клапан. При этом необходимый поток теплоносителя подается в преобразователь (рис. 4). Баланс теплового потока в силовом датчике в этом случае имеет вид: 

Q = Qтм + Qж, Вт,  (5)

где Qтм – тепловой поток, регулируемый за счет электрического регулятора с твердым наполнителем и ТМ, Вт; Qж – тепловой поток энергоносителя, циркулирующего в преобразователе НПИЭ, Вт.

При достижении заданной температуры в картофелехранилище тепловой насос с электрическими регуляторами отключается и клапан закрывается. Для ускорения процесса закрытия клапана ТМ переключается на режим охлаждения, благодаря чему происходит охлаждение наполнителя. В режиме охлаждения твердый наполнитель под действием ТМ расширяется и аналогично происходит открытие клапана регулятора. В этом случае энергоноситель температурой ниже заданного значения будет воспрепятствовать открытию клапана. Тогда баланс теплового потока в силовом датчике составит: Q = Qтм – Qж, Вт. (6)

При этом расход энергии выше, чем в режиме нагрева.

Конструктивное решение третьего варианта (рис. 7) модернизированного электрического регулятора с электронагревателем (ЭН) позволяет одновременно направить к твердому наполнителю тепловой поток как от жидкого энергоносителя (Qж), так и от электронагревателя (Qэн). Суммарный тепловой поток составляет

Q = Qж + Qэн, Вт. (7)

Тогда твердый наполнитель расширяется, в результате чего шток исполнительного механизма, перемещаясь, приводит регулирующий орган в действие, что позволит управлять потоком энергоносителя.

В работе также приведено аналитическое выражение, позволяющее определить продолжительность нагрева твердого наполнителя электрического регулятора.

Получено дифференциальное уравнение, характеризующее изменение температуры силового датчика (с. д.), являющегося апериодическим звеном первого порядка:   (8)

где GС.Д. – масса, кг; сС.Д. – теплоемкость, Дж/кгоС; кС.Д. – коэффициент теплопередачи, Вт/м2оС; Sб – площадь теплообменной поверхности баллона, м2; ТС.Д. – температура, оС; ТС. – температура окружающей среды, оС; t – продолжительность, с.

Согласованы основные параметры регулятора с диаметром его штока:

, м,         (9)

где pдоп – допустимое давление наполнителя, Па; Rmах – наибольшая допустимая нагрузка на шток, Н; Fсопр – силы сопротивления и трения втулки и штока в подвижном соединении, зависящие от его конструкции, Н.

Силу сопротивления и трения штока оценивали по формуле Тимошенкова  К. Д.: , Н,  (10)

где S – площадь штока, м2; p – постоянное давление фазового перехода твердого наполнителя, Па; Ro – предварительная нагрузка на шток, Н.

Предварительная нагрузка на шток Ro должна превышать Fсопр в момент его трогания, т.е. Ro > Fсопр. Однако для данного регулятора, у которого силы сопротивления увеличиваются с перемещением штока, нагрузка на него (Ro) должна устанавливаться из условия:< , где Rср – средняя нагрузка на шток, Н; h – ход штока, м; В – момент силы, Н/м. Нагрузку Ro можно определить и с учетом максимально возможной нагрузки на шток, т. е. Ro = (0,2…0,3) Rmах. Усилие для перемещения клапанов определяется по формуле:  Рп.к .= n (Рc + Рд + Rср + Ртр ), Н,

где n = 1,2…1,3 – коэффициент запаса; Рс, Рд – усилие статической и динамической неуравновешенности соответственно, Н; Ртр – сила трения направляющей втулки и штока, Н.

С учетом граничных условий (электронагреватель установлен в небольшом объеме; температура твердого наполнителя в процессе работы регулятора изменяется; тепловой поток электронагревателя расходуется на изменение теплосодержания наполнителя и на потери в окружающую среду через корпус регулятора; теплоемкость электронагревателя меньше по сравнению с теплоемкостью наполнителя) определяем продолжительность нагрева твердого наполнителя:

= Q, с., (11)

где  к – коэффициент теплопередачи от ЭН в твердый наполнитель (латунный баллон), Вт/(м2оС); F – площадь теплообменной поверхности, м2; Т – разность температур, оС; Q – количество теплоты, воспринимаемое твердым наполнителем, Дж.

Выведенная формула для определения продолжительности нагрева твердого наполнителя с достаточной доверительной вероятностью позволяет оценить время запаздывания исполнительного механизма электрического регулятора через их динамические характеристики (рис. 12). При заданной тепловой нагрузке Q потребная мощность ЭН с учетом КПД (), составляет Wэн= Q , Вт.  (12) 

Пренебрегая теплообменом датчика с сопрягаемыми с ним элементами, окружающей средой и считая постоянным коэффициент теплопередачи, процесс аккумулирования представим в виде равенства:  dQакк = dQ.  (13)

Преобразовав данное выражение, получено линейное дифференциальное уравнение динамики регулятора с электронагревателем, характеризующее изменение температуры датчика.

В третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» представлены частные методики исследований, технические характеристики измерительной аппаратуры, схемные решения систем, позволяющих управлять параметрами микроклимата картофелехранилища с использованием электрических регуляторов.

Используя существующее оборудование (механизм исполнительный электрический однооборотный МЭО – 6,3/125-0,25М, пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2М, станция управления регулятором импульсным «СУРИ», в том числе релейный блок 5, блок сравнения 7, корректирующая обратная связь 9), модернизирован релейно-импульсный регулятор (рис. 8а). При этом изменена конструкция регулирующего органа 1 (трехходового крана) для обеспечения одновременного распределения энергоносителя в картофелехранилище и на объект отопления. При появлении отклонения регулируемой температуры энергоносителя от заданного значения в датчике температуры 6 и на входе усилителя 8 возникает напряжение U. Это приводит к срабатыванию релейного блока 5 и включению электродвигателя 4 исполнительного механизма 3, перемещающего регулирующий орган 1 для устранения отклонения температуры энергоносителя. Таким образом, происходит перераспределение энергоносителя в картофелехранилище в релейно-импульсном режиме (защищен патентом № 101321). Несмотря на наличие в модернизированном регуляторе нескольких нелинейных элементов (релейного усилителя, исполнительного механизма), он с достаточной точностью реализует линейный закон ПИ-регулирования.

Изготовлены три модернизированных образца электрических регуляторов: 1 – с твердым наполнителем и ТМ (рис. 9), 2 – с твердым наполнителем и ЭН (рис. 10);  3 – релейно-импульсный регулятор (рис. 8в). Техническая новизна конструктив­ного исполнения первого образца состоит в том, что исполнительный механизм, со­держащий термоэлектрический модуль и обеспечивающий быст­родействие при переходе режима охлаждения на режим нагрева и наоборот, выпол­няет функцию силового датчика; второго образца – в том, что электронагреватель встроен в теплообменник.

Модернизированные регуляторы теплового насоса включены в разработанные системы поддержания микроклимата картофелехранилища.

В четвертой главе «Результаты ис­следования процесса регулирования тем­пературного режима картофелехрани­лища» приведены статические и динами­ческие характеристики, позволяющие обосновать параметры модернизирован­ных электрических регуляторов. 

Испытания по перемещению штока (открытия и закрытия клапанов) проводились с тремя вариантами регуляторов с твердым наполнителем: 1 – промышленный тер­мостат с твердым наполнителем без нагревательного элемента (базовый) ТР2-02, 2 – с ТМ марки ТОМ 8-127 теплопроизводительностью 70 Вт, 3 – с ЭН марки ЭНЭС-7А мощностью 90 Вт.

1. Термостат был установлен в ванне, чтобы весь термосиловой датчик омывался водой температурой 85оС, замеряли время начала открытия и до полного открытия основного клапана (рис. 13).

2. В режиме нагрева температура воды в ванне составляла 85оС (рис. 9), при этом «горячий» спай нагревал твердый наполнитель, который, расширяясь, приводил к перемещению штока 3, по которому определяли время открытия клапана. В режиме охлаждения в результате реверса «холодный» спай ТМ и вода низкой температуры (2оС) воздействовали на твердый наполнитель, приводящий к возврату штока в первоначальное положение.

3. К регулятору была подана вода температурой 85оС и одновременно включен через микропроцессорный блок управления электронагреватель 5 (рис. 10а). Фиксировалось время начала открытия клапана и время до полного его открытия.

По результатам проведенных исследований построены статические характе­ристики в виде зависимости перемещения штока h от температуры нагрева твердого наполнителя модернизированных электриче­ских регуляторов (рис. 11).

Путем электрического нагрева твердого наполнителя можно увеличивать степень перемещения штока h, и, следовательно, смещать ре­жим в сторону требуемого температурного режима. Характеристики позволили определить рабочую температуру твердого наполнителя: минимальную (50…60оС) – с ЭН, и максимальную (70...80оС) – с ТМ.

Сводные результаты экспериментальных исследований динамических характе­ристик модернизированных электрических регуляторов (рис. 12) позволяют оценить их быстродействие. Степень аппроксимации высокая и разрешает применение одноемкостного звена с начальным участком чистого запаздывания как в случае отопления, так и в случае охлаждения.

Название

Режим отопления (открытие клапана). Температура воды в ванне (Тван) 85оС

Регулятор с твердым наполните­лем (базо­вый)

Экспери­менталь­ный регу­лятор с твердым наполните­лем

Режим отопления (открытие клапана). Температура воды в ванне (Тван) 85оС

Режим охлаждения (закрытие клапана). Тем­пература воды в ванне (Тван) 4оС

Экспери­менталь­ный регу­лятор с твердым наполните­лем и ТМ

Экспери­менталь­ный регулятор с твердым наполни­телем и ЭН

Рисунок 12 – Анализ динамических характеристик электрических регуляторов: Вт – постоянная времени, с; т – время запаздывания, с.

Исследования характеристик ТМ (рис. 14) проведены с помощью экспериментальной установки (рис. 13), на основе которых выявлены эффективные эксплуатационные пара­метры электриче­ского регулятора тепло­вого насоса. При напря­жении на термоэлектри­ческом модуле 3…14 В и силы тока 4…6 А разность температур на спаях составляет 12…20оС, что обеспечи­вает быстродействие регулятора при переходе из режима охлаждения в режим на­грева и обратно за счет изменения полярности.

       

Эмпирическое выражение, описы­вающее зависимость раз-ности температур (Т, оС) на спаях ТМ от силы тока (I, А):

Т = -1,5 I 2 + 18,26 I - 36. (14)

Пользуясь методикой трех-фак­торного активного планирования экс­перимента типа 23 и программой «Sta­tistic V5.0» построены следую­щие поверхности откликов и их двумерные сечения в изолиниях: продолжительности переходного процесса и ко­личества теплоты энергоносителя от мощности ЭН. Варьируемыми параметрами яв­лялись температуры нагрева твердого наполнителя и энергоносителя, мощность электронагревателя. Эмпирические выражения моделей позволили оптимизировать ключевые параметры, при этом температура нагрева твердого наполнителя состав­ляет 80оС, мощность электронагревателя 90 Вт, температура энергоносителя – 60оС.

Для поддержания микроклимата картофелехранилища разработаны системы с модернизированными электрическими регуляторами теплового насоса, управляю­щего потоком энергоносителя, выработанным за счет: солнечной энергии, холодильной установки (№ 103579) и искусственного ис­точника энергии (№ 109507); прямого преобразования тепловой энергии в электри­ческую (№ 118406); низкопотенциального источника энергии (№100873, № 101321, решение о выдаче патента по заявке № 2012103116/06 (004589) от 06.08.2012 г.).

В схеме теплового насоса (поз. 1 рис. 4) системы поддержания микроклимата карто­фелехранилища (рис. 15) водный раствор хлористого кальция концентрацией 3,83%, циркулирующий в грунтовом теплообменнике, в результате теплообмена с низ­копотенциальным источником энергии температурой 6…8С поступает в испаритель 6. Хладагент (R134a), проходя через испаритель в тепловом насосе, переходит из жидкого состояния в газообраз­ное, затем нагнетается в компрессор 2. Далее сжатый газ подается в конденсатор 4, где происходит теплообмен с энергоносителем. За счет предусмотренного в системе дополнительного испарителя 7 тепловой насос обеспечивает хладоносителем преобразователь для поддержания микроклимата картофелехранилища 9 в теплое время года. Причем, управление пото­ком хладоносителя осуществляется с помощью электрических регуляторов 8, 12, 13, перекрывающих по­дачу теплоносителя из конденсатора 4 в картофелехранилище 9.

В пятой главе «Оценка эффективности применения электрического регулятора теплового насоса» представ­лен расчет технико-экономического обоснования результатов исследований.

Применение модернизированных электрических регуляторов в тепловом насосе позволит использовать низкопотенциальный источник энергии для создания системы поддержания микроклимата картофелехранилища. При этом на получение 1 кВтч тепловой энергии потребуется 0,2...0,3 кВтч электроэнергии. Эконо­мический эффект от применения электрического регулятора для поддержания тем­пературного режима картофелехранилища, объемом 500 т с учетом потерь карто­феля при хранении за 10 мес. 13,5 %, составляет 102,81 тыс. руб./год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована блок-схема управления потоком энергоносителя с помощью теп­лового насоса, включающего модернизированные электрические регуляторы с тер­моэлектрическим модулем и электронагревателем.

Энергоноситель, преобразованный из низкопотенциального источника энергии на основе разработанной схемы, позволяет управлять температурным режимом кар­тофелехранилища с помощью теплового насоса с модернизированными электриче­скими регуляторами.

2. Установлено, что разработанный алгоритм согласования режимов работы и методика расчета параметров модернизированных электрических регуляторов теп­лового насоса позволяют определить изменения контролируемых и регулируемых значений температуры воздуха для обеспечения эффективного функционирования системы поддержания микроклимата картофелехранилища.

На основе составленного баланса теплового потока для режимов нагрева и ох­лаждения воздуха картофелехранилища обоснованы мощность и энергетические за­траты термоэлектрического модуля и электронагревателя. Отопительный коэффициент элек­трического регулятора, вычисленный через параметры термоэлектрического модуля, позволяет оценить его теплопроизводительность и КПД преобразования электриче­ской энергии в тепловую.

Обоснованные параметры и режимы работы электрического регулятора с электронагревателем обеспечивают фазовый переход твердого наполнителя для управления штоком, соответственно потоком энергоносителя, поддерживающим стабильную температуру воздуха картофелехранилища в лечебный период – 16…18оС, основной период – 2…4оС, период охлаждения – 16…2оС, перед отправ­кой к потребителю – 8…12оС.

3. Установлено, что модернизированный образец релейно-импульсного регуля­тора за счет обратной связи и исполнительного механизма обеспечивает контроль и управление параметрами картофелехранилища.

Поддержание разности температур на спаях термоэлектрического модуля 12…20оС, поддерживающей рабочую температуру твердого наполнителя, возможно при напряжении 3…14 В и силе тока 4…6 А, что обеспечивает быстродействие ре­гулятора при переходе из режима охлаждения в режим нагрева и обратно за счет изменения полярности.

Электронагреватель, встроенный в теплообменник, повышает быстродействие регулятора температурного режима картофелехранилища на 15 %, сокращает время запаздывания срабатывания клапана с 12 до 9 с.

Статические характеристики модернизированных электрических регуляторов позволили определить рабочую температуру твердого наполнителя: минимальную (50…60оС) – с электронагревателем, и максимальную (70...80оС) – с термоэлектри­ческим модулем.

Динамические характеристики модернизированных регуляторов позволили сравнить их быстродействие. В режиме нагрева время запаздывания открытия кла­пана регулятора с термоэлектрическим модулем составляет  8 с., с электронагрева­телем – 9 с., промышленного термостата (базового) – 12 с., регулятора без нагревательного элемента – 13 с. В режиме охлаждения время запаздывания закрытия клапана регулятора с термоэлектрическим модулем составляет 5 с., регулятора без нагревательного элемента – 13 с., регулятора с электронагревателем – 11 с.

4. Разработанные системы поддержания микроклимата картофелехранилища с модернизированными электрическими регуляторами теплового насоса обеспечи­вают управление потоком энергоносителя, выработанным за счет солнечной энер­гии, холодильной установки и искусственного источника энергии, прямого преобра­зования тепловой энергии в электрическую, низкопотенциального источника энер­гии.

5. В результате производственных испытаний модернизированного электриче­ского регулятора с электронагревателем для поддержания температурного режима картофелехранилища, объемом 500 т, выявлено что экономический эффект от его применения составляет 102,81 тыс. руб./год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

– публикации в изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Васильева, И. Г. Повышение эффективности хранения сельскохозяйственных про­дуктов на объектах общественного питания / И. Г. Васильева // Хранение и переработка сельхозсырья. – М.: Пищевая промышленность, 2010. – № 8. – С. 19…21.

2. Васильева, И. Г. Повышение эффективности хранения картофеля на объектах обще­ственного питания / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев // Вестник международной акаде­мии холода. – СПб: Холодильная техника, 2011. – № 4. – С. 27…29.

3. Васильева, И. Г. Инновационная энергосберегающая установка / И. Г. Васильева // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». – Чебоксары: ЧГПУ, 2011. – № 4 (72), ч. 1. – С. 7…12.

– патенты:

4. Пат. 100873 РФ, МПК А01F25/00. Устройство для хранения картофеля / И. Г. Ва­сильева, В. Н. Тимофеев; патентообладатель – Васильева И. Г. – № 2010113047/21; за­явл. 05.04.2010; опубл.10.01.2011. Бюл. № 1. – 8 с.

5. Пат. 101321 РФ, МПК A01J9/04. Устройство для регулирования температуры сель­скохозяйственных продуктов / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; патентообладатель – Васильева И. Г. – № 2010129516/21, заявл. 15.07.2010; опубл. 20.01.2011. Бюл. № 2.– 6 с.

6. Пат. 103579 РФ, МПК F03G6/00. Электроэнергетическая установка на солнечной энергии / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; патентообладатель – Васильева И. Г. – № 2010145501/28; заявл. 09.11.2010; опубл. 20.04.2011. Бюл. № 11. – 6 с.

7. Пат. 109507 РФ, МПК F03G6/00. Энергоресурсосберегающая установка / И. Г. Ва­сильева, В. Н. Тимофеев; патентообладатель – Васильева И. Г. – № 2011119127/06; за­явл. 12.05.2011; опубл. 20.10.2011. Бюл. № 29. – 9 с.

8. Пат. 117256 РФ, МПК А01F 25/00. Устройство для регулирования относительной влажности воздуха в картофелехранилище / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; патенто­обладатель – Васильева И. Г. – № 2011136804/13; заявл. 05.09.2011; опубл. 27.06. 2012. Бюл. № 18. – 5 с.

9. Пат. 118406 РФ, МПК F25B21/02. Устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую / В. Н. Тимофеев, И. Г. Васильева и др.; патентообладатель – Тимофеев В. Н. – № 2012104070/06, заявл. 06.02.2012; опубл. 20.07.2012. Бюл. № 20.– 5 с.

– публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций:

10. Васильева, И. Г. Повышение эффективности хранения сельскохозпродуктов на объ­ектах общественного питания / И. Г. Васильева // Сборник докладов II-й международ­ной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и тех­нологии». – Липецк: Де-факто, 2010. – С. 263…266.

11. Васильева, И. Г. Повышение эффективности хранения овощей на объектах общест­венного питания / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев // Казанская наука. Вып. 1. – Казань: Дом, 2010. – № 9. – С. 195…199.

12. Васильева, И. Г. Повышение эффективности технологии хранения овощей на объектах общественного питания / И. Г. Васильева,  В. Н. Тимофеев // Вестник мичуринского филиала АНО ВПО ЦС РФ «РУК». – Мичуринск: Бис, 2011. – № 1. – С. 7…12.

13. Васильева, И. Г. Инновационная энергосберегающая электроэнергетическая установка / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев // Материалы конференции «Инноватика – 2011». – Ульяновск: Ульяновский ГУ, 2011 – № 1 (6) – С. 91…94.

14. Васильева, И. Г. Инновационный способ энергообеспечения сельхозпотребителей / И. Г. Васильева,  В. Н. Тимофеев // Материалы международной научно-практической конференции «Science and Innovation (международный центр коммуникации и развития, Республика Болгария)». – Новочебоксарск: Полиграфика, 2011. – С. 99…103.

15. Васильева, И. Г. Инновационные подходы к повышению эффективности хранения сельскохозяйственных продуктов на объектах общественного питания / И. Г. Васильева // Материалы республиканской экономической конференции «Инновационное развитие потребительской кооперации». – Чебоксары: ЧКИ РУК, 2011. – С. 28…32.

16. Васильева, И. Г. Анализ грунтовых теплообменников для поддержания температурного режима в овощехранилищах / И. Г. Васильева // Материалы XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». – Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2012. – С. 137…138.

17. Васильева, И. Г. Анализ затрат электроэнергии на примере агрофирмы «Слава картофелю» / И. Г. Васильева, Г. В. Новикова, В. Н. Тимофеев // Материалы VIII всероссийской научно-практической  конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». – Чебоксары: ЧГСХА, 2012. – С. 203…205.

18. Васильева, И. Г. Совершенствование электронного трехходового крана в теплонасосной установке картофелехранилища / И. Г. Васильева, Г. В. Новикова, В. Н. Тимофеев // Материалы VIII всероссийской научно-практической  конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». – Чебоксары: ЧГСХА, 2012.– С. 205…208.

19. Васильева, И. Г. Анализ объемов производства картофеля и картофелехранилищ с целью разработки системы обеспечения микроклимата в них / И. Г. Васильева, Г. В. Новикова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства». – Чебоксары: ЧГСХА, 2012. – С. 62…65.

20. Васильева, И. Г. Механизация процессов хранения картофеля / И. Г. Васильева,

Г. В. Новикова, В. Н. Тимофеев // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству». – Чебоксары: ЧГСХА, 2011. – С. 90…94.

21. Васильева, И. Г. Энергосберегающая установка на возобновляемых источниках энергии / И. Г. Васильева,  В. Н. Тимофеев // Материалы V республиканского конкурса инновационных проектов по Программе «Участник научно – инновационного конкурса». – Чебоксары: РИО Волжского филиала ФГБОУ ВПО МАДИ, 2011. – С. 37…38.

22. Васильева, И. Г. Разработка устройства для регулирования температурно-влажностного режима в картофелехранилищах с использованием теплового насоса /

И. Г. Васильева, Г. В. Новикова // Материалы всероссийской  научно-практической конференции «Инновационные электротехнологии и электрооборудование – предприятиям АПК». – Ижевск: Ижевская ГСХА, 2012. – С. 25…29.

23. Васильева, И. Г. Разработка трехходового крана с электронагревателем для поддержания микроклимата в картофелехранилище / И. Г. Васильева, Г. В. Новикова,

В. Н. Тимофеев // Материалы международной научно – практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства», посвященной 90-летию Казанского государственного аграрного университета. – Казань: Казанский ГАУ, 2012. – С. 62…64.

Подписан в печать 25.09.2012 г. Формат  60х84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано с оригинала-макета. Полиграфический отдел, ФГБОУ ВПО ЧГСХА,

428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27-36.

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.