Публикации : "Новая система терморегулирования бытовой холодильной техники класса ХОЛТ"

УД К 641.546.44
Канд.техн. наук А.В.ВАГИН, В.Е.РУССО,
канд.техн. наук Ю.М.ШАТРОВ
ОАО ПКФ "МАГРИ"

Новая система терморегулирования бытовой холодильной техники класса ХОЛТ

          Использование естественной тепловой энергии окружающей среды в новом классе бытовой холодильной техники, получившем название ХОЛТ, дает возможность существенно снизить потребление электроэнергии. Разработка этой техники потребовала решения ряда задач. Одна из них - необходимость создания новой системы терморегулирования, учитывающей особенности ХОЛТа.

          При разработке этой системы необхо­димо было учесть следующие факторы.

          Во-первых, терморегулятор ХОЛТа должен иметь, как минимум, второй ка­нал для автоматического управления процессом термостабилизации в режи­ме обогрева холодильной камеры, ког­да наружная температура опускается ниже уровня температуры в камере ХОЛТа.

          Во-вторых, при широком диапазоне изменения наружной температуры из-за сезонных и суточных ее колебаний (иног­да весьма резких) способ косвенного ре­гулирования не может обеспечить ос­новного требования по поддержанию в камере температуры в пределах 1...8 °С. Так, даже в диапазоне комнатных темпе­ратур при использовании традиционных терморегуляторов изменение темпера­туры в холодильной камере может дос­тигать 8...9 °С (при постоянной "уставке" - заданной температуре Q3) [2]. И в-тре­тьих, должна быть обеспечена работо­способность парокомпрессионного аг­регата в условиях наружных температур. В ОАО ПКФ "МАГРИ" разработан элект­ронный терморегулятор, обеспечиваю­щий требуемую точность выдерживания температуры в рабочей камере ХОЛТа и минимизацию его электропотребления.

          На рис.1,а приведена функциональ­ная схема системы терморегулирова­ния для однокамерного ХОЛТа [З], по­строенная на основе способа прямого регулирования. Регулируемая темпера­тура измеряется непосредственно в объеме рабочей камеры датчиком 2. По сигналу обратной связи с этого датчика формируются управляющие команды sx, sн как в канале I управления парокомпрессионным агрегатом, так и в канале II управления электронагревателем. Пороги срабатывания управляющих элементов (температуры включения и отключения холодильного агрегата и электронагревателя) выбирали исходя из следующих требований.

          • Температура Qв в холодильной каме­ре ХОЛТа в процессе термостабилиза­ции, как и в обычном бытовом холодиль­нике, не должна выходить за пределы 1...8 °С, но при всех возможных для умеренного климата сезонных и суточных колебаниях наружной температуры.
          • Гистерезис (дифференциал) управ­ляющего элемента канала I должен обеспечить выполнение требований ГОСТа к обычным бытовым холодильникам по цикличности работы холодильно­го агрегата.
          • Для повышения точности регулиро­вания гистерезис управляющего эле­мента канала II должен быть по возмож­ности минимален, поскольку ограниче­ний на цикличность работы электронаг­ревателя не накладывается.
          • Настройка управляющих элементов должна обеспечить минимум среднего­дового суточного электропотребления. В процессе регулирования не должна допускаться возможность одновремен­ного охлаждения и нагрева объема ра­бочей камеры и соответственно пустой траты электроэнергии.

          В таблице приведены номинальные значения параметров настроек управ­ляющих элементов терморегулятора ХОЛТа с рабочей камерой объемом 200 л, определенные по результатам мате­матического моделирования процессов термостабилизации и стендовых испы­таний. Для имитации сезонных и суточ­ных изменений наружной температуры при испытаниях использовали термока­меру, в которую полностью или частич­но устанавливали ХОЛТ.

          Для обеспечения работоспособности холодильного агрегата при температуре наружной среды ниже допустимого для него предела (16 °С) в ХОЛТе предусмот­рен автоматический подогрев компрес­сора. На рис.1, б приведена функцио­нальная схема терморегулятора с до­полнительным каналом III управления подогревом компрессора [4] (канал II на схеме не показан). Особенность процес­са управления холодильным агрегатом состоит в следующем.

          Включение режима охлаждения по ко­манде sx управляющего элемента кана­ла I произойдет лишь тогда, когда тем­пература, измеренная на поверхности компрессора датчиком II, превысит за­данную пороговую, при которой должен выключиться подогрев. В тоже время по­догрев (по команде sнк) не может вклю­читься при отсутствии команды sx на включение режима охлаждения. Это по­зволяет свести к минимуму затраты электроэнергии на подогрев, поскольку в диапазоне наружных температур, не требующих включения режима охлажде­ния (ниже примерно 5...1 °С), не будет включаться и обогрев компрессора. Этот алгоритм работы терморегулятора обес­печивается логическими элементами типа "И" (И-1, И-2), введенными в кана­лы управления I и III.

          Пороги срабатывания управляющего элемента канала подогрева выбирают из следующих соображений.

          Порог включения устанавливают не­сколько выше нижней предельно допус­тимой для компрессора температуры (16 °С), измеренной на поверхности ком­прессора. При этом порог выключения выбирают таким, чтобы слишком малый дифференциал не приводил к преждевременному отключению режима охлаж­дения.

          Настройки порогов срабатывания уп­равляющего элемента канала подогре­ва III зависят также от параметров ХОЛ­Та и его агрегатов (объема холодильной камеры, мощностей компрессора и электронагревателя компрессора, пара­метров канала I терморегулятора). Сле­дует заметить, что при совместном уп­равлении холодильным агрегатом и по­догревом компрессора может несколь­ко возрасти динамическая ошибка регу­лирования температуры в рабочей каме­ре ХОЛТа. Это объясняется задержкой включения режима охлаждения, требуе­мой для подогрева компрессора на 10...15 °С (от температур около 5...1 °С, где еще может иметь место режим ох­лаждения, до температуры ? 16 °С, до­пускающей включение холодильного аг­регата).

          В разработанном терморегуляторе для однокамерного ХОЛТа с рабочей камерой объемом 200 л, компрессо­ром СКМ-100, мощностью элемента подогрева компрессора 25 Вт, при на­стройках управляющего элемента ка­нала I терморегулятора, указанных в таблице, выбраны следующие номи­нальные значения порогов срабатыва­ния управляющего элемента канала по­догрева III:

          17 °С - включение подогрева;
          19 °С - выключение подогрева.

          Математическое модели­рование процессов термо­регулирования и стендовые испытания ХОЛТа показали, что при выбранных парамет­рах терморегулятора под­держание температуры в холодильной камере в преде­лах 1...8 °С обеспечивается во всем диапазоне сезонных и суточных колебаний на­ружных температур, харак­терных для умеренного кли­мата. Уровень среднесуточ­ного электропотребления ХОЛТа при его работе в ус­ловиях наружной среды по сравнению с его же энерго­потреблением в отапливае­мом помещении снижается в 2-3 раза в зависимости от температур в различных климатических зонах Земли. Временная задержка включения режима охлажде­ния из-за подогрева компрессора зави­сит от наружной температуры и не пре­вышает 30 мин. При этом изменений характера динамики процесса терморегу­лирования и возрастания динамических ошибок не наблюдается. На рис. 2 в ка­честве примера показан процесс регу­лирования температуры в рабочей ка­мере ХОЛТа предложенной системой управления при воздействии суточных колебаний наружной температуры, по­лученный экспериментально. Темпера­туру наружной среды при стендовых ис­пытаниях имитировали в термокамере.

          Рассмотренная схема терморегулято­ра реализована на элементах электрон­ной техники. В качестве датчиков темпе­ратуры используются терморезисторы СТЗ-6. Все управляющие устройства вы­полнены по схеме компараторов на мик­росхеме К1401УД1 с четырьмя операци­онными усилителями. Логические эле­менты реализованы на транзисторах КТ-315. Исполнительные устройства терморегулятора, коммутирующие цепи электропитания компрессора (через его пускозащитное реле), электронагрева­теля рабочей камеры и подогрева комп­рессора выполнены на основе симистора типа ТС106-10 с микросхемой управ­ления МОС-3083.

          Одно из существенных преимуществ электронных систем по сравнению с ме­ханическими и электромеханическими заключается в возможности их совер­шенствования без серьезных изменений конструкции с обеспечением непрерыв­но растущих требований по точности и выполняемым ими функциям. В частно­сти, для ХОЛТа с морозильным отделе­нием в базовую модель терморегулято­ра, выполняющую минимум необходи­мых для работы ХОЛТа функций, вводит­ся еще один канал, аналогичный каналам I и II. Имеется также возможность по­высить точность регулирования и допол­нительно снизить электропотребление ХОЛТа за счет использования схем само­настройки, например путем коррекции параметров терморегулятора по инфор­мации о температуре наружной среды [3] и т.п.

          Разработанная базовая модель тер­морегулятора прошла лабораторные ис­пытания и сертифицирована в составе ХОЛТа. Уже выпущена установочная партия терморегуляторов. Стоимость их не выше стоимости современных зару­бежных электромеханических терморегуляторов.

Техническая характеристика терморегулятора

          В заключение следует сказать, что в новейших зарубежных бытовых холо­дильниках, предназначенных для рабо­ты только в помещении и, как правило, в очень дорогих сложных системах (напри­мер, No Frost) уже применяются элект­ронные и даже компьютерные системы терморегулирования [1]. В этих систе­мах, использующих способ прямого ре­гулирования, повышена точность регу­лирования, расширены выполняемые функции (в основном сервисного харак­тера).

          В некоторых источниках информации, например [5,6], имеются сообщения о попытках разработок отечественной промышленностью электронных термо­регуляторов для бытовых холодильни­ков. Однако на рынок отечественные хо­лодильники с такими регуляторами до настоящего времени не поступали.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бабакин Б.С, Выгодин В.А. Бытовые холо­дильники и морозильники (справочник). -М:
Колос, 1998.
2. Кругляк И.Н. Справочная книга механика по ремонту домашних холодильников. -М:
Легкая индустрия, 1971.
3. Патент 2112909 РФ.
4. Решение о выдаче патента по заявке №98119930 от 02.11.1998.
5. Электронные регуляторы и устройства для холодильного оборудования/В.Д.Курбан, В.И.Гаврищук и др.//Холодильная техника. 1997. № 7.
6. Электронный регулятор температуры для бытовых холодильников/В.А.Тимошин, В.А.Арефьев и др.//Холодильная техника. 1996. № 5.

Материал был опубликован в журнале
“Холодильная техника” №9, 1999 г.

   Главная
   О компании
   Наши технологии
   Конструкторское бюро
   Коллекция проектов
   Система "Базис"
   Патентование
   Публикации
   Сотрудничество
   Контакты



   Web print
   Web design
   Мебель для офиса
   Очистка инж. коммуникаций