Термостат для блоков-конденсаторов промышленных систем кондиционирования

В статье предложен вариант автоматической системы управ­ления температурным режимом блока конденсаторов теплоно­сителя в промышленной системе кондиционирования воздуха в помещении. Система успешно испытана и внедрена на ряде объ­ектов в Узбекистане, где интенсивно эксплуатируется уже более трёх лет с кондиционерами различных типов при температуре наружного воздуха в интервале от -25 °С до +50 °С в условиях горной и пустынной местности.

Прежде чем перейти к описанию назначения и принципа действия предлагаемого устройства, коснёмся вкратце основных принципов и обес­печения условий работы систем кон­диционирования воздуха [1]. Их дей­ствие (в режиме охлаждения) основа­но на переносе тепла из охлаждаемого помещения за его пределы. Поток охлаждаемого воздуха пропускают че­рез теплообменник внутреннего блока-испарителя, называемого так потому, что в нём происходит испарение жид­кого вещества-теплоносителя (хлада­гента). Процесс испарения, естествен­но, сопровождает передача тепловой энергии вовне, т. е. охлаждение. Одна­ко при необходимости обеспечить работу в режиме охлаждения в усло­виях, когда температура наружного воздуха значительно ниже температу­ры внутри помещения, возникают про­блемы. Особенно в режиме так назы­ваемого технологического охлаждения при отрицательной внешней темпера­туре. Такой режим требуется, в частно­сти, в центрах обработки данных, сер­верных, шельтерах (блок-боксах) ра­диосвязи и других помещениях подоб­ного рода.

Хладагент в газообразном состоя­нии направляют по трубопроводу во внешний блок, находящийся за преде­лами помещения. Там происходит его конденсация, сопровождающаяся вы­делением накопленного тепла и его пе­редачей теплообменнику-конденсатору и далее во внешнюю среду. Эффек­тивность системы при прочих равных условиях сильно зависит от температу­ры воздуха как внутри, так и снаружи помещения.

Подавляющее большинство конди­ционеров выпускают зарубежные про­изводители, но далеко не все кондицио­неры даже ведущих мировых фирм способны работать в режиме техноло­гического охлаждения. Для этого сущест­вуют специальные промышленные сис­темы, способные эффективно работать при температуре ниже -15 °С. Их про­изводителей всего два-три в мире, а стоимость весьма значительна. Но даже и эти системы не имеют достаточ­ной производительности при темпера­туре ниже -25 °С.

Для повышения эффективности ра­боты при отрицательной температуре у нас часто используют простой приём — помещают внешние блоки кондиционе­ра в «тёплый» бокс, в котором поддер­живают температуру, достаточную для нормального функционирования систе­мы. Для её поддержания обычно доста­точно тепла, переносимого из помеще­ния и выделяемого самими конденса­торами, но в особо тяжёлых условиях может потребоваться установка допол­нительных обогревателей. Так можно заставить работать в режиме техноло­гического охлаждения даже обычный кондиционер. Это еще один плюс тако­го приёма, позволяющий получить существенную экономию материальных затрат на оборудование и его наладку.

Для обеспечения нужных условий работы конденсаторов тёплый бокс должен быть оснащён системой управ­ления температурным режимом, пре­вращающей его в термостат. Обычно этого достигают с помощью регулируе­мых приточно-вытяжных воздушных клапанов. Для исключения резких изме­нений режима работы кондиционера кратковременная погрешность поддер­жания температуры в боксе должна быть не хуже  ±2 °С.

Чтобы лучше уяснить принцип под­держания теплового режима, обратим­ся сначала к одному из возможных вариантов конструкции термостата, разработанных автором. Он представляет собой бокс из сэндвич-панелей с односкатной крышей. Панели толщиной 40…80 мм закреплены на сварном кар­касе из металлического уголка. Напол­нитель — пенопласт или минеральная вата. Конструкция предназначена для размещения трёх конденсаторных бло­ков общей производительностью до 120 кВт и охлаждающего осевого вен­тилятора (с выбросом тёплой воздуш­ной струи вверх).

Внутренняя часть бокса разделена на два горизонтальных отсека, распо­ложенных один над другим, — основной отсек для размещения блоков и своего рода «чердак». Перегородка располо­жена на высоте верхнего края блока-конденсатора. Поскольку забор воздуха происходит с трёх боковых поверхнос­тей блока, она предотвращает прямое попадание нагретого воздуха в основ­ной отсек и неконтролируемое переме­шивание воздушных потоков. По внутреннему периметру бокса между ра­бочими поверхностями конденсаторов и стенами предусмотрены технологиче­ские зазоры, а между передними пане­лями блоков и передней стеной — сер­висный проход, обеспечивающий дос­туп персонала.

На передней стене бокса располо­жен сервисный люк для доступа персо­нала внутрь. Дверца люка открывается наружу. Для кондиционеров сравни­тельно небольшой мощности сервис­ный люк не делают, а доступ к блокам обеспечивают, снимая панели. В тёплое время года для обеспечения лучших условий теплообмена целесообразно снимать с каркаса заднюю панель.

В боксе, для которого предназначе­на система, температурный режим ре­гулируют с помощью трёх групп воз­душных клапанов. На передней стене бокса в верхнем и основном его отсеках размещены соответственно первая и третья группы, а вторая — на горизон­тальной перегородке над сервисным проходом. Первой и третьей группами управляют синхронно, а второй — в «противофазе» с ними. При этом суще­ствуют два предельных состояния системы клапанов.

В первом состоянии клапаны групп 1 и 3 полностью открыты, а группы 2 — закрыты. Воздух полностью поступает извне и выбрасывается наружу, перето­ка между отсеками нет. В этом случае обеспечивается наилучшее охлаждение блоков. Во втором состоянии клапаны групп 1 и 3 полностью закрыты, а груп­пы 2 — открыты. Воздух циркулирует внутри бокса без притока извне. Обес­печено максимальное сохранение теп­ла. В промежуточных положениях кла­панов происходят частичные забор, выброс и переток воздуха, что и позво­ляет осуществить регулирование тем­пературного режима.

На практике следует предусмотреть в боковых и задней стенах бокса ручные регулируемые клапаны либо просто вентиляционные отверстия общей пло­щадью 10… 15% общей рабочей пло­щади окон главных клапанов. Послед­няя должна быть рассчитана специалистом-проектировщиком вентиляци­онных систем исходя из параметров используемых конденсаторных блоков и обеспечивать свободное прохожде­ние требуемого объёма воздуха с рав­номерным распределением по боксу и максимальной скоростью выброса.

Существуют два типа сервоприво­дов для воздушных клапанов — с зави­симостью положения заслонки от при­ложенного напряжения и от продолжи­тельности его подачи. Хотя приводами первого типа проще и удобнее управ­лять, приводы второго типа дешевле и доступнее для пользователя. Поэтому система разработана именно в расчёте на использование сервоприводов с управлением по времени работы при­вода без возвратной пружины, хотя это и потребовало некоторого усложнения алгоритма. С другой стороны, примене­ние таких приводов, защищённых от перегрузок и не требующих наличия датчиков концевых положений, позволяет упростить алгоритм управления.

В особо тяжёлых температурных ус­ловиях (ниже -20 °С) собственного тепла конденсаторных блоков может оказаться недостаточно для обогрева бокса. На этот случай предусмотрена возможность включения дополнитель­ных электрических обогревателей. Обогреватели закрепляют на задней стене бокса так, чтобы исключить по­падание их инфракрасного излучения на конденсаторы. Мощность и необхо­димое число нагревателей должны быть рассчитаны в соответствии с мощ­ностью оборудования, конструктивны­ми особенностями бокса и условиями окружающей среды. Если внешняя тем­пература не понижается до -20 °С, до­полнительные обогреватели, как прави­ло, не требуются, независимо от мощ­ности внешнего блока.

Схема блока управления положени­ем заслонок клапанов изображена на рис. 1. Он собран на широко рас­пространённом микроконтроллере АТmеgа8А-РN (DD1). Принцип регули­рования — дискретный, в зависимости от температуры внутри бокса: ниже -5 °С, -5…0 °С, 0…+5 °С, выше +5 °С.

Блок способен работать в автомати­ческом и ручном режимах. При этом, работая в автоматическом режиме, он может находиться в двух состояниях: дежурном и активном. Это зависит от того, превышает ли внешняя темпера­тура заданное пороговое значение. Если нет, устройство находится в со­стоянии активного регулирования.

Для большинства систем оптимален порог +5 °С. Это объясняется тем, что при перепаде температуры более 15 °С производительность (тепловая мощность) кондиционера начинает умень­шаться. Это значение можно уточнить по графикам производительности при­меняемого оборудования. Однако ука­занное выше эмпирическое значение гарантированно может быть использо­вано на практике, в том числе в систе­мах, изначально не предназначенных для технологического охлаждения.

Регулятор снабжён органами управ­ления и индикации. К первым относятся кнопки ручного управления клапанами SB1 «Открыть» и SB2 «Закрыть», пере­хода в автоматический режим SB3 ’’Авто» и установки системы в исходное состояние SB4. Светодиоды служат для сигнализации о внешней температуре ниже +5 °С (HL1), интервале внутренней температуры (HL2 —  «>+5 °С», HL3 — «0…+5 °С», HL4 — «-5…0 °С, HL5 — <-5 °С). Светодиод HL6 изменяет цвет свечения в соответствии с табл. 1. Светодиод HL7 подаёт сигнал аварии. В качестве внешнего и внутреннего тер­модатчиков применены терморезисто­ры, соответственно RK1 и RK2. Напря­жение на них измеряет встроенный АЦП микроконтроллера.

Программа микроконтроллера напи­сана на языке С в среде Code Vision AVR v2.03.4. Для запуска периодических измерений использован 16-разрядный таймер микроконтроллера. Он генери­рует запросы прерываний с периодом 16,75 с. Обработчик прерываний под­считывает их число и примерно через каждые 5 мин (301,5 с) запускает АЦП. Измерение внешней и внутренней тем­пературы производится поочерёдно, поэтому интервал времени между дву­мя последовательными измерениями каждой величины — около 10 мин. По­очерёдное переключение входов АЦП происходит в обработчике завершения преобразования.

Алгоритм работы устройства со­стоит из двух этапов. На первом этапе в течение первых 150 с (длительность процесса полного открывания или за­крывания применённых клапанов) про­исходит полное открывание клапанов групп 1 и 3 и соответственно полное за­крывание клапанов группы 2 (далее для краткости это называется просто пол­ным открыванием). При этом вспыхива­ет и гаснет светодиод НL3. Затем от­ключается питание клапанов и включа­ется индикация автоматического режи­ма — светодиод НL6 светится зелёным. Светодиод HL1 выключен.

На 10 мин, пока идёт измерение тем­пературы, включаются все светодиоды НL2—НL5. По окончании измерения ос­таётся включённым тот, который со­ответствует внутренней температуре..

На втором этапе при внешней тем­пературе выше +5 °С устройство нахо­дится в дежурном состоянии с пол­ностью открытыми клапанами. При тем­пературе ниже +5 °С клапаны закрыва­ются на 50 %. Далее, после каждого цикла измерений, положение клапанов изменяется с шагом 25 % в зависимос­ти от температуры внутри бокса.

На случай отсутствия в боксе допол­нительных пассивных клапанов с руч­ным регулированием и во избежание резкого повышения температуры в про­грамме предусмотрено неполное, при­близительно на 85 %, максимальное закрытие клапанов групп 1 и 3. Степень их закрытия задана в программе значе­нием константы d2.

При внешней температуре выше +5 °С вновь происходит переход в дежурное состояние с полным открыва­нием клапанов. На время активного регулирования (изменения положения заслонок) в автоматическом режиме во избежание нарушения процесса запре­щены все прерывания.

Для перехода в ручной режим следу­ет кратковременно нажать на кнопку SB1 или SВ2. Пока одна из этих кнопок нажата, заслонки групп 1 и 3 перемеща­ются в указанном направлении от теку­щего положения, а заслонки группы 2 — в противоположном. После отпускания кнопки ручной режим сохраняется и допускаются повторные нажатия. Одновременное нажатие этих кнопок не обрабатывается.

Для обратного перехода в автомати­ческий режим требуется нажать на кнопку SВ3. Если устройство уже нахо­дится в автоматическом режиме, это нажатие не даст эффекта. После пере­ключения в автоматический режим про­исходит принудительное открывание клапанов в течение 150 с, затем пита­ние клапанов выключается.

Для перезапуска системы управле­ния служит кнопка SВ4. Её действие аналогично выключению и повторной подаче питания.

В устройстве предусмотрены специ­альные режимы, используемые в про­цессе налаживания и эксплуатации:

1. Принудительный переход в актив­ное состояние после включения при внешней температуре выше +5 °С:

• нажмите на кнопку SВ4, затем, удерживая её, нажмите одновременно на кнопки SВ1 и SВ2;
• отпустите кнопку SВ4 и в течение не более двух секунд после этого отпустите кнопки SВ1 и SВ2.

После этого будет включена индика­ция автоматического режима и пониже­ния внешней температуры. Начнётся измерение внутренней температуры, сопровождаемое включением всех све­тодиодов. Внешняя температура не из­меряется. По окончании измерения останется включённым один из свето­диодов НL2—НL5, соответствующий результату измерения, и будет уста­новлен режим активного автоматиче­ского регулирования. Принудительно­го открывания клапанов не происходит. Возврат в нормальный режим возмо­жен только с помощью кнопки SВ4.

2. Пропуск принудительного откры­вания клапанов после нормального включения:

• нажмите на кнопку SВ4, затем, удерживая её, нажмите на кнопку SВ2;
• отпустите кнопку SВ4 и в течение не более двух секунд отпустите кнопку SВ2.

Если комбинация кнопок SВ2 и SВ4 случайно удерживалась более двух секунд, то после их отпускания установится ручной режим, о чём сигнали­зирует красное свечение светодиода HL6. Для выхода из режима пропуска следует перезапустить устройство либо включить автоматический режим нажа­тием на кнопку SB3 по окончании изме­рения температуры, когда останется включённым только один из светодио­дов HL2-HL5.

Электрический обогреватель, в за­висимости от расчётной мощности, можно подключать как непосредствен­но к симистору VS7 в качестве нагрузки, так и через промежуточное реле или контактор. Во втором случае номинал резистора R36 следует увеличить до 360 Ом. Сервоприводы подключают по штатной трёхпроводной схеме [2], ко­торая не требует пояснений.

Питают устройство от источника ста­билизированного напряжения 5 В, со­бранного по традиционной схеме на интегральном стабилизаторе 7805.

В качестве RK1 и RK2 применены терморезисторы КМТ-4. Они заключе­ны в металлические капсулы и гермети­зированы, поэтому могут быть исполь­зованы в условиях любой влажности. Вместо них можно установить терморе­зисторы ММТ-4, но в этом случае при­дётся провести их градуировку, по результатам которой изменить в программе значения констант t1—t3.

Подстроечные резисторы — СП5-16ВА или аналогичные, постоянные резисто­ры — С2-ЗЗН или МЛТ соответствующей мощности. Конденсаторы С7—С13 — К10-47 группы Н3О на напряжение 500 В, остальные — керамические малогаба­ритные, например, К10-73-1б, К10-17в. Светодиоды серии 4R5 можно заменить другими сверхъяркими соответствующего цвета свечения в корпусах диа­метром 5 мм.

Оптроны МОС3083М [3] использова­ны благодаря наличию в них детектора нуля приложенного напряжения и мало­му току управления. Это позволило из­бежать помех при коммутации силовых цепей и снизить суммарный ток через порты В и D микроконтроллера DD1, ко­торый не должен превышать 200 мА. Минимальное рекомендуемое значе­ние управляющего тока для оптронов МОС3083М — 5 мА. Возможна замена на МОС3082М или МОС3081М с увели­чением тока соответственно до 10 мА и 15 мА, уменьшив для этого сопротивле­ние резисторов, включённых последо­вательно с излучающими диодами опт­ронов. При токе управления 10…15 мА можно использовать также оптроны МОС306Х-М и МОС316Х-М. Допустимо применение симисторов ВТ136, ВТА136 (максимальный ток нагрузки — 4 А), ВТ139, ВТА139 (16 А), ВТ140, ВТА140 (25 А) на 600 или 800 В.

Использованы воздушные клапаны VENTS РРВА 1000×500 [4] с сервопри­водами Belimo NM230A [2]. Наличие концевых датчиков не требуется. Эти сервоприводы могут быть использова­ны с другими клапанами серии VENTS РРВА, а также с КВУ 600×1000, КВУ 1000×1000 [5].

Возможно параллельное подключе­ние нескольких сервоприводов на один канал с учётом запаса симистора по мощности, которого хватит на сотню приводов даже при использовании симисторов ВТ136.

Конструктивно блок управления вы­полнен на трёх платах: управления, коммутации и питания (рис. 2). На плате управления расположены микро­контроллер с сопутствующими слабо- точными элементами, кнопки и оптро­ны. Симисторы размещены на плате коммутации. Использованы стандарт­ные перфорированные монтажные пла­ты размерами 70×50 мм (для блока пи­тания — 50×35 мм) с шагом перфора­ции 2,54 мм. Способ монтажа — навес­ной с фиксацией термоклеем. Ввиду простоты устройства печатный монтаж не использовался.

Блок собран в пластмассовом корпу­се исполнения IР65 с внутренними раз­мерами 110x205x82 мм. На рис. 3 по­казано взаимное расположение плат и других элементов внутри корпуса. Со­бранные в одну линейку светодиоды закреплены на корпусе. Отдельно в нём закреплены трансформатор питания и контактор управления нагревателем.

Терморезисторы вынесены за пре­делы корпуса и соединены с блоком уп­равления кабелем ШВВП 2×0,75 в двой­ной изоляции. Они помещены в пласт­массовые корпусы исполнения IР65 подходящих размеров, закреплённые в соответствии с назначением датчиков на внешней и внутренней стенах бокса. Рекомендуется размещать терморезис­торы на возможно меньшем расстоянии от блока управления и использовать кабели длиной не более метра. При этом датчик внутренней температуры рекомендуется размещать примерно на 100 мм ниже перегородки главного отсека бокса (в зоне низкой интенсив­ности воздушных потоков и большей стабильности температуры).

Для обеспечения удобного доступа блок закрепляют на внутренней стене бокса рядом с сервисным люком. Обо­греватели подключают кабелем в двой­ной изоляции с проводами соответст­вующего передаваемой мощности сечения.

При налаживании блока температур­ные режимы проверяют с помощью тер­мопары мультиметра  D838 или анало­гичного. Хотя абсолютная погрешность измерения в этом случае может дости­гать ±1 °С, для практического применения этого достаточно. Проверку произ­водят при температуре +5 °С. Подстроечными резисторами R1 и R2 при под­ключённых терморезисторах устанав­ливают на входах АDС0 и АDС1 микроконтроллера напряжение соответствен­но + 1,43 В и +2,5 В. При использовании других терморезисторов потребуется опытным путём определить оптималь­ные значения констант t1—t3 и, возмож­но, изменить номиналы подстроечных резисторов.

В зависимости от типа применяемых сервоприводов может потребоваться корректировка управляющих времен­ных интервалов изменением значения константы dmах. При этом необходимо следить, чтобы значение переменной dd в ходе выполнения программы никогда не превышало 32768 — максимального значения, которое может быть передано функции delау() в качестве аргумента. Это означает, что в системе могут быть применены приводы с длительностью хода не более 196 с. При необходимости можно, конечно, вызывать функцию delау()  несколько раз подряд, но на практике с этим вряд ли придётся столк­нуться. Естественно, после внесения изменений в исходный текст программы её нужно заново откомпилировать и перепрограммировать микроконтрол­лер. Конфигурация микроконтроллера должна соответствовать табл. 2.

Пользуясь данными, приведёнными в этой статье, можно создать модифи­кацию термостата для системы техно­логического охлаждения на основе кондиционера практически любого ти­па.

Скачать архив к проекту

ЛИТЕРАТУРА

1. Котзаогланиан П. Пособие для ремонт­ника. Практическое руководство по ремонту холодильных установок с конденсаторами воздушного охлаждения. Пер. с франц. — М.: Издательство Московского Университета, ЗАО “ОСТРОВ”, 1999 г.
2. Техническое описание NM230A, NM230A-S. — URL: http://belimo.ru/upload/iblock/447/nm230a_nm230a_s.pdf (18.04.16)
3. МОС3081М, МОС3082М, МОС3083М 6-Pin DIP Zero-Cross Triac Driver Optocoupler. — URL: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/MO/MOСpdf (18.04.16).
4. Регуляторы расхода воздуха ВЕНТС РРВА — URL: http://vents-rus.ru/ product/rrva_1000h500
5. Клапан воздушный утеплённый (КВУ). — URL: http://ventmontazh.ru/klapan_kvu (18.04.16).

Автор: Д. ПАНКРАТЬЕВ, г. Ташкент, Узбекистан
Источник: Радио №8/2016