Способ регулирования температуры объекта термоэлектрической системой и устройство для его осуществления - RU2139477C1
Код документа: RU2139477C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в пищевой и сельскохозяйственной промышленности, а также и в других областях техники.
Известен способ термоэлектрического охлаждения, основанный на применении эффекта Пельтье, заключающийся в том, что при пропускании тока через термоэлемент его один спай нагревается, а другой охлаждается (Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы, Москва, АН СССР, 1967, с.7-11). Для получения достаточной степени охлаждения, например, сельскохозяйственного или пищевого продукта термоэлементы соединяют в последовательную электрическую цепь с образованием термоэлектрической батареи.
Однако при реализации данного способа холодильный коэффициент, определяемый отношением отводимого теплового потока к потребляемой электрической мощности, при увеличении перепада температур между горячими и холодными спаями термобатареи имеет очень малое значение, что делает эту реализацию весьма неэффективной.
Известен способ охлаждения объекта термоэлектрической батареей, в котором перенос тепла от объекта и от каскада к каскаду батареи осуществляется при подаче на клеммы батареи регулируемого тока до выхода батареи на стационарный режим работы, соответствующий заданной температуре охлаждения объекта (патент Российской Федерации N 2034207, опубл. 30.04.95). В данном случае использование изменения величины тока позволяет поддерживать заданную температуру объекта, например пищевого продукта.
Однако, поскольку регулирование величины тока, подаваемого на клеммы термоэлектрической батареи, осуществляется без учета ряда важных параметров, этот способ также является недостаточно эффективным.
Наиболее близким к заявленному является способ регулирования температуры объекта термоэлектрической батареей, включающий регистрацию текущей величины температуры окружающей среды и регулирование тока на клеммах термоэлектрической батареи (заявка PCT WO 97/22840, опубл. 26.06.97). В данном способе происходит учет текущей величины температуры окружающей среды, что дает возможность обеспечить максимальный холодильный коэффициент батареи, а также в минимальные сроки выйти на заданный уровень температур, что особенно важно, например, в пищевой промышленности.
Но в указанном способе полностью отсутствует учет наличия агрегатов для теплопереноса и/или теплообмена, которые взаимодействуют с термоэлектрической батареей и/или со средой, посредством которой данные агрегаты взаимодействуют с упомянутой батареей, а наличие такого рода агрегатов позволяет резко повысить КПД термоэлектрической системы, а именно совокупности агрегатов и термоэлектрических батарей, которые широко используются в малогабаритных холодильных устройствах (см., например, Лепаев Д.А. Ремонт бытовых холодильников. -М.: Легпромбытиздат, 1989, с. 246-252).
Наличие указанных агрегатов позволяет осуществлять управление работой термоэлектрической батареи.
Также известно устройство для регулирования температуры объекта термоэлектрической системой, включающее по крайней мере один датчик температуры окружающей среды, по крайней мере одну термоэлектрическую батарею, причем клеммы батареи связаны с выходом электронного силового блока, блок управления, к соответствующему входу которого подключен датчик температуры окружающей среды, а к соответствующему выходу - вход силового блока (заявка PCT WO 97/22840). Устройство имеет те же недостатки, какие присущи и вышеуказанному способу.
Задача, решаемая данным изобретением, состоит в создании способа регулирования температуры объекта термоэлектрической системой и устройства для его осуществления, лишенного указанных недостатков.
Технический результат, который дает реализация настоящего изобретения, заключается в повышении эффективности предложенного как способа, так и устройства и повышении эксплуатационных параметров термоэлектрической системы.
Относительно способа это достигается тем, что осуществляют регистрацию текущей величины температуры окружающей среды, задают множество величин регулируемых токов батареи, при которых обеспечивается для заданного температурного режима объекта и всего рабочего диапазона температур и/или изменений температур окружающей среды реализация условия поддержания заданной величины холодильного коэффициента, и/или заданного времени выхода на требуемый температурный режим, и/или выполнения заданной целевой функции, и/или минимального энергопотребления системы и соответствующие каждому заданному значению этого множества текущие значения рабочих параметров по крайней мере одного агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, образующего с упомянутой батареей термоэлектрическую систему и взаимодействующего с термоэлектрической батареей и/или с объектом, в соответствии с которыми и с величиной температуры окружающей среды осуществляют регулирование токов, подаваемых на термоэлектрическую батарею, и рабочих параметров по крайней мере одного упомянутого агрегата для теплопереноса и/или теплообмена.
Наряду с этим возможна регистрация температуры объекта и/или ее отклонение от заданной, по величине которой и/или которых корректируют величину токов, подаваемых на термоэлектрическую батарею и/или величину по крайней мере одного рабочего параметра упомянутого агрегата для теплопереноса и/или теплообмена.
Также возможна регистрация величины по крайней мере одного параметра агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, по значению которого корректируют величину токов, подаваемых на термоэлектрическую батарею и/или величину по крайней мере одного рабочего параметра упомянутого агрегата.
При этом в качестве рабочего параметра агрегата для теплопереноса и/или теплообмена в ряде случаев целесообразно принимать величину тока его силового привода.
Относительно устройства это достигается тем, что оно включает по крайней мере один датчик температуры окружающей среды, по крайней мере одну термоэлектрическую батарею, причем клеммы батареи связаны с выходом электронного силового блока, блок управления, к соответствующему входу которого подключен датчик температуры окружающей среды, а к соответствующему выходу - вход силового блока, при этом оно также снабжено по крайней мере одним агрегатом для теплопереноса и/или теплообмена, образующего с упомянутой батареей термоэлектрическую систему и установленного с возможностью взаимодействия с термоэлектрической батареей и/или с объектом, а также снабжено блоком памяти для записи множества величин регулируемых токов батареи, при которых обеспечивается для заданного температурного режима объекта и всего рабочего диапазона температур и/или изменений температур окружающей среды реализация условия поддержания заданной величины холодильного коэффициента, и/или заданного времени выхода на требуемый температурный режим, и/или выполнения заданной целевой функции, и/или минимального энергопотребления системы и соответствующие каждому заданному значению этого множества текущие значения рабочих параметров по крайней мере одного агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, при этом по крайней мере один управляющий вход агрегата для теплопереноса и/или теплообмена связан с соответствующим выходом силового блока.
Причем блок управления может быть выполнен, например, на основе микропроцессора или микропроцессорного комплекта.
Наряду с этим устройство может быть снабжено по крайней мере одним датчиком температуры объекта, подключенного к соответствующему входу блока управления.
Кроме того, устройство может быть снабжено по крайней мере одним датчиком параметра агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, подключенным к соответствующему входу блока управления.
Следует отметить, что под термином агрегат для теплопереноса и/или теплопередачи (в дальнейшем "агрегат") можно понимать любой агрегат такого рода, например вентилятор, холодильный агрегат стандартного холодильника компрессионного или абсорбционного типа (см. например, вышеуказанную кн. Лепаева Д.А.) и т.д. или сочетание указанных агрегатов.
На Фиг. 1 приведены графики зависимости потребляемой мощности W системы, состоящей по крайней мере из одной батареи и одного агрегата, при разных фиксированных значениях потребляемой мощности агрегата и изменяющихся значениях потребляемой мощности батареи, обеспечивающих поддержание заданной температуры объекта в зависимости от изменения температуры окружающей среды Tо.с. от T1 до T5. Кривая "а" соответствует энергопотреблению системы при выключенном агрегате, кривые b, c, d - суммарному энергопотреблению батареи и агрегата при разных значениях потребляемой мощности агрегата. Причем фиксированная потребляемая мощность самого агрегата при работе в соответствии с кривой "с" меньше, чем при работе в соответствии с кривой "d", а при работе в соответствии с кривой "b" меньше, чем при работе в соответствии с кривой "с".
На фиг. 2 представлен общий вид устройства для регулирования температуры объекта термоэлектрической системой.
Устройство для регулирования температуры объекта термоэлектрической системой включает по крайней мере один датчик 1 температуры окружающей среды, по крайней мере одну термоэлектрическую батарею 2, сообщенную с объектом (не показан) и/или с данной средой, причем клеммы батареи 2 связаны с выходом электронного силового блока 3, блок управления 4, к соответствующему входу которого подключен датчик температуры 1, а к соответствующему выходу - вход силового блока 3, по крайней мере один агрегат 5 для теплопереноса и/или теплообмена, образующий с термоэлектрической батареей 2 термоэлектрическую систему и установленным с возможностью взаимодействия с термоэлектрической батареей 2 и/или с объектом, а также снабжено блоком памяти 6 для записи множества величин регулируемых токов батареи 2, при которых обеспечивается для заданного температурного режима объекта и всего рабочего диапазона температур и/или изменений температур окружающей среды реализация условия поддержания заданной величины холодильного коэффициента, и/или заданного времени выхода на требуемый температурный режим, и/или выполнения заданной целевой функции, и/или минимального энергопотребления системы и соответствующие каждому заданному значению этого множества текущие значения рабочих параметров по крайней мере одного агрегата 5 для теплопереноса и/или теплообмена, взаимодействующего с термоэлектрической батареей 2 и/или со средой. Блок 6 подключен ко входу блока 4. При этом по крайней мере один управляющий вход агрегата 5 для теплопереноса и/или теплообмена связан с соответствующим выходом силового блока 3. Следует отметить, что силовой блок 3 может состоять из части, которая управляет работой батареи 2, и части, которая управляет работой агрегата 5, но может представлять собой и единую конструкцию. При этом блок управления 4 целесообразно выполнять на основе микропроцессора или микропроцессорного комплекта (см., например, Напрасник М.В. Микропроцессоры и микроЭВМ. -М.: Высшая школа, 1989), но оно может быть выполнено на микросхемах и дискретных элементах. Устройство также может быть снабжено по крайней мере одним датчиком 7 температуры объекта, подключенным к соответствующему входу блока управления 4, и по крайней мере одним датчиком 8 параметра агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, также подключенным к соответствующему входу блока управления 4, имеющего пульт управления 9.
Способ при работе устройства реализуется следующим образом. Вначале задают множество величин регулируемых токов батареи 2, при которых обеспечивается для заданного температурного режима объекта и всего рабочего диапазона температур и/или изменений температур окружающей среды реализация условия поддержания заданной величины холодильного коэффициента, и/или заданного времени выхода на требуемый температурный режим, и/или выполнения заданной целевой функции, и/или минимального энергопотребления системы и соответствующие каждому заданному значению этого множества текущие значения рабочих параметров по крайней мере одного агрегата 5 для теплопереноса и/или теплообмена, взаимодействующего с термоэлектрической батареей 2 и/или с объектом. Данная информация обычно получается в результате предварительных экспериментальных работ, или в результате модельного эксперимента, или в результате теоретических расчетов, но может быть получена и посредством сочетания перечисленных этапов. Таким образом, в память фактически заносится многомерная матрица, элементы которой описывают взаимосвязь токов, которые необходимо подать на клеммы батареи 2 в зависимости от состояния как агрегата 5, так и объекта и внешней среды, окружающей объект при реализации перечисленных выше критериев. Похожая информация, только в очень упрощенном виде для двухмерной матрицы, имела место в прототипе, она также не учитывала наличие агрегата 5 для теплопереноса и/или теплообмена, что существенно упрощало задачу. Следует также отметить, что при вычислении максимального холодильного коэффициента также можно воспользоваться выкладками, приведенными в прототипе (заявка PCT 97/22840). Следует отметить, что в качестве целевой функции может приниматься реализация минимального энергопотребления системы, повышение надежности системы, т.е. реализация оптимальной загруженности всех перечисленных элементов системы, максимальная комфортность пользователя, т. е. минимальный уровень вибрации, радиопомех, электромагнитного излучения, шума и т.д. Поскольку задание целевой функции и пути ее реализации явным образом следуют из уровня техники, то в данном описании эти этапы не раскрываются. Однако в качестве примера, как это следует из фиг. 1, при принятии в качестве целевой функции минимизацию потребляемой мощности системы в диапазоне окружающих температур Tо.с. от T1 до T5 регулирование осуществляется по кривой 1-2-3-4-5, чем и обеспечивается достижение заданного результата при минимизированной потребляемой мощности системы.
После занесения упомянутой информации в блок памяти 6 с пульта 9 задают режим работы блока управления 4 (выбирают критерий управления из вышеперечисленных), после чего информация с датчика 1 температуры среды поступает на блок управления 4, где обрабатывается по указанному выбранному алгоритму. Сигнал управления с блока управления 4 поступает на силовой блок 3, который регулирует токи термобатареи 2 и по крайней мере один параметр агрегата 5. В случае использования в качестве агрегата 5 вентилятора осуществляется регулирование тока мотора вентилятора, что позволяет изменять объем воздуха, контактирующего с соответствующей стороной батареи 2, причем регулирование тока осуществляется для достижения, например, максимального холодильного коэффициента или минимального времени выхода температуры среды на заданный режим или оптимальности работы как батареи 2, так и агрегата 5, причем оптимальность работы может определяться исходя из КПД каждого блока, шумовыделения, энергопотребления и т.д. В данном примере на основе информации о температуре окружающей среды осуществляется регулирование параметров агрегата 5 и батареи 2, что в ряде случаев вполне достаточно для эффективной работы системы, поскольку в блоке памяти 6 имеется информация о поведении объекта (например, эта информация может быть представлена в виде многомерного вектора или модели, по которой предварительно рассчитываются параметры данного вектора, параметры которого используются для дальнейшего управления системой, что также известно из уровня техники (см. раздел по теории управления).
Для более точной корректировки токов батареи 2 и параметров агрегата 5 дополнительно регистрируют температуру объекта датчиком 7, информация с которого поступает на блок управления 4 и учитывается при реализации алгоритма управления вводом дополнительных параметров из блока памяти 6. Это позволяет реализовать управление системой при изменяющейся температуре объекта, например при появлении внутри него источника тепла, что соответствует, например, размещению внутри объекта тела с повышенной температурой. Следует отметить, что в прототипе также рассматривается указанный случай, однако величины тока термоэлектрической батареи в данном случае выбираются постоянными, в то время как целесообразно изменять их в соответствии с работой агрегата 5, что учитывается параметрами, имеющимися в блоке памяти 6. А более точной "настройки" работы всего устройства можно добиться посредством регистрации по крайней мере одного из параметров агрегата 5 датчиком 8, информация с которого также поступает в блок управления 4. Этим параметром может быть, например, угол установки лопастей упомянутого вентилятора, угол раскрытия жалюзи, которые регулируют поток среды, поступающей на соответствующую сторону батареи 2, и т. д. Следует отметить, что для эффективной работы устройства и следовательно реализации способа достаточно наличия датчика 1 температуры среды, в то время как подключение в работу устройства датчика 7 температуры объекта охлаждения и датчика 8 параметра агрегата позволяет еще увеличить эффективность работы устройства за счет более полного учета информации о внешних условиях и состоянии агрегата 5. В соответствии с этим, информация, содержащаяся в блоке памяти 6, дает возможность реализовать очень гибкий процесс управления системой в зависимости от выбранной целевой функции и критерия управления.
Использование способа охлаждения объекта термоэлектрической батареей и устройства для осуществления этого способа позволяет существенно повысить эффективность охлаждения при снижении энергопотребления, более оперативно достигать заданных температурных режимов охлаждения и более точно поддерживать их, более полно учитывать все изменения параметров, происходящие в среде и объекте охлаждения, а также в блоках устройства.
Реферат
Изобретение относится к холодильной технике. Для регулирования температуры объекта используют устройство, содержащее по крайней мере одну термоэлектрическую батарею и агрегат для теплопереноса и/или теплообмена, установленный с возможностью взаимодействия с батареей и/или с объектом. Устройство содержит электронный силовой блок, блок управления, датчик температуры окружающей среды, блок памяти. При регулировании температуры объекта датчиком регистрируют текущую величину температуры окружающей среды и через блок памяти. При регулировании температуры объекта регистрируют текущую величину и задают множество величин регулируемых токов батареи, при которых обеспечивается для заданного температурного режима объекта и всего рабочего диапазона температур и/или изменений температур окружающей среды реализация условия поддержания заданной величины холодильного коэффициента, и/или заданного времени выхода на требуемый температурный режим, и/или выполнения заданной целевой функции, и/или минимального энергопотребления системы. Задают соответствующие каждому заданному значению этого множества текущие значения рабочих параметров по крайней мере одного агрегата для теплопереноса и/или теплообмена, в соответствии с этими параметрами и с величиной температуры окружающей среды осуществляют регулирование токов, подаваемых на термоэлектрическую батарею, и рабочих параметров по крайней мере одного упомянутого агрегата для теплопереноса и/или теплообмена. Для более точного регулирования регистрируют температуру объекта и величину параметров агрегата, в соответствии с которыми корректируют величину токов батареи и работу самого агрегата. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационных параметров термоэлектрической системы. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
