Система автоматического управления экономайзером отработавших газов

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в экономайзерах тепла двигателей внутреннего сгорания, а также поддержания заданной температуры теплоносителя в системах отопления, использующих отработавшие газы тепловых машин. Техническим результатом является управление процессом забора тепла экономайзеров в автоматическом режиме, поддержание рабочей температуры теплоносителя. Сущность полезной модели заключается в том, что система автоматического управления утилизацией тепла экономайзера отработавших газов состоит из теплообменной секции, имеющей каналы для пропуска горячих газов и каналы для протекания жидкого теплоносителя, при этом имеет газовую заслонку, установленную внутри обводного газового канала, служащую для управления потоком проходящих газов, датчик температуры, установленный на одном из накопительных бачков теплообменной секции, электропривод управления заслонкой, циркуляционный насос, установленный в циркуляционном контуре, электронный блок слежения и управления, панель индикации, показывающую режим работы устройства и положение заслонки; защитный термовыключатель принудительного открытия газовой заслонки.

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к теплообменным аппаратам и другим отраслям, где побочным продуктом является тепловая энергия, и может быть использовано для управления процессом забора тепла от отработавших газов с целью его дальнейшего использования.

В устройствах отбора тепла от отработавших газов необходимо управление процессом теплообмена [1]. Конструкторы решают подобную задачу двумя способами.

Первое. Ручное или автоматическое управление заслонкой (заслонками), для изменения направления потока отработавших газов без какой-либо обратной связи.

Второе. Управление потоком жидкого теплоносителя с помощью гидравлических, паровых и воздушных клапанов.

В первом и во втором случае не обеспечивается отслеживание температуры теплоносителя в устройстве, что делает систему ненадежной и затруднительной в управлении с точки зрения перегрева и разгерметизации. Данные трудности ограничивают применение подобных систем на практике.

Известно изобретение [2] - отопитель салона транспортного средства, содержащий теплоизолированный теплообменник, имеющий две цилиндрические концентрично установленные обечайки, при этом указанный теплообменник сообщен с выходом отработавших газов из двигателя транспортного средства, а полость теплообменника соединена с расширительным баком и теплонагревательным элементом с образованием циркуляционного контура, содержащего жидкий теплоноситель, при этом нижняя часть полости между обечайками теплообменника, заполненная жидким теплоносителем, сообщена через запорно-регулирующую арматуру с источником сжатого воздуха, кроме того, теплообменник установлен непосредственно на выходе отработавших газов из двигателя, при этом внутренняя обечайка теплообменника представляет собой часть газоотвода, а часть трубопроводов отопителя, соединенная с теплообменником и находящаяся за пределами салона транспортного средства, теплоизолирована.

Недостатком изобретения является отсутствие возможности отвода отработавших газов от теплообменника, что приводит к необходимости наличия системы удаления теплоносителя из теплообменника, либо непрерывное циркулирование теплоносителя через теплообменник для предотвращения перегрева теплоносителя. Малая площадь внутренней цилиндрической обечайки не позволяет извлекать большую тепловую мощность, сравнимую с мощностью автономного отопителя.

Известно устройство «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта» [3] с использованием тепла отработавших газов, для этой цели в канал отвода отработавших газов и в контур циркуляции теплоносителя (тосола) встраивается блок подогрева. Основными функциональными режимами работы системы являются режим предпускового подогрева холодных двигателя и салона автотранспорта, а при работающем двигателе - режим зарядки теплового аккумулятора и режим отопления салона автотранспорта.

Основной недостаток этой системы - наличие обводного канала и 2-х заслонок, направляющих поток отработавших газов, усложняющий конструкцию данного устройства. Сложность системы затрудняет ее использование в качестве источника энергии для отопительных систем, подогревателя двигателя и отопителя салона автотранспорта.

Обнаруженные недостатки указанных устройств позволяют сделать вывод о необходимости разработки системы управления, исключающей недостатки существующих.

На фиг.1 приведена структурная схема АСУ. Для решения поставленной задачи автоматическая система управления (АСУ) разбита на блоки: 1 - объект управления (заслонка теплообменника), 2 - регулятор, 3 - привод, 4 - измерительная система.

Пусть задана температура теплоносителя на выходе - x, фактическая температура теплоносителя на выходе - y. При x=y сигнал управления u отсутствует. При возникновении ошибки регулирования e вследствие возникновения сигнала g (отклонение температуры теплоносителя, изменения температуры окружающей среды и отработавших газов) в регуляторе (2) генерируется сигнал u управления приводом (3) и происходит управляющее воздействие P(s) на объект (1). Звено H(S) передаточной функции R_o (S) в измерительной системе (4) служит для отрицательной обратной связи.

На фиг.2 приведена комбинированная схема системы автоматического управления экономайзером отработавших газов. Устройство имеет теплообменную секцию 1, содержащую каналы для пропуска горячих газов и каналы для протекания жидкого теплоносителя, причем каналы для газа соединены с системой выпуска отработавших газов; газовую заслонку 2, установленную внутри обводного газового канала 3, служащую для управления потоком проходящих газов; датчик температуры 4, установленный на одном из накопительных бачков теплообменной секции; электропривод 5 управления заслонкой 2; циркуляционный насос 6, установленный в циркуляционном контуре; электронный блок слежения и управления 7 (ЭБСУ); панель индикации 8, показывающая режим работы устройства и положение заслонки; защитный термовыключатель 9 принудительного открытия заслонки 2.

Теплоноситель подводится по подводящей и отводящей трубкам.

При этом теплообменная секция может быть соединена циркуляционным контуром с:

- аккумулятором тепловой энергии;

- системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания;

- автономным отопительным устройством;

- системой отопления.

Управление системой осуществляется по сигналу датчика температуры 4 теплоносителя на выходе из теплообменника изменением положения заслонки 2. Электропривод 5 служит для управления заслонкой.

Работу устройства в динамике покажем тремя возможными случаями:

1 случай: температура теплоносителя мала, салонный отопитель еще не работает, а отработавшие газы уже имеют достаточную температуру. После включения зажигания и запуска двигателя ЭБСУ 7 начинает отслеживать сигнал от датчика температуры 4. Температура теплоносителя t_T меньше рабочей температуры двигателя t_P ЭБСУ 7 сравнивает сопротивление датчика температуры 4 с опорным значением сопротивления и формирует сигналы на закрытие газовой заслонки 2 и включение циркуляционного насоса 6, при этом контакты электропривода 5 замыкают цепь светодиода холодного состояния теплоносителя на панели индикации 8. Отработавшие газы начинают поступать в теплообменную секцию и отдавать тепловую энергию жидкому теплоносителю, которая расходуется на прогрев двигателя и работу отопителя салона. По мере прогрева теплоносителя его температура достигает значения t_P, при этом сопротивление датчика температуры 4 превышает опорное значение сопротивления ЭБСУ и он формирует сигнал на открытие газовой заслонки 2 и перевод циркуляционного насоса 6 в режим малой мощности, при этом контакты электропривода 5 размыкают цепь светодиода холодного состояния и замыкают цепь светодиода нагретого состояния теплоносителя на панели индикации 8. Отработавшие газы, проходя через обводной газовый канал 3, минуют теплообменную секцию 1.

2 случай: температура теплоносителя t_Т. равна рабочей температуре t _P. Включение отопителей салона приводит к снижению температуры теплоносителя ниже значения t_P (например, при обогреве салона пассажирского автобуса). Сопротивление датчика температуры 4 становится ниже опорного значения и ЭБСУ 7 формирует сигнал на закрытие газовой заслонки 2 обводного газового канала 3 и перевод циркуляционного насоса в рабочий режим. Отработавшие газы начинают циркулировать через теплообменную секцию 1 и отдавать тепловую энергию теплоносителю. Контакты электропривода 5 размыкают цепь светодиода прогретого состояния и замыкают цепь светодиода холодного состояния теплоносителя на панели индикации 8.

3 случай: при отказе ЭБСУ с закрытой газовой заслонкой 2 обводного газового канала 3 температура теплоносителя может превысить критическое значение t_K. Контакты защитного термовыключателя 9, установленного на одном из бачков теплообменной секции 1, замыкаются и формирует сигнал на принудительное включение циркуляционного насоса 6, открытие заслонки обводного газового канала и замыкают цепь светодиода аварийного состояния ЭБСУ на панели индикации 8.

Предлагаемая система автоматического управления утилизацией тепла экономайзеров, использующая побочную тепловую энергию, позволяет:

- отслеживать температуру теплоносителя до момента включения устройства и запуск процесса утилизации тепла без участия оператора (водителя);

- отслеживать температуру теплоносителя в процессе утилизации тепла и отключение устройства при достижении необходимой температуры без участия оператора (водителя).

Таким образом, техническим результатом заявляемой полезной модели является управление процессом забора тепла экономайзеров в автоматическом режиме, поддержание рабочей температуры теплоносителя.

Литература

1. Патент РФ 120923 U1 «Экономайзер тепла выпускных газов двигателей внутреннего сгорания» / заявитель и патентообладатель В.А. Раков. - 2012117682/11 (026664); заявл. 27.04.2012 Решение о выдаче патента от 24.06.2012.

2. Патент РФ 2128118 С1 «Отопитель салона транспортного средства» / заявители и патентообладатели: А.Ф.Прокунцев, М.А.Прокунцев, Д.А.Прокунцев - RU2128118 С1, МПК В60Н 1/18, 27.03.1999.

3. Патент РФ 2293207 С1 «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта» / заявители Денискин В.П. и др. / патентообладатель ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» - 2005114992; С1, МПК F02N 17/04, 27.11.2006.

Система автоматического управления утилизацией тепла экономайзера отработавших газов, состоящая из теплообменной секции, имеющей каналы для пропуска горячих газов и каналы для протекания жидкого теплоносителя, отличающаяся тем, что имеет газовую заслонку, установленную внутри обводного газового канала, служащую для управления потоком проходящих газов, датчик температуры, установленный на одном из накопительных бачков теплообменной секции, электропривод управления заслонкой, циркуляционный насос, установленный в циркуляционном контуре, электронный блок слежения и управления, панель индикации, показывающую режим работы устройства и положение заслонки, защитный термовыключатель принудительного открытия газовой заслонки.