Способ управления холодильником (нагревателем) с термоэлектрической батареей и система управления, его реализующая
Использование: в области холодильной техники. Сущность: измеряют температуру внутри холодильника (нагревателя) и в наружной атмосфере за пределами помещения, где установлен холодильник (нагреватель). Стабилизируют заданную температуру внутри холодильника (нагревателя) при помощи термоэлектрической батареи, управляющий сигнал стабилизации формирует по разности заданной и измеренной внутри холодильника (нагревателя) температур. При измерениях температуры наружной атмосферы корректируют управляющий сигнал термоэлектрических батарей, тепло или холод из холодильника (нагревателя) отводят через термоэлектрическую батарею непосредственно в атмосферу. В части устройства система управления содержит задатчик температуры в холодильнике (нагревателе), два сумматора, усилитель-преобразователь, термоэлектрическую батарею с наружным радиатором, датчик температуры в холодильнике (нагревателе), датчик температуры наружной атмосферы и масштабирующий низкочастотный фильтр. 4 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к холодильной технике и может найти применение в бытовых холодильниках.
Известен способ управления термоэлектрическим холодильником, при котором задают температуру внутри холодильника, измеряют текущее значение той же температуры, определяют их разность, в соответствии с которой формируют сигнал управления термоэлектрической батареей, тепло из холодильника отводят через наружный радиатор термоэлектрической батареи [1] Известна также система управления для его реализации, содержащая задатчик температуры внутри холодильника, датчик той же температуры, вычитающий элемент, управляющее устройство и термоэлектрическую батарею с наружным радиатором [1] Этот способ и система управления, основанные на эффекте Пельтье с применением термоэлектрической батареи, обладают рядом преимуществ по сравнению с компрессионными холодильниками, а именно, они экологически чисты, бесшумны, более надежны. Однако из-за низкого КПД при значительной разности температур в отапливаемом помещении, где установлен холодильник, и внутри холодильника (как правило, не ниже 15oC), в данном способе и системе управления, его реализующей, расходуется значительно больше электроэнергии по сравнению с холодильниками компрессионного и даже адсорбционного типа. Формирование же сигнала управления по релейному принципу, который применен в упомянутых способе и системе, еще более усугубляет указанный недостаток. Каких-либо средств для снижения разности температур внутри и вне холодильника в этом способе и системе управления не предусмотрено. Известен способ управления термоэлектрическим холодильником [2] с использованием информации о температуре вне холодильника, при котором измеряют температуру вне холодильника (в помещении, где он установлен), и температуру внутри холодильника, определяют их разность, задают порог переключения режимов работы термоэлектрической батареи, при превышении разности температур заданного порога переводят работу термоэлектрической батареи в режим максимальной холодопроизводительности, а при уменьшении этой разности ниже заданного порога в режим максимального холодильного коэффициента термобатареи. Известна система управления, реализующая этот способ [2] содержащая датчики внутри и вне холодильника, вычитающий элемент, управляющее устройство с пороговым элементом, переключающее устройство и термоэлектрическую батарею. В этом способе и системе, по сравнению с указанным выше, потребление электроэнергии несколько снижается за счет использования информации о температуре вне холодильника, так как в случае ее уменьшения (хотя и в небольших пределах ее изменения в отапливаемом помещении) термобатарея переводится в режим с большим холодильным коэффициентом. Однако, как и в предыдущем способе и системе, здесь применен релейный принцип управления, при котором в отключенном состоянии термобатареи (или в режиме максимального холодильного коэффициента) происходит излишний отток "холода" из холодильника, на восполнение которого при включенной термобатареи (тем более в режиме максимальной холодопроизводительности) электроэнергия тратится непроизводительно. Как в том, так и в другом случаях точность выдерживания температуры в холодильнике невысока, кроме того они могут работать лишь при положительной температуре внешней среды. Известен способ управления холодильником (нагревателем) с термоэлектрической батареей, при котором задают температуру внутри холодильника (нагревателя), измеряют текущее значение температур датчиками, установленными внутри холодильника (нагревателя) и вне его, определяют разности температур между заданной и измеренной внутри холодильника (нагревателя) и между внешней температурой и заданной внутри холодильника (нагревателя), формируют сигнал управления термоэлектрической батареей в виде напряжения ее питания, тепло (или холод) из холодильника (нагревателя) отводят через термоэлектрическую батарею [3] Известна система управления [3] реализующая этот способ, содержащая последовательно соединенные задатчик температуры в холодильнике (нагревателе), первый сумматор, усилитель- преобразователь и термоэлектрическую батарею с наружным и внутренним радиаторами, датчики температуры, установленные внутри и вне холодильника (нагревателя), второй сумматор, входы которого подключены к выходам задатчика температуры и датчика температуры вне холодильника (нагревателя), подключенного одновременно ко входу первого сумматора. В этом способе и системе управления, его реализующей, управление осуществляется по двухконтурному принципу. В первом (разомкнутом) контуре по разности внешней температуры и заданной внутри холодильника (нагревателя) формируется сигнал управления термоэлектрической батареей, который отслеживает изменение внешней температуры. Во втором (замкнутом) контуре стабилизируется заданное значение внутренней температуры холодильника (нагревателя), регулирование в нем осуществляется по разности заданной и измеренной внутренней температур путем изменения теплового сопротивления между поверхностью термоэлектрической батареи и внутренним ее радиатором за счет соответствующего перемещения радиатора в процессе управления. В этом способе и системе обеспечивается необходимая точность регулирования, допускается работа холодильника (нагревателя) при уменьшении внешней температуры ниже заданной внутренней. В этом случае холодильник переводится в режим нагрева. Кроме того, в них снижается энергопотребление за счет линейного принципа регулирования (вместо релейного) и за счет отслеживания в первом контуре внешней температуры в относительно небольшом, допустимом для отапливаемого помещения, диапазоне изменения внешней температуры. Однако при регулировании внутренней температуры изменением теплового сопротивления происходят непроизводительные потери энергии термобатареи, энергопотребление в системе остается значительным. Кроме того, конструкция второго контура системы сложна и малонадежна. Задача настоящего изобретения устранить отмеченные выше недостатки, снизить (минимизировать) потребление электроэнергии в системе за счет использования естественного холода (тепла) в широком диапазоне изменения внешней температуры при одновременном упрощении конструкции и повышении точности выдерживания заданной внутренней температуры. Указанная цель достигается тем, что в известном способе управления холодильником (нагревателем), в котором задают температуру внутри холодильника (нагревателя), измеряют текущие значения температур датчиками, установленными внутри холодильника (нагревателя) и вне его, определяют разности температур между заданной и измеренной внутри холодильника (нагревателя) и между внешней температурой и заданной внутри холодильника (нагревателя), формируют сигнал управления термоэлектрической батареей в виде напряжения ее питания, тепло (или холод) из холодильника (нагревателя) отводят через термоэлектрическую батарею, согласно изобретению сигнал управления термоэлектрической батареей формируют по разности заданной и измеренной температуре внутри холодильника (нагревателя), дополнительно в процессе управления измеряют поступающий на термоэлектрическую батарею сигнал, определяют по измеренному сигналу величину разности температур вне холодильника (нагревателя) и заданной внутри его, достигаемую системой управления в момент измерения управляющего сигнала, сравнивают полученную величину разности с той же разностью, определенной по измеренному значению внешней температуры, по результатам сравнения корректируют управляющий сигнал термоэлектрической батареей, причем тепло (или холод) отводят из холодильника (нагревателя) через термоэлектрическую батарею в наружную атмосферу, температуру которой измеряют датчиком, установленным вне холодильника (нагревателя). Данная задача достигается также тем, что в известном способе управления холодильником (нагревателем), в котором задают температуру внутри холодильника (нагревателя), измеряют текущие значения температур датчиками, установленными внутри холодильника (нагревателя) и вне его, определяют разность температур между заданной и измеренной внутри холодильника (нагревателя), формируют сигнал управления термоэлектрической батареей в виде напряжения ее питания, тепло (или холод) из холодильника (нагревателя) отводят через термоэлектрическую батарею, согласно изобретению сигнал управления термоэлектрической батареей формируют по разности заданной и измеренной температур внутри холодильника (нагревателя), дополнительно в процессе управления определяют разность измеренных температур вне и внутри холодильника (нагревателя), измеряют поступающий на термоэлектрическую батарею сигнал, определяют по измеренному сигналу величину разности температур вне холодильника (нагревателя) и заданной внутри его, достигаемую системой управления в момент измерения управляющего сигнала, сравнивают полученную величину разности с разностью измеренных температур вне и внутри холодильника (нагревателя), по результатам сравнения корректируют управляющий сигнал термоэлектрической батареей, причем тепло (или холод) отводят из холодильника (нагревателя) через термоэлектрическую батарею в наружную атмосферу, температуру которой измеряют датчиком, установленным вне холодильника (нагревателя). Указанная цель в предложенной системе управления достигается тем, что в известную систему, содержащую последовательно соединенные задатчик температуры в холодильнике (нагревателе), первый сумматор, усилитель-преобразователь и термоэлектрическую батарею с наружным радиатором, датчики температуры, установленные внутри холодильника (нагревателя) и вне его, второй сумматор, входы которого подключены к выходам задатчика температуры и датчика температуры вне холодильника (нагревателя), согласно изобретению введен масштабирующий низкочастотный фильтр, вход которого подключен к выходу усилителя-преобразователя, выходы датчика температуры внутри холодильника, масштабирующего низкочастотного фильтра и второго сумматора подключены к соответствующим входам первого сумматора, причем холодильник (нагреватель) или его часть, содержащая наружный радиатор термоэлектрической батареи, и датчик температуры вне холодильника (нагревателя) установлены в контакте с наружной атмосферой. Указанная цель в предложенной системе управления достигается также тем, что в известную систему, содержащую последовательно соединенные задатчик температуры в холодильнике (нагревателе), первый сумматор, усилитель-преобразователь и термоэлектрическую батарею с наружным радиатором, датчики температуры, установленные внутри холодильника (нагревателя) и вне его, второй сумматор, вход которого подключен к выходу датчика температуры вне холодильника (нагревателя), согласно изобретению введен масштабирующий низкочастотный фильтр, вход которого подключен в выходу холодильника (нагревателя), масштабирующего низкочастотного фильтра и второго сумматора подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход датчика температуры внутри холодильника (нагревателя) подключен также к соответствующему входу второго сумматора, причем холодильник (нагреватель) или его часть, содержащая наружный радиатор термоэлектрической батареи, и датчик температуры вне холодильника (нагревателя) установлены в контакте с наружной атмосферой. Совокупность признаков, отличающих заявленное техническое решение от прототипа, применительно к цели изобретения, авторам не известна, и следовательно, предложенные варианты способов и реализующих их систем управления (объединенные единым техническим замыслом) удовлетворяют критериям новизны и изобретательского уровня. Реализация способа показана на примере системы управления холодильником (нагревателем), структурная схема которой изображена на фиг.1. На фиг.2 приведена статическая характеристика термоэлектрической батареи в режиме охлаждения. На фиг.1 показаны: суммирующие элементы 1, усилитель-преобразователь 2 с коэффициентом усиления К, термобатарея 3 с передаточной функцией WТБ(Р), холодильник (нагреватель) 4 с передаточной функцией W0(Р), масштабирующий низкочастотный фильтр 5 с передаточной функцией WФ(Р). На фиг. 1 также обозначены: 1/o величина, обратная полной теплопроводности холодильника (нагревателя); 1/(Т0P+1) апериодическое звено, характеризующее холодильник (нагреватель) как объект регулирования с постоянной времени Т0; P оператор Лапласа; 3 заданная температура внутри холодильника (нагревателя); B, H измеряемая температура внутри холодильника (нагревателя) и в наружной атмосфере соответственно; H-3 разность температур, измеренной в наружной атмосфере и заданной внутри холодильника (нагревателя);H-B разность температур, измеренных внутри и вне холодильника (нагревателя);
H-3 разность температур наружной атмосферы и заданной внутри холодильника (нагревателя), достигаемая системой управления в момент измерения сигнала управления и соответствующий ей сигнал на выходе масштабируемого элемента 5;
управляющий сигнал термобатарей;
Q холодопроизводительность термобатареи;
Q* отводимое из холодильника (нагревателя) тепло или холод;
"+" и "-" знаки, обозначающие полярность сигналов. На фиг. 1 пунктиром обозначена связь для варианта формирования сигнала коррекции по разности измеренных внутренней и наружной температур. В этом случае связь данного суммирующего элемента с заданной температурой отсутствует. На фиг.2 обозначены:
DQH-3 разность температур вне холодильника и заданной внутри его;
Q холодопроизводительность термобатареи;
холодильный коэффициент термобатареи. Способ управления в общем виде в режиме охлаждения (при положительной температуре наружной среды) осуществляется следующим образом. Задают при помощи задатчика на вход системы температуру (3) внутри холодильника 4, измеряют датчиками 7 и 9 температуру внутри холодильника (B) и в наружной атмосфере (H). При помощи соответствующих суммирующих элементов 1 определяют разность (3-B) заданной и измеренной внутри холодильника температур и разность температур (H-3), измеренной в наружной атмосфере и заданной внутри холодильника, либо разность температур (H-B), измеренных внутри и вне холодильника. Формируют сигнал управления () в усилителе- преобразователе 2 с коэффициентом усиления К, поступающий на вход термоэлектрической батареи 3 в виде напряжения или тока соответствующей полярности. Электрическая энергия в термоэлектрической батарее 3 преобразуется с некоторым запаздыванием, определяемым постоянной времени (ТТБ), в тепловую энергию, соответствующую сигналу , которая передается во внутреннюю среду холодильника с холодопроизводительностью Q, определяемой параметрами термоэлектрической батареи (см. фиг.2). Температура в холодильнике снижается и через время, определяемое постоянной времени холодильника Т0 (зависящее от теплоемкости холодильника с содержимым и его полной теплопроводности), становится равной заданной температуре (без учета статической ошибки системы). Тепло, накопленное холодильником и его содержимым (Q*), до включения системы отводят с помощью наружного радиатора термоэлектрической батареи непосредственно в наружную атмосферу. При постоянной температуре наружной атмосферы в процессе снижения температуры внутри холодильника (за счет сигнала обратной связи) пропорционально уменьшается сигнал управления s, снижается величина потребной холодопроизводительности Q (см. фиг.2) и повышается холодильный коэффициент e термобатареи. В стационарном режиме в системе устанавливается равновесное состояние, когда приток тепловой энергии термобатареи уравновешивается ее утечкой из-за теплопроводности холодильника. В процессе управления измеряют сигнал управления термобатареей s и определяют по нему при помощи масштабирующего низкочастотного фильтра 5 величину разности температур вне холодильника и заданной внутри его, достигаемую системой управления в момент измерения управляющего сигнала. Определение этой разности осуществляют путем преобразования сигнала s в масштабирующем низкочастотном фильтре 5 с передаточной функцией WФ(Р) в виде апериодического звена КФ(ТФP+1), аналогичного передаточной функции термоэлектрической батареи WТБ(Р)=КТБ/(ТТБ+1). Параметры фильтра выбираются так, чтобы KФ= KТБ1/o и TФ= TТБ.
Полученную в масштабирующем низкочастотном фильтре 5 разность (*H-3) сравнивают в суммирующем элементе с той же разностью температур (H-3), но полученной в результате измерения температуры наружной атмосферы H или с разностью температур внутри и вне холодильника, определяемой по измеренным их значениям (H-B). По результатам сравнения корректируют управляющий сигнал . В установившемся режиме управления при неизменной температуре наружной атмосферы и отсутствии других возмущений разность сигналов H-3-*H-3 либо H-B-*H-3 равна нулю, и система остается в равновесном состоянии управляющий сигнал не корректируется и соответствующая ему холодопроизводительность Q не изменяются. При изменении температуры наружной атмосферы QH, например, ее снижении, разность H-3-*H-3 либо H-B-*H-3 становится отрицательной, поскольку изменение сигнала *H-3 в масштабирующем низкочастотном фильтре 5 происходит с запаздыванием. Разность сигналов H-3-*H-3 либо H-B-*H-3 с обратным знаком поступает на вход системы и уменьшает (корректирует) на соответствующую величину сигнал управления , холодопроизводительность термобатареи (Q), повышает холодильный коэффициент () термобатареи, опережая реакцию датчика внутренней температуры, снижая тем самым энергопотребление в системе и не допуская ее излишней траты. При увеличении температуры наружной атмосферы коррекцию сигнала () проводят в обратном направлении, увеличивая сигнал (), холодопроизводительность (Q), но уменьшая холодильный коэффициент (). В этом случае, естественно, энергопотребление системы возрастает, но не допускается отток накопленного в холодильнике "холода" из-за его теплопроводности, с необходимостью его последующего восполнения. Тем самым также осуществляется экономия энергопотребления. При отрицательной температуре наружной среды процессы управления аналогичны выше описанным, с той лишь разницей, что изменится полярность сигнала и термобатарея будет генерировать "тепло", а не "холод". Холодильник становится нагревателем. Выбор варианта формирования сигнала коррекции по разности между измеренной внешней температурой и заданной или измеренной внутренней зависит от требуемых технических характеристик, параметров холодильника (нагревателя) и его условий эксплуатации. Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. При самостоятельном использовании эффекта снижения разности температур внутри и вне холодильника (нагревателя) за счет отвода тепла (холода) из холодильника (нагревателя) непосредственно в наружную атмосферу, в случае, когда температура наружной атмосферы ниже температуры помещения и когда она постоянна, энергопотребление, как очевидно, в системе уменьшается. Однако при изменениях температуры наружной атмосферы, в частности, при ее суточных колебаниях, из-за запаздывания в контуре управления возникают проблемы с сохранением точности стабилизации температуры внутри холодильника (нагревателя) и, кроме того, происходит излишняя трата электроэнергии в системе во время падения наружной температуры и утечка "холода" ("тепла") при ее повышении, на восполнение которого также должна быть затрачена электроэнергия. Суммарные энергозатраты в системе возрастают. Использование информации об изменениях температуры наружной атмосферы для коррекции сигнала управления в совокупности с отводом тепла (холода) непосредственно в наружную атмосферу на основе предложенного способа позволяет постоянно удерживать систему в равновесном состоянии, не допуская как излишнего энергопотребления, так и утечку холода (тепла) из холодильника (нагревателя). При этом выдерживается необходимая точность стабилизации заданной температуры в холодильнике (нагревателе), снижается потребная холодопроизводительность, повышается холодильный коэффициент термобатареи, в результате существенно снижается энергопотребление в системе. Так, проведенное математическое моделирование среднесуточного энергопотребления в предложенной системе управления, эксплуатируемой в средней полосе Европы, с учетом суточных и среднемесячных изменений температур атмосферы, показало, что потребление энергии в этой системе в 3-4 раза меньше по сравнению с известной системой, эксплуатируемой в отапливаемом помещении. Предложенная система управления (она же подтверждает возможность реализации способа) изображена на фиг.3. Система управления содержит:
Задатчик температуры в холодильнике (нагревателе) 1, первый сумматор 2, усилитель-преобразователь 3, термоэлектрическую батарею 4 с наружным радиатором 5 и внутренним 6, датчик температуры, установленный внутри холодильника (нагревателя) 7, корпус холодильника (нагревателя) 8, датчик температуры 9, второй сумматор 10, масштабирующий низкочастотный фильтр 11. Задатчик 1, первый сумматор 2, усилитель-преобразователь 3 и термоэлектрическая батарея 4 соединены последовательно. Выходы датчиков 7 и 9 подключены к одному из входов первого 2 и второго 10 сумматоров соответственно, оставшиеся входы первого сумматора 2 соединены с выходом второго сумматора 10 и с выходом масштабирующего низкочастотного фильтра 11. Ко второму входу второго сумматора 10 подключен либо выход задатчика 1, либо выход датчика 7 (см. пунктир). Корпус холодильника (нагревателя) или его часть, в стенке которой размещен наружный радиатор 5 термобатареи 4, и датчик температуры 9 установлены в непосредственном контакте с наружной атмосферой. На фиг. 3 также обозначены:
12 стена, разделяющая помещение и холодильник (нагреватель) на внутренние и наружные части;
s сигнал управления термоэлектрической батареей;
Ds корректирующий сигнал;
Q холодопроизводительность термоэлектрической батареи;
Q* отводимое через наружный радиатор тепло (холод);
Qз заданная в систему управления температура в холодильнике (нагревателе);
B, H температуры внутри холодильника (нагревателя) и наружной атмосферы, измеряемые соответствующим датчиком;
H-3(H-B) сигнал на выходе второго сумматора;
*H-3 сигнал на выходе масштабирующего низкочастотного фильтра. На фиг. 3 пунктиром обозначена связь для варианта формирования сигнала коррекции по разности измеренных внутренней и наружной температур. В этом случае связь второго сумматора с заданной температурой отсутствует. Система управления работает следующим образом. При помощи задатчика 1 в систему вводится заданная температура (3) внутри холодильника. При температуре наружной атмосферы больше заданной система управления работает в режиме охлаждения, холодильник (нагреватель) выполняет функции холодильника. С выхода первого сумматора 2 (при включении системы в работу) на вход усилителя-преобразователя 3 поступает сигнал, равный сумме сигналов 3-B+*H-3-H-3 либо 3-B+*H-3-H-B. Этот сигнал усиливается и преобразуется в преобразователе-усилителе 3 в сигнал управления и в виде, например, электрического напряжения или тока соответствующей полярности поступает на вход термоэлектрической батареи 4. Сигнал управления s одновременно поступает также на вход масштабирующего низкочастотного фильтра 11, выполненного, например, на операционном усилителе с R-C цепочкой в обратной связи усилителя (см. кн. И.М.Тетельбаум, Ю.Р.Шнейдер. 400 схем для АВМ. М. Энергия, 1978 г. стр.24, рис.1-1, стр.26, таб.1-1). Термоэлектрическая батарея 5 преобразует электрическую энергию в энергию холода с холодопроизводительностью Q, величина которой экспоненциально возрастает от нулевого значения в начале переходного процесса с постоянной времени ТТБ термобатареи 5 до величины, соответствующей управляющему сигналу s. Тепло из холодильника отводится через наружный радиатор 5 в наружную атмосферу. В процессе охлаждения в случае постоянства температуры наружной атмосферы (H) сигнал на выходе второго сумматора 10 остается неизменным, а на выходе масштабирующего низкочастотного фильтра увеличивается по экспоненте с постоянной времени ТТБ (см. выше описание способа) от нулевого значения в начальный момент времени до значения, соответствующего разности температур *H-3, которую достигла бы система при неизменном сигнале в установившемся режиме. Постоянный сигнал (H-3) или (H-B) с выхода второго сумматора 10 и возрастающий сигнал (*H-3) с выхода масштабирующего низкочастотного фильтра 11 каждый со своим знаком поступают на входы первого сумматора, где формируется сумма этих сигналов. В определенный момент времени, определяемый параметрами системы, сумма этих сигналов станет равной нулю, и на выходе первого сумматора 2 будет формироваться сигнал, соответствующий разности 3-B, т.е. контур коррекции по температуре наружной атмосферы как бы отключается. В конце переходного процесса в системе устанавливается равновесное состояние, когда приток холода от термобатареи 5 становится равным его оттоку из-за теплопроводности холодильника. При изменении температуры наружной атмосферы (H), например, при ее уменьшении, сигнал на выходе второго сумматора 10 (H-3) или (H-B) пропорционально уменьшается, а на выходе масштабирующего низкочастотного фильтра 11 (*H-3), задержанный фильтром сигнал растет, но с меньшей скоростью. Поэтому на выходе первого сумматора 2 образуется положительный сигнал , соответствующий разности *H-3-H-3 или *H-3-H-B, который корректирует управляющий сигнал в сторону уменьшения. Система управления "отслеживает" изменение наружной температуры, поддерживая состояние системы в "равновесии", когда приток холода от термобатареи уравновешивается его оттоком из-за теплопроводности холодильника. В случае возрастания температуры наружной атмосферы динамика процессов аналогична рассмотренному случаю. При работе холодильника при отрицательной температуре наружной атмосферы происходит изменение полярности напряжения (или тока), поступающего на термоэлектрическую батарею, и она переходит в режим нагрева, холодильник становится нагревателем. В остальном динамика процесса в режиме нагрева в системе управления остается прежней. Другие особенности работы предложенной системы управления были отмечены при описании способа.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 15.12.1999
Номер и год публикации бюллетеня: 20-2001
Извещение опубликовано: 20.07.2001