PL247046B1

PL247046B1 - Urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych oraz sposób wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła

Info

Publication number: PL247046B1
Application number: PL440289A
Authority: PL
Inventors: Miłosz Kamil Włodarczyk; Marcin Kowacz
Original assignee: Igloo Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2022-02-02
Filing date: 2022-02-02
Publication date: 2025-05-05
Also published as: EP4224101C0; EP4224101B1; EP4224101A1; PL440289A1

Abstract

W urządzeniu (1) wykrywającym oblodzenie wymiennika (5) ciepła maszyn cieplnych (20) z systemem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika (5) ciepła i co najmniej jednym czujnikiem (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła, czujnik (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła urządzenia (1) wykrywającego oblodzenie wymiennika (5) ciepła maszyn cieplnych (20) zawiera ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe (11) z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) i drugim wejściem ciśnieniowym (13), ciśnieniowy czujnik nawiewny (15) umieszczony po stronie napływowej (8) medium opływającego (4) wpływającego między elementy (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie napływowej (8) i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) oraz ciśnieniowy czujnik wywiewny (16) umieszczony po stronie wypływowej (9) medium opływającego (4) wypływającego spomiędzy elementów (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie wypływowej (9) i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym (13) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) mierzącego różnicę ciśnień pomiędzy ciśnieniem na drugim wejściu ciśnieniowym (13) i ciśnieniem na pierwszym wejściu ciśnieniowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego komunikującego się z systemem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika ciepła.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych, które monitoruje na bieżąco prześwit między elementami wymiennika ciepła, przykładowo parownika lub skraplacza, maszyn cieplnych, takich jak pompy ciepła, osuszacze powietrza, agregaty skraplające i podobne maszyny. Urządzenie działa wykrywając i określając stopień dławienia przepływu medium opływającego wymiennik, przykładowo powietrza, między elementami jak i w kanałach wymiennika ciepła maszyn cieplnych, który jest wynikiem pojawienia się oszronienia lub oblodzenia powstałego wskutek wilgoci spowodowanej obecnością pary wodnej lub innych zanieczyszczeń w otoczeniu wymiennika ciepła, które wytrącają się zarówno w pobliżu krawędzi, jak i w głębi wymiennika ciepła.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła, zgodnie z którym, po osadzeniu się nadmiernego oszronienia lub lodu powodującego dławienie przepływu medium opływającego wymiennik, przykładowo powietrza, między elementami jak i w kanałach wymiennika ciepła maszyn cieplnych, co jest sygnalizowane przez urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych, jest przeprowadzany cykl usuwania oszronienia lub lodu z przestrzeni między elementami, jak i w kanałach wymiennika ciepła maszyn cieplnych.

W obecnym stanie techniki znanych jest kilka sposobów wykrywania zjawiska oszronienia lub oblodzenia. Najczęstsze metody wykrywania bazują na sensorach optycznych, które są czułe na zanieczyszczenia osadzające się z czasem na ich powierzchni.

W publikacji US 2009/0235679 A1 opisu zgłoszeniowego wynalazku przedstawiono metodę wykrywania oblodzenia poprzez optyczny pomiar natężenia światła wraz z wydmuchem gazu zapobiegającym zanieczyszczeniu sensora optycznego. Jednak ta metoda wprowadza niepożądane zakłócenia pomiarowe. Wprowadzenie lokalnego wydmuchu powietrza przy czujniku optycznym ma wpływ na proces tworzenia się oblodzenia w tym miejscu. Ponadto pomiar ten rejestruje obecność lodu tylko wtedy, gdy pojawi się on na krawędzi urządzenia. W publikacji US 7,337,621 B2 opisu patentowego zostało przedstawione podobne rozwiązanie, które różni się tym, że zrezygnowano z przedmuchu powietrza.

Publikacja US 4,860,551 B1 opisu patentowego przedstawia metodę wykrywania oblodzenia przy użyciu światłowodu przylegającego do orurowania wymiennika ciepła. Metoda ta wykorzystuje zmianę natężenia światła odbieranego przez odbiornik światła w momencie, gdy orurowanie oraz światłowód pokrywa się lodem. Wadą tego rozwiązania jest pomiar tylko w miejscu gdzie znajduje się światłowód, a także skomplikowana konstrukcja urządzenia oraz niewątpliwie duży koszt produkcji. Kolejną istotną kwestią jest słaba wykrywalność oblodzenia w momencie jego tworzenia się.

Publikacja US 6,467,282 B1 opisu patentowego ujawnia urządzenie wykrywające oblodzenie, które wykorzystuje pomiar redukcji przewodności cieplnej oraz redukcji przepływu powietrza, spowodowanych przez pojawiający się lód. Sensor ma postać płytki zakładanej na wymiennik i mierzącej strumień ciepła pomiędzy przepływającym powietrzem a konstrukcją wymiennika ciepła.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu oraz urządzenia pozwalającego na uzyskanie lepszego efektu wykrywania oblodzenia wymienników ciepła w porównaniu z rozwiązaniami znanymi obecnie ze stanu techniki.

Ideą wynalazku jest urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych z układem odszraniania elementów wymiennika ciepła zawierające czujniki oblodzenia elementów wymiennika ciepła, umieszczone w przestrzeni, w której są umieszczone elementy wymiennika ciepła i wokół których lub pomiędzy którymi przepływa medium opływające wpływające od strony napływowej medium opływającego w kierunku strony wypływowej medium opływającego, przy czym czujniki oblodzenia elementów wymiennika ciepła obejmują ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe z pierwszym wejściem ciśnieniowym i drugim wejściem ciśnieniowym, ciśnieniowy czujnik nawiewny umieszczony po stronie napływowej medium opływającego wpływającego między elementy wymiennika ciepła i mierzący ciśnienie po stronie napływowej i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego oraz ciśnieniowy czujnik wywiewny umieszczony po stronie wypływowej medium opływającego wypływającego spomiędzy elementów wymiennika ciepła i mierzący ciśnienie po stronie wypływowej i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego mierzącego różnicę ciśnień pomiędzy ciśnieniem na drugim wejściu ciśnieniowym i ciśnieniem na pierwszym wejściu ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego komunikującego się z układem odszraniania elementów wymiennika ciepła, charakteryzujące się tym, że czujnik oblodzenia elementów wymiennika ciepła urządzenia wykrywającego oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych, oprócz ciśnieniowych czujników, zawiera co najmniej jedną parę optycznych czujników zawierającą optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący, usytuowane w jednej linii, obydwa komunikujące się z układem obliczeniowym, przy czym optyczny czujnik emitujący generuje strumień świetlny przechodzący pomiędzy elementami wymiennika ciepła urządzenia, w kierunku optycznego czujnika odbierającego i optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący są zintegrowane z ciśnieniowymi czujnikami i tworzą kompaktowe czujniki, przy czym optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący są integrowalne z ciśnieniowymi czujnikami zamiennie po obu stronach wymiennika ciepła, patrząc w kierunku przepływu medium opływającego.

Ideą wynalazku jest również sposób wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła za pomocą urządzenia wykrywającego oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych z układem odszraniania elementów wymiennika ciepła zawierającego czujniki oblodzenia elementów wymiennika ciepła umieszczone w przestrzeni, w której są umieszczone elementy wymiennika ciepła i wokół których, lub pomiędzy którymi przepływa medium opływające wpływające od strony napływowej medium opływającego w kierunku strony wypływowej medium opływającego, przy czym czujniki oblodzenia elementów wymiennika ciepła obejmują ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe z pierwszym wejściem ciśnieniowym i drugim wejściem ciśnieniowym, ciśnieniowy czujnik nawiewny umieszczony po stronie napływowej medium opływającego wpływającego między elementy wymiennika ciepła i mierzący ciśnienie po stronie napływowej i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego oraz ciśnieniowy czujnik wywiewny umieszczony po stronie wypływowej medium opływającego wypływającego spomiędzy elementów wymiennika ciepła i mierzący ciśnienie po stronie wypływowej i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego mierzącego różnicę ciśnień pomiędzy ciśnieniem na drugim wejściu ciśnieniowym i ciśnieniem na pierwszym wejściu ciśnieniowym ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego komunikującego się z układem odszraniania elementów wymiennika ciepła, a także jedną parę optycznych czujników zawierającą optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący, usytuowane w jednej linii, obydwa komunikujące się z układem obliczeniowym, przy czym optyczny czujnik emitujący generuje strumień świetlny przechodzący pomiędzy elementami wymiennika ciepła urządzenia, w kierunku optycznego czujnika odbierającego i optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący są zintegrowane z ciśnieniowymi czujnikami i tworzą kompaktowe czujniki, przy czym optyczny czujnik odbierający i optyczny czujnik emitujący są integrowalne z ciśnieniowymi czujnikami zamiennie po obu stronach wymiennika ciepła, patrząc w kierunku przepływu medium opływającego, charakteryzujący się tym, że dokonuje się cyklicznie pomiarów ciśnienia pi za pomocą ciśnieniowego czujnika nawiewnego umieszczonego po stronie napływowej medium opływającego wpływającego pomiędzy elementy wymiennika ciepła oraz ciśnienia p2 za pomocą ciśnieniowego czujnika wywiewnego umieszczonego po stronie wypływowej medium opływającego wypływającego spomiędzy elementów wymiennika ciepła, a następnie oblicza się różnicę Δρ ciśnień pomiędzy ciśnieniem p2 i ciśnieniem pi oraz dokonuje się pomiaru średniej wartości różnicy ΔEśr natężenia światła obliczonej na podstawie odczytów z optycznego czujnika emitującego i z optycznego czujnika odbierającego, i w przypadku, gdy średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień jest większa od dopuszczalnej wartości różnicy Δpdop ciśnień i stwierdzeniu, że średnia wartość różnicy ΔEśr natężenia światła jest mniejsza od dopuszczalnej wartości różnicy ΔEdop natężenia światła, uruchamia się proces odszraniania podczas pracy maszyny cieplnej, który prowadzi się tak długo, aż średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień będzie mniejsza od zadanej dolnej wartości różnicy Δpsp ciśnień i po stwierdzeniu, że średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień jest mniejsza od zadanej dolnej wartości różnicy Δpsp ciśnień, resetuje się liczniki czasowe i rozpoczyna się pomiar upływu czasu po przełączeniu maszyny cieplnej ponownie w tryb standardowej eksploatacji maszyny cieplnej.

Główną aplikacją urządzenia ma być zastosowanie w wymiennikach ciepła przemysłowych maszyn cieplnych, gdzie dotychczas stosowane czujniki nie są optymalne. Maszyny cieplne posiadają długie i szerokie wymienniki, dla których zakres pomiarowy wykrywania oblodzenia musi być znaczny, sięgający do kilkudziesięciu centymetrów. Proces powstawania lodu może rozpoczynać się płytko przy krawędzi wymiennika lub głęboko w płaszczyźnie jego symetrii. Metoda pomiarowa z wykorzystaniem pomiaru różnic ciśnienia praktycznie nie zależy od miejsca zadławienia przepływu. Zasięg pomiarowy dotychczas stosowanych urządzeń jest ograniczony przez wykorzystywane inne metody pomiarowe.

Urządzenie dokonuje pomiaru wystąpienia zjawiska oszronienia wymiennika ciepła za pomocą połączenia ze sobą kilku czujników wykorzystujących różne metody pomiarowe. Opracowany wynalazek wykorzystuje czujniki optoelektroniczne oraz elektroniczne czujniki różnicy ciśnienia, które na podstawie wzrostu różnicy badanych wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, natężenie światła, ponad standardowe wielkości, sygnalizuje pojawienie się nadmiernego oblodzenia. Zbieranie się cząsteczek wody, jej zamarzanie pomiędzy lamelami wymiennika ciepła, mikrokanałami, rurkami wymiennika, znacząco ogranicza przepływ medium opływającego, przykładowo powietrza, generowany przez wentylatory. Oblodzony wymiennik jest mniej efektywny, a jego rozmrażanie zajmuje bardzo dużo czasu, co jest zjawiskiem niepożądanym. Wynalazek pozwala na przewidywanie oblodzenia w kanałach przepływu medium opływającego, dając tym samym sprzężenie zwrotne za pomocą układów sterujących maszyną cieplną, które następnie inicjuje proces rozmrażania lub odszraniania.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych, Fig. 2 przedstawia przebieg różnicy ciśnienia w funkcji czasu przy zwiększającym się oblodzeniu wymiennika ciepła, przykładowo parownika, Fig. 3 przedstawia zmianę różnicy ciśnień w czasie pracy maszyny cieplnej w zależności od punktów pomiarowych ciśnienia odszronionego wymiennika ciepła, Fig. 4 przedstawia zmianę różnicy ciśnień w czasie pracy maszyny cieplnej w zależności od punktów pomiarowych ciśnienia oszronionego lub oblodzonego wymiennika ciepła, Fig. 5 przedstawia schemat blokowy układu zasilającego i sterującego maszyny cieplnej z urządzeniem wykrywającym oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych z układem odszraniania elementów wymiennika ciepła i Fig. 6 przedstawia schemat blokowy algorytmu wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła.

Pokazane na Fig. 1 urządzenie 1 wykrywające oblodzenie wymiennika 5 ciepła maszyn cieplnych 20 umieszczone w przestrzeni 3 i zawierające sprężarkę 45, układ 30 odszraniania elementów 6 wymiennika 5 ciepła, grzałkę 37 i czujniki 10 oblodzenia elementów 6, którymi są między innymi ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe 11 z pierwszym wejściem ciśnieniowym 12 i drugim wejściem ciśnieniowym 13 oraz współpracujący z nim ciśnieniowy czujnik nawiewny 15 umieszczony po stronie napływowej 8 medium opływającego 4 wpływającego między elementy 6 wymiennika 5 ciepła z prędkością liniową vi i mierzący ciśnienie pi po stronie napływowej 8 i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym 12 ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego 11 i ciśnieniowy czujnik wywiewny 16 umieszczony po stronie wypływowej 9 medium opływającego 4 wypływającego spomiędzy elementów 6 wymiennika 5 ciepła z prędkością liniową V2 i mierzący ciśnienie p2 po stronie wypływowej 9 i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym 13 ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego 11 mierzącego różnicę Δρ ciśnień pomiędzy ciśnieniem p2 na drugim wejściu ciśnieniowym 13 i ciśnieniem pi na pierwszym wejściu ciśnieniowym 12 ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego 11. Ciśnieniowy czujnik nawiewny 15 i ciśnieniowy czujnik wywiewny 16 komunikują się z ciśnieniowym różnicowym urządzeniem pomiarowym 11 i z elektronicznym modułem pomiarowym 14, pokazanym na Fig. 5. Kompaktowy ciśnieniowy czujnik nawiewny 315 pokazany na Fig. 1 ma, oprócz wspomnianego ciśnieniowego czujnika nawiewnego 15, wbudowany optyczny czujnik odbierający 215, zatem pełni funkcję ciśnieniowego czujnika nawiewnego 15 i optycznego czujnika odbierającego 215, a kompaktowy ciśnieniowy czujnik wywiewny 316 ma, oprócz wspomnianego ciśnieniowego czujnika wywiewnego 16, wbudowany optyczny czujnik emitujący 216, zatem pełni funkcję ciśnieniowego czujnika wywiewnego 16 i optycznego czujnika emitującego 216. Optyczny czujnik odbierający 215 i optyczny czujnik emitujący 216 są zintegrowane z ciśnieniowym czujnikiem nawiewnym 15 i ciśnieniowym czujnikiem wywiewnym 16, odpowiednio, co oznacza, że te czujniki są czujnikami uniwersalnymi i mogą być montowane zamiennie w obu kompaktowych czujnikach 315, 316. Kompaktowe czujniki 315, 316 komunikują się z ciśnieniowym różnicowym urządzeniem pomiarowym 11 i z układem obliczeniowym 311, pokazanym na Fig. 6 jako układ obliczeniowy 18, który oblicza nastawy dla układu 30 odszraniania elementów wymiennika ciepła na podstawie wskazań czujników optycznych. Ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe 11 komunikuje się w jednym z rozwiązań za pomocą połączeń elektrycznych z układem 30 odszraniania elementów 6 wymiennika 5 ciepła, a w innym rozwiązaniu za pomocą systemu odbiorniknadajnik. Wspomniane czujniki 10 oblodzenia elementów 6 wymiennika 5 ciepła są umieszczone w przestrzeni 3, przykładowo w komorze, która ma otwory umożliwiające przepływ czynnika chodzącego, co jest znane ze stanu techniki, a która jest usytuowana w obudowie maszyn cieplnych i w której są umieszczone elementy 6 wymiennika 5 ciepła i wokół których, lub pomiędzy którymi, przepływa medium opływające 4 wymiennik wpływające od strony napływowej 8 medium opływającego 4 wymiennik, w kierunku strony wypływowej 9 medium opływającego 4 wymiennik. W przykładzie wykonania pokazanym na Fig. 1, wymiennik 5 ciepła jest wymiennikiem lamelowym, którego elementami są płytki, a przepływ medium opływającego 4 wokół jego elementów 6 lub pomiędzy nimi i obieg medium opływającego 4 jest samoistny, to znaczy jest wymuszany w sposób naturalny, przykładowo różnicą ciężkości medium opływającego 4 po obu stronach wymiennika 5 ciepła, patrząc w kierunku przepływu medium opływającego 4. Na Fig. 1 medium opływające 4 z otoczenia maszyny cieplnej przedostaje się przez osłonę perforowaną, przepływa między elementami 6 wymiennika 5 ciepła, a następnie wypływa przez wylot na zewnątrz urządzenia, to znaczy na zewnątrz maszyny cieplnej 20.

Na Fig. 1 jest przedstawiony przykład wykonania urządzenia 1 wykrywającego oblodzenie wymiennika 5 ciepła maszyn cieplnych 20 z układem 30 odszraniania elementów 6 wymiennika 5 ciepła. Wspomniane urządzenie 1 wykrywające oblodzenie wymiennika 5 ciepła maszyn cieplnych 20 w przestrzeni 3 zawiera sprężarkę 45, układ 30 odszraniania elementów 6 wymiennika 5 ciepła, który załącza grzałkę 37. W innych przykładach wykonania może być jeszcze większa liczba ciśnieniowych czujników nawiewnych i ciśnieniowych czujników wywiewnych, a ich liczba i rozmieszczenie najczęściej zależą od stopnia skomplikowania konstrukcji wymiennika ciepła maszyn cieplnych i potrzeby niezawodności układów odszraniania elementów wymiennika ciepła.

Z powodu bardzo podobnej budowy maszyn cieplnych, w których można zastosować wynalazek, figury można traktować jako przykład wykonania zastosowany zarówno w pompie ciepła, agregacie skraplającym czy w osuszaczu powietrza. Opisana figura przedstawia lokalizację czujników po dwóch stronach wymiennika ciepła, niezależnie od jego typu czy funkcji.

W jednym z przykładów wykonania urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika jest podobne do barometru posiadającego dwa dajniki ciśnienia doprowadzanego za pomocą rurek do wymaganych punktów pomiarowych. W przypadku niezaburzonego przepływu wartość różnicy ciśnień Δρ = p2-pi jest niewielka, co pokazano na Fig. 2, na której przedstawiono zmianę różnicy ciśnień w czasie pracy maszyny cieplnej, odnosząc się do punktów pomiarowych ciśnienia pi i ciśnienia p2 w miejscach lokalizacji czujników i dotyczy lamelowego wymiennika ciepła. Różnica ciśnień Δp przedstawiona na wykresie w funkcji czasu pracy maszyny cieplnej z wymiennikiem lamelowym jest oparta na rzeczywistych pomiarach, jednak przebieg 701 zmiany wartości ciśnienia jest podobny dla innych typów wymienników ciepła. W początkowej fazie pracy maszyny cieplnej, tuż po odszronieniu, wymiennik ciepła oszrania się bardzo powoli. W drugiej fazie następuje przyspieszenie procesu oszraniania, a następnie ponowne zwolnienie procesu oszraniania w momencie, kiedy wymiennik ciepła jest już mocno oszroniony albo oblodzony. Wraz z osadzaniem się cząsteczek wody na wymienniku o opisanych wyżej konstrukcjach, przepływ ten zostaje zdławiony i pojawia się większa różnica ciśnień, która jest rejestrowana w czasie rzeczywistym. W przypadku pary czujników optycznych sytuacja wygląda analogicznie, z tym że mierzona jest wartość natężenia światła odbieranego przez optyczny czujnik odbierający, a emitowanego przez optyczny czujnik emitujący. Po przekroczeniu wartości progowej mierzonych parametrów, przykładowo maksymalnej dozwolonej różnicy ciśnień Δρ ustalonej z góry na podstawie pomiarów podczas pracy danej maszyny cieplnej albo minimalnego natężenia światła ustalonego z góry na podstawie pomiarów podczas pracy danej maszyny cieplnej, aktywowany jest proces odszraniania. Proces odszraniania polega na przełączeniu stanu pracy maszyny cieplnej przez urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła 1. W przykładzie wykonania zaprezentowanym na Fig. 1 proces ten polega na załączeniu przez układ 30 odszraniania zasilania grzałki 37 umieszczonej w sąsiedztwie elementów 6 wymienników 5. W innym przykładzie wykonania w zależności od funkcji maszyny cieplnej proces odszraniania może być inicjowany poprzez przesterowanie elektrozaworów, które zmieniają kierunek przepływu czynnika chłodniczego wewnątrz wymiennika. Odwrócony przepływ powoduje, że sprężarka 45 tłoczy ogrzane medium, przykładowo podgrzany czynnik chłodniczy, do wnętrza wymiennika 5, które następnie przekazując ciepło do wymiennika, powoduje topnienie cząsteczek lodu zgromadzonych na elementach 6.

Fig. 3 i 4 przedstawiają zależność 702, 703 różnicy ciśnień od wielkości x wyrażonej wzorem Δp = p2 - px, gdzie x oznacza odległość od punktu zerowego zgodnie z kierunkiem przepływu medium opływającego, przepływającego samoistnie albo wymuszonego przez wentylator. Fig. 3 odnosi się do pracy wymiennika ciepła tuż po odszronieniu. Fig. 4 odnosi się do pracy wymiennika ciepła w zaawansowanym stopniu oszronienia i przedstawia spadek ciśnienia na tym wymienniku ciepła maszyny cieplnej, który jest znacznie większy aniżeli przy nieoblodzonym wymienniku ciepła, co przedstawia Fig. 3. W obu przypadkach, co wynika z przedstawionych zależności 702, 703, spadek ciśnienia występuje na osłonie perforowanej oraz wentylatorze, jednakże nie ma on żadnego znaczenia ponieważ pomiar ciśnienia pi odbywa się przed wymiennikiem ciepła za osłoną perforowaną, a pomiar ciśnienia p2 za wymiennikiem przed wentylatorem.

Fig. 5 przedstawia schemat blokowy układu zasilającego i sterującego 40 maszyny cieplnej z urządzeniem 1 wykrywającym oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych z układem 30 odszraniania elementów wymiennika ciepła wyposażonym w grzałkę 37. Wspomniany układ zasilający i sterujący 40 z Fig. 5 maszyny cieplnej zawiera układ 41 zasilania, układ 42 sterowania ze sterownikiem 43, układ 44 sterujący pracą maszyny cieplnej i elementów przynależnych do niej, w szczególności sprężarką 45, elektrozaworami 46, czujnikami 47 temperatury i wentylatorem 48, a także układ 30 odszraniający elementów wymiennika ciepła z grzałką 37 i urządzenie 1 wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła zawierające ciśnieniowe czujniki 15 i 16, ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe 11, optyczne czujniki 215 i 216, elektroniczny moduł pomiarowy 14, grzałki 17 ciśnieniowych czujników i układ obliczeniowy 18.

Przedstawione rozwiązanie opiera się na nowych metodach pomiarowych, wcześniej niewykorzystywanych, które pozwalają na precyzyjniejsze określenie momentu przekroczenia dopuszczalnego oblodzenia. Ponadto czujniki mogą być zwielokrotnione w różnych miejscach wymiennika ciepła, o czym wspomniano powyżej, co usprawnia proces wykrywania oszronienia. Zastosowanie czujników w wielu miejscach wymiennika ciepła może mieć szczególne znaczenie w skomplikowanych konstrukcjach wymienników lamelowych, w których często proces oszraniania przebiega nierównomiernie na poszczególnych jego sekcjach. W celu zapobiegnięcia przed zatkaniem, oblodzeniem czujników ciśnienia, rurki łączące sensor z punktem pomiarowym mogą być podgrzewane grzałkami umieszczonymi przy czujnikach ciśnienia.

Fig. 6 przedstawia schemat blokowy algorytmu wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła, zgodnie z którym po starcie w kroku 800, dokonuje się w kroku 801 pomiaru średniej wartości różnicy Δpśr ciśnień. W jednym z przykładów wykonania pomiaru dokonuje się co 1 minutę, a w innym przykładzie wykonania co 10 minut, korzystnie co 3 minuty. Z chwilą, gdy w kroku 802 stwierdzi się, że średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień jest większa od dopuszczalnej wartości różnicy Δpdop ciśnień, co oznacza oszronienie lub oblodzenie wymiennika ciepła maszyny cieplnej, w kroku 803 uruchamia się proces odszraniania w trybie odszraniania maszyny cieplnej, który prowadzi się tak długo, aż średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień będzie mniejsza od zadanej dolnej wartości różnicy Δpsp ciśnień, określonej doświadczalnie w zależności od budowy maszyny cieplnej i jej wymiennika ciepła, co sprawdza się w kroku 804. Po stwierdzeniu, że średnia wartość różnicy Δpśr ciśnień jest mniejsza od zadanej dolnej wartości różnicy Δpsp ciśnień, co oznacza zakończenie procesu odszraniania, w kroku 805 resetuje się liczniki czasowe i rozpoczyna się pomiar upływu czasu po przełączeniu maszyny cieplnej w tryb pracy. Opcjonalnie, resetowanie liczników czasowych następuje po upływie ustalonego czasu tdop procedury odszraniania, który mierzy się w kroku 806.

W przykładach wykonania, w których urządzenie wykrywające oblodzenie wymiennika ciepła maszyn cieplnych posiada czujniki optyczne albo czujniki kompaktowe, oprócz ciśnieniowego czujnika nawiewnego i ciśnieniowego czujnika wywiewnego oraz ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego, w kroku 807 dokonuje się pomiaru średniej wartości różnicy ΔEśr natężenia światła obliczonej na podstawie odczytów z optycznego czujnika emitującego i z optycznego czujnika odbierającego, a po stwierdzeniu w kroku 808, że średnia wartość różnicy ΔEśr natężenia światła jest mniejsza od dopuszczalnej wartości różnicy ΔEdop natężenia światła, co oznacza oszronienie lub oblodzenie wymiennika ciepła maszyny cieplnej, w kroku 803 uruchamia się proces odszraniania w trybie odszraniania maszyny cieplnej.

Obliczanie średnich wartości, tak różnicy ΔEśr natężenia światła, jak i średnich wartości różnicy Δpśr ciśnień na podstawie wielkości mierzonych, jest znane ze stanu techniki i nie będzie tu opisywane.

Nowa opracowana metoda wykorzystuje pomiar różnicy ciśnień po obu stronach wymiennika ciepła jako wielkość, która zmienia się w sposób płynny i proporcjonalny do wielkości oblodzenia. Płynny pomiar pozwala na optymalne dostrojenie regulatora odpowiadającego za sterowanie trybem odszraniania wymiennika, również we wczesnej fazie tworzenia oblodzenia, a co za tym idzie przyczynia się do lepszych osiągów sprawności urządzenia. Zintegrowanie czujnika ciśnienia z czujnikiem optycznym w opracowanym rozwiązaniu posiada zaletę nie tylko redundantnego systemu wykrywania oblodzenia, obecności ciał obcych, ale również służy do oceny, czy proces rozmrażania został w pełni zakończony. Pomiar ciśnienia po dwóch stronach wymiennika ciepła wykorzystuje przepływ generowany przez wentylator podczas pracy urządzenia. W zależności od obciążenia urządzenia, prędkości kątowej wentylatora, mierzona różnica ciśnień oraz szybkość zachodzenia jej zmian może być wykorzystana do lepszej analizy oraz predykcji tworzenia niepożądanego zjawiska.

Wykaz oznaczeń

Urządzenie wykrywające oblodzenie

Przestrzeń

Medium opływające

Wymiennik ciepła

Elementy wymiennika

Strona napływowa medium opływającego

Strona wypływowa medium opływającego

Czujniki oblodzenia

Ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe

Pierwsze wejście ciśnieniowe

Drugie wejście ciśnieniowe

Elektroniczny moduł pomiarowy

Ciśnieniowy czujnik nawiewny

Ciśnieniowy czujnik wywiewny

Grzałki ciśnieniowych czujników

Układ obliczeniowy

Maszyna cieplna

Układ odszraniania

Grzałka

Układ zasilający i sterujący

Układ zasilania

Układ sterowania

Sterownik

Układ sterujący

Sprężarka

Elektrozawory

Czujnik temperatury

Wentylator

215 Optyczny czujnik odbierający

216 Optyczny czujnik emitujący

311 Układ obliczeniowy

315, 316 Kompaktowe czujniki

701 Przebieg zmiany wartości ciśnienia

702, 703 Zależność różnicy ciśnień od odległości od punktu zerowego

800-808 Kroki sposobu wykrywania oblodzenia

Claims

1. Urządzenie (1) wykrywające oblodzenie wymiennika (5) ciepła maszyn cieplnych (20) z układem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika (5) ciepła zawierające czujniki (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła, umieszczone w przestrzeni (3), w której są umieszczone elementy (6) wymiennika (5) ciepła i wokół których lub pomiędzy którymi przepływa medium opływające (4) wpływające od strony napływowej (8) medium opływającego (4) w kierunku strony wypływowej (9) medium opływającego (4), przy czym czujniki (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła obejmują ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe (11) z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) i drugim wejściem ciśnieniowym (13), ciśnieniowy czujnik nawiewny (15) umieszczony po stronie napływowej (8) medium opływającego (4) wpływającego między elementy (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie napływowej (8) i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) oraz ciśnieniowy czujnik wywiewny (16) umieszczony po stronie wypływowej (9) medium opływającego (4) wypływającego spomiędzy elementów (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie wypływowej (9) i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym (13) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) mierzącego różnicę ciśnień pomiędzy ciśnieniem na drugim wejściu ciśnieniowym (13) i ciśnieniem na pierwszym wejściu ciśnieniowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego komunikującego się z układem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika (5) ciepła, znamienne tym, że czujnik (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła urządzenia (1) wykrywającego oblodzenie wymiennika (5) ciepła maszyn cieplnych (20), oprócz ciśnieniowych czujników (15, 16), zawiera co najmniej jedną parę optycznych czujników zawierającą optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216), usytuowane w jednej linii, obydwa komunikujące się z układem obliczeniowym (18), przy czym optyczny czujnik emitujący (216) generuje strumień świetlny przechodzący pomiędzy elementami (6) wymiennika (5) ciepła urządzenia (1), w kierunku optycznego czujnika odbierającego (215) i optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216) są zintegrowane z ciśnieniowymi czujnikami (15, 16) i tworzą kompaktowe czujniki (315, 316), przy czym optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216) są integrowalne z ciśnieniowymi czujnikami (15, 16) zamiennie po obu stronach wymiennika ciepła, patrząc w kierunku przepływu medium opływającego (4).

2. Sposób wykrywania oblodzenia wymiennika ciepła za pomocą urządzenia (1) wykrywającego oblodzenie wymiennika (5) ciepła maszyn cieplnych (20) z układem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika (5) ciepła zawierającego c zujniki (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła umieszczone w przestrzeni (3), w której są umieszczone elementy (6) wymiennika (5) ciepła i wokół których, lub pomiędzy którymi przepływa medium opływające (4) wpływające od strony napływowej (8) medium opływającego (4) w kierunku strony wypływowej (9) medium opływającego (4), przy czym czujniki (10) oblodzenia elementów (6) wymiennika (5) ciepła obejmują ciśnieniowe różnicowe urządzenie pomiarowe (11) z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) i drugim wejściem ciśnieniowym (13), ciśnieniowy czujnik nawiewny (15) umieszczony po stronie napływowej (8) medium opływającego (4) wpływającego między elementy (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie napływowej (8) i połączony z pierwszym wejściem ciśnieniowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) oraz ciśnieniowy czujnik wywiewny (16) umieszczony po stronie wypływowej (9) medium opływającego (4) wypływającego spomiędzy elementów (6) wymiennika (5) ciepła i mierzący ciśnienie po stronie wypływowej (9) i połączony z drugim wejściem ciśnieniowym (13) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) mierzącego różnicę ciśnień pomiędzy ciśnieniem na drugim wejściu ciśnieniowym (13) i ciśnieniem na pierwszym wejściu ciśnien iowym (12) ciśnieniowego różnicowego urządzenia pomiarowego (11) komunikującego się z układem (30) odszraniania elementów (6) wymiennika ciepła, a także jedną parę optycznych czujników zawierającą optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216), usytuowane w jednej linii, obydwa komunikujące się z układem obliczeniowym (18), przy czym optyczny czujnik emitujący (216) generuje strumień świetlny przechodzący pomiędzy elementami (6) wymiennika (5) ciepła urządzenia (1), w kierunku optyczn ego czujnika odbierającego (215) i optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216) są zintegrowane z ciśnieniowymi czujnikami (15, 16) i tworzą kompaktowe czujniki (315, 316), przy czym optyczny czujnik odbierający (215) i optyczny czujnik emitujący (216) są integrowalne z ciśnieniowymi czujnikami (15, 16) zamiennie po obu stronach wymiennika ciepła, patrząc w kierunku przepływu medium opływającego (4), znamienny tym, że dokonuje się cyklicznie pomiarów ciśnienia (p1) za pomocą ciśnieniowego czujnika nawiewnego (15) umieszczonego po stronie napływowej (8) medium opływającego (4) wpływającego pomiędzy elementy (6) wymiennika (5) ciepła oraz ciśnienia (p2) za pomocą ciśnieniowego czujnika wywiewnego (16) umieszczonego po stronie wypływowej (9) medium opływającego (4) wypływającego spomiędzy elementów (6) wymiennika (5) ciepła, a następnie oblicza się różnicę (Δρ) ciśnień pomiędzy ciśnieniem (p2) i ciśnieniem (pi) oraz dokonuje się pomiaru średniej wartości różnicy (ΔEśr) natężenia światła obliczonej na podstawie odczytów z optycznego czujnika emitującego i z optycznego czujnika odbierającego, i w przypadku, gdy średnia wartość różnicy (Δpśr) ciśnień jest większa od dopuszczalnej wartości różnicy (Δpdop) ciśnień i stwierdzeniu, że średnia wartość różnicy (ΔEśr) natężenia światła jest mniejsza od dopuszczalnej wartości różnicy (ΔEdop) natężenia światła, uruchamia się proces odszraniania podczas pracy maszyny cieplnej, który prowadzi się tak długo, aż średnia wartość różnicy (Δpśr) ciśnień będzie mniejsza od zadanej dolnej

PL 247046 Β1 wartości różnicy (Δρ_δρ) ciśnień i po stwierdzeniu, że średnia wartość różnicy (Apśr) ciśnień jest mniejsza od zadanej dolnej wartości różnicy (Δρ_δρ) ciśnień, resetuje się liczniki czasowe i rozpoczyna się pomiar upływu czasu po przełączeniu maszyny cieplnej ponownie w tryb standardowej eksploatacji maszyny cieplnej.