熱回收型熱管式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組自控方案設(shè)計

西安工程大學(xué)學(xué)報JournalofXi’anPolytechnicUniversity第25卷第1期(總107期2011年2月Vol．25,No．1(Sum．No．107文章編號:1674-649X(201101-0055-05熱回收型熱管式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組自控方案設(shè)計強天偉,黃翔,顏蘇芊(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西西安710048摘要:為了保障蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組工作穩(wěn)定并且達到節(jié)能、節(jié)省人力的目的,本文在分析熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的空氣處理過程的基礎(chǔ)上,采用西門子PLC設(shè)計了自動控制方案,實現(xiàn)了蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組運行過程的自動控制．關(guān)鍵詞:蒸發(fā)冷卻;空調(diào);自動控制;PLC中圖分類號:TU831.6文獻標(biāo)識碼:A0引言國外學(xué)者對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究比較感興趣,建立的數(shù)學(xué)模型較多．文獻[1]建立方程組對濕表面換熱器進行模擬,提出了濕表面換熱器的線性近似模型．文獻[2]建立了濕表面板式換熱器效率計算模型．文獻[3]建立了描述各種蒸發(fā)冷卻設(shè)備的數(shù)學(xué)模型．文獻[4]對自然通風(fēng)冷卻塔建立了數(shù)學(xué)和物理模型．文獻[1]和[3]建立的數(shù)學(xué)模型,其實質(zhì)是用直線段代替真實的拋物線飽和曲線段．國內(nèi)學(xué)者對蒸發(fā)冷卻空調(diào)的研究也大都集中在其機理及應(yīng)用上．同濟大學(xué)張旭教授在蒸發(fā)冷卻空調(diào)的熱質(zhì)交換熱力學(xué)分析與應(yīng)用方面做了大量理論與實驗研究[5]．周孝清教授對間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算方法做了研究[6],西安工程大學(xué)黃翔教授對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進行多年的理論和實驗研究[7-8]．香港大學(xué)的DaiY．J,SumathyK．建立了描述叉流式降膜蒸發(fā)冷卻傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型[9]等．從國內(nèi)外對蒸發(fā)冷卻空調(diào)的研究現(xiàn)狀來看,雖然在其理論研究、設(shè)備開發(fā)及其應(yīng)用方面已做了大量的工作,但人們對蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)自動控制方面的研究卻較少,公開發(fā)表的文獻資料也少．國外ASHRAE成員CharlesW．Curt描述了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的控制概念[10],國內(nèi)有關(guān)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制方面的文章大都是西安工程大學(xué)的研究成果[7-8,11-12]．由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在使用過程中受室外空氣狀況影響較大,為了保障空調(diào)機組工作的穩(wěn)定性需要其自身運行狀態(tài)要隨著室外空氣狀況的改變而自我調(diào)節(jié),這樣就必須引入自動控制技術(shù),而自動控制技術(shù)的應(yīng)用又能大大提高蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果．因此,有必要將蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組和自動控制技術(shù)結(jié)合起來．本文以熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組為對象,對其工作過程做了自控方案的設(shè)計．1空調(diào)機組熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組將熱管熱回收技術(shù)與蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合,采用鋁-氨平置吸液芯熱管換熱器作為間接蒸發(fā)冷卻器,并與機械制冷表冷器、直接蒸發(fā)冷卻器共同組成空調(diào)機收稿日期:2010-06-02通訊作者:強天偉(1970-,男,陜西省西安市人,西安工程大學(xué)副教授,博士．E-mail:qiangtianwei@yahoo．com．cn組[9]．該空調(diào)機組與一般的傳統(tǒng)空調(diào)機組相比,大大降低了空調(diào)制冷能耗,對促進我國低碳經(jīng)濟的發(fā)展和建筑節(jié)能具有十分重要的意義．為了使蒸發(fā)空調(diào)機組能夠隨著室內(nèi)負(fù)荷、室外空氣狀況的變化始終提供一個高效舒適的工作生活環(huán)境,同時延長設(shè)備的使用壽命以及節(jié)能節(jié)省人力,本文采用PLC技術(shù)對蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組實施自動控制．由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)空氣處理過程的獨特性,根據(jù)其空氣處理過程焓濕圖對該機組的控制系統(tǒng)進行了開發(fā),使用效果良好．該空調(diào)機組結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,包括新風(fēng)段,過濾段,熱管間接段,機械表冷段,直接蒸發(fā)段,送風(fēng)段．圖1熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組結(jié)構(gòu)圖圖1所示結(jié)構(gòu)圖中,新風(fēng)段和回風(fēng)段都可以在0100%范圍可調(diào)．過渡季采用全新風(fēng),不開啟機械表冷段只開啟間接和直接段,回風(fēng)閥關(guān)閉,新風(fēng)閥全開．夏季需開啟機械表冷段,采用回風(fēng),回風(fēng)閥和新風(fēng)閥可調(diào),以節(jié)約冷水量．過濾段防止灰塵和顆粒物進入蒸發(fā)空調(diào)機組的循環(huán)水中,水中含有灰塵和顆粒物會明顯降低蒸發(fā)冷卻器的效率．間接蒸發(fā)冷卻段是一個鋁-氨平置吸液芯熱管換熱器,它通過內(nèi)部傳熱工質(zhì)在一個高真空的封閉殼體內(nèi)不斷的循環(huán)相變來實現(xiàn)熱量傳遞,具有很高的導(dǎo)熱性．機械表冷段是夏季才啟用的,保證在炎熱的夏季空調(diào)機組能滿足要求．直接段是一塊蒸發(fā)冷卻填料,水通過水泵循環(huán)噴淋填料以冷卻流過填料的干熱空氣．送風(fēng)段是一離心風(fēng)機．2自動控制原理根據(jù)熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的運行特點,依據(jù)其蒸發(fā)冷卻空氣處理過程焓濕圖,采用PLC技術(shù)時采集空調(diào)房間的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)信號,并將蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組自身的信號通過模\數(shù)轉(zhuǎn)換輸入自控裝置,自控裝置通過預(yù)裝入的程序軟件對各種信號進行統(tǒng)計、運算,再通過數(shù)\模轉(zhuǎn)換將控制信號輸送給蒸發(fā)冷卻組合式空調(diào)機組,使得空調(diào)機組在室內(nèi)負(fù)荷、室外空氣狀況變化的情況下始終提供高效舒適的工作環(huán)境[10-11]．圖2是熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組DDC控制流程圖,圖中室外空氣溫度傳感器TE1、濕度傳感器HE1監(jiān)測室外空氣狀態(tài)．溫度傳感器TE2監(jiān)測間接段后面的空氣溫度．溫度傳感器TE3監(jiān)測直接段后面的空氣溫度,并在冬季時用于固定露點送風(fēng)溫度．空氣溫度傳感器TE4、濕度傳感器HE2監(jiān)測送風(fēng)狀態(tài)．回風(fēng)溫度傳感器TE5用于夏季控制間接段風(fēng)機轉(zhuǎn)速以及機械表冷段水閥的開啟程度[12-13]．2.1氣象條件西安:北緯34?18’,經(jīng)度為東經(jīng)108?56’,海拔高度為396.9m,大氣壓力夏季95707Pa,冬季98097Pa．表1氣象參數(shù)表夏季室外計算干球溫度/?室外計算濕球溫度/?室外平均風(fēng)速/m·s－1室外計算日平均溫度/?冬季空調(diào)室外計算溫度/?空調(diào)室外計算相對濕度/%室外平均風(fēng)速/m·s－1緯度35.125.81.629.1－5.6660.934?18'2.2過渡季運行模式過渡季開啟(間接+直接蒸發(fā)冷卻段,采用全新風(fēng)送風(fēng)模式,關(guān)閉回風(fēng)．空氣處理過程焓濕圖如圖3所示．圖2中,W為室外空氣狀態(tài)點,W1為間接段處理后空氣狀態(tài)點,N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點,L為送風(fēng)點．65西安工程大學(xué)學(xué)報第25卷圖2熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組DDC控制流程圖圖3過渡季空氣處理過程(1溫度上升控制首先開啟送風(fēng)機,當(dāng)室內(nèi)溫度小于其設(shè)定值上限則蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組持續(xù)運行．當(dāng)室內(nèi)溫度大于其設(shè)定值上限,開啟直接段進行送風(fēng)(W1L線段．當(dāng)室內(nèi)溫度持續(xù)升高并大于其設(shè)定值上限一個時間段,回風(fēng)溫度傳感器TE5控制間接蒸發(fā)冷卻段風(fēng)機變頻器改變間接蒸發(fā)冷卻段的冷卻過程(即改變線段WW1的長短以保持室內(nèi)溫度不超過設(shè)定溫度的上限．(2溫度下降控制當(dāng)直接段與間接段(DEC+IEC全開啟,而露點溫度持續(xù)下降并小于其設(shè)定值下限一個時間段,也就是說只開啟直接蒸發(fā)冷卻段(DEC即可保持室內(nèi)溫度在舒適性的范圍,此時關(guān)閉間接蒸發(fā)冷卻段(IEC．2.3夏季運行模式圖4夏季空氣處理過程夏季運行中需開啟間接蒸發(fā)冷卻段和機械表冷段,開啟回風(fēng),采用最小新風(fēng)比的一次回風(fēng)系統(tǒng)．空氣處理過程焓濕圖如圖4所示．圖4中W為室外空氣狀態(tài)點,W1為間接段處理后空氣狀態(tài)點,N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點,L為送風(fēng)點,C為混風(fēng)點．(1溫度上升控制首先設(shè)置新風(fēng)閥=15%,回風(fēng)閥=85%,同時開啟送風(fēng)機,當(dāng)室內(nèi)溫度小于其設(shè)定值上限則空調(diào)機組持續(xù)運行．當(dāng)室內(nèi)溫度大于其設(shè)定值上限并持續(xù)一個時間段,開啟管式間接蒸發(fā)冷卻段,回風(fēng)溫度傳感器TE5控制間接蒸發(fā)冷卻段風(fēng)機變頻器改變間接蒸發(fā)冷卻段的冷卻過程(即改變線段WW1的長短來保持室內(nèi)溫度在舒適性的范圍．當(dāng)室內(nèi)溫度繼續(xù)上升并大于其設(shè)定值上限一個時間段,則保持間接蒸發(fā)冷卻段變頻器頻率最大,此時用回風(fēng)溫度傳感器TE5調(diào)節(jié)冷水閥控制流過冷卻盤管的冷水量以保持室內(nèi)溫度恒定,即表冷段開始工作．(2溫度下降控制間接蒸發(fā)冷卻段和表冷段(IEC+表冷段全開啟,當(dāng)室內(nèi)溫度持續(xù)下降并小于其設(shè)定值下限一個時間段,此時回風(fēng)溫度傳感器TE5不斷關(guān)小冷水閥,當(dāng)冷水閥全關(guān)時,即只開啟間接蒸發(fā)冷卻段就可保持室內(nèi)溫度在舒適性的范圍．2.4冬季運行模式實際設(shè)備制造時考慮到冬季沒有蒸汽加熱,所以沒有考慮冬季用該機組供熱．這里謹(jǐn)做理論分析．75第1期熱回收型熱管式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組自控方案設(shè)計圖5冬季空氣處理過程冬季采用定露點控制模式,開啟直接蒸發(fā)冷卻段用來固定露點溫度,采用一次回風(fēng)系統(tǒng)．冬季控制包括露點控制和室內(nèi)溫度控制,露點控制用來保證空調(diào)機組送風(fēng)點恒定,室內(nèi)溫度控制用來保證室內(nèi)溫度恒定．空氣處理過程焓濕圖如圖5所示．(1露點溫度控制首先設(shè)置新風(fēng)閥=15%,回風(fēng)閥=85%,同時開啟送風(fēng)機和直接蒸發(fā)冷卻段(DEC．當(dāng)露點溫度大于其設(shè)定值上限,則用露點溫度傳感器TE3調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的混合比例以保持露點溫度恒定(新、回風(fēng)閥聯(lián)動,新風(fēng)+回風(fēng)=100%．當(dāng)新風(fēng)量調(diào)節(jié)到最小,露點溫度仍小于其設(shè)定值上限,此時不可能再減少新風(fēng)量使得新風(fēng)、回風(fēng)混合點上移動,所以必須對新風(fēng)進行預(yù)熱處理以提高室外空氣狀態(tài)點在焓濕圖中的位置,如圖5所示,室外空氣狀態(tài)點經(jīng)過預(yù)熱從W'豎直上升到W點．在預(yù)熱前必須使得新風(fēng)量處于最小,此時新回風(fēng)的混合點C的位置盡可能地向上移動靠近N點,這樣做的結(jié)果是預(yù)熱量最小,即線段WW'長度最短．預(yù)熱處理利用溫度傳感器TE3調(diào)節(jié)預(yù)熱器閥門的開啟程度來保持露點溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)波動(預(yù)熱過程即線段WW'．(2室內(nèi)溫度控制當(dāng)露點L'固定以后,使用回風(fēng)溫度傳感器TE5調(diào)節(jié)加熱器閥門大小使得空氣送風(fēng)點到達L點(加熱過程即線段L'L,送風(fēng)沿著房間熱濕比線吸收室內(nèi)余熱余濕到達送風(fēng)處．3PLC控制系統(tǒng)在空調(diào)控制系統(tǒng)中DDC占有很大比重,近年來PLC在空調(diào)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用很多,與DDC相比PLC為工業(yè)級控制器,運算速度快,可靠性高．相同點數(shù)的PLC成本是DDC的70%左右,性價比高．3.1硬件(1系統(tǒng)主控采用德國西門子可編程控制器S7200系列PLC型號為CPU226CN,配1個模擬量輸入模塊EM231CN,3個熱電阻輸入模塊EM231CN,3個模擬量輸出模塊EM232CN．(22臺型號為日立SJ300系列通用變頻器．(31臺威綸公司型號為MT508TV5的8英寸彩色觸摸屏．(4控制系統(tǒng)工作平臺即熱回收型熱管式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組．3.2軟件西門子STEP7-200MicroPLC,EasyBuilder500組態(tài)軟件．3.3控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接線可編程控制器CPU226CN,模擬量輸入模塊EM231CN,熱電阻輸入模塊EM231CN,模擬量輸出模塊EM232CN,以及日立SJ300系列變頻器之間的接線．圖6西門子PLC控制模塊圖7控制柜內(nèi)部布局圖3.4控制系統(tǒng)人機界面人機界面是在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁,用戶可以通過自由組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕．顯示器采用威綸公司MT508TV5885西安工程大學(xué)學(xué)報第25卷圖8監(jiān)控主畫面英寸彩色觸摸屏,該觸摸屏對可編程控制PLC進行數(shù)據(jù)采集和顯示,操作人員對蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組進行控制和時時監(jiān)控．4結(jié)束語本文在對熱回收型熱管式(間接+直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組空氣處理過程詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,采用西門子可編程控制器S7200系列(CPU226CN,根據(jù)空氣處理過程焓濕圖對空調(diào)機組的空氣處理過程進行自動控制方案的設(shè)計,并在西安高新某公司辦公樓投入,使用效果良好．參考文獻:[1]MACLAINE-CROSSIL,BANKSPJ．Ageneraltheoryofwetsurfaceheatexchangersanditsapplicationtoregenerativee-vaporativecooling[J]．JournalofHeatTransfer,1981,103(3:579-585．[2]STOITCHKOVNJ,DIMITROVGI．Effectivenessofcrossflowplateheatexchangerforindirectevaporativecooling[J]．IntJRefrig,1998,21(6:463-471．[3]HALASZBoris．Ageneralmathematicalmodelofevaporativecoolingdevices[J]．RevGénTherm,1998,37:245-255．[4]HAWLADERMNA,LIUBM．Numericalstudyofthethermal-hydraulicperformanceofevaporativenaturaldraftcoolingtowers[J]．AppliedThermalEngineering,2002(22:41-59．[5]張旭,陳君紅,陳沛霖．管式間接蒸發(fā)冷卻器傳遞過程的解析解及驗證[J]．同濟大學(xué)學(xué)報,1998,26(4:461-465．[6]周孝清,陳沛霖．間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計計算方法[J]．暖通空調(diào),2000,30(1:39-42．[7]黃翔,強天偉,武俊梅,等．蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)自動控制方案的探討[J]．暖通空調(diào),2003,33(4:109-112．[8]黃翔,強天偉,武俊梅,等．西安軟件園空調(diào)集散控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005(5:85-88．[9]DAIYJ,SUMATHYK．Theoreticalstudyonacross-flowdirectevaporativecoolerusinghoneycombpaperaspackingmate-rial[J]．AppliedThermalEngineering,2002(22:1417-1430．[10]CURTCW．Controlconceptsforevaporativecoolingsystems[J]．ASHRAETransactions,1986,92(pt1B:347-357．[11]吳生,黃翔,武俊梅,等．熱回收型熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組性能測試與分析[J]．西安工程大學(xué)學(xué)報,2009,23(1:79-83．[12]QIANGTian-wei,SHENHeng-gan．ApplicationofautocontroltechnologyinevaporativecoolingsystemsinnorthwestareaofChina[J]．InternationalJournalofHeat＆Technology,2004,22(1:165-170．[13]張子慧,黃翔,張景春．制冷空調(diào)自動控制[M]．北京:科學(xué)出版社,1999:70-90．(下轉(zhuǎn)第81頁95第1期熱回收型熱管式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組自控方案設(shè)計第1期指針式儀表自動識別裝置的設(shè)計81［10］CORREAFAlegria，CRUZASerra．Automaticcalibrationofanaloganddigitalmeasuringinstrumentsusingcomputervision［J］．IEEETranInstrumMeas，2000，49(1:9499．［11］CORREAAlegriaF，CRUZSerraA．Computervisionappliedtotheautomaticcalibrationofmeasuringinstruments［J］．Measurement，2000，28(11:185195．ThedesignoftheautomaticpointerinstrumentidentificationdeviceDINGChan1，WENZongzhou1，LIUDan2(1．SchoolofElectronics＆Information，Xi'anPolytechnicUniversity，Xi'an710048，China;2．SchoolofBiomedicalEngineering，SouthernMedicalUniversity，Guangzhou510515，ChinaAbstract:Duetotheproblemoftheanalogmetersignalcannotbeconvertedintodigitalsignalinputintocomandthelowefficiencyofthehumaneyefortheanalogmeterreading，amethodwasdevelopedbasedontheputer，Houghtransformforpointerinstrumentidentification．ThegaugeboardimagewasgainedfromCCDandtransformedintodigitalsignal，extractingtwopointersbyadjustingtheimageresolutionwithImageSubtraction．ByusingHoughtransformationtopeakdetection，linedetectionandlink，withtransferringthepositionofthebaseline，thedateofpointinstrumenthasbeenidentified．Thehigherprecisionoftheoperatorhasbeenprovedbytheexperiment．Andthemaximumuncertaintyofthepointer＇spositionintheanaloginstrumentsislessthanthedi