Рис. 1. Функциональная схема исследуемой системы
Рис. 2. Экспериментальная зависимость изменения
Рис. 3. Вид и характерные участки переходной функции воздухонагревателя при скачкообразном изменении его мощности при постоянной производительности вентилятора
Рис. 4. Вид и характерные точки переходной функции вентилятора при его постоянной производительности и скачкообразном изменении мощности воздухонагревателя
Относительная избыточная теплота позволяет привести к безразмерному виду и нормировать экспериментальные данные, полученные при различных режимах работы воздухонагревателя и вентилятора, а также выявить основные режимы работы и соответствующие им виды переходных процессов. В работе приведены обобщенные графики переходных процессов и функциональная схема исследуемой системы.
В основу построения интеллектуального управления системами обеспечения микроклимата (СОМ) должны быть положены знания о переходных термодинамических процессах обработки влажного воздуха (далее — переходные процессы), протекающих в элементах СОМ и в обслуживаемых СОМ помещениях. При изучении переходных процессов особое внимание необходимо обратить на функциональные связи между входными и выходными величинами параметров влажного воздуха — температуры, скорости воздушного потока и его влагосодержания.
Изучение функциональных связей необходимо для идентификации передаточных функций при построении математических (виртуальных) моделей элементов СОМ в различных динамических состояниях. Динамическое состояние элемента СОМ определяется внешними и (или) внутренними возмущениями (скачкообразными или периодическими). Например, для воздухонагревателя к внешним возмущениям можно отнести изменения параметров на входе — рост температуры или скорости воздушного потока.
К внутренним возмущениям — скачок тепловой мощности воздухонагревателя. Для вентилятора изменение температуры на входе — внешнее возмущение, а скачок его производительности — внутреннее. Если при воздействии только внешних возмущений мы наблюдаем реакцию выходных параметров элемента СОМ на изменение входных параметров, то такое состояние можно охарактеризовать как реактивное.
Если же за счет скачка активности элемента СОМ, то есть при воздействии внутренних возмущений, наблюдается изменение только выходных параметров, то в этом случае состояние элемента можно охарактеризовать как активное. В реальных режимах работы СОМ, когда изменяются входные параметры и меняется активность элемента СОМ, его состояние можно охарактеризовать как активно-реактивное.
Задачу идентификации передаточных функций переходных процессов для элементов СОМ, находящихся в различных динамических состояниях, целесообразно решать экспериментально, путем проведения активных натурных исследований. Во-первых, это даст необходимые и как можно более полные знания об элементе СОМ как об объекте управления для построения интеллектуальной системы, ведь имеющейся априорной информации зачастую недостаточно для достижения поставленной цели.
Во-вторых, натурные исследования позволяют получить не только количественно-качественные представления (информацию) об изменяющихся параметрах состояния влажного воздуха при его прохождении через элементы СОМ, но и идентифицировать реальные передаточные функции переходных процессов, что невозможно сделать в полной мере, если анализировать только априорные данные.
Метод идентификации передаточных функций элементов СОМ, основанный на проведении активного эксперимента [1], предполагает измерение входных и выходных параметров воздушного потока под воздействием внешних и внутренних возмущений. При этом динамические свойства объекта исследования не отделяются от динамических свойств измерительной системы.
В качестве объектов экспериментальных исследований были выбраны следующие элементы СОМ — электрический воздухонагреватель и вентилятор как базовые элементы, входящие в состав любой системы обеспечения микроклимата. Функциональная схема исследуемой системы «воздухонагреватель–вентилятор» приведена на рис. 1. Цель экспериментальных исследований заключалась в установлении функциональных связей между параметрами воздушного потока на входе и выходе исследуемых элементов СОМ.
При проведении исследований скачкообразно менялись мощность воздухонагревателя и производительность вентилятора, а параметры воздушного потока (температура, скорость, перепад давления на вентиляторе и относительная влажность) регистрировались эквидистантно с интервалом в 1 с. Производительность вентилятора регулировалась частотным преобразователем AFпр.
Частота электрического тока устанавливалась в диапазоне от 21 до 70 Гц (в долях от максимальной частоты электрического тока это составило от 0,3 до 1). Управление электрическим воздухонагревателем осуществлялось симисторным регулятором электрической мощности AW. Электрическая мощность, потребляемая воздухонагревателем, изменялась в диапазоне от 0,012 до 12 кВт (в долях от максимальной потребляемой электрической мощности по паспорту это составило от 0,01 до 1).
При обработке и анализе экспериментальных данных был введен параметр — относительная избыточная теплота, связывающая параметры влажного воздуха, проходящего через исследуемый элемент СОМ, с его расходом. Введение данного параметра необходимо для обобщения и нормирования экспериментальных данных и выявления функциональных связей между входными и выходными параметрами.
В работе [2] были приведены расчетные формулы для вычисления по экспериментальным данным относительной избыточной теплоты, выделяемой (или поглощаемой) воздухонагревателем и вентилятором, относительной избыточной теплоты воздуха помещения, учитывающей его аккумулирующую и ассимилирующую способности. Изменение во времени τ относительной избыточной теплоты, выделяемой воздухонагревателем, рассчитывалась как:
где Qвн тек , Qвн нач , Qвн кон — это теплота, выделяемая воздухонагревателем как в текущий момент времени τ, так и при τ = 0 и τ = 500 c, Вт.
В результате проведенных исследований были получены экспериментальные зависимости переходных процессов при совместной работе электрического воздухонагревателя и приточного центробежного канального вентилятора. В этой работе на рис. 2 представлены осредненные результаты обработки экспериментальных данных в виде изменения обобщающего параметра во времени при совместной работе вентилятора и воздухонагревателя при скачкообразном нагреве воздуха одной из экспериментальных серий.
Следовательно, воздухонагреватель является активным элементом исследуемой системы, а вентилятор — реактивным. На рис. 2 отражены зависимости изменения относительной избыточной теплоты: Qн отн.вн (выделяемой воздухонагревателем), Qн отн.вент (поглощаемой вентилятором) и Qн отн.пом (поглощаемой помещением) при скачкообразном нагревании воздуха в воздухонагревателе от времени τ.
Экспериментальные зависимости рассматриваемой серии соответствуют режиму работы вентилятора при частоте электрического тока 49 Гц (в долях 0,7) и скачкообразному изменению потребляемой электрической мощности на 4,8 кВт (в долях 0,4) воздухонагревателя от 3,6 кВт (в долях 0,3) в начальный момент времени до 8,4 кВт (в долях 0,7). Проанализируем переходный процесс, изображенный на рис. 2–4.
Разогрев воздуха нагревательными элементами (НЭ) электрического воздухонагревателя характеризуется кривой Qн отн.вн, на которой можно выделить четыре характерных участка (рис. 3). Временные границы участков показаны ориентировочно, и они зависят от конкретного режима совместной работы электрического воздухонагревателя и приточного центробежного канального вентилятора.
На первом участке прирост функции Qн отн.вент (рис. 3) незначителен, текущие тепловыделения воздухонагревателя Qвн тек приблизительно равны начальным тепловыделениям Qвн нач (рис. 3). Продолжительность начального участка зависит от уставки симисторного регулятора мощности AW. На втором участке прирост Qн отн.вн резко нарастает, то есть происходит увеличение теплоотдачи воздухонагревателя за счет быстрого увеличения температуры НЭ. На третьем участке прирост Qн отн.вн примерно постоянен.
На четвертом участке происходит замедление темпов роста, и зависимость Qн отн.вн плавно приближается к +1, что свидетельствует о стабилизации процесса нагрева воздуха (Qвн тек = Qвн кон ). Знак «плюс» перед единицей означает то, что в конце процесса элемент системы выделяет большее количество теплоты, чем перед скачкообразным увеличением мощности воздухонагревателя, то есть Qвн кон > Qвн нач .
Полученная конфигурация экспериментальной кривой напоминает латинскую букву S. Экспериментальная кривая изменения относительной избыточной теплоты, поглощаемой вентилятором при постоянной производительности и скачкообразном нагревании потока воздуха в воздухонагревателе, представлена на рис. 4. Характер изменения этой кривой более сложный, чем у воздухонагревателя.
Относительная сложность вида переходной функции вентилятора является следствием того, что: вентилятор является источником собственных тепловыделений, зависящих от его производительности и развиваемого им давления, а также от температуры перемещаемого воздуха; вентилятор обладает значительной тепловой инерционностью за счет существенной массы входящих в него конструктивных элементов — электродвигателя, рабочего колеса и корпуса.
На экспериментальной кривой, приведенной на рис. 4, можно выделить восемь характерных точек и семь участков. На первом участке (от точки 1 до точки 2) убывание функции Qн отн.вент незначительно, то есть Qве тек нт ≈ Qве нач нт. Длительность начального участка зависит от времени разогрева воздухонагревателя. На втором участке (от точки 2 до точки 3) убывание Qн отн.вент быстро нарастает, то есть происходит активное поглощение теплоты вентилятором на прогрев конструктивных элементов (ротора, статора, рабочего колеса).
На это указывает то, что температура за вентилятором t8 растет медленнее, чем t7 перед ним. На третьем участке (от точки 3 до точки 4) убывание Qн отн.вент примерно постоянно, то есть продолжается «прогрев» конструктивных элементов вентилятора, но уже не такой интенсивный, как на предыдущем участке. Темп роста t8 увеличивается. В конце рассматриваемого участка (точка 4) Qтек вент = Qкон вент, а значит, Qн отн.вент достигает –1.
Знак «минус» означает, что вентилятор поглощает теплоту от воздухонагревателя на собственный нагрев, то есть Qкон вент < Qнач вент. На четвертом участке (от точки 4 до точки 5) значение Qн отн.вент = –1 в точке 4, а в точке 5 Qтек вент = 0, так как t8 = t7, то есть температура перед вентилятором, повышаясь, достигает температуры за ним. На пятом участке (от точки 5 до точки 6) происходит дальнейшее повышение температуры перед вентилятором и t7 > t8, следовательно, Qтек вент < 0. В точке 6 функция Qн отн.вент достигает своего минимума, то есть точка 6 является точкой экстремума Qтек вент = min.
При этом (рис. 4) разница температур Δtвент = t8 – t7 минимальна и отрицательна, а интенсивность поглощения теплоты вентилятором меняет свой знак на «минус». На шестом участке (от точки 6 до точки 7) интенсивность поглощения теплоты вентилятором продолжает уменьшаться, и об этом свидетельствует возрастание значений Qн отн.вент.
В точке 7, как и в точке 5, Qтек вент = 0, то есть температура за вентилятором, повышаясь, достигает температуры перед ним. На седьмом участке (от точки 7 до точки 8) интенсивность поглощения теплоты вентилятором приближается к нулю, то есть Qтек вент стремится к значению Qкон вент, а Qн отн.вент — к –1. Знак «минус» перед единицей на этом участке означает то, что тепловыделение вентилятора в конце процесса стабилизации меньше, чем в начале, то есть Qкон вент < Qнач вент.
Это объясняется снижением собственных тепловыделений вентилятора при повышении температуры воздуха, проходящего через него, то есть снижением температурного напора.
Выводы
Анализ экспериментальных данных показал, что в вышеописанном переходном скачкообразном процессе активному состоянию воздухонагревателя и реактивному состоянию вентилятора соответствует определенный вид передаточной функции, определенной через относительную избыточную теплоту, вне зависимости от объекта исследования — будь то воздухонагреватель или вентилятор.
Целью дальнейших экспериментальных исследований является изучение последовательности скачкообразных изменений мощности воздухонагревателя и производительности вентилятора намного ранее момента стабилизации параметров воздушного потока за исследуемыми объектами. Данный этап исследований крайне необходим для понимания и последующего математического описания процессов изменения параметров воздушного потока при наложении скачкообразных изменений мощности воздухонагревателя и производительности вентилятора друг на друга.
