Разработка конструкции лабораторного стенда систем обработки воздуха для проведения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик отдельных элементов системы воздуховодов

В настоящее время в сфере высшего образования по направлению инженерных специальностей прослеживается тенденция уменьшения учебных часов для проведения лабораторных занятий в пользу теоретических лекций и практик. Данная тенденция затронула и направление «Теплогазоснабжение и вентиляция». Проведя анализ учебного плана подготовки бакалавров и магистров по направлению «Теплогазоснабжение и вентиляция» ИСИ СФУ целесообразно сделать следующие выводы: по направлению подготовки бакалавров выделено 3768 часов обучения, из которых 1394 часов отведено на лекции; 2032 часа отведено на практические занятия и 542 часа отведено на лабораторные работы, из которых только 36 часов выделено на проведение лабораторных работ по одному профильному предмету. Та же ситуация прослеживается в направлении магистратуры, из общих 656 часов обучения, на лабораторные работы выделено всего 16 часов для одного профильного предмета.

Данная ситуация не может не волновать, так как отсутствие лабораторных работ сильно сказывается на качестве образования будущих специалистов в сфере ТГВ. Проведение лабораторных работ по профильным предметам дает более обширные практические и теоретические знания для студентов.

В составе материально-технической базы ИСИ кафедры "ИСЗиС" находится лабораторная приточно-вытяжная установка, оборудованная всевозможными агрегатами для создания различных процессов обработки воздуха. Реализована данная установка в 2011 г. и после этого так и не включена в учебный процесс. Наличие лабораторной установки является ключевым фактором в решении проблемы отсутствия лабораторных работ по направлению обучения «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Цель настоящей работы: разработать (переработать) конструкцию лабораторного стенда на основе существующей приточно-вытяжной установки с комплектом автоматики, также разработать новую схему управления (автоматизации), подходящую для проведения экспериментальных исследований студентами профильного направления.

Для начального этапа выполнения работы нами была обследована существующая приточно-вытяжная установка. В состав приточной части установки входят следующие агрегаты: воздушный клапан, кассетный и карманный фильтры, теплообменник рекуператора с промежуточным теплоносителем, секция рециркуляции, водяной калорифер для зимнего режима работы, камера орошения, водяной поверхностный воздухоохладитель, водяной калорифер для летнего режима работы, канальный вентилятор и секция шумоглушения.  Внешний вид установки представлен на Рис. 1.

Рисунок. 1 Приточная установка: 1 – секция кассетного и карманного фильтров; 2 – клапан рециркуляции воздуха; 3 – теплообменник рекуператора; 4 – водяной калорифер; 5 – камера орошения; 6 – водяной воздухоохладитель; 7 – секция вентилятора и шумоглушителя. 8 – узел регулирования для водяного калорифера

Управления приточно-вытяжной установкой осуществляется за счет шкафа управления системы автоматизации на основе контроллера «SMH 2010» производства «Segnetics». Управление вентиляторами приточной и вытяжной части осуществляется при помощи частотных преобразователей «Schneider Electric». Принципиальная схема установки отображена на Рис. 2.

Рисунок. 2 Принципиальная схема приточно-вытяжной установки

Логика работы установки сводится к поддержанию заданных параметров воздуха, т.е. у нас нет возможности раздельного управления основными агрегатами установки без использования головного контроллера. В данном виде существующая установка не подходит для проведения экспериментальных исследований.

Следующим этапом, после обследования существующей установки, идет разработка новой вариации установки, подходящей для выполнения экспериментальных исследований.

Нами предлагается оставить в качестве главного органа управления щит автоматизации, но необходимо заменить устаревший контроллер «SMH 2010» на контроллер нового поколения «SMH2G» производства «Segnetics». Технические возможности данного контроллера позволяют управлять установкой, как в режиме поддерживания заданных параметров, так и в режиме коммутации и управления отдельными агрегатами установки на наш выбор. При этом, данный контроллер позволяет в фоновом и дежурном режимах контролировать параметры воздуха, отвечающие за работоспособность стенда, т.е. при нарушении режима эксплуатации стенда контроллер отключает используемые агрегаты и переходит в аварийный, тем самым защищая стенд от механических повреждений.

На данном этапе научно-исследовательской работы, возможности предложенного нами варианта щита автоматизации на базе контроллера «SMH2G» рассматриваются только для выполнения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик отдельных элементов системы воздуховодов. В рамках экспериментальных исследований необходимо использовать только некоторые агрегаты из состава стенда. Принципиальная схема используемых агрегатов представлена на Рис. 3.

Рисунок. 3 Принципиальная схема лабораторного стенда для выполнения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик отдельных элементов системы воздуховодов

Проведение экспериментальных исследований для данной вариации лабораторного стенда предполагается с использованием только ручного режима управления агрегатами лабораторного стенда. Принципиальная схема автоматизации для ручного режима управления представлена на Рис. 4.

Рисунок. 4 Принципиальная схема автоматизации лабораторного стенда для выполнения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик отдельных элементов системы воздуховодов

Щит автоматизации используется в данной конфигурации только для отслеживания параметров температуры обратного теплоносителя водяного калорифера (TS1) и капиллярного термостата (TS2). Отслеживание параметров происходит в фоновом режиме, никак не влияющем на проведение экспериментальных исследований, но при срабатывании TS1 и/или TS2 происходит выключение стенда и переход в аварийный режим.

Ручное управление предусматривается для следующих агрегатов: приводы приточного и вытяжного клапанов 220В, привод клапана рециркуляции 0…10В, привод   3-х ходового смесительного клапана 0…10В, вентиляторы приточной и вытяжной части. Управление приводами клапанов 0…10В предусмотрено с использованием потенциометров. Управление вентиляторами предусмотрено с использованием существующих частотных преобразователей с дополнительной установкой потенциометров для более простого и наглядного управления. Дополнительно предусмотрены показывающие датчики температуры и давления. Для проведения исследований необходимо отслеживать температуру наружного воздуха ТЕ1, температуру приточного воздуха на выходе из установки ТЕ2, температуру обслуживаемого помещения ТЕ3 и температуру вытяжного воздуха ТЕ4, значение полного давления на выходе из приточного вентилятора PЕ1 и на входе вытяжного вентилятора PЕ2. В качестве измеряющих показывающих устройств предусмотрены блоки ТРМ200 и ПД150 производства «ОВЕН». Данные устройства позволяют измерять и показывать температуру/давление в двух разных точках.

В дальнейшем нами планируется реализация предложенных принципиальных схем лабораторного стенда и системы автоматизации на основе материально-технической базы кафедры "ИСЗиС".