CN1773184A - 工业厂房安全节能混合通风控制系统 - Google Patents

Abstract

一种工业厂房安全节能混合通风控制系统，属于通风工程与控制技术领域，包括控制装置、机械通风机、变频器、三个温度传感器、电压和电流传感器。通过监测自然排风温度、室外温度和工业厂房的总输入电功率，根据能量守恒原理、自然通风量计算原理和工业厂房室内安全设定温度来确定工业厂房需要的实时机械通风量的计算公式，并固化在控制装置内，根据风机变频器的频率－风量特性对风机的输入电频率进行合理控制，以实现工业厂房混合通风系统的节能控制。本发明安装维护方便，不仅能确保工业厂房安全运行，而且节能效果非常明显，具有很好的经济效益和社会效益。

Description

工业厂房安全节能混合通风控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种工业厂房的通风控制系统，特别是一种用于有大量室内余热的工业厂房安全节能混合通风控制系统，属于通风工程和控制技术领域。

背景技术

许多工业厂房如变压器室等，布置有很多的发热设备，这些设备在运行当中会产生大量的余热，为防止工业厂房室内温度过高，以确保设备的安全运行，往往需要利用通风对工业厂房进行排热。自然通风是一种不需要任何能量代价的“经济型”通风，在已有技术中，申请号为93222172，授权号为19940713，名称为厂房层顶用自然通风器的实用新型专利；申请号为97228990，授权号为19990317，名称为流线形组合式通风天窗的实用新型专利；申请号为01239076，授权号为20020410，名称为屋面型自然通风器的实用新型专利，基本上是为工业厂房的自然通风设计的。由于受外界诸多因素的干扰，自然通风量往往波动很大，单一的自然通风方式并不能时刻满足工业厂房的排热要求，这时就必须考虑机械通风方式来加强工业厂房的排热，这就是所谓的混合通风方式。目前，许多工业厂房普遍采用了混合通风系统，即同时利用自然通风和机械通风来消除工业厂房内的余热。但在混合通风系统设计时，为了安全起见，自然风量通常取“最不利”的最小风量值，机械通风量则设计得很大，往往要超过实际需求值很多，而在实际运行当中，机械通风机均在设计风量下恒定运行，这样就没有充分发挥自然通风的作用，造成了因机械通风量过大而引起的能量的大量浪费。

发明内容

为了克服已有技术的缺陷与不足，满足我国工业厂房通风系统节能设计的发展需要，本发明设计一种工业厂房安全节能混合通风控制系统，通过监测自然排风温度、室外温度和工业厂房各设备的总输入电功率，根据能量守恒原理、自然通风量计算原理和工业厂房室内安全设定温度来间接确定工业厂房需要的实时机械通风量，然后通过变频器对风机进行变频调节，使工业厂房通风系统在满足生产安全的情况下实现最大程度的节能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括控制装置，机械通风机，变频器，A温度传感器，B温度传感器，C温度传感器，电压传感器，电流传感器，其中，控制装置包括三个温度传感器接口，一个电压传感器接口，一个电流传感器接口，多路温度转换电路，多路温度电压信号放大电路，多路电压整形电路，多路A/D转换电路，CPU数据处理芯片，数据存储芯片，RS-485通讯数据转换芯片和RS-485通讯接口。

根据厂房内设备的布置情况，多台机械通风机安装在具有自然通风结构的工业厂房房顶，并均与变频器连接，A温度传感器位于自然出风屋顶内，B温度传感器位于工业厂房外，C温度传感器位于工业厂房内，电压传感器和电流传感器安装在工业厂房的总输入电路上。A温度传感器、B温度传感器、C温度传感器、电压传感器和电流传感器的信号输出端分别通过相应接口与控制装置的信号输入端连接，风机变频器控制信号的输入端通过RS-485通讯接口与控制装置的信号输出端连接，在控制装置内部，三个温度传感器接口分别与多路温度转换电路的输入端连接，多路温度转换电路的输出端分别与多路温度电压信号放大电路的输入端连接，电压传感器接口和电流传感器接口分别与多路电压整形电路的输入端连接，多路温度电压信号放大电路和多路电压整形电路的输出端分别与多路A/D转换电路的输入端连接，多路A/D转换电路的输出端与CPU数据处理芯片的输入端连接，数据存储芯片、RS-485通讯数据转换芯片分别与CPU数据处理芯片连接，RS-485通讯接口与RS-485通讯数据转换芯片的输出端连接。

在任何情况下，工业厂房所需的机械通风量的计算式推导如下：

根据能量守恒原理，(1)式成立：

Q_n＝G_npc_a(t_p-t_w)+G_jpc_a(t_n-t_w)                (1)

式(1)中，

Q_n——工业厂房的总余热，即需要利用通风排走的热量，kW；

c_a——空气的比热容，kJ/(kg·℃）；

G_jp——工业厂房机械通风量，kg/s；

G_np——工业厂房自然排风量，kg/s；

t_p——工业厂房自然排风温度，由A温度传感器监测得到，℃；

t_w——室外空气温度，由B温度传感器监测得到，℃；

t_n——工业厂房室内空气温度，由C温度传感器监测得到，℃；

(1)式等号右边第一项表示由自然通风排走的热量，(1)式等号右边第二项表示由机械通风排走的热量。

Q_n由(2)式计算：

Q_n＝k_x·U_z·I_z                                 (2)

式(2)中，

I_z——工业厂房各设备的总输入电流，由电流传感器监测得到，A；

U_z——工业厂房各设备的输入电压，由电压传感器监测得到，V；

k_x——与工业厂房内各设备有效散热系数和设备密集程度有关的系数；

工业厂房自然通风量G_np的经验计算式为：

G_np＝k_npH_b(t_n-t_w)                             (3)

式(3)中，

k_np——自然排风系数，根据现场实测数据拟合得到；

H_b——工业厂房进风口和出风口间的垂直高度，m。

将(2)、(3)式代入(1)式，可得工业厂房所需的机械通风量为：

$G_{\mathrm{jp}}=\frac{k_x{U}_z{I}_z}{c_a(t_n-t_w)}-k_{\mathrm{np}}{H}_b(t_p-t_w)---\left(4\right)$

假设工业厂房允许最高室内空气温度为t_n，max，则机械通风量可按下式确定：

式(5)中，G_d为工业厂房设计的机械通风量，kg/s。

将式(5)固化在控制装置的数据存储芯片当中，其中的系数k_x和自然排风系数k_np可根据实际情况确定。

这样，根据A温度传感器、B温度传感器、C温度传感器分别监测得到的工业厂房自然出风温度t_p、室外空气温度t_w和工业厂房室内空气温度t_n，以及由电压传感器和电流传感器监测得到的工业厂房输入总电流I_z和输入电压U_z，可利用控制装置的CPU数据处理芯片根据式(5)计算出工业厂房所需的实时机械通风量G_jp，然后利用控制装置根据风机变频器的风量-频率特性确定工业厂房各通风机的适当输入电频率，最终实现工业厂房混合通风系统的节能运行。

本发明的有益效果：

本发明的工业厂房安全节能混合通风控制系统，安装维护方便，实用性强，能根据实际运行情况预测工业厂房的自然通风量，并合理地确定工业厂房所需的机械通风量，不仅可确保工业厂房安全运行，而且节能效果非常明显，具有很好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明工业厂房安全节能混合通风控制系统示意图。

图2是本发明工业厂房安全节能混合通风控制系统的控制装置结构框图。

图3是本发明工业厂房安全节能混合通风控制系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1，图2所示，本发明包括控制装置3，机械通风机4，变频器5，A温度传感器6，B温度传感器7，C温度传感器8，电压传感器9，电流传感器10，其中，控制装置3包括温度传感器A接口11，温度传感器B接口12，温度传感器C接口13，电压传感器接口14，电流传感器接口15，多路温度转换电路16，多路温度电压信号放大电路17，多路电压整形电路18，多路A/D转换电路19，CPU数据处理芯片20，数据存储芯片21，RS-485通讯数据转换芯片22，RS-485通讯接口23。A温度传感器6、B温度传感器7和C温度传感器8均采用AD590器件；电压传感器9采用CHV-系列闭环霍尔电压传感器；电流传感器10采用CHB-KA系列霍尔大电流传感器；多路A/D转换电路19采用ADC0809；CPU数据处理芯片20采用89C52CPU芯片；数据存储芯片21采用93C46芯片。

如图1所示，工业厂房1具有自然通风结构，机械通风机4根据厂房内设备的布置情况安装在工业厂房1房顶，并与变频器5连接，A温度传感器6位于自然出风屋顶2内，用于监测自然出风温度，B温度传感器7位于工业厂房外，用于监测室外空气温度，为避免太阳辐射的影响，B温度传感器7外设有防辐射外壳，C温度传感器8位于工业厂房内，用于监测工业厂房室内空气温度，电压传感器9和电流传感器10分别安装在工业厂房的总输入电路上，用于监测工业厂房的总电输入功率，A温度传感器6、B温度传感器7、C温度传感器8、电压传感器9和电流传感器10的信号输出端分别与温度传感器A接口11、温度传感器B接口12、温度传感器C接口13、电压传感器接口14和电流传感器接口15连接，变频器5的控制信号输入端通过RS-485通信总线与RS-485通讯接口23连接，

如图2所示，温度传感器A接口11、温度传感器B接口12和温度传感器C接口13分别与多路温度转换电路16的输入端连接，多路温度转换电路16的输出端分别与多路温度电压信号放大电路17的输入端连接，电压传感器接口14和电流传感器接口15分别与多路电压整形电路18的输入端连接，多路温度电压信号放大电路17和多路电压整形电路18的输出端分别与多路A/D转换电路19的输入端连接，多路A/D转换电路19的输出端与CPU数据处理芯片20的输入端连接，数据存储芯片21、RS-485通讯数据转换芯片22分别与CPU数据处理芯片20连接，RS-485通讯接口23与RS-485通讯数据转换芯片22的输出端连接。

如图3所示，由A温度传感器6、B温度传感器7和C温度传感器8得到的温度信号通过多路温度转换电路16后，变成幅度5V，脉宽20MS的标准电脉冲信号，这种信号分别经过温度电压信号放大电路17处理后，经接口电路送入多路A/D转换电路19进行模数转换后，再送给CPU数据处理芯片20进行处理；由电压传感器9和电流传感器10监测到的电压信号和电流信号通过多路电压整形电路18后变成幅度5V，脉宽20MS的标准电脉冲信号，由A/D转换电路19进行模数转换后送入CPU数据处理芯片20进行处理。

将工业厂房需要的机械通风量的计算式(5)固化在数据存储芯片21中，计算式(5)描述如下：

式中，

c_a——空气的比热容，kJ/(kg·℃)，取1.01；

G_jp——工业厂房机械通风量，kg/s；

G_np——工业厂房自然排风量，kg/s；

t_p——工业厂房自然出风温度，由A温度传感器监测得到，℃；

t_w——室外空气温度，由B温度传感器监测得到，℃；

t_n——工业厂房室内空气温度，由C温度传感器监测得到，℃；

t_n，max——工业厂房允许最高室内空气温度，℃；

I_z——工业厂房各设备的总输入电流，由电流传感器监测得到，A；

U_z——工业厂房各设备的输入电压，由电压传感器监测得到，V；

k_x——与工业厂房内各设备有效散热系数和设备密集程度有关的系数，一般取0.6-1.0；

k_np——自然排风系数，根据现场实测数据拟合得到；

数据存储芯片21具有可擦写功能，以便(5)式中的系数k_x和自然排风系数k_np的设定。

由A温度传感器6、B温度传感器7、C温度传感器8、电压传感器9和电流传感器10分别监测到的物理信号通过控制器3中的电路转换成相应的数字信号，这些数字信号送入CPU数据处理芯片20中，并根据公式(5)计算出工业厂房需要的机械通风量，然后由风机变频器的变频-风量特性确定风机的适当输入电频率，通过RS-485通讯接口23对风机变频器5进行电频率参数设定，最终实现工业厂房混合通风系统的节能运行。

Claims (4)

1.一种工业厂房安全节能混合通风控制系统，包括控制装置(3)，机械通风机(4)，变频器(5)，A温度传感器(6)，B温度传感器(7)，C温度传感器(8)，电压传感器(9)，电流传感器(10)，其中，控制装置(3)包括温度传感器A接口(11)，温度传感器B接口(12)，温度传感器C接口(13)，电压传感器接口(14)，电流传感器接口(15)，多路温度转换电路(16)，多路温度电压信号放大电路(17)，多路电压整形电路(18)，多路A/D转换电路(19)，CPU数据处理芯片(20)，数据存储芯片(21)，RS-485通讯数据转换芯片(22)，RS-485通讯接口(23)，其特征在于通过监测自然排风温度、室外温度和工业厂房(1)的总输入电功率，根据能量守恒原理、自然通风量计算原理和工业厂房(1)室内安全设定温度来间接确定工业厂房(1)需要的实时机械通风量，并根据风机变频器的频率-风量特性对风机的输入电频率进行合理控制，以实现工业厂房混合通风系统的节能控制，工业厂房(1)具有自然通风结构，机械通风机(4)安装在工业厂房(1)房顶，并与变频器(5)连接，A温度传感器(6)位于自然出风屋顶(2)内，B温度传感器(7)位于工业厂房(1)外，C温度传感器(8)位于工业厂房(1)内，电压传感器(9)和电流传感器(10)分别安装在工业厂房(1)的总输入电路上，A温度传感器(6)、B温度传感器(7)、C温度传感器(8)、电压传感器(9)和电流传感器(10)的输出端分别与温度传感器A接口(11)、温度传感器B接口(12)、温度传感器C接口(13)、电压传感器接口(14)和电流传感器接口(15)连接，变频器(5)的控制信号输入端通过RS-485通信总线与RS-485通讯接口(23)连接，工业厂房(1)需要的机械通风量的计算式(5)固化在控制装置(3)的数据存储芯片(21)中，计算式(5)描述如下：

式中，

c_a——空气的比热容，kJ/(kg·℃)，取1.01；

G_jp——工业厂房机械通风量，kg/s

G_np——工业厂房自然排风量，kg/s；

t_p——工业厂房自然出风温度，由A温度传感器监测得到，℃；

t_w——室外空气温度，由B温度传感器监测得到，℃；

t_n——工业厂房室内空气温度，由C温度传感器监测得到，℃；

t_n，max——工业厂房允许最高室内空气温度，℃；

I_z——工业厂房各设备的总输入电流，由电流传感器监测得到，A；

U_z——工业厂房各设备的输入电压，由电压传感器监测得到，V；

k_x——与工业厂房内各设备有效散热系数和设备密集程度有关的系数，一般取0.6-1.0；

k_np——自然排风系数，根据现场实测数据拟合得到；

2.根据权利要求1所述的工业厂房安全节能混合通风控制系统，其特征是所述的控制装置(3)中，温度传感器A接口(11)、温度传感器B接口(12)和温度传感器C接口(13)分别与多路温度转换电路(16)的输入端连接，多路温度转换电路(16)的输出端分别与多路温度电压信号放大电路(17)的输入端连接，电压传感器接口(14)和电流传感器接口(15)分别与多路电压整形电路(18)的输入端连接，多路温度电压信号放大电路(17)和多路电压整形电路(18)的输出端分别与多路A/D转换电路(19)的输入端连接，多路A/D转换电路(19)的输出端与CPU数据处理芯片(20)的输入端连接，数据存储芯片(21)、RS-485通讯数据转换芯片(22)分别与CPU数据处理芯片(20)连接，RS-485通讯接口(23)与RS-485通讯数据转换芯片(22)的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的工业厂房安全节能混合通风控制系统，其特征是所述的A温度传感器(6)、B温度传感器(7)和C温度传感器(8)均采用AD590器件，电压传感器(9)采用CHV-系列闭环霍尔电压传感器，电流传感器(10)采用CHB-KA系列霍尔大电流传感器，多路A/D转换电路(19)采用ADC0809，CPU数据处理芯片(20)采用89C52CPU芯片，数据存储芯片(21)采用93C46芯片。

4.根据权利要求1所述的工业厂房安全节能混合通风控制系统，其特征是B温度传感器(7)外设有防辐射外壳，数据存储芯片(21)具有可擦写功能。

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