Разработка автономной системы охлаждения лабораторного холодильника

Актуальность

Одной из программ по сохранению водных ресурсов служит рациональное водопользование – комплекс мер по уменьшению потребления воды и повышению эффективности переработки сточных вод в целях ресурсосбережения, охраны природы и для повышения экономической эффективности в промышленности, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве.

Каждый современный человек обязан рационально использовать воду и охранять от загрязнений водные объекты не только в быту, но и на производстве.

При проведении опыта прямой перегонки в школьной лаборатории обнаружилась проблема нерационального использования воды. В настоящее время для охлаждения лабораторного холодильника используется проточная холодная вода из системы общего водоснабжения. После прохождения через рубашку холодильника вода сливается в канализацию. Данный способ охлаждения является нерациональным с точки зрения сбережения важнейшего природного ресурса – воды.

Процесс перегонки играет важную роль в фармацевтической промышленности при производстве лекарственных средств и проводится для различных целей: разделение, замена растворителя, сушка от воды, очистка от летучих или нелетучих примесей и кристаллизация. Дистилляцию (перегонку) применяют также для выделения витаминов из рыбьего жира и различных растительных масел.

В настоящем проекте предлагается отказаться от использования проточной холодной воды при охлаждении холодильника в процессе прямой перегонки и применить установку автономной системы охлаждения.

Цель

Создать автономную систему охлаждения лабораторного холодильника, управление которой должно осуществляться при помощи микроконтроллера.

Задачи

1. Подбор технологического оборудования.
2. Выбор управляющего устройства и электронных компонентов.
3. Разработка схемы подключения внешних устройств и написание программного кода для управляющего микроконтроллера.
4. Определение энергоэффективности системы охлаждения холодильника при традиционной схеме подключения проточной холодной воды и при использовании установки автономной системы охлаждения.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер с установленным ПО (Arduino IDE, Fritzing)
• Накопительная ёмкость (резервуар) с насосом CP-PA-X-CT60-V2
• Алюминиевый радиатор для вентилятора 120 мм
• Шланг из полиуретана (9,5 / 12,7 мм)
• Вентилятор Aerocool Frost 12 PWM с регулируемой частотой вращения (PWM) 120 мм
• Охлаждающая жидкость (ОЖ) с антифризом Freecor NRC
• Система Arduino Uno R3 со встроенным микроконтроллером
• Блок питания 12 В, 4А OSNOVO PS-12048
• Печатная плата Arduino Proto Shield
• Герметичный датчик температуры DS18B20
• Символьный дисплей LCD1602 с голубой подсветкой
• Инкрементальный энкодер KY-040
• Узкая светодиодная лента WS2812B
• Коробка с прозрачной крышкой SABP101006T (Ensto)
• Датчик температуры DS18B20

Описание

На первом этапе собрали схему управления частотой вращения вентилятора при вращении ручки потенциометра. На потенциометр подали 5 В со встроенного преобразователя напряжения в Arduino Uno. Питание самого Arduino Uno осуществлялось от внешнего источника питания 12 В, это необходимое условие для работы вентилятора с управляемой частотой вращения PWM.

На следующем этапе авторы доработали предыдущий проект и подключили к цифровому входу Arduino Uno сигнал со встроенного в вентилятор тахометра. Тахометр подключался ко входу Arduino при помощи подтягивающего резистора 4,7 кОм. Тахометр выдавал два импульса на один оборот вентилятора. Считывания сигнала тахометра авторы производили, используя аппаратные прерывания Arduino Uno, позволяющие при появлении импульса от тахометра выполнять программу асинхронно. Подсчитав количество импульсов за 1 сек и рассчитав количество оборотов вентилятора в минуту, авторы смогли построить график зависимости частоты вращения вентилятора от значения ШИМ.

На следующем этапе авторы подключили цифровой датчик температур DS18B20. Датчик DS18B20 способен считывать показания температуры в диапазоне от −55° до +125 °C и передавать данные в Arduino всего по одному проводу (через один цифровой вход). Датчик общается с управляющей платой по протоколу 1-wire. Для работы датчика требовалось установить две библиотеки: OneWire и DallasTemperature через менеджер библиотек Arduino IDE.

Продолжая улучшать схему, авторы на четвёртом этапе подключили дисплей LCD1602 по шине I²C. LCD1602 – жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display), экран которого способен отображать одновременно до 32 символов (2 строки по 16 символов). Напряжение питания дисплея – 5 В. Дооснастив дисплей платой-конвертером PCF8574 для преобразования параллельного 8-битного интерфейса дисплея в шину I²C, можно значительно облегчить подключение дисплея к Arduino.

На пятом и шестом этапах авторы подключили инкрементальный энкодер KY-040 и светодиодную ленту WS2812B. На заключительном этапе получили монтажную схему (см. рисунок).

После запуска программы выяснилось, что анимация светодиодной ленты работает с большой задержкой. Оказалось, что это вина библиотеки DallasTemperature, предназначенной для работы с цифровым датчиком температуры DS18B20. Так как запрос на измерение выполнялся в каждом цикле программы, то и задержка очень была заметна. Проблема была решена – запрос на измерение температуры решено отправлять не в каждом цикле, а через определённое количество миллисекунд.

После отладки программы авторы приступили к монтажу электронных компонентов на плату Arduino Proto Shield, которая затем вставлялась сверху в контакты Arduino Uno. После установки LCD-дисплея и энкодера на прозрачную крышку корпуса коробки, внутрь корпуса были помещены собранные компоненты, а провода выведены наружу из корпуса коробки.

Далее была собрана полная технологическая установка охлаждения – резервуар с насосом, вентилятор с защитной решёткой, кронштейн крепления вентилятора, фитинги крепления шланга, защитный клапан выравнивания давления с окружающей средой, соединительные шланги. Внутри резервуара разместили термометр, кабель которого закрепили в герметичном кабельном вводе.

После соединения управляющего устройства с внешними устройствами – насосом, термометром и вентилятором – залили ОЖ и проверили работоспособность и энергоэффективность установки.

Цели и задачи, поставленные в проекте выполнены, собрана технологическая установка. На каждом этапе разрабатывалась монтажная схема узла, написан программный код в среде Arduino IDE, проверена работоспособность.

Результаты работы/выводы

В проекте была успешно разработана и испытана установка автономной системы охлаждения лабораторного холодильника, которая может применяться в процессе прямой перегонки.

Использование установки автономной системы охлаждения позволяет экономить важнейший природный ресурс – пресную воду, а также значительно снижает стоимость проведения перегонки.

Применение установки автономной системы охлаждения по стоимости более чем в 100 раз выгоднее традиционного охлаждения проточной водой.

Установка в дальнейшем будет работать в школьном кабинете химии.

Перспективы использования результатов работы

Работа над проектом продолжается. По уже полученным рекомендациям в новой версии прибора планируется переработать его дизайн, скорректировать его размер, расширить функциональность.