POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Seminarium z Automatyki Chłodniczej i Klimatyzacyjnej TEMAT: SYSTEMY REGULACJI WILGOTNOŚCI POWIETRZA W OBIEKTACH KLIMATYZACYJNYCH Wykonał: Arkadiusz Jankowski Sem. IX SUChKl

2 1. Komfort cieplny Komfort cieplny jest to stan, w którym człowiek czuje, Ŝe jego organizm znajduje się w stanie zrównowaŝonego bilansu cieplnego, tzn. nie odczuwa ani uczucia ciepła, ani zimna. Dodatkowo komfort termiczny oznacza, Ŝe nie występuje Ŝadne niepoŝądane nagrzewanie lub chłodzenie poszczególnych części ciała, na przykład chłodzenie karku i szyi przez przeciągi, czy nagrzewanie nóg przez ciepło promieniujące ze zbyt ciepłej podłogi. W przypadku pomieszczeń określenie uczucia komfortu jest problematyczne, gdyŝ jest ono odczuwane indywidualnie i subiektywnie. Ideałem byłby system gwarantujący jak najmniejszy procent ludzi niezadowolonych z panujących warunków. Parametry określające komfort cieplny: temperatura, wilgotność, prędkość poruszania się powietrza, czystość powietrza, temperatura otaczających powierzchni przegród budowlanych i przedmiotów. 2. Wilgotność powietrza Wilgotność powietrza jest to zawartość pary wodnej w powietrzu. Maksymalna wilgotność, czyli maksymalna ilość pary wodnej w określonej ilości powietrza silnie zaleŝy od temperatury powietrza. Im wyŝsza temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej moŝe się w nim znajdować (rys.1.). Rys.1. Maksymalna zawartość wody (g/m³) w powietrzu w zaleŝności od jego temperatury Wilgotność charakteryzuje się na róŝne sposoby. Najpopularniejsze to: wilgotność bezwzględna - masa pary wodnej wyraŝona w gramach zawarta w 1 m³ powietrza,

3 wilgotność właściwa - masa pary wodnej wyraŝona w gramach zawarta w 1 kg powietrza (powietrza waŝonego razem z parą wodną), wilgotność względna - wyraŝony w procentach stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do pręŝności pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze, pręŝność pary wodnej - ciśnienie parcjalne (cząstkowe), wywierane przez parę wodną w powietrzu. 3. Klimatyzacja budynków Zalecane temperatury i wilgotności powietrza wewnątrz pomieszczeń wentylowanych i klimatyzowanych, które są przeznaczone do stałego przebywania ludzi ustala w Polsce norma PN78/B naleŝąca do grupy katalogowej Wentylacja i klimatyzacja. W tabeli 1 podano jakich wilgotności względnych powietrza wewnętrznego naleŝy nie przekraczać, uwzględniając izolacyjność cieplną ścian zewnętrznych pomieszczenia wyraŝoną przez kmax. Tabela 1. Wilgotność względna optymalna w pomieszczeniach ograniczonych przegrodami o róŝnym współczynniku przenikania ciepła (izolacja A lub B) przy róŝnych temperaturach tz [1] Izolacja A (kmax 5,2 W/m 2 K) Wilgotność względna [%] Izolacja B (kmax 3,5 W/m 2 K) Wilgotność względna [%] Temperatura zewnętrzna [ o C] , , , , , Wilgotność względna w budynkach uŝyteczności publicznej powinna zawierać się w granicach 30 60%. W tym zakresie okres Ŝycia bakterii, wirusów i roztoczy jest najkrótszy i obniŝa się moŝliwość infekcji oddechowych. Zalecane temperatury i wilgotności względne obliczeniowe w budynkach publicznych pokazuje tabela 2. Tabela 2. Zalecane parametry środowiska termicznego wewnątrz budynków publicznych

4 Wymagane parametry powietrza w gałęziach przemysłu, w których parametrem decydującym o prawidłowym przebiegu procesu produkcyjnego jest wilgotność, podano w tabeli 3. Tabela 3. Wymagane temperatury i wilgotności w pomieszczeniach przemysłowych

5 4. Przegląd urządzeń do pomiaru wilgotności powietrza Obecne dostępne na rynku przyrządy do pomiaru wilgotności lub teŝ stanu psychrometrycznego wilgotnego powietrza nazywa się higrometrami (niezaleŝnie od jednostki miary w jakiej jest wyraŝona wilgotność powietrza).

6 a) Psychrometry Budowa psychrometru aspiracyjnego Assmanna: 1 - termometr suchy, 2 - termometr wilgotny, 3 - tkanina zwilŝająca, 4 - kanał przepływu powietrza, 5 wentylator promieniowy 6 urządzenie napędowe wentylatora (spręŝyna lub silniczek elektryczny) Rys.2. Schemat psychrometru aspiracyjnego Dzięki zastosowaniu wentylatora promieniowego (5) mierzy się temperaturę powietrza przy stałej prędkości przepływu powietrza równej 2,5m/s. Stała prędkość przepływu powietrza zapewnia duŝą dokładność pomiaru. Aby wykonać taki pomiar, naleŝy zwilŝyć tkaninę wodą destylowaną za pomocą pipetki, włączyć wentylator oraz odczytać wskazania termometrów po ustaleniu się temperatury. Wilgotność względną powietrza odczytuje się z wykresu lub z tablic psychrometrycznych. Tabela 4. Zalety i wady psychrometru aspiracyjnego Zalety Wady Prosta konstrukcja Trudność dokładnego zmierzenia wilgotności poniŝej punktu zamarzania Dokładny pomiar, poniewaŝ Skomplikowany pomiar oraz prędkość wiatru jest stała ograniczenie w stosowaniu w utrzymywana na poziomie 2,5 m/s. automatycznych układach Tani Czuły na promieniowanie zewnętrzne Stabilizacja dokładnego pomiaru wymaga czasu, 10 do 15 minut

7 Rys.3. Psychrometr LB-754P z lewej i panel LB-707 z funkcją SMS i GPRS z prawej b) Czujniki elektryczne Czujniki te oparte są na zastosowaniu substancji lub teŝ złoŝonych kładów, które tracą lub absorbują wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co przyczynia się na zmianę ich właściwości elektrycznych (impedancji, pojemności elektrycznej lub innych parametrach elektrycznych). Czujniki rezystancji Dunmor a Został on wynaleziony w 1983r., a składa się z dwóch elektrod, które są naniesione na płytkę pokrytą warstwą z utrwalonym 2 5% roztworem chlorku litu. Rys.4. Czujnik Dymnore a Czujniki elektroniczne z warstwą higroskopijną z ograniczonego polimeru Czujniki tego typy działają na zasadzie przewodzenia jonowego lub elektronowego. Posiadają one zwykle układ scalony do formowania sygnału i wprowadzania poprawek temperaturowych. Urządzenia te mają małe wymiary, niską cenę i szybkie czasy odpowiedzi. Są one dokładne w całym zakresie wilgotności względnej oprócz zakresu niskich wilgotności (1 15%). Czujniki elektryczne z Ŝywicą jonowymienną Stosuje się tutaj polimery o wysokiej względnej masie molowej, która zawiera grupy polarne z ujemnymi lub dodatnimi ładunkami w strukturze usieciowanej. Z tymi grupami związane są jony o przeciwnych ładunkach przytrzymywane siłami elektrostatycznymi. W obecności wody lub pary wodnej te wiązania stają sie mobilne i w poprzek warstwy polimerów wykryć moŝna napięcie elektryczne tworzone przez jony zdolne do przewodzenia elektrolitycznego. Zaletą tego rodzaju czujników jest szeroki zakres pomiarowy wilgotności względnej (od 15 do 95%). Czujniki impedancyjne z porowatą ceramika Wykorzystuje się tutaj elektroniczną technikę pomiarową do wyznaczania charakterystyki absorpcji wody zaabsorbowanej na warstwie tlenku ceramicznego stanowiącego czynna warstwę czujnika. Zjawisko przewodzenia jonowego powstaje dzięki procesowi dysocjacji cząsteczek

8 wody tworzących czynne powierzchniowo grupy hydroksylowe. Dysocjacja powoduje migrację protonów, dzięki czemu impedancja czujnika wzrasta lub maleje. Do zalet takich czujników naleŝy wymienić, Ŝe są one bardzo czułe, odporne na zanieczyszczenia i wysokie temperatury (200 o C) i mogą one zostać zmoczone bez utraty własności pomiarowych. Czujniki pojemnościowe z tlenkiem glinu Tutaj czujnikiem jest płytka aluminiowa z naniesioną elektrolitycznie warstwą tlenku glinu o duŝej higroskopijności. Rys.5. Czujnik z tlenkiem gliny: model strukturalny i układ zastępczy czujnika. c) Czujniki mechaniczne Mechaniczne czujniki sorpcyjne wykorzystują zjawisko zmiany wymiarów materiałów organicznych pod wpływem zmian wilgotności otoczenia, wskutek zachodzenia procesów sorpcji i desorpcji wilgoci. Jako elementy wydłuŝające się stosuje się obecnie włosy, drewno i papier. Czujniki te cechuje nieliniowość, histereza oraz brak moŝliwości ich wykorzystywania w ujemnych temperaturach. Zaletą takich czujników jest ich niski koszt oraz fakt, Ŝe wynik podawany jest bezpośrednio. Rys.6. Zasada działania higrostatu włosowego d) Higrometry punku rosy Są to przyrządy wskazujące temperaturę, w której rozpoczyna się proces kondensacji pary wodnej w postaci rosy lub szronu w temperaturach ujemnych.

9 Rys.7. Termohigrometr HD200 i dodatkowa sonda kontaktowa STPC150SP (Pt100 w wykonaniu z płaską główką, z przewodem elastycznym) Higrometry punktu rosy z ogrzewanym roztworem chlorku litu Czujnik ten zawiera termometr oporowy (1) oraz elektrody (2) włączone w układ elektryczny zasilany prądem zmiennym o napięciu 24V. Termometr umieszczony jest w cylindrze ochronnym (3) pokrytym warstwą tkaniny szklanej (4), na której są nawinięte elektrody ze srebrnych Lu platynowych drutów. Tkanina jest zwilŝona nasyconym roztworem chlorku litu. Zaletą tych czujników jest prosta konstrukcja, łatwość regeneracji moŝliwość zdalnych pomiarów i łatwość współpracy z systemem regulacji. e) Termohigrometry Są to przyrządy do jednoczesnego pomiaru temperatury i wilgotności względnej powietrza. Pomiar tych dwóch wielkości w jednym miejscu jest wykorzystywany do wyznaczenia wilgotności bezwzględnej powietrza oraz innych parametrów (temperatury punktu rosy, zawartości wilgoci). Jako elementy pomiarowe wykorzystuje się tutaj dwa czujniki: cienkowarstwowy rezystor platynowy Pt 1000 (rezystor, którego oporność jest ściśle zaleŝna od jego temperatury), cienkowarstwowy pojemnościowy czujnik wilgotności względnej (kondensator, którego pojemność jest zaleŝna od wilgotności względnej otaczającego go powietrza). Rys.8. Termometr-higrometr LB-701 z panelem LB-706/G

10 Termohigrometry pozwalają mierzyć wilgotność względna powietrza w zakresach: 0 100% w zakresie temp. do +40C 0 70% w zakresie temperatur do +70C 0 40% w zakresie temperatur do +85C Tabela 5. Zalety i wady termohigrometrów Zalety Wady DuŜa dokładność pomiaru ± 2%, Wysoka cena jednostki Brak analogowych elementów regulacji DuŜa szybkość pomiaru Automatyzacja pomiarów Przesyłanie sygnału na duŝą odległość ( do kilku km) 5. Przemiany na wykresie i-x Jednym z procesów jednostkowych procesów pełnej klimatyzacji jest nawilŝanie powietrza w okresie zimowym w tzw. okresie grzewczym. Proces nawilŝania powietrza moŝe odbywać się na dwa sposoby, a mianowicie poprzez nawilŝanie wodne lub teŝ nawilŝanie parowe. Procesy nawilŝania moŝna przedstawić na wykresie i-x (rys.9). Rys.9. Proces wymiany ciepła i masy przedstawiony na wykresie i-x. Gdzie: P-A nagrzewanie i nawilŝanie, P-B izotermiczne nawilŝanie, P-C ochładzanie i nawilŝanie,

11 P-D adiabatyczne nawilŝanie, P-E ochładzanie i nawilŝanie, P-F ochładzanie przy stałej zawartości wilgoci, P-G ochładzanie i osuszanie. Na rysunku 10 pokazano przebieg procesu adiabatycznego nawilŝania powietrza. Jednym ze sposobów regulacji komory zraszania jest regulacja wydajności cieplnej nagrzewnicy powietrza dopływającego. Na rys.a nagrzewnica wstępna N1 umieszczona przed wejściem do komory zraszania ogrzewa powietrze od temperatury tm do temperatury termometru wilgotnego tw. Następnie podczas nawilŝania ochładza się je adiabatycznie do temperatury punktu rosy td. Ochłodzone powietrze jest później nagrzewane do Ŝądanej temperatury pomieszczenia za pomocą nagrzewnicy wtórnej N2. a) b) Rys10. Układ regulacji procesu adiabatycznego nawilŝania powietrza przez zmianę wydajności cieplnej nagrzewnicy wstępnej oraz proces nawilŝania na wykresie i-x; 1- regulator temperatury punktu rosy, 2-czujnik, 3-siłownik zaworu nagrzewnicy. Na rys.11 pokazano nawilŝanie powietrza parą mokrą. Metoda ta polega na wtryskiwaniu pary wodnej przez dyszę pracującą pod zwiększonym ciśnieniem. Czujnik wilgotności pomieszczenia 1 przekazuje sygnał do regulatora 2, który oddziałuje na siłownik zaworu 3 umieszczony na przewodzie parowym.

12 Rys.11. Układ regulacji nawilŝania powietrza parą wodną oraz przemiany na wykresie i-x; 1- czujnik wilgotności pomieszczenia, 2- regulator, 3- siłownik zaworu 6. Układy regulacji wilgotności Instalacja niskociśnieniowa Rys.12. Schemat regulacji niskociśnieniowej instalacji klimatyzacyjnej JeŜeli wilgotność powietrza spadnie poniŝej wartości zadanej, to przez zainstalowany w pomieszczeniu czujnik H i regulator RIV otworzy się zawór M6 nagrzewnicy wstępnej I. JeŜeli zaś wilgotność wzrośnie ponad wartość zadaną, to zawartość wilgoci w powietrzu zostaje zmniejszona przez wykroplenie się wilgoci na chłodnicy. Regulator RIV przy zbyt wysokiej wilgotności w pomieszczeniu, otworzy zawór M7 chłodnicy, natomiast pompa wody obiegowej zostanie wyłączona za pomocą wyłącznika S2.

13 Instalacja wysokociśnieniowa Rys.13. Schemat regulacji wysokociśnieniowej instalacji klimatyzacyjnej z dwururowym systemem wodnym W układzie takim parametrem regulowanym jest temperatura punktu rosy. Czujnik temperatury T1, umieszczony za komora zraszania, mierzy temperaturę powietrza nasyconego odpływającego z komory. Wartość ta jest porównywana w regulatorze R II z nastawioną w nim wartością zadaną. JeŜeli punkt rosy leŝy za nisko, wtedy otwierany jest zawór M1 nagrzewnicy wstępnej powietrza. JeŜeli punk rosy leŝy za wysoko regulator otwiera zawór M2 chłodnicy, natomiast wyłącznik S2 wyłącza pompę obiegową komory zraszania. Instalacja dwuprzewodowa

14 Rys.14. Schemat regulacji dwuprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej Czujnik wilgoci H umieszczony w przewodzie wywiewnym oddziałuje na regulator R VI. Regulator zmienia strumień masy wody obiegowej w komorze zraszania, w wyniku czego zmienia się stopień zraszania w komorze. Dzięki temu w komorze zraszania nastąpi spadek wilgotności powietrza poniŝej punktu nasycenia, a zatem temperatura odpływającego powietrza z komory zraszania będzie wyŝsza. Regulator R II ma za zadanie utrzymać tę temperaturę na stałym poziomie. Przy zmniejszaniu strumienia masy wody obiegowej komory zraszania zmniejszana jest moc cieplna nagrzewnicy wstępnej do tego stopnia, aŝ czujnik T2 osiągnie wartość zadaną. 7. Podsumowanie Z uwagi na postęp technologiczny, który jest zauwaŝalny w kilku ostatnich latach zauwaŝyć moŝna tendencje do coraz większego przywiązywania uwagi do parametrów komfortu cieplnego. Dlatego teŝ pomiar jak i sterowanie wilgotnością powietrza jest waŝnym aspektem klimatyzacji. Obecnie sterowanie wilgotnością powietrza odbywa się za pomocą czujników elektronicznych z uwagi na fakt, ze sygnał elektryczny jest łatwy do przetworzenia na inne wielkości mechaniczne oraz ich duŝą dokładnością pomiarową. Przy doborze odpowiedniego czujnika jak równieŝ systemu regulacji wilgotności powietrza naleŝy zawsze brać pod uwagę parametry powietrza oraz zakres wilgotności jaki ma występować w danym pomieszczeniu lub w prowadzonym procesie technologicznym.

15 Literatura: [1] Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat, pomiary, regulacja [2] Fritz Steimle: Kurs klimatyzacji [3]