AUTOMATYKA CHŁODNICZA

Transkrypt

1 Gdańsk 15.II.2009 AUTOMATYKA CHŁODNICZA Temat 11: Elementy i układy automatyki stosowane w nowoczesnych centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wyposaŝonych w bloki odzysku ciepła: budowa + działanie + przykłady rozwiązań + ocena uŝytkowa. Dawid Szuliński, Łukasz Tryc SUChiKl sem. IX Wydział Mechaniczny

2 Spis treści 1. Wstęp a) Zadanie wentylacji i klimatyzacji b) Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne c) Cechy układu wentylacji i klimatyzacji d) Regulacja e) Sterowanie f) Wielkości regulowane g) Pomieszczenie klimatyzowane h) Funkcje układów automatyki central 2. Elementy układów automatyki central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych 3. Przykładowy układ automatyki centrali 4. Wnioski Bibliografia

3 1. Wstęp a) Zadaniem współczesnych układów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych jest usuwanie z pomieszczeń powietrza zanieczyszczonego oraz dostarczanie w jego miejsce powietrza świeŝego, czystego, o określonej temperaturze. W tych układach następuje przygotowanie powietrza, zgodnie z wymaganiami organizmu ludzkiego lub procesu technologicznego. b) W praktycznych rozwiązaniach technicznych powietrze przeznaczone do rozprowadzania po obiekcie przygotowywane jest w urządzeniach zwanymi centralami klimatyzacyjnymi. Centrale takie, złoŝone są najczęściej ze zblokowanych elementów modułowych, zawierają niezbędne urządzenia do przetłaczania, czyszczenia, ogrzewania, chłodzenia, nawilŝania i osuszania powietrza. Ponadto znajduje się w nich, komora mieszania powietrza zewnętrznego z powietrzem obiegowym oraz układ słuŝący do odzysku ciepła, czyli do podgrzewania powietrza nawiewanego kosztem powietrza usuwanego z obiektu. Dzisiejsze centrale klimatyzacyjne w większości przypadków zamawiane i produkowane są w blokiem odzysku ciepła, ze względu na wymogi dotyczące odzysku ciepła. Mianowicie, przepisy wymuszają odzysk ciepła przy przepływie powietrza powyŝej 2000 m3/h. Jako urządzenia stosowane do odzysku ciepła stosuje się wymienniki obrotowe, krzyŝowe, rurkę ciepła, pompy ciepła, układ z czynnikiem pośredniczącym oraz recyrkulację. c) Cechy prawidłowo działającego układu klimatyzacji: musi ona być ciągła, czyli pracować takŝe podczas nieobecności ludzi, powinna obsługiwać kaŝde pomieszczenie i zapewniać stałą wymianę powietrza we wszystkich przewidzianych strefach, automatyczne dostosowanie się zarówno do dynamicznie zmieniających się warunków wewnątrz pomieszczeń jak i zmiennych warunków zewnętrznych (pogodowych), powinien być wyposaŝony w zespoły pozwalające na samoregulację działania poszczególnych elementów instalacji. Dla spełnienia tych właśnie cech istnieją elementy i układy automatycznej regulacji. d) Ogromne znaczenie w tych elementach i układach odgrywa regulacja. Regulacja jest to proces, w wyniku, którego wielkości fizyczne, np. temperatura czy ciśnienie powietrza utrzymywane są na stałym poziome lub przybierają określone, z góry załoŝone wartości, mimo wpływu czynników zakłócających. Układ moŝe podlegać przy tym oscylacjom, podczas których wartość regulowana nie zachowuje stałej wartości, lecz wartość jej waha się wokół określonej wartości średniej. W wentylacji i klimatyzacji moŝna wskazać następujące wielkości zakłócające: wpływ pogody(temperatura zewnętrzna, promieniowanie słoneczne, wiatr), wahania temperatury i ciśnienia wewnątrz ( zakłócenia temperatury pomieszczeń przez ludzi i maszyny, otwieranie okien i drzwi). e) Sterowanie natomiast, jest to proces, w którym jedna wielkość przestawia drugą, np. termostat temperatury powietrza zewnętrznego sterujący połoŝeniem zaworu mieszającego wody. Urządzenie sterujące realizuje w tym przypadku następujące funkcje:

4 pomiar np. temperatury za pomocą czujnika w wybranym miejscu, porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną, wzmacnianie i ewentualne przetwarzanie sygnałów w regulatorze, przestawienie elementu nastawczego, np.: grzybka zaworu. f) Wielkość regulowana jest to wielkość którą jak sama nazwa wskazuje zamierza się regulować lub która ma być sterowana przez inny parametr. W wentylacji i klimatyzacji regulacją objęte są zazwyczaj następujące wielkości fizyczne: temperatura, wilgotność oraz w miarę potrzeb takŝe ciśnienie oraz natęŝenie przepływu powietrza. g) Pomieszczenie klimatyzowane moŝe być rozpatrywane jako obiekt regulacji temperatury, obiekt regulacji wilgotności powietrza lub jako obiekt regulacji ciśnienia. W pierwszym przypadku jako wielkość sterującą przyjmuje się temperaturę powietrza nawiewanego. Prawidłowym miejscem pomiaru tej temperatury jest kanał wywiewny lub wnętrze pomieszczenia klimatyzowanego. W drugim przypadku uprzywilejowanym miejscem jest równieŝ przewód wywiewny. Wielkością sterującą będzie stan powietrza nawiewanego. W tym przypadku jest większa liczba rozwiązań poniewaŝ moŝna regulować wilgotność w pomieszczeniu na dwa sposoby: poprzez wilgotność względna lub wilgotność bezwzględna. h) Układy automatyki central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych spełniają dwie podstawowe funkcje: sterującą, zabezpieczającą. Zabezpieczenia (przykłady): nagrzewnicy wodnej przed zamarznięciem, nagrzewnicy elektrycznej przed przegrzaniem, wymiennika krzyŝowego i obrotowego odzysku ciepła przed zeszronieniem, sygnalizowanie stanu awarii, utrzymanie minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy w okresie czuwania. Sterowanie: Regulator programowalny steruje pracą centrali zgodnie z zaprogramowanymi wytycznymi. W zaleŝności od ustawień zegara, następuje włączenie centrali do pracy i utrzymanie określonych parametrów lub przejście zespołu w stan czuwania. Z regulatora sygnał przekazywany jest do: wymienników ciepła (np.: nagrzewnicy elektrycznej), sterowania siłownikami przepustnic, sterowania nawilŝaniem i wymiennikami odzysku ciepła. W urządzeniach klimatyzacyjnych zastosowanie znajdują pneumatyczne i elektryczne układy regulacji.

5 2. Elementy układów automatyki central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych a) Czujniki temperatury SłuŜą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub zewnętrznego. Posiadają element czuły na temperaturę, który przy zmianie temperatury (wejścia) zmienia swoje wyjście. RozróŜnić moŝna czujniki kanałowe i pokojowe. Te pierwsze słuŝą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub zewnętrznego (wewnątrz samej centrali oraz bezpośrednio w kanałach wentylacyjnych. Mogą dostarczać sygnał aktywny 0 10V (przetworniki), lub sygnał pasywny oporowy (czujniki rezystancyjne). Kanałowe czujniki temperatury -tolerancja +/- 0.12% -zakres temp. -50 do 500 stc -maksymalny prąd 1mA - Sygnał 0-10V Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury Czujniki pokojowe mierzą temperaturę bezpośrednio w pomieszczeniu. Wytwarzać mogą sygnał aktywny bądź ą ź pasywny. WyposaŜone mogą być w wbudowany nastawnik temperatury formujący sygnał 0 10V. NaleŜy pamiętać o montowaniu czujnika w prawidłowym miejscu (w miejscu reprezentatywnym, z dala od okien, drzwi, w miejscach nienasłonecznionych). - sygnał od 0-10V - dokładność pomiaru - +/- 0.2 stc

6 Najprostszym połączeniem czujnika i regulatora jest termostat. Przykładowe rozmieszczenie czujnika. b) Czujniki wilgotności W tego typu czujnikach elementem czułym jest kondensator z dielektrykiem wykonanym z polimeru o właściwościach higroskopijnych. Sygnał z czujnika zmienia się proporcjonalnie do zmian wilgotności względnej powietrza. Czujnikiem temperatury jest rezystor, w którym wartość rezystancji zmienia się proporcjonalnie do zmian mierzonej temperatury. sygnał 0-10V - dokładność +/-4% dla przedziału od 10-90% - dokładność +/-6% dla przedziału od 0-10% c) Czujniki ciśnienia W czujnikach ciśnienia sygnał pomiarowy jest ujmowany pojemnościowo przez połoŝenie membrany bądź przepony wewnątrz czujnika. MoŜe on pełnić kilka funkcji. Dokonuje pomiaru róŝnicy ciśnień przed i za filtrem (spadek ciśnienia) dostarczając w ten sposób informacji o stopniu zanieczyszczenia filtra. MoŜe dostarczać teŝ informacji o prawidłowości działania wentylatora napędzanego paskiem klinowym (w razie zerwania paska sygnał o awarii), lub wentylatora napędzanego bezpośrednio, gdy w centrali występuje takŝe nagrzewnica elektryczna.

7 d) Termostat przeciwzamroŝeniowy po stronie powietrza Termostat przeciwzamroŝeniowy po stronie powietrza Zabezpiecza nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem czynnika grzewczego w nagrzewnicy. Czujnik mierzy temperaturę powietrza wypływającego z nagrzewnicy, następnie dokonywane jest porównanie z minimalną dopuszczalną temperaturą (zalecane 4 5 C). W momencie spadku temperatury poniŝej dopuszczalnej wartości regulator centrali podejmuje zamknięcie przepustnic powietrza, wy łączenie wentylatorów i całkowite otwarcie zaworu nagrzewnicy. Czujka temperatury to kapilara wypełniona czynnikiem niskowrzącym, którego ciśnienie zmienia się wraz z temperaturą. Ciśnienie przetwarzane jest następnie w układzie podobnym do stosowanego w presostacie róŝnicowym. Termostat wyposaŝony jest w śruby regulacyjne umoŝliwiające nastawę dopuszczalnej minimalnej temperatury pracy oraz temperaturę ponownego załączenia układu. e) Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem sterowania nagrzewnicy elektrycznej. Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem Zabezpieczenie nagrzewnicy elektrycznej przed nadmiernym wzrostem temperatury. W momencie przekroczenia temperatury dopuszczalnej następuje wyłączenie nagrzewnicy i zezwolenie na włączenie następuje dopiero po odpowiednim obniŝeniu temperatury. Działanie termostatu oparte jest na właściwościach elementu bimetalowego. Włączony jest on w obwód f) Czujniki tlenku węgla mikroprocesorowe. Czujniki tlenku węgla. Zadaniem czujnika tlenku węgla jest kontrola zawartości tlenku węgla (czadu) w powietrzu w pomieszczeniach zamkniętych. Zmiana stęŝenia CO powyŝej wartości dopuszczalnej uaktywnia wyjścia sterujące wymuszające zmianę prędkości obrotowej wentylatora. Detektory wykorzystują czujniki elektrochemiczne i układy

8 g) Czujniki zanieczyszczenia powietrza Czujnik zanieczyszczenia powietrza włącza lub wyłącza wentylator, kiedy jakość powietrza spadnie poniŝej nastawionego poziomu. Czujnik reaguje na: wyziewy, nieprzyjemne zapachy, dym z papierosów, zawilgocenie, itp. W urządzeniu moŝna ustawić zwłokę czasową, po której wentylator zostanie wyłączony. h) Napędy nastawcze W elementach nastawczych stosuje się zwykle silniki elektryczne o stałej liczbie obrotów. W zaleŝności od impulsu elektrycznego silnik obraca się w lewo lub w prawo, przestawiając człon nastawczy (zawór lub klapę) za pośrednictwem przekładni zębatej lub przełoŝenia dźwigniowego. Stosowane są równieŝ pneumatyczne siłowniki nastawcze. Mogą być napędzane membraną lub korpusem spręŝystym. Ruch wywoływany ciśnieniem sterującym jest przenoszony poprzez przełoŝenie dźwigniowe bezpośrednio na przepustnicę lub zawór. Siła napędowa jest zwykle większa niŝ przy siłownikach elektrycznych. i) Zawory nastawcze Zawory nastawcze są takimi elementami, które pod wpływem sygnału z regulatora zmieniają strumień energii wody lub pary czy innego medium dostarczanego do

9 centrali klimatyzacyjnej. MoŜna wyróŝnić zawory przelotowe jak i trójdrogowe. Te drugie mają trzy przyłącza i umoŝliwiają przepływ czynnika w dwóch kierunkach. Mogą być stosowane zarówno do rozdzielania jak i mieszania strumieni cieczy. j) Falowniki Przemiennik częstotliwości (falownik). Zadaniem przemiennika częstotliwości jest płynna regulacja ydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną zmianę prędkości obrotowej zespołu silnik-wentylator. Zastosowanie falownika pozwala na utrzymywanie stałych parametrów pracy centrali przy zmiennych oporach przepływu powietrza przez instalację. Układ elektroniczny pozwalający na zmianę częstotliwości napięcia silnika oraz utrzymanie optymalnej zaleŝności napięcie/częstotliwość. k) Pomieszczeniowy interfejs uŝytkownika Realizuje pomiar temperatury powietrza pomieszczeniu. Dodatkowo umoŝliwia zadawać i odczytywać parametry pracy centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak: - parametry powietrza, - zmiana wydajności (stopniowa) - START / STOP, - stany awarii.

10 l) Zewnętrzny interfejs uŝytkownika Realizuje pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu. Dodatkowo umoŝliwia zadawać i odczytywać parametry pracy centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak: - parametry powietrza, - zmiana wydajności - stopień recyrkulacji, (plynna) a pracy, - ustawienia kalendarz - START / STOP, - stany awarii. m) Sterowniki programowalne SłuŜą do obsługi (wysyłania sygnałów) do poszczególnych urządzeń centrali klimatyzacyjnej wg narzuconego programu/schematu. Są w pełni programowalne.

11 n) Szafki sterownicze

12 3. Przykładowy układ automatyki centrali Schemat układu z nagrzewnicą i chłodnicą wodną: Działanie: Rozdzielnica elektryczna RC steruje pracą centrali. Po włączeniu centrali do pracy, siłownik XD/1-01 otwiera przepustnicę wlotową powietrza, a czujniki temperatury w zaleŝności od temperatury pomieszczenia ustawiają odpowiedni stopień otwarcia siłownika zaworu nagrzewnicy XV/1-01 lub chłodnicy XV/1-02. Kanałowy czujnik temperatury TT/1-01 kontroluje minimalną temperaturę nawiewanego powietrza, natomiast pomieszczeni owy czujnik temperatury TT/1-02 reguluje temperaturę klimatyzowanego pomieszczenia. Gdy temperatura za nagrzewnicą spadnie poniŝej 5 o C termostat przeciwzamroŝeniowy TS/1-01 wyłączy pracę centrali, zamknie przepustnicę i otworzy dopływ wody grzewczej do nagrzewnicy. Gdy centrala nie pracuje, a temperatura za nagrzewnicą spadnie, otworzy się tylko zawór nagrzewnicy. Presostat DPS/1-01 informuje o nadmiernym zanieczyszczeniu filtra. Presostat DPS/1-02, przy spadku spręŝu na wentylatorze, wyłączy pracę instalacji. 4. Wnioski Automatyzacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych jest niezbędna nie tylko dla stworzenia najlepszych warunków sanitarno-higienicznych w pomieszczeniach, ale równieŝ przyczynia się do racjonalizacji wykorzystania energii. Stosowanie automatyzacji urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych pozwala na: uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których nawet bez Ŝadnych ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza,

13 znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń (zuŝycie energii zmniejszone o 10-15%), kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami. Bibliografia Paweł Tymiński Elementy automatyki nowoczesnych central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, TChiKl 8/2006 str G.W. Archipow: Automatyczna regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, WNT Warszawa 1963 WyŜykowska Katarzyna Elementy automatyki stosowane w nowoczesnych centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.