Dlaczego pompa powinna być "inteligentna"?

Transkrypt

1 Dlaczego pompa powinna być "inteligentna"? W ciepłowniczych i ziębniczych układach pompowych przetłaczanie cieczy ma na celu transport ciepła, a nie, jak w pozostałych układach, transport masy. Dobrym przykładem do przeprowadzenia analizy pracy takiego układu jest pompowy układ CO (centralnego ogrzewania). Schemat takiego układu pokazany jest na rys. 1. Pompa w układzie CO ma za zadanie przetransportować ciepło z kotła do grzejnika za pomocą wody krążącej w obiegu zamkniętym. Rys. 1. Schemat układu centralnego ogrzewania. Do wyznaczenia wydajności pompy Q w, niezbędnej do przetransportowania wymaganej ilości ciepła, wykorzystujemy wzór na ciepło akumulowane w cieczy, który możemy zapisać w postaci: gdzie: Q w - wymagana wydajność pompy, natężenie przepływu w układzie, P/r - moc cieplna kotła, c p - ciepło właściwe wody, ρ - gęstość wody w kotle,

2 t za - temperatura na zasilaniu, t po - temperatura na powrocie. Jak wynika ze wzoru (1), wymagane natężenie przepływu Q w jest proporcjonalne do aktualnej mocy cieplnej kotła. Regulacja pogodowa" natężenia przepływu w układzie CO Dla każdego jest rzeczą oczywistą, że jak jest zimno na dworze" lub na polu", to układ CO transportuje dużo ciepła, co wymaga dużego natężenia przepływu w układzie, a jak jest ciepło (wyższa temperatura), to transportuje mało ciepła, co z kolei wymaga małego natężenia przepływu. Z przeprowadzonego rozumowania, co potwierdza teoria, czyli wzór (1), wynika, że natężenie przepływu powinno być regulowane w zależności od temperatury otoczenia. W praktyce wygląda to tak, że jak jest nam za gorąco, to zakręcamy" kaloryfer, czyli dławimy przepływ. Mniejszy przepływ oznacza mniejszą moc cieplną kaloryfera i mniej ciepła doprowadzanego do pomieszczenia, co w rezultacie powoduje, że jest nam chłodniej. We współczesnych układach CO rolę regulatorów temperatury w pomieszczeniach często spełniają grzejnikowe zawory termostatyczne, które zakręcają" kaloryfery automatycznie. Pracę układu pompowego prześledzimy na prostym schemacie układu CO, pokazanym na rys. 2 Rys. 2. Podstawowe bloki funkcjonalne układu centralnego ogrzewania: ΔH k - opory źródła ciepła, Δ H o - opory odbiornika. Charakterystykę całego układu otrzymamy przez szeregowe połączenie parabolicznych charakterystyk: źródła, rurociągu zasilającego, zaworu, odbiornika i rurociągu powrotnego. gdzie: ΔH - opory przepływu, Q - natężenie przepływu cieczy w układzie, r k - współczynnik strat kotła, r za - współczynnik strat rurociągu zasilającego, r z - współczynnik strat zaworu, r o - współczynnik strat odbiornika,

3 r po -współczynnik strat rurociągu powrotnego. We wzorze (2) wszystkie współczynniki strat w układzie mają stałą wartość. Zmienia się jedynie wartość współczynnika strat zaworu r z, w zależności od ilości ciepła potrzebnego do ogrzania pomieszczenia. Dla zilustrowania pracy układu przeprowadzimy obliczenia wymaganego natężenia przepływu dla dwóch stanów pracy: P k1 = 25 kw - pełna moc cieplna kotła, gdy jest zimno, P k2 = 5 kw - minimalna moc cieplna kotła, gdy jest ciepło, t za -t po = 20 K - typowa różnica temperatur zasilania i powrotu, ρ = 988 kg/m 3 - gęstość wody w temperaturze 50 C, c p = 4190 J/(kgK) - ciepło właściwe wody. Po przeprowadzeniu obliczeń wg wzoru (1) dla pełnej mocy otrzymamy Q w1 = 1,087 m 3 /h, a dla mocy minimalnej Q w2 = 0,217 m 3 /h. Jak widzimy, przepływ, zgodnie z oczekiwaniami, zmniejszył się 5 razy. Przebieg charakterystyki układu pokazano na rys. 3. Pole powierzchni H x Q na tym wykresie odpowiada mocy hydraulicznej (QH rg = P h ). Rys. 3. Przebieg charakterystyk pompy i układu. Minimalne zapotrzebowanie na energię hydrauliczną, potrzebną do transportu ciepła, opisuje charakterystyka uk 1. Charakterystyka ta powstała dla maksymalnego otwarcia zaworu (mała wartość r z ). W tym stanie wysterowania zaworu, dla maksymalnej mocy kotła P k1 układ będzie pracował w punkcie pracy pp1 i zapotrzebowanie na moc hydrauliczną będzie wynosiło P w1. Odpowiednio dla minimalnej mocy kotła P k2 układ będzie pracował w punkcie pracy pp2 i potrzebna moc hydrauliczna wyniesie P w2. Należy zauważyć, że moc hydrauliczna P w2 jest 125 razy mniejsze niż P w1. Regulacja przepływu przez zmianę charakterystyki układu Energię hydrauliczną niezbędną do krążenia cieczy w układzie dostarcza zwykła" pompa obiegowa, której charakterystyka przepływu po pokazana jest na rysunku 3. Pompa ta jest tak dobrana, aby jej

4 charakterystyka przecinała charakterystykę układu uk 1 w punkcie pp1, co zapewnia transport ciepła przy pełnej mocy kotła. Przy minimalnej mocy cieplnej zawory termostatyczne dławią przepływ tak, aby zmniejszył się on do wartości Q w2, co powoduje, że charakterystyka układu uk 2 staje się bardzo stroma. W tym przypadku moc hydrauliczna, dostarczana do układu, opisana jest polem wyznaczonym przez punkt pracy pp3. Gołym okiem widać, że zwykła" pompa ma dużo za dużą wysokość podnoszenia, przez co w układzie mamy dużą nadwyżkę mocy hydraulicznej, traconą podczas regulacji dławieniowej P rd. Na podstawie przeprowadzonych rozważań w tym miejscu należy stwierdzić, że regulacja przepływu tylko po stronie układu jest niewystarczająca oraz że zwykła" pompa, o standardowej, opadającej charakterystyce przepływu, nie pasuje do wymagań układu CO. Zmniejszenie strat regulacji przez zmianę charakterystyki pompy Z analizy przebiegu charakterystyki układu uk 1 rys. 3 wynika, że, aby dopasować przebieg charakterystyki pompy do potrzeb układu i obniżyć moc strat regulacji, pompa obiegowa CO powinna mieć zdecydowanie mniejszą wysokość podnoszenia przy małych wydajnościach. Najprostszym sposobem zmiany przebiegu charakterystyki pompy jest zmiana prędkości obrotowej jej wirnika. Dostępność tej metody w ostatnich latach znacząco wzrosła na skutek dużego postępu w konstrukcjach przemienników częstotliwości (falowników) i obniżeniu ich cen. Podstawy regulacji charakterystyki pompy przez zmianę prędkości obrotowej wynikają z teorii podobieństwa maszyn wirowych. Zasady tej teorii, zastosowane dla tej samej pompy, redukują się do następującej postaci: H~n 2 ~f 2 gdzie: (H-Q) -współrzędne punktów na charakterystyce przepływu, (P-Q) -współrzędne punktów na charakterystyce mocy, n - prędkość obrotowa wirnika, f - częstotliwość zasilania silnika, za przemiennikiem częstotliwości. Przemieszczanie się odpowiadających sobie (homologicznych) punktów charakterystyk przepływu i mocy przy sterowaniu zgodnie z zasadą im mniejsza wydajność tym mniejsza częstotliwość" pokazano na rys. 4.

5 Rys. 4. Modyfikacja charakterystyk przepływu i mocy przez zmianę prędkości obrotowej. Jak widzimy zmieniając częstotliwość prądu zasilania silnika pompy, możemy uzyskać charakterystykę o dowolnym kształcie. Mamy zatem metodę pozwalającą na dopasowanie charakterystyki pompy do wymagań układu, co prowadzi do istotnych oszczędności energii. Implant inteligencji Aby pompa zachowywała się tak, jak oczekuje układ, musi: czuć", myśleć" i podejmować działania stosownie do okoliczności. Schemat blokowy takiej pompy, wyposażonej w zintegrowany moduł regulacji prędkości obrotowej, pokazany jest na rys. 5. Rys. 5. Schemat blokowy pompy inteligentnej". Aby pompa była czułą", musi być wyposażona w zmysły (czujniki i mierniki), które pozwolą na odebranie sygnałów od układu i od własnych podzespołów. Są to: miernik różnicy ciśnień między króćcami pompy, miernik prądu pobieranego przez pompę, miernik temperatury pompowanego czynnika.

6 Mózgiem pompy jest komputer pokładowy, który, według założonego algorytmu, przetwarza informacje uzyskiwane od czujników i generuje sygnał sterujący dla organu wykonawczego pompy. Organem wykonawczym jest falownik, który na podstawie sygnałów od komputera, zasila silnik napędowy pompy prądem o odpowiedniej częstotliwości. Komputery montowane w pompach mogą pracować w oparciu o różne algorytmy, bazujące na informacjach z różnej liczby czujników. Najprostszą strukturę ma algorytm sterowania na stałe ciśnienie, gdy jest możliwość korzystania z odczytów różnicy ciśnień w króćcach pomp. Algorytm ten jest pokazany na rys. 6. W module sterowania porównywana jest zadana wysokość podnoszenia pompy, z aktualną różnicą ciśnień w króćcach. Na tej podstawie jest wyznaczany sygnał do zwiększenia lub zmniejszenia prędkości obrotowej pompy. Rys. 6. Algorytm sterowania pracą pompy na stałe ciśnienie, z pomiarem różnicy ciśnień. W rzeczywistych rozwiązaniach konstrukcyjnych pomp obiegowych stosowane są układy sterowania, które modyfikują charakterystykę pompy według modelu stało-ciśnieniowego lub proporcjonalnie-ciśnieniowego. Przykład charakterystyk takiej pompy pokazano na rys. 7.

7 Rys. 7. Charakterystyki pompy z wbudowanym modułem sterowania. Układ CO z pompą inteligentną" Współpracę pompy ze zmodyfikowaną charakterystyką i układu CO pokazano na rys. 8. Rys. 8. Praca pompy inteligentnej" w układzie CO. W układzie tym charakterystyka pompy, zarówno przy regulacji stałocisnieniowej, jak i proporcjonalnie ciśnieniowej, przebiega nad charakterystyką układu. Taki przebieg charakterystyk, poprzez samoregulację, zapewnia stabilne położenie punktów pracy pompy pps i ppp, oraz równocześnie obniżenie mocy start, co można zaobserwować, porównując rysunki 3 i 7.

8 Podsumowując - w układach, w których temperatura w pomieszczeniach regulowana jest zaworami termostatycznymi, posiadanie przez pompę inteligencji" prowadzi do znaczących oszczędności energii. Autor: dr inż. Marek Skowioński - pracownik naukowy Politechniki Wrocławskiej. Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji. Źródło: "Pompy Pompownie" (4/2010). KONTAKT ZPBiP CEDOS Sp. z o.o.