Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych

Transkrypt

1 Przepustnice regulacyjne powietrza Wykład 8

2 Elementy wykonawcze cd. Przepustnice regulacyjne powietrza Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np. temperatury, prędkości, ciśnienia. Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na: a) przepustnice żaluzjowe z łopatkami współbieżnymi, b) przepustnice żaluzjowe z łopatkami przeciwbieżnymi.

3 Charakterystyki przepustnic regulacyjnych Wprzypadku przepustnic, podobnie jak przy zaworach, rozróżnia się: - charakterystyki otwarcia, - charakterystyki robocze (eksploatacyjne) przepływu, oraz - charakterystyki oporu.

4 Charakterystyka otwarcia przepustnic regulacyjnych Charakterystyka otwarcia podaje stosunek wolnego przekroju do przekroju przy całkowicie otwartej przepustnicy w zależności od kąta nastawienia (rys.). Kątnastawienia przy zamkniętej przepustnicy α =0.

5 Charakterystyki oporu przepustnic powietrza Charakterystyki oporu przepustnic: ζ =f(α ) -przykładowa zależność współczynnika oporu miejscowego ζ od kąta nastawienia została pokazana na następnym rysunku. Współczynniki oporu dla otwartych przepustnic mieszczą się w granicach ζ = 0,2 0,5, zależnie od konstrukcji, liczby łopatek itp. Przeciwbieżne łopatki mają znacznie większy opór niż współbieżne. Oprócz tego występuje zależność od sposobu wbudowania, np. wkanale, na końcu kanału itp. Strata nieszczelności przy zamkniętej przepustnicy bywa często duża, od 5do 20% Vmax.

6 Charakterystyka oporu przepustnic

7 Charakterystyki robocze przepływu przepustnic Charakterystyki robocze przepływu pokazują ilość powietrza przepływającego przez przepustnice wzależności od kąta nastawienia V/V100=f(α) przy różnych wartościach współczynnika (kryterium) dławienia φ p opór przepustnicy ϕ = K = p opór instalacji gdzie ΔpK -opór przepustnicy wotwartym stanie, Δp -opór całej instalacji (spręż wentylatora). Jak przy zaworach, tak iprzy przepustnicach znaczniejsza zmiana ilości powietrza jest tylko wtedy możliwa, gdy przepustnica ma pewien liczący się opór włącznym oporze sieci kanałów. Wynika to zcharakterystyki przepływu. (rys.)

8 Robocza charakterystyka przepływu przepustnic regulacyjnych [Recknagel]

9 Wybór roboczej charakterystyki przepływu przepustnic regulacyjnych Aby strumień objętościowy zmieniał się w przybliżeniu proporcjonalnie do kąta nastawczego, wartość φ musi wynosić - wg. Recknagla Taschenbuch fur H+K około 5-10% przy przepustnicach współbieżnych i 2,5-5% przy przeciwbieżnych, - wg. ASHRAE Handbook of fundamentals (1997 r.) ( B. Zawada 2006) około 50% przy przepustnicach współbieżnych i15% przy przeciwbieżnych, - wg. T.J.Horana Control Systems and Applications for HVAC/R (1997 r.) około 40% przy przepustnicach współbieżnych i11% przy przeciwbieżnych,

10 Moment obrotowy przepustnic Moment obrotowy potrzebny do uruchomienia przepustnic zależy od prędkości powietrza, tarcia łożysk i przepustnic. Wg poradnika Recknagla wynosi on około M=(10 20)A [Nm] gdzie: A -powierzchnia czołowa przepustnicy wm2. Wg BELIMO -jednego zczołowych producentów siłowników przepustnic moment obrotowy siłownika przepustnicy należy dobierać M = 5 A [Nm]

11 Zastosowanie przepustnic Żaluzje do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego na początku ikońcu instalacji służą do zamykania imają ztego względu mają działanie dwupozycyjne zamknięty-otwarty. Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki.

12 Zastosowanie przepustnic Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego zpowietrzem zewnętrznym (rys.). Przepustnice te są najczęściej sprzężone ze sobą i dodatkowo z przepustnicą powietrza wywiewanego (sterowane jednym sygnałem sterującym). Całkowita ilość powietrza zmienia się w położeniu środkowym, gdy powietrze płynie przez obydwie przepustnice. Przy długich kanałach powietrza zewnętrznego i wywiewanego korzystniejsze są przepustnice przeciwbieżne (małe ΔpK), w innych przypadkach współbieżne (np. nadanie odpowiedniego kierunku przy mieszaniu strumieni powietrza).

13 Przepustnice mieszające

14 Przepustnica obejściowa dla wymiennika ciepła Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi drugiej przepustnicy powiększonej oopór wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała wprzybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość).

15 Dziękuję za uwagę!

16 NAPĘDY (ZAWORÓW REGULACYJNYCH I PRZEPUSTNIC) Wykład 9

17 Napędy Napędy wraz zelementami wykonawczymi tworzą zespoły (urządzenia) wykonawcze. w e u obiekt regulacji y urządzenie _ obiekt regulator wykonawcze regulacji y m z element pomiarowy y Wtechnice ogrzewczej iklimatyzacji najczęściej stosowanymi napędami są siłowniki zaworów iprzepustnic oraz silniki pomp iwentylatorów. Siłowniki służą do zmiany stopnia otwarcia zaworów i przepustnic a silniki do utrzymania stałej lub zmiennej prędkości obrotowej pomp i wentylatorów.

18 Napędy zaworów regulacyjnych Jako napędy zaworów regulacyjnych stosuje się a) w układach nieelektrycznych siłowniki: mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, b) w układach elektrycznych siłowniki: elektryczne, elektrohydrauliczne, termoelektryczne, elektromagnetyczne,

19 Siłownik mechaniczny W technice z zakresu inżynierii środowiska siłowniki mechaniczne stosowane są do regulacji poziomu cieczy jako element pływakowego regulatora bezpośredniego działania, gdzie zmiany poziomu, mierzone czujnikiem pływakowym, są przenoszone za pomocą dźwigni mechanicznej na ruchy grzybka zaworu regulacyjnego.

20 Siłownik hydrauliczny Siłownik hydrauliczny wyposażony jest w otwartą (a) lub zamkniętą (b) komorę wypełnioną cieczą manometryczną. Zmiana ciśnienia w komorze siłownika powoduje ruch membrany lub mieszka połączonego zgrzybkiem izmiany stopnia otwarcia zaworu.

21 Zastosowanie siłowników hydraulicznych Siłowniki z otwartą komorą stosowane są w regulatorach bezpośredniego działania: ciśnienia, różnicy ciśnień i przepływu. Komory siłowników tego typu połączone są bezpośrednio lub poprzez przewody impulsowe zregulowanym medium. Zmiany ciśnienia medium powodują ruchy grzybka izmiany stopnia otwarcia zaworów. Komory zamknięte są stosowane w siłownikach zaworów regulatorów temperatury bezpośredniego działania. Zmiana temperatury medium w komorze, powoduje zmianę objętości, ciśnienia lub stanu fazowego w mieszku sprzężonym zgrzybkiem isterowanie zaworem.

22 ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW REGULACYJNYCH

23 ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW W siłownikach elektrycznych energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną, która wykorzystywana jest do napędzania elementu nastawczego. Trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym przełożeniu (zmniejszenie prędkości) oraz przekładni ślimakowej zamieniającej ruch obrotowy wruch posuwisty. Stosowane sąsilniki synchroniczne rewersyjne tj. silniki o stałej prędkości obrotowej zmożliwością zmiany kierunku obrotu. Silniki te pracują jako elementy trójstawne realizujące jeden ztrzech stanów: obrót wjedną lub drugą stronę ipostój oraz jako siłowniki proporcjonalne ustawiające się zawsze w zadanym przez regulator położeniu w zakresie od 0 do 100%.

24 ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW Silniki siłowników elektrycznych powinny mieć następujące cechy: duży moment rozruchowy zapewniający dużą dynamikę startu, powinny być obliczone na napięcie zwarcia, tzn. aby mogły pozostawać wstanie zahamowanym pod pełnym napięciem bez obawy przegrzania, samohamowność, tzn. natychmiastowe zatrzymanie przy braku sygnału sterującego. elastyczną zmianę kierunku obrotu, liniową charakterystykę.

25 ELEKTRYCZNE SIŁOWNIKI ZAWORÓW Wielkościami stałymi charakteryzującymi działanie danego siłownika są: prędkość ruchu trzpienia, maksymalna siła wyjściowa siłownika, nominalny skok siłownika.

26 Wyłączniki krańcowe Dla zapewnienia możliwości współpracy siłownika elektrycznego z zaworem regulacyjnym o określonej wartości skoku nominalnego, siłowniki wyposażane są w wyłączniki krańcowe. Po osiągnięciu przez trzpień położenia skrajnego lub dowolnie nastawionego wyłączniki skrajne (krańcowe) wyłączają silnik napędowy. Poprzez odpowiednie nastawienie wyłączników krańcowych (kalibrację) silnik wyłączany jest w położeniach trzpienia, odpowiadających całkowitemu zamknięciu lub otwarciu zaworu regulacyjnego. Wyłączniki krańcowe sąuważane za najbardziej zawodne siłowników elektrycznych.

27 Kalibracja siłowników Kalibracja siłowników proporcjonalnych w zależności od producenta siłownika odbywa się na drodze elektrycznej przy pomocy zewnętrznych mierników elektrycznych lub przy pomocy odpowiedniego ustawienia mikroprzełączników (zworek) wukładzie elektrycznym siłownika. Nowoczesne siłowniki posiadają funkcję samokalibracji, polegającą na tym, że po mechanicznym sprzężeniu siłownika zzaworem ipodłączeniu zasilania siłownik sam przemieszcza się wskrajne położenia zaworu idopasowuje wartość sygnału do skoku zaworu.

28 Czas przejścia siłownika Czas potrzebny do przemieszczenia trzpienia siłownika z jednego położenia krańcowego w drugie nazywany jest czasem przejścia siłownika. W układach z regulatorami z wyjściem trójstawnym nie zachodzi związek między sygnałem wyjściowym z regulatora a położeniem trzpienia siłownika, siłowniki elektryczne oprócz mechanicznego wskaźnika położenia, wyposażane są wnadajniki położenia odwzorowujące na drodze elektrycznej położenie trzpienia siłownika. Jako nadajniki położenia używane sąoporniki zruchomym stykiem potencjometry.

29 Charakterystyka siłowników elektrycznych Napięcie zasilania zastosowane w układzie regulacji. Preferowane jest bezpieczne zasilanie ze źródła o napięciu 24V prądu zmiennego. Szybkość przesuwu trzpienia siłownika podawana najczęściej ws/mm. Wukładach regulacji obardzo dużej dynamice jak regulacja temperatury ciepłej wody użytkowej zalecane są siłowniki szybkie (np. 1.8 s/mm) nadążające za zakłóceniami spowodowanymi dużą dynamiką rozbioru. W układach regulacji nadążnej w ogrzewaniu i wentylacji stosowane sąsiłowniki wolne (np. 8.5 s/mm).

30 Charakterystyka siłowników elektrycznych Sygnał sterujący: proporcjonalny analogowy 0-10V, 0(4)-20 ma lub pulsacyjny prądu zmiennego 24V lub 240V do współpracy z trójstawnymi wyjściami przekaźnikowymi regulatora. W siłownikach z sygnałem wejściowym 0 10V istnieje możliwość ustawiania dowolnego zakresu sygnału otwarcia i zamknięcia np. 0 5V, 5 10V co może być przydatne przy kaskadowym sterowaniu zaworami, a także do zamiany ustawienia działania prostego na odwrotne tzn. zamykania zaworu wraz ze wzrostem wartości sygnału. Aktualnie produkowane są także siłowniki inteligentne mikroprocesorowe sterowane sygnałem przesyłanym binarnie, najczęściej po magistrali komunikacyjnej typu LonWorks.

31 Charakterystyka siłowników elektrycznych Siłowniki inteligentne są wyposażane w zintegrowane układy elektroniczne, gdzie tradycyjne wyłączniki krańcowe i potencjometry położenia zostały zastąpione elektronicznymi czujnikami kierunku i liczby obrotów silnika (2 czujniki Halla). Układ elektroniczny umożliwia realizację następujących funkcji: samokalibrujacy regulator położenia siłownika, regulator P i PI, informacja o aktualnym stopniu otwarcia siłownika, informacja o osiągnięciu pozycji krańcowej siłownika (wyłączenie silnika, automatyczne uruchomienie), wykrywanie awarii (Simens, Recknagel).

32 Charakterystyka siłowników elektrycznych Siła nacisku trzpienia w [N]. Produkowane na potrzeby regulacji w technice grzewczej siłowniki elektryczne charakteryzują się dużym zakresem wartości siły nacisku trzpienia od ok. 100 do ok N. Wartość niezbędnej siły nacisku dobieranego siłownika zależy od średnicy (średnicy gniazda) zaworu oraz maksymalnej różnicy ciśnień czynnika przed iza zaworem. Często producenci automatyki podają w katalogach wartości maksymalnego ciśnienia różnicowego dla produkowanych przez siebie zestawów zawór plus siłownik.

33 Charakterystyka siłowników elektrycznych Temperatura otoczenia podczas pracy zaworu. Szczególnie istotna przy automatyzacji np. dachowych central wentylacyjnych. Na ogół dopuszczalna temperatura pracy siłownika mieści się wprzedziale od -20 C do 50 C. Dodatkowe funkcje : funkcja przełączania na pracę ręczną tj. możliwość ręcznego otwierania i zamykania zaworu w wypadku awarii układu regulacji, funkcja automatycznego otwierania (zamykania) zaworu w stanach awarii zasilania przez wyposażenie siłownika wsprężynę powrotną.

34 Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

35 Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych

36 Siłowniki elektryczne przepustnic wentylacyjnych Szczególnym przypadkiem siłowników elektrycznych są napędy przepustnic, wktórych element nastawczy wykonuje ruch obrotowy wzakresie 0do 90. Dobierając siłownik przepustnicy należy zwrócić uwagę na: Moment obrotowy. Minimalna wartość tego momentu w [Nm] (przy doborze siłowników BELIMO) powinna być równa pięciokrotnej wartości pola powierzchni czołowej przepustnicy w[m2]. Typowe wartości momentu obrotowego mieszczą się w zakresie od 2do 30 Nm. Przy dużych powierzchniach przepustnic należy dobierać odpowiednią do wymaganego momentu obrotowego ilość siłowników.

37 Kryteria doboru siłowników przepustnic Funkcja bezpieczeństwa. Przepustnice, które muszą być zamykane lub otwierane po zatrzymaniu urządzenia wentylacyjnego powinny być wyposażane wsiłowniki ze sprężyną powrotną. Napięcie zasilania. Napięcie zasilania 24 V lub 230 V powinno być dostosowane do napięcia stosowanego wukładzie regulacji. Sygnał sterujący. Siłowniki przepustnic mogą być sterowane sygnałem zamknij/otwórz (dwustawnie), sygnałem krokowym - pulsacyjnym (trójstawnie), proporcjonalne - sygnałem analogowym (0 10V) lub binarnie np. magistralą LonWorks.

38 Kryteria doboru siłowników przepustnic Kąt obrotu najczęściej można ustawiać mechanicznie w zakresie od 0do 95. Czas przejścia pomiędzy skrajnymi położeniami siłownika zależy od typu siłownika imoże mieścić się wprzedziale od 40 do 150 s. Czas zamykania sprężyną powrotną wynosi ok. 20s. Temperatura otoczenia podczas pracy siłownika szczególnie dla urządzeń wentylacyjnych zewnętrznych powinna uwzględniać lokalne warunki klimatyczne (najczęściej 30 do 50 C). Średnica uchwytu siłownika powinna być dopasowana do średnicy osi napędowej przepustnicy.

39 SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE

40 SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY Landis & Gyr. Typowym przykładem siłownika elektrohydraulicznego jest pokazany na rys. siłownik firmy Landis &Gyr. Energia elektryczna w tym siłowniku służy do napędu pompy tłokowej przetłaczającej olej ze zbiornika nad tłokiem siłownika do cylindra pod tłokiem. Ciśnienie oleju pokonując opór sprężyny powoduje przemieszczanie się przymocowanego do cylindra trzpienia siłownika. Otwarcie zaworu elektromagnetycznego na przewodzie upustowym do zbiornika powoduje wyciskanie przez sprężynę powrotną oleju spod powierzchni tłoka iprzemieszczanie się trzpienia siłownika wkierunku przeciwnym. Siłowniki z funkcją bezpieczeństwa posiadają dodatkowy zawór elektromagnetyczny, który przy zaniku zasilania pozostaje w stanie otwartym powodując uwolnienie sprężyny przetłaczającej olej wcelu zamknięcia zaworu.

41 SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY LANDIS

42 SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE FIRMY SAMSON

43 Zasada działania siłownika elektrohydraulicznego firmy SAMSON. Wszczelnej obudowie siłownika (1), będącej jednocześnie zbiornikiem oleju, umieszczone są: korpus cylindra (2), cylinder (5.1), tłok (5.2), silnik (6.1), pompa (6.2) i elektromagnetyczne zawory sterujące (6.4). Współpracująca zsilnikiem (6.1) pompa oleju (6.2) tłoczy olej pod ciśnieniem przez zawór zwrotny (6.3) zawór sterujący (6.4) do odpowiedniej komory cylindra. W stanie beznapięciowym zawory elektromagnetyczne są zamknięte, zaś po pojawieniu się sygnału sterującego z regulatora zostają otwarte na tak długo, jak długo podawany jest sygnał wyjściowy zregulatora. Wzależności od wykonania siłowniki nie posiadają żadnej lub też wyposażone są w jedną bądź dwie sprężyny dociskowe (5.10, 5.11).

44 Zasada działania siłownika elektrohydraulicznego firmy SAMSON W zależności od typu urządzenia żądane położenie isiłę nastawczą można uzyskać za pomocą silnika ipompy lub sprężyn. Wykonania zfunkcją nastawy awaryjnej wyposażone są w sprężynę pomocniczą oraz dodatkowy elektromagnetyczny zawór bezpieczeństwa, który otwiera się wwypadku zaniku napięcia zasilającego i odciąża komorę ciśnieniową. W takiej sytuacji następuje, wzależności od wersji siłownika, zamknięcie lub otwarcie zaworu

45 SIŁOWNIKI ELEKTROHYDRAULICZNE Elektrohydrauliczne elementy napędowe dobrze odpowiadają wymaganiom elementów nastawczych, gdyż umożliwiają łatwe realizowanie dużych sił ipowolnego ruchu elementu nastawczego. Siłowniki elektrohydrauliczne rozwijają dużą siłę nacisku w porównaniu z siłownikami elektrycznymi z zębatą przekładnią mechaniczną. Siłowniki elektrohydrauliczne są wielokrotnie lżejsze od elektrycznych przy tej samej mocy. Charakteryzują się także wysokim stopniem samohamowności.

46 SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE

47 SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE Siłowniki termoelektryczne powstały przez modyfikację termostatów przygrzejnikowych. Wsiłownikach tych sprzężony ztrzpieniem element zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej. Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika izamykanie zaworu. Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika iotwieranie zaworu.

48 SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE Siłownik ma wzasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter quasiciągły. Zaletą siłownika jest prostota konstrukcji, niezawodność i niska cena. Siłowniki tego typu stosowane są do regulacji przepływu czynnika grzejnego (ziębniczego) w wentylokonwektorach (fancoilach)wukładach wentylacji iklimatyzacji. Siłowniki cechuje mały skok przy stosunkowo małej sile potrzebnej do przestawiania zaworu. Temperatura pracy siłownika wynosi 100 do 200 C. Tak wysoka temperatura niezbędna jest dla uzyskania dużej szybkości przestawiania siłownika wobu kierunkach.

49 SIŁOWNIKI TERMOELEKTRYCZNE Jako aktywne elementy wydłużające się pod wpływem temperaturysąstosowane: -bimetale, -mieszki parowo-cieczowe, -mieszki cieczowe, -elementy zciał stałych. Stałe czasowe siłowników elektrotermicznych potrzebne do 100% przestawienia zaworów wynoszą 3do 15 minut. Strefa martwa wynosi 2do 6minut. Do napędu siłowników tego typu potrzebne są elementy grzejne omocy 5do 8W.

50 SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE

51 SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE Zasada działania siłownika (cewki elektromagnetycznej) polega na wykorzystaniu siły działającej na materiał ferromagnetyczny wpolu magnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzane w rdzeniu wskutek przepływu prądu przez cewkę elektryczną powoduje powstanie siły działającej na rdzeń. Rdzeń przesuwa się, powodując przestawianie połączonego z nim grzybka zaworu. Po wyłączeniu zasilania cewki rdzeń i połączony z nim grzybek przesuwany jest pod wpływem sprężyny w położenie pierwotne. Wzależności od rodzaju uzwojenia cewki (lewoskrętne lub prawoskrętne) oraz usytuowania sprężyny zawory mogą być otwarte lub zamknięte wstanie beznapięciowym.

52 SIŁOWNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE Zapotrzebowanie mocy do napędu siłowników elektromagnetycznych wynosi od ok. 16 do 100 W. Stała czasowa siłowników tego typu wynosi ok. 1 s. Stosowane sąwukładach regulacji zobiektami o małych stałych czasowych np. do regulacji temperatury powietrza w kanale urządzenia klimatyzacyjnego.

53 Dziękuję za uwagę!