Układy automatyki nowoczesnych central klimatyzacyjnych z odzyskiem i bez odzysku ciepła: budowa + działanie + przykłady rozwiązań.

Transkrypt

1 Perestaj Grzegorz Układy automatyki nowoczesnych central klimatyzacyjnych z odzyskiem i bez odzysku ciepła: budowa + działanie + przykłady rozwiązań. Spis treści: 1. Wstęp 2. Rodzaje regulatorów 2.1. Regulatory bezpośrednie 2.2. Regulatory mechaniczno elektryczne 2.3. Regulatory elektryczne 2.4. Regulatory pneumatyczne 3. Wybrane elementy automatyki stosowane w centralach klimatyzacyjnych 3.1. Czujniki temperatury termostaty 3.2. Czujniki wilgotności - higrostaty 3.3. Czujniki ciśnienia presostaty 3.4. Czujniki entalpii 3.5. Czujnik tlenku węgla 3.6. Czujnik zanieczyszczenia powietrza 3.7. Elementy zabezpieczające Termostat przeciwzamroŝeniowy po stronie powietrza Termostat zabezpieczający przed przegrzaniem 3.8. Napędy nastawcze 3.9. Zawory nastawcze Przemiennik częstotliwości (falownik) Sternik cyfrowy 4. Literatura

2 1. Wstęp Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacji pozwala na uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których bez ingerencji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza, bez względu na działające wielkości zakłócające takie jak: wpływ pogody (temperatury zewnętrznej, promieniowania słonecznego i wiatru, wahania temperatury i ciśnienia), oraz zmiana temperatury przez róŝne źródła ciepła (ludzie, maszyny). Ponad to kompletna automatyka pozwala na: Znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń; Kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami. Układ automatyki central klimatyzacyjnych składa się z szeregu urządzeń regulacyjnych i sterujących. Pod nazwą regulator naleŝy rozumieć urządzenie, które utrzymuje w sposób zautomatyzowany pewien stan fizyczny na określonym poziomie, mówiąc dokładniej w pewnym zakresie, odpowiednio do wcześniejszych nastaw. W najprostszej formie zespala się razem czujnik pomiarowy i regulator, uzyskując w ten sposób higrostat, termostat czy presostat. Nowoczesne systemy posiadają regulatory pneumatyczne, elektryczne lub mikroelektryczne, połączone z oddzielnymi czujnikami pomiarowymi i nastawnikami. Urządzenia sterujące to takie, w którym jedna wielkość przestawia drugą. Urządzenie sterujące realizuje w tym przypadku następujące funkcje: Pomiar np. temperatury za pomocą czujnika (elementu pomiarowego) w miejscu nastawiania, Porównanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną, Wzmacnianie i ewentualne przetwarzanie sygnałów w regulatorze (element wzmacniający), Przestawianie elementu nastawczego, np. grzybka zaworu. Oprócz funkcji regulującej i sterującej układ automatyki pełni jeszcze jedną bardzo waŝną rolę, a mianowicie funkcję zabezpieczającą: Nagrzewnicę wodną przed zamarznięciem Nagrzewnicy elektrycznej przed przegrzaniem, Wymiennik krzyŝowy i obrotowy odzysku ciepła przed zeszronieniem, Sygnalizowanie stanu awarii, Utrzymywanie minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy w okresie czuwania. 2. Rodzaje regulatorów 2.1.Regulatory bezpośrednie Pracują one bez energii pomocniczej, wykorzystując zjawisko rozszerzalności cieplnej. NaleŜą one do grupy regulatorów o działaniu ciągłym. Wykorzystuje się je głównie do regulacji temperatury, ale mogą teŝ być wykorzystane do regulacji ciśnień i przepływów objętościowych. Regulator taki składa się z czujnika, kapilary i zaworu. Wraz ze wzrostem temperatury rozszerza się ciecz, poruszając siłownik sterowniczy zaworu. Zaleta: niezaleŝny od energii pomocniczej, jak prąd elektryczny, spręŝone powietrze. Z tego względu często stosowany jest w regulowanych obwodach zabezpieczających Wady: Nie dokładne utrzymanie zadanych parametrów ze względu występowania regulatora proporcjonalnego. Zakres proporcjonalności od 3 do 6K, skok 2 3mm, nie jest nastawny, dlatego nie moŝna dokonać dopasowania do obiektu regulacji.

3 Regulator rozszerzalnościowy 1. klucz nastawny wartości zadanej; 2.skala; 3. tuleja; 4.mieszek metalowy; 5. czujka temperaturowa 2.2.Regulatory mechaniczno elektryczne Są to regulatory o działaniu nieciągłym, dwupołoŝeniowe. Ich sygnał wyjściowy moŝe przyjmować tylko dwa stany, np. zał. wył. MoŜna je stosować zarówno jako regulatory temperatury, ciśnienia i wilgotności. Do pomiaru temperatury stosuje się bimetale (materiały o róŝnej rozszerzalności), do pomiaru wilgotności higroskopijne pasma bawełniane lub taśmy z tworzyw sztucznych, a do pomiaru ciśnienia metalowych mieszków spręŝystych lub membran. Człon nastawczy posiada tylko dwa połoŝenia krańcowe: styk minimum (regulator grzania), styk maksimum (regulator chłodzenia). Do tej grupy regulatorów zalicza się równieŝ regulatory trzy połoŝeniowe. Pracują podobnie jak dwupołoŝeniowe, z tę róŝnica, Ŝe jest moŝliwe pośrednie połoŝenie członu nastawczego. MoŜna tu teŝ zaliczyć regulatory zwane termostatami zegarowymi, na których moŝna ręcznie nastawić dwie róŝne wartości zadane, np. inną dla dnia inną dla nocy. Regulator zegarowy Regulacja trzypołoŝeniowa agregatu klimatyzacyjnego z chłodnicą

4 2.3.Regulatory elektryczne Regulatory te do pracy wymagają zasilania energią elektryczną. Regulowana wielkość fizyczna - temperatura, wilgotność, ciśnienie - przetwarzana jest, w czujniku pomiarowym, na elektryczny sygnał analogowy. Następnie wartość wejściowa wraz z wartością zadaną są przetwarzane na jednolite sygnały napięcia stałego. Sygnały te są porównywane w wzmacniaczu napięcia stałego. Uzyskana odchyłka regulacji jest obrabiana w części regulacyjnej Następnie zespoły elektroniczne regulatora wytwarzają nowy sygnał elektryczny i przesyłają do przyłączonego członu nastawczego. 2.4.Regulatory pneumatyczne Wykorzystują spręŝone powietrze jako energię pomocniczą do wzmocnienia mocy sygnałów. Ich głównymi elementami są: spręŝarka wraz z silnikiem i zbiornikiem spręŝonego powietrza, czujniki temp., wilgotności, ciśnienia, siłowników membranowych zaworów i klap oraz przewodów łączących. Wszystkie regulatory mają działanie proporcjonalne, tzn., Ŝe kaŝdej wartości fizycznej przyporządkowane jest ściśle określone połoŝenie elementu nastawczego. Zakres P jest zwykle nastawialny. RozróŜnia się regulatory bezpośredniego działania (ciśnienie sterownicze wzrasta wraz ze wzrostem wartości rzeczywistej) i regulatory odwrotnego działania. 3. Wybrane elementy automatyki stosowane w centralach klimatyzacyjnych 3.1.Czujniki temperatury - termostaty 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). Czujniki pokojowe mierzą temperaturę bezpośrednio w pomieszczeniu. Wytwarzać mogą sygnał aktywny bądź 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).

5 Czujniki kanałowe Czujniki pokojowe W najprostszej formie czujnik i regulator stanowią jeden zespół termostat. W tym przypadku stosowane są czujniki rozszerzalnościowe róŝnych typów: bimetalowe (zwinięte razem dwa metalowe paski o róŝnej rozszerzalności cieplnej), prętowe (dwa pręty powiązane ze sobą, jeden z materiału o duŝej rozszerzalności, drugi z inwaru, posiadającego znikomą rozszerzalność), membranowe (wykorzystane zjawisko rozszerzalności cieczy np. nafta, lub gazów np. butan, freon). 3.2.Czujniki wilgotności higrostaty Termostat pokojowy z programatorem Jako element czuły na wilgotność stosuje się materiały higroskopijne, które przy zmieniającej się wilgotności względnej wydłuŝają się lub skracają np. pasmo włosów, jedwab, bawełna, tworzywa sztuczne. Nowoczesne czujniki wilgotności do układów regulacji wykorzystują elektryczne metody pomiaru, które bazują na zmianie elektrycznej oporności lub pojemności określonych materiałów przy zmianie wilgotności. Na przykład elementem pomiarowym moŝe być dielektryk kondensatora czuły na wilgotność. Pojemność kondensatora zmienia się wraz z wilgotnością, a przetwornik częstotliwościowo napięciowy wytwarza napięcie proporcjonalne do wilgotności. Wadą tego typu czujników jest konieczność częstego wzorcowania czujnika. Bardzo dokładnym czujnikiem, pozbawionym wady częstego wzorcowania jest czujnik opierający się na pomiarze temperatury punktu rosy. Jednak jest on bardzo drogi i stosuje się go wyłącznie wtedy, gdy są wymagane bardzo dokładne wyniki regulacji. Higrostat kanałowy Higrostat pokojowy; nastawiany wewnętrznie

6 3.3.Czujniki ciśnienia presostaty SłuŜą do pomiaru ciśnień absolutnych lub róŝnicy ciśnień cieczy i gazów. Mogą być budowane z wykorzystaniem puszki przeponowej, której wygięcie zaleŝne od ciśnienia jest mechaniczne wyczuwane przez potencjometr. Najbardziej nowoczesne czujniki posiadają ceramiczną komórkę pomiarową, połączoną z kondensatorem płytkowym. Sygnał pomiarowy jest ujmowany pojemnościowo przez połoŝenie membrany. Pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia na komórce pomiarowej. Czujnik taki pełnić moŝe 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. 3.4.Czujniki entalpii Są potrzebne do energetycznej optymalizacji pracy urządzeń klimatyzacyjnych. Stosuje się je np. do ujęcia róŝnic entalpii między powietrzem zewnętrznym i powietrzem wywiewanym głównie do regulacji regeneracyjnych wymienników odzysku ciepła. Stosowany jest jeden czujnik wilgotności względnej i jeden temperatury, entalpię natomiast wylicza układ elektroniczny. 3.5.Czujnik tlenku węgla 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 mikroprocesorowe.

7 3.6.Czujnik zanieczyszczenia powietrza Czujnik 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. 3.7.Elementy zabezpieczające Termostat przeciwzamroŝeniowy po stronie powietrza Przy ujemnych temperaturach zewnętrznych istnieje niebezpieczeństwo zamarznięcia nagrzewnicy powietrza, co łączy się z przykrymi następstwami: pękanie rur, zniszczenie nagrzewnicy, powstawanie nieszczelności. Termostat 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, wyłączenie 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 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 onw obwód sterowania nagrzewnicy elektrycznej.

8 3.8.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. 3.9.Zawory nastawcze Silnik elektryczny przepustnicy Są takimi elementami, które pod wpływem sygnału z regulatora zmieniają strumień energii wody lub pary czy innego medium dostarczanego do 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. Zawór przelotowy kulowy z siłownikiem Zawór trójdrogowy z siłownikiem Przemiennik częstotliwości (falownik) Płynna regulacja wydajności powietrza centrali wentylacyjnej poprzez proporcjonalną zmianę prędkości obrotowej zespołu silnikwentylator. 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 U/f.

9 3.11. Sternik cyfrowy Realizuje pomiar temperatury powietrza w pomieszczeniu. Dodatkowo umoŝliwia zadawać i odczytywać parametry pracy centrali wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej takie jak: Parametry powietrza Zmiany wydajności (płynna) Stopień recyrkulacji Ustawienie kalendarza pracy START/STOP Stany awarii 4. Literatura Recknagel Poradnik. Ogrzewanie + Klimatyzacja Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr 8/2006 Katalog firmowy VTS Clima