Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Automatyka chłodniczo-klimatyzacyjna - seminarium. Temat: Systemy regulacji wilgotności powietrza w obiektach klimatyzacyjnych: cel stosowania + budowa + przykłady zastosowania. Prowadzący: dr inŝ. Zenon Bonca Wykonał: Artur Papierz Sem.: 9. Specjalność: SUChKl Rok akad. 2005/2006
Zakres pracy: 1. PARAMETRY KOMFORTU CIEPLNEGO 2. URZĄDZENIA DO POMIARU WILGOTNOŚCI 3. REGULATOR WILGOTNOŚCI 4. UKŁADY REGULACJI WILGOTNOŚCI 5. WNIOSKI 6. LITERATURA
1. Parametry komfortu cieplnego. Systemy klimatyzacyjne mają zapewnić w miejscu pracy lub odpoczynku dobre samopoczucie człowieka, a w przemyśle ponadto dopomóc w uzyskaniu dobrego produktu. Samopoczucie cieplne człowieka jest dobre, gdy nie odczuwa ani chłodu ani gorąca. W wyniku długotrwałych obserwacji i badań ustalono pewien zakres parametrów powietrza, który przez większość ludzi został określony jako stan dobrego samopoczucia. Na stan dobrego samopoczucia wywierają wpływ: temperatura powietrza w pomieszczeniu; temperatura przegród budowlanych; prędkość ruchu powietrza w strefie przebywania ludzi; wilgotność względna powietrza. czystość powietrza Dla róŝnych rodzajów pomieszczeń (biurowe, przemysłowe, szkolne, i td.) istnieją zalecenia lub normy, podające wartości poszczególnych parametrów. Wpływ wilgotności na samopoczucie człowieka. Samopoczucie człowieka moŝe być dobre w duŝych zakresach zmienności wilgotności względnej powietrza. Wywiera ona wpływ na samopoczucie ludzi wówczas, gdy jest to związane z koniecznością odparowania wody z powierzchni skóry. JeŜeli w pomieszczeniu występuje wysoka temperatura i wilgotność względna powietrza, wówczas zostaje zahamowany proces odparowania wody z powierzchni skóry, człowiek zaczyna się pocić i odczuwać duszność. Zalecane wartości wilgotności wewnątrz budynków publicznych Budynki administracji, biurowe: Lato 50 do 60% Biblioteki i muzea: Lato 40 do 55% Centra telegraficzne i telefaksowe: Lato 40 do 50% Zima 45 do 55% Dworce autobusowe: Zima 50 do 60%
Wymagane wilgotności w pomieszczeniach przemysłowych: Wilgotność niska: Elektronika: nawijanie cewek 15% Wulkanizacja 25-30% Ceramika: składowanie glinki 35-63% Wilgotność wysoka: Przemysł wełniany: przędzenie wełny przędzarką wózkową 65-75% Mechanika precyzyjna: montaŝ przyrządów pomiarowych 80-83% Browary: słodowanie 80-85% Przemysł tytoniowy: rozmiękczanie tytoniu 85-88% 2. Urządzenia do pomiaru wilgotności. Urządzenia do pomiaru wilgotności lub stanu psychrometrycznego powietrza wilgotnego noszą nazwę higrometrów, niezaleŝnie od jednostki miary, w jakiej jest wyraŝona wilgotność. Psychrometry Metody psychrometryczne polegają na wykorzystaniu zjawiska obniŝania się temperatury wilgotnej powierzchni przy przepływie powietrza nienasyconego. Rys.1. Psychrometr 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).
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. Zalety: Prosta konstrukcja Dokładny pomiar, poniewaŝ prędkość wiatru jest stała utrzymywana na poziomie 2,5 m/s. Niedrogi Wady: Trudność dokładnego zmierzenia wilgotności poniŝej punktu zamarzania. skomplikowany pomiar oraz ograniczenie w stosowaniu w automatycznych układach czuły na promieniowanie zewnętrzne. Stabilizacja dokładnego pomiaru wymaga czasu, 10 do 15 minut Czujniki elektryczne Czujniki elektryczne oparte są na zastosowaniu substancji lub złoŝonych układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę właściwości elektrycznych układu (impedancja, pojemność elektryczna lub inne pomiary elektryczne) Typy czujników elektrycznych: Istnieją dwa rodzaje wilgotnościomierzy elektrycznych, róŝniące się rodzajem czujnika wilgotności, choć cechą wspólną jest uŝycie materiału absorbującego i wydzielającego wilgoć: Z czujnikiem rezystancyjnym (zmiana rezystancji); Z czujnikiem pojemnościowym (zmiana pojemności).
Czujnik rezystancyjny jest to czujnik o prostej budowie i małych rozmiarach, umoŝliwiający odsunięcie miejsca pomiaru od urządzenia elektronicznego, które obrabia i wskazuje jego wynik. Dodatkowa zaleta to moŝliwość stosowania przy dość wysokich temperaturach. Na ceramicznym podłoŝu jest nałoŝony czuły na wilgoć polimerowy element, w którym umieszczone są dwie elektrody o strukturze grzebieniowej. Absorpcja lub emisja wilgoci z elementu polimerowego powoduje zmianę jego rezystancji. Rys.2. Czujnik rezystancyjny Czujnik pojemnościowy charakteryzuje się znaczną szybkością działania, moŝliwością uŝywania w stosunkowo wysokich temperaturach, doskonałymi własnościami przy niskich wilgotnościach. W pewnych okolicznościach czujnik moŝna zmywać wodą destylowaną. Warstwa czuła na zawilgocenie jest umieszczona między dwoma elektrodami, umieszczonymi na szklanym podłoŝu. Absorpcja lub emisja wilgoci z warstwy powoduje zmianę pojemności kondensatora, utworzonego przez obie elektrody. Rys.3. Czujnik pojemnościowy
Termohigrometry Termohigrometry: są przyrządami do jednoczesnego pomiaru temperatury i wilgotności powietrza. Charakteryzują się nowoczesną konstrukcją opartą na wydajnych i oszczędnych energetycznie sterownikach mikroprocesorowych. Elementami pomiarowymi są tu: cienkowarstwowy czujnik temperatury Pt-100 i cienkowarstwowy pojemnościowy czujnik wilgotności względnej, z których analogowe sygnały zostają zamienione w przetwornikach A/C na dane liczbowe. Indywidualne dane kalibracyjne czujników wilgotności i temperatury zapisane są w nieulotnej pamięci termohigrometrów i słuŝą do wyznaczenia ostatecznych wyników pomiarów. Obliczenia są wykonywane z duŝą precyzja i uwzględniają nieliniowości charakterystyk przetwarzania czujników temperatury i wilgotności. J Jednoczesne wykonywanie pomiarów temperatury i wilgotności przez jeden przyrząd jest uzasadnione ścisłą zaleŝnością wilgotności bezwzględnej od temperatury i wilgotności względnej. UmoŜliwia to rachunkowe wyznaczenie w przyrządzie innych parametrów wykorzystywanych do opisu wilgotności: temperatury punktu rosy, procentowej zawartości i ciśnienia cząsteczkowego pary wodnej. Elementy pomiarowe w termohigrometrze wykorzystują dwa czujniki: Cienkowarstwowy rezystor platynowy 1) Głowica przyłączeniowa i przetwornik pomiarowy 2) Wkład pomiarowy 3) Element dystansowy 4) Rura ochronna Rys.4. Rezystor platynowy Pt-100
Przykładem zastosowania tego czujnika jest psychrometr LB-754P w połączeniu z panelem LB-706T tworzący urządzenie, które mierzy wilgotność i temperaturę powietrza metodą psychrometryczną. Zasadniczą zaletą elektronicznego psychrometru jest wysoka dokładność pomiaru wilgotności (nie gorsza niŝ 1%), zwłaszcza w zakresie bardzo duŝych wilgotności (bliskich 100%). Psychrometr jest wolny od wad mierników bazujących na cienkowarstwowych pojemnościowych czujnikach wilgotności (histerezy i dryftu dla duŝych wilgotności). Rys.5.Psychrometr LB-754P z lewej i panel LB-706T z prawej. Psychrometr składa się z dwóch termometrów pracujących z wykorzystaniem termorezystorów platynowych Pt1000: suchego i mokrego (nawilŝanego mokrym knotem). Równomierny przepływ powietrza zapewnia elektryczny wentylator. Termometry są umocowane poziomo wewnątrz metalowej obudowy, nad zbiornikiem na wodę destylowaną.
Cienkowarstwowy pojemnościowy czujnik wilgotności względnej (kondensator, którego pojemność jest zaleŝna od wilgotności względnej). Rys.6. Termohigrometr LB-701 z panelem sterująco-odczytowym LB-725 Termohigrometry pozwalają mierzyć wilgotność względna powietrza w zakresach: 10-95% w zakresie temp. do +40C 10-60% w zakresie temperatur do +70C 10-40% w zakresie temperatur do +85C Zalety: duŝa dokładność pomiaru +- 2%, brak analogowych elementów regulacji duŝa szybkość pomiaru automatyzacja pomiarów przesyłanie sygnału na duŝą odległość ( do kilku km) Wady: wysoka cena jednostki
3. Regulator wilgotności powietrza Rys.7. Regulator wilgotności powietrza Omega Regulator wilgotności powietrza Omega, jest regulatorem o funkcjach: - regulacja wilgotności: +/- 0,2 [%] w zakresie 60-100 [%], w temperaturze powietrza 10-40 0 C - sterowanie nawilŝaniem powietrza - sterowanie osuszaniem powietrza PoniŜej przedstawiony został wykres pracy regulatora. Widzimy, Ŝe model zawartości wilgoci w klimatyzowanym pomieszczeniu zmienia się sinusoidalnie. Na regulatorze ustawiamy wartość zadaną wilgoci, przy czym błąd dokładności pomiaru( histereza) jest ustawiony w granicach: +/- 0.2 [%]. Występują dwa przypadki pracy regulatora: Osuszanie, gdy zawartość wilgoci przekroczy górny próg alarmowy, odpowiedni przekaźnik załączy wentylator. Wentylator pracuje cyklicznie na zasadzie praca/postój NawilŜanie, gdy zawartość wilgoci przekroczy dolny próg alarmowy, odpowiedni przekaźnik uruchomi wtryskiwacz wody w komorze zraszania. Wtryskiwacz wody pracuje cyklicznie na zasadzie praca/postój.
Rys.8. Schemat pracy regulatora
4. Układy regulacji wilgotności Instalacja niskociśnieniowa Rys.9. 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 M 7 chłodnicy, natomiast pompa wody obiegowej zostanie wyłączona za pomocą wyłącznika S 2.
Instalacja wysokociśnieniowa Rys.10. Schemat regulacji wysokociśnieniowej instalacji klimatyzacyjnej z dwururowym systemem wodnym. W układzie takim parametrem regulowanym jest temperatura punktu rosy. Czujnik temp. T 1, umieszczony za komora zraszania, mierzy temp. 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 M 1 nagrzewnicy wstępnej powietrza. JeŜeli punk rosy leŝy za wysoko regulator otwiera zawór M 2 chłodnicy, natomiast wyłącznik S 2 wyłącza pompę obiegową komory zraszania.
Instalacja dwuprzewodowa Rys.11. 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 T 2 osiągnie wartość zadaną.
5. Wnioski Przy dzisiejszym rozwoju technologicznym, potrzeby ludzkie są coraz to większe. Dlatego teŝ klimatyzacja obiektów zmienia się z dnia na dzień wykorzystując nowe technologie pomiaru wilgotności. W biurach, halach przemysłowych, czy basenach konieczny jest ciągły monitoring zmian wilgotności, aby zapewnić warunki komfortu cieplnego. PowyŜsza praca ukazuje, Ŝe elektroniczne systemy regulacji wilgotności są dzisiaj najczęściej spotykane, poniewaŝ uzyskany sygnał elektroniczny jest łatwy do przetworzenia na inne wielkości mechaniczne, natomiast sam przesył takiego sygnału jest znacznie ułatwiony. Dobór odpowiedniego czujnika jest uzaleŝniony od zakresu wilgotności, w jakim ten czujnik ma pracować. Ponadto naleŝy brać pod uwagę dokładność zachowania parametru wilgotność szczególnie waŝne w niektórych procesach technologicznych. Bardzo waŝnym parametrem jest temperatura pomieszczenia, jak wiadomo, czym niŝsza temperatura tym trudniej utrzymać wymaganą wilgotność, poniewaŝ zmienia się ona w bardzo wąskim zakresie. Literatura: 1. Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat. Pomiary, regulacja; 2. Fritz Steimle: Kurs klimatyzacji; 3. http://www.label.com.pl 4. http://cieplej.pl 5. http://www.geneza.cc.pl