POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny Katedra Techniki Cieplnej SEMINARIUM Z PRZEDMIOTU AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA Temat: Sondy pojemnościowe nowoczesnym elementem do regulacji poziomu cieczy w aparatach instalacji chłodniczych. JAROSŁAW POKORSKI Mechanika i Budowa Maszyn Systemy i Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne studia dzienne /sem. IX Gdańsk 2007
1. Wstęp W parownikach płaszczowo-rurowych typu zalanego, chłodnicach międzystopniowych, osuszaczach i innych elementach instalacji chłodniczej, zachodzi konieczność utrzymania stałego, niezależnego od wahań obciążenia cieplnego, poziomu ciekłego czynnika. Do tego celu stosowane są: zawory pływakowe niskiego i wysokiego ciśnienia (bezpośredniego i pośredniego działania), termostatyczne regulatory poziomu cieczy, elektroniczne regulatory poziomu cieczy 2. Elektroniczne sondy pionowe. Poszczególne elementy systemu: Elementy tego systemu można podzielić na trzy główne grupy: 1. Czujniki źródła sygnału, które mierzą poziom czynnika chłodniczego w urządzeniu w różnych kluczowych punktach, a następnie przekazują sygnał do pozostałej części systemu regulacji. 2. Układy regulacyjne otrzymują sygnał sterujący od czujników; stopień ich skomplikowania jest bardzo zróżnicowany, zależny od spełnianej funkcji. 3. Elektroniczne zawory rozprężne ich funkcją jest sterowanie przepływu czynnika chłodniczego. Rys 1. Schemat układu z zastosowaniem sondy przetwornikowej Źródło: Materiały firmowe firmy ZTCh z Bydgoszczy
Czujnik - Zasada działania Czujnik sondy montuje się pionowo w rurze poziomowskazowej, czasem bezpośrednio w zbiorniku. Konstrukcja przetwornika w mierniku poziomu czynnika chłodniczego opiera się na zasadzie pręta pojemnościowego. Pręt ten składa się z dwóch koncentrycznych rur odizolowanych od siebie elektrycznie. Po podłączeniu do obwodu elektrycznego układ ten działa jako kondensator. Czynnik chłodniczy, który wznosi się i opada w przestrzeni pomiędzy tymi rurami, zmienia pojemność kondensatora, co jest wykorzystywane do określenia poziomu płynu. zakres pomiaru (do około 4,27m) określony jest długością pręta kondensatora i może być znacznie większy niż w tradycyjnym czujniku mechanicznym wykonanie czujnika w postaci koncentrycznej uniezależnia pomiar poziomu czynnika od kształtu zbiornika czy walczaka przetworniki tego typu kalibrowane są dla większości najbardziej popularnych czynników chłodniczych co eliminuje trudny i czasochłonny proces kalibracji w czasie uruchamiania urządzenia układ ten charakteryzuje duża dokładność pomiaru oraz ekonomiczność, a także brak ruchomych elementów, narażonych na zużycie Rys. 2 Schemat montażu sondy Vari-Level produkcji firmy Hansen Źródło: TCHIK 8/2002; str.325
Rys. 3 Elektroniczny przetwornik poziomu typu AKS41/41U firmy Danfoss Źródło: Dokumentacja techniczna Rys. 4 Konstrukcja elektronicznego przetwornika poziomu cieczy typu AKS41/41U firmy Danfoss Źródło: Dokumentacja techniczna
Zastosowanie: osuszacze układów pompowych i innych recyrkulacyjnych zbiorniki magazynowe cieczy, przykładowo za skraplaczem parowniki typu zalanego chłodnice międzystopniowe zbiorniki ukł. przetłaczania cieczy Zalety tego rozwiązania: - poziomo cieczy w zbiorniku odwzorowany jest za pomocą ciągłego sygnału elektrycznego - łatwa możliwość zmiany nastaw w dużym zakresie podczas eksploatacji instalacji chłodniczej, bezpotrzebny dokonywania przeróbek montażowych - możliwość ciągłego cyfrowego wyświetlania rzeczywistej (brak cieczy pośredniczącej) wysokości poziomu cieczy w zbiorniku - możliwość usytuowania jednego lub więcej wyświetlaczy w dowolnym dogodnym dla nas miejscu - zautomatyzowana kontrola ilości czynnika w instalacji - możliwość podłączenia do komputera centralnego, sterownika programowalnego PLC lub innych urządzeń regulacyjnych, sygnalizacyjnych itp. - sygnał wyjściowy sondy jest z tłumieniem zakłóceń rozbryzgowych cieczy w zbiorniku 3. Jednopunktowe czujniki i wyłączniki poziomu cieczy Te zwarte jednopunktowe czujniki i wyłączniki poziomu cieczy umożliwiają ekonomiczne rozwiązanie niezawodnego i dokładnego wykrywania poziomu cieczy. Skonstruowano je do wykrywania obecności cieczy w określonym miejscu zbiorników z ciekłym czynnikiem chłodniczym. Niskonapięciowy, kompatybilny komputerowo sygnał wyjściowy z czujnika poziomu może być wykorzystany bezpośrednio przez komputery zakładowe, sterowniki programowalne PLC, przekaźniki półprzewodnikowe lub inne regulatory. Wyjście z przekaźnika wyłącznika poziomu można bezpośrednio połączyć z cewką zaworów elektromagnetycznych, alarmami i komputerami. Główne cechy: Brak elementów ruchomych w czujniku pomiarowym, Możliwe niskie temperatury czynnika chłodniczego, Elektronika typu plug-in, Nadają się do amoniaku, R22, R134a, R404a, R507 i innych zaaprobowanych przez firmę Hansen czynników chłodniczych, Nie zakłócają ich pracy normalne rozbryzgi ani powłoka olejowa, Korpus czujnika pomiarowego wykonany jest ze stali nierdzewnej.
Zastosowanie: Czujniki i wyłączniki te skonstruowano specjalnie do zastosowania w instalacjach chłodniczych. Zapewniają jedno-punktowe wykrywanie poziomu ciekłego czynnika chłodniczego w: zbiornikach cieczy, chłodnicach międzystopniowych, zbiornikach z regulowanym ciśnieniem, agregatach do chłodzenia cieczy "chillerach", agregatach sprężarkowych, zespołach pompowych, osuszaczach i zalanych parownikach. W wielu wypadkach jednopunktowe czujniki i wyłączniki poziomu są stosowane zamiast wyłączników pływakowych np. do alarmów przy zbyt niskim i zbyt wysokim poziomie łącznie z komputerami zakładowymi, programowalnymi sterownikami lub zaworami elektromagnetycznymi odcinającymi. Rys. 5 Typowe zastosowania czujników jednopunktowych Źródło: Materiały firmowe firmy ZTCH z Bydgoszczy Rys. 6 Jednopunktowy wyłącznik poziomu cieczy SPS firmy Hansen Źródło: Materiały firmowe firmy ZTCH z Bydgoszczy
4. Podsumowanie i wnioski. w układach chłodniczych sterowanych w sposób tradycyjny poszczególne elementy stanowią jednostki niezależne. Elektroniczny system regulacji poziomu może połączyć je w jeden zintegrowany system o dużej precyzji działania, sterowany lokalnie lub centralnie przy pomocy komputera, funkcjonowanie ukł. chłodniczego w pełnej automatyce zapewnia stabilność pracy, przykładowo zawór rozprężny sterowany przez ukł. regulacyjny nie wymaga żadnego dostrajania. Modulowanie czasu wtrysku czynnika chłodniczego zapewnia regulowanie poziomu cieczy bez oscylacji ciśnienia. W ten sposób sprężarka ma zapewnione optymalne warunki pracy, a jednocześnie chłodzenie utrzymywane jest w bardzo wąskich granicach, co całościowo ma bezpośrednie przełożenie na zoptymalizowane zużycie energii elektrycznej, z pewnością dość poważną barierą wdrażania tych, że rozwiązań są koszty samej inwestycji, które przy zautomatyzowaniu całej instalacji wyposażeniu jej w system wizualizacji są zbyt wysokie dla potencjalnych nabywców powyższych rozwiązań. LITERATURA: [1] Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna Z.Bonca; Wydawnictwo Uczelniane WSM Gdynia; Gdynia 1993 [2] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 6-7/2002; str. 261-262; Elektroniczne układy regulacji poziomu czynnika w urządzeniach chłodniczych gotowe rozwiązania. [3] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 8/2000; str. 365-368; Regulacja i sygnalizacja poziomu cieczy. [4] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 8/2002; str. 325-326; Poziomowskazy elektryczne PE1. [5] Materiały i katalogi firmowe firmy Danfoss oraz Hansen