Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Ciepłownictwa Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Badanie przebiegów regulacyjnych układu do podgrzewu c.w.u. Ćwiczenie nr Laboratorium z przedmiotu: Automatyczna regulacja w ogrzewnictwie i wentylacji Kod: Opracował: mgr inż. Tomasz Teleszewski dr inż. Piotr Rynkowski wrzesień 2008 1
1. Wprowadzenie Ciepła woda użytkowa (c.w.u.) może być przygotowywana w podgrzewaczach elektrycznych i gazowych. Gazowe wymagają podłączenia do instalacji gazowej oraz komina przystosowanego do odprowadzania spalin gazowych (stare kominy murowane często trzeba modernizować). Pomieszczenie, w którym ma być zainstalowany taki podgrzewacz, musi mieć odpowiednią kubaturę (nie mniej niż 8 m3). Trzeba również zapewnić w nim dobrą wentylację, tzn. nawiew powietrza (może to być nawiew bezpośredni - przez nawiewnik zamontowany w tym pomieszczeniu, w którym jest zainstalowany podgrzewacz, lub nawiew pośredni - przez nawiewniki zamontowane w pokojach) oraz wywiew przez kanał wentylacyjny. Elektryczne, jeśli mają małą moc -do 6 kw, z reguły są przystosowane do zasilania z instalacji jednofazowej (230 V); większe wymagają podłączenia do instalacji trójfazowej (400 V). Zarówno podgrzewacze gazowe, jak i elektryczne produkuje się w dwóch odmianach: - pojemnościowe podgrzewają wodę znajdującą się w zasobniku i utrzymują jej temperaturę na zadanym poziomie; - przepływowe uruchamiają podgrzewanie w momencie odkręcenia kranu i wyłączają, gdy się go zakręca. Elektryczne pojemnościowe Moc elektrycznych podgrzewaczy pojemnościowych to najczęściej 1,5 do 2 kw - taką moc mają ich grzałki (a niektóre modele mają je dwie a nawet trzy). Jest to bardzo wygodne i przynosi konkretne oszczędności energii, pozwala bowiem na pracę urządzenia ze zmienną mocą: małą - kiedy przez dłuższy czas nie używamy ciepłej wody i chodzi jedynie o podtrzymanie jej temperatury, średnią - w cyklu normalnej pracy, i wysoką - gdy zachodzi potrzeba szybkiego podgrzania wody w zbiorniku. Niektóre podgrzewacze pojemnościowe mają zamontowane dodatkowo urządzenia przystosowane do współpracy z kotłami centralnego ogrzewania. Podgrzewacze pojemnościowe mogą być bezciśnieniowe (jednopunktowe) oraz ciśnieniowe (wielopunktowe). Bezciśnieniowe. Są to niewielkie zbiorniki (o pojemności 5-15 litrów), które mogą zasilać tylko jeden punkt poboru: umywalkę lub zlewozmywak. Umieszcza się je nad lub pod przyborem. Zazwyczaj są sprzedawane razem ze specjalną baterią, która redukuje ciśnienie wody - z tego, jakie panuje w instalacji, do tego, pod jakim pozostaje woda w zbiorniku. Ciśnieniowe. Mają w zbiorniku takie ciśnienie, jakie panuje w instalacji wodnej. Mogą zasilać jeden lub więcej punktów poboru wody. Do zasilania pojedynczych punktów stosuje się niewielkie podgrzewacze o pojemności od 10 do 30 litrów, możliwe do zamontowania w szafkach Większe podgrzewacze - o pojemności od kilkudziesięciu do kilkuset litrów można zawiesić bezpośrednio pod sufitem (te wykonane w wersji poziomej) albo na ścianie, lub postawić na specjalnym stojaku (pionowe). Elektryczne przepływowe Małe, o mocy od 3,5 do 6 kw mają wydajność od 1,5 do 3 litrów ciepłej wody na minutę i mogą zasilać tylko jeden punkt poboru wody. Często są sprzedawane w komplecie z zamontowaną baterią i wylewką lub słuchawką prysznicową. Większe, o mocy przekraczającej 20 kw, są w stanie dostarczyć wodę jednocześnie do dwóch, a nawet trzech punktów poboru wody w ilości nawet 12-14 litrów na minutę. 2
Regulacja temperatury wody w elektrycznych podgrzewaczach przepływowych może się odbywać na dwa sposoby: - hydraulicznie - im więcej wody się pobiera, tym niższa jest jej temperatura; - elektronicznie - temperatura pozostaje niezależna od ilości pobieranej wody (istnieje możliwość nastawiania temperatury z dokładnością do 0,5-1oC). Gazowe pojemnościowe Są to różnej wielkości zbiorniki, w których dolnej części znajduje się komora spalania wraz z palnikiem. Kiedy następuje włączenie palnika, gorące spaliny przepływające specjalnym kanałem usytuowanym w środku zbiornika oddają ciepło otaczającej go wodzie. Palnik pracuje tak długo, aż woda w zasobniku osiągnie nastawioną temperaturę, po czym się wyłącza. Podgrzewacze stosowane w domach mają pojemność od 80 do 200 litrów. Te o pojemności do 120 litrów mają mniejsze gabaryty, są lżejsze, a więc przystosowane do zawieszenia na ścianie. Większe produkuje się tylko jako stojące. Dużą zaletą podgrzewaczy pojemnościowych jest mała moc, zazwyczaj nieprzekraczająca 10 kw. Dzięki temu urządzenia te charakteryzują się mniejszym chwilowym zużyciem gazu niż przepływowe podgrzewacze gazowe i mogą być stosowane nawet tam, gdzie ze względu na zbyt mały przydział gazu ziemnego korzystanie z podgrzewacza przepływowego jest niemożliwe. Gazowe przepływowe Nazywane też termami lub piecykami kąpielowymi, różnią się od siebie mocą, sposobami zapłonu palnika i regulacji temperatury wody. Moc. Dostępne są trzy grupy urządzeń: małej mocy (17-19 kw), średniej (23-24 kw) i dużej (około 30 kw). Maksymalna wydajność tych pierwszych to około 9 litrów na minutę, a tych dużej mocy - nawet 14 litrów na minutę (jeśli woda jest podgrzewana o 30oC). Rodzaj zapłonu palnika podgrzewacza. Tu można wybierać spośród trzech wariantów: - płomyk dyżurny, od którego po odkręceniu kranu z ciepłą wodą zapala się palnik główny; - zapłon na baterie, czyli zasilany z baterii aparat zapłonowy wytwarzający iskrę do zapalenia palnika; - hydrogenerator, czyli mała zasilana wodą turbinka, która wytwarza prąd i zasila zapalacz iskrowy. Regulacja temperatury wody. Do wyboru są trzy jej rodzaje: - ręczna, umożliwiająca skokowe lub płynne ustawianie mocy urządzenia (najczęściej w zakresie od 50 do 100%).Przy takiej regulacji temperatura wody pozostaje stała tylko przy jednej wielkości strumienia. Jeśli zmniejszymy strumień wody, jej temperatura wzrośnie, a jeśli go zwiększymy - woda będzie chłodniejsza; - automatyczna, która zapewnia stałą temperaturę przy różnej ilości pobieranej wody. Zmiana strumienia wody powoduje automatyczne dostosowanie mocy urządzenia do wielkości przepływu; - automatyczna i ręczna, dzięki której zużycie energii zostaje zredukowane do najniższego koniecznego poziomu, a temperatura pobieranej wody jest niezależna od wielkości jej poboru. - G. Dudek Podgrzewacze do wody 3
a) b) Rys. 1 Elektryczne podgrzewacze wody: a) pojemnościowy podgrzewacz wody typu SG30ORPL firmy Ariston, b) przepływowy podgrzewacz wody TSC6840 firmy Hakl Badanie właściwości dynamicznych Charakterystykę dynamiczną otrzymuje się, gdy w członie regulacji lub obiekcie zmieni się nagle wartość wejściową z jednej wartości na inną i następnie obserwuje się przebieg zmiany wielkości wyjściowej w czasie. Na podstawie tego przebiegu regulacyjnego można określić właściwości regulacyjne układu za pomocą wskaźników. Do najważniejszych wskaźników charakteryzują właściwości dynamiczne można zaliczyć: - współczynnik wzmocnienia K -czas opóźnienia To - stałą czasową T Współczynnik wzmocnienia K określa iloraz ustalonej wartości przyrostu sygnału wejściowego do amplitudy wymuszenia skokowego. y K = x Czas opóźnienia mierzony jest od momentu realizacji wymuszenia skokowego do chwili pojawienia się odpowiedzi elementu. Stała czasowa charakteryzująca szybkość zmian przebiegu przejściowego może być wyznaczana dwojako: - jako czas, po którym odpowiedź elementu osiągnie 63,2% przyrostu wartości ustalonej y (ten sposób może być stosowany wyłącznie dla elementu inercyjnego I rzędu), - jako odcinek podstycznej wyznaczony na asymptocie w dowolnym punkcie charakterystyki skokowej 4
Rys. 2 Charakterystyka skokowa elementu statycznego o złożonych właściwościach dynamicznych. Przykładowa charakterystyka skokowa elementu statycznego o złożonych właściwościach dynamicznych została przedstawiona na rysunku 2. Wielkościami charakteryzującymi ten przebieg oprócz współczynnika wzmocnienia są: - czas narastania Tn, będący miarą szybkości odpowiedzi elementu, określony w praktyce jako przedział czasu, w którym następuje wzrost odpowiedzi elementu do 0,1 do 0,9 końcowej wartości ustalonej, - czas ustalenia Tu, przedział czasu do chwili wprowadzenia wymuszenia skokowego na wejście elementu do chwili, w której różnica między wartością sygnału odpowiedzi skokowej, a jego wartością ustaloną nie przekracza określonej części (zwykle 5%) przyrostu wartości ustalonej. 2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie przebiegu regulacji oraz przedstawienie metod oceny jakości regulacji układu do podgrzewu c.w.u. Dla określonych nastaw wstępnych układu regulacji, dokonać oceny jakości i dynamicznej tego układu na podstawie zarejestrowanych przebiegów regulacyjnych, będących odpowiedzią układu na zadane wymuszenie skokowe. 5
3. Metodyka badań przepływowy elektryczny podgrzewacz wody a) opis stanowiska badawczego przepływowego elektrycznego podgrzewacza wody 3 2 4 1 4 5 Rys. 3 Schemat stanowiska badawczego: 1-przepływowy podgrzewacz wody, 2-rotametr, 3- rejestrator, 4-czujniki temperatury, 5- zawór odcinający. b) przebieg realizacji eksperymentu Wielkością regulowaną jest temperatura wody na wypływie z podgrzewacza wody. W celu wykonania ćwiczenia należy: 1) Włączyć rejestrator temperatury (3). 2) Wprowadzić zakłócenie skokowe wartości zadanej poprzez zmianę ilości przepływającej przez rotametr (2). 3) Rejestrować szybkość zmiany temperatury Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć rejestrator temperatury (3). c) prezentacja i analiza wyników badań Na podstawie zarejestrowanego przebiegu regulacyjnego określić przebieg temperatury wskazywanego przez rejestrator oraz wyznaczyć graficznie i obliczyć wskaźniki jakości dynamicznej. 6
4. Metodyka badań pojemnościowy elektryczny podgrzewacz wody a) opis stanowiska badawczego pojemnościowego elektrycznego podgrzewacza wody 3 2 4 1 4 5 Rys. 4 Schemat stanowiska badawczego: 1-pojemnosciowy podgrzewacz wody, 2-rotametr, 3- rejestrator, 4-czujniki temperatury, 5- zawór odcinający. b) przebieg realizacji eksperymentu Wielkością regulowaną jest temperatura wody na wypływie z podgrzewacza wody. W celu wykonania ćwiczenia należy: 1) Włączyć rejestrator temperatury (3). 2) Wprowadzić zakłócenie skokowe wartości zadanej poprzez zmianę ilości przepływającej przez rotametr (2). 3) Rejestrować szybkość zmiany temperatury Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć rejestrator temperatury (3). c) prezentacja i analiza wyników badań Na podstawie zarejestrowanego przebiegu regulacyjnego określić przebieg temperatury wskazywanego przez rejestrator oraz wyznaczyć graficznie i obliczyć wskaźniki jakości dynamicznej. 7
5. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego. 6. Sprawozdania studenckie Sprawozdania studenckie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) niezbędne związki teoretyczne, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), g) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Analiza dokładności pomiarów. 4) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 5) Zestawienie łączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). 7. Literatura W. Chmielnicki, K. Kasperkiewicz, B. Zawada: Laboratorium automatyzacji urządzeń sanitarnych, Arkady 1985, W. Chmielnicki: Podstawy automatyki w inżynierii sanitarnej, WPW, Wrocław 1977, L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej, Arkady Warszawa 1980 G. Dudek Podgrzewacze do wody 8