POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny AUTOMATYKA CHŁODNICZA Temat: Nowoczesne systemy regulacji temperatury w obiektach chłodzonych Sebastian Kasicz wydz. Mechaniczny sem. 9 SMiUE, SUChiKl
Zakres pracy: 1. Pojęcie regulacji obiektu i obiektu regulacji 2. Cele procesu regulacji w urządzeniach chłodniczych 3. Cel regulacji temperatury 4. Bilans cieplny 5. Nowoczesne systemy regulacji temperatury w obiektach chłodzonych 6. Zalety i wady systemów elektronicznych względem systemów mechanicznych 7. Dodatki 8. Literatura 1. Pojęcie regulacji i obiektu regulacji Regulacja- oddziaływanie na określony proces, w celu zmniejszenia odchyleń jego przebiegu od przebiegu poŝądanego Obiekt regulacji- jest to urządzenie lub zespół urządzeń, w których przeprowadzany jest proces regulacji. 2. Cele procesu regulacji urządzeniach chłodniczych W urządzeniach chłodniczych regulacje stosuje się po to, Ŝeby osiągnąć wymagane parametry w przestrzeni chłodzonej przy zachowaniu stabilnej pracy układu i to wszystko musi się odbywać niezaleŝnie od warunków zewnętrznych i wewnętrznych oddziałujących na wszystkie elementy wchodzące w skład instalacji. 3. Cel regulacji temperatury? Regulacji temperatury dokonuje się po to Ŝeby: - wszystkie procesy związane z utrwalaniem produktów przez obniŝanie ich temperatury zachodziły w optymalnych dla danego produktu warunkach. Tzn. po to Ŝeby maksymalnie wydłuŝyć czas przechowywania produktu przy jak najmniejszym obniŝeniu jakości tego produktu w odniesieniu do jego stanu początkowego (przed schładzaniem, zamraŝaniem itp.); - wyŝej wymieniony cel mógł zostać osiągnięty niezaleŝnie od warunków panujących zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz pomieszczenia chłodzonego oraz całej instalacji chłodniczej; 4. Bilans cieplny JeŜeli chcemy zaprojektować urządzenie chłodnicze to powinnismy, sporządzić bilans cieplny projektowanej instalacji. Bilans cieplny opiera się na 1-szej i 2-giej zasadzie termodynamiki. W kaŝdym przypadku kiedy jesteśmy zmuszeni go sporządzić powinniśmy trzymać się dwóch podstawowych zasad. Bilans sporządzamy przy załoŝeniu, Ŝe: 1. na zewnątrz chłodni panują najwyŝsze temperatury otoczenia (lato); 2. komora chłodnicza jest maksymalnie obciąŝona (całkowite wypełnieni komory towarem oraz maksymalny czas pracy komory). Podczas eksploatacji urządzenia chłodniczego, powyŝsze warunki będą się pojawiały rzadko i przez krótkie okresy czasu. Przez większość czasu uŝytkowania instalacji spręŝarka skraplacz i parownik są przewymiarowane (stąd teŝ potrzeba zastosowania automatyki chłodniczej w celu zachowania stabilności pracy układu).
Rys.1. Bilans cieplny komory chłodniczej śeby opracować bilans konieczne jest uwzględnienie wszystkich strumieni energii cieplnej wprowadzonej i wyprowadzonej do przestrzeni chłodzonej, tak więc pod uwagę musimy wziąć: Q d - ciepło przenikające przez ściany, sufit i podłogę komory chłodniczej, Q w - ciepło odprowadzane od chłodzonego towaru, Q L - ciepło oddane przez powietrze, które zostało wprowadzone do komory w sposób niezamierzony, czyli np. przez otwarte drzwi, Q v - ciepło związane z pracą wentylatora chłodnicy powietrza, Q ah - ciepło wydzielane podczas przeprowadzania procesu odszraniania, Q Ma - ciepło pochodzące od oświetlenia, maszyn oraz podobnych urządzeń znajdujących się w chłodni, Q Me - ciepło wydzielane przez ludzi, Q S - dodatkowa załoŝona wcześniej ilość ciepła na wypadek gdyby nastąpiły jakieś nieprzewidziane zmiany obciąŝenia komory chłodzonej. Zatem bilans chłodni ma następującą postać: Q=Q d +Q w +Q L +Q v +Q ah +Q Ma +Q Me +Q S [Wh] Wartość kaŝdej z wyŝej wymienionych wielkości jest obliczana z odpowiednich zaleŝności lub z góry zakładana w określonych wcześniej granicach. ObciąŜenie cieplne komory chłodniczej jest wyznaczane jako dobowe, czyli dla 24 godzin.
5. Nowoczesne systemy regulacji temperatury w obiektach chłodzonych Nowoczesne systemy regulacji zbudowane są z: - regulatorów elektronicznych oraz, - współpracujących z nimi zaworów wyposaŝonych w elementy elektroniczne typu PRS. Są to układy w pełni zautomatyzowane, przy których obsłudze udział człowieka jest minimalny. W układach tego wypu wykorzystuje się się dwa z bardziej zaawansowanych sposobów regulacji, regulacje: - PI, czyli regulacje proporcjonalnie-całkującą, oraz, - PID, czyli regulacje proporcjonalnie-całkująco-róŝniczkującą. Elementy elektroniczne typu PRS (Pressure Reference System) to elementy, które mierzą ciśnienie tylko po jednej stronie membrany w przeciwieństwie do większości elementów mechanicznych np. takich jak TZR y gdzie porównywane jest ciśnienie panujące po obu stronach membrany lub mieszka. Sygnał w postaci drugiego ciśnienia został wyeliminowany przez ścisłe powiązanie tego elementu z regulatorem elektronicznym, który odbiera sygnały docierające do niego z róŝnych miejsc instalacji, po czym przekazuje je dalej do elementu typu PRS, a te podejmują następne konieczne działania. ELEKTORNICZNY SYSTEM STERUJĄCY TEMP. PAROWANIA CVQ+EKS 61 Rys.2. System regulacji temperatury środowiska chłodzonego przez układ elektroniczny CVQ+EKS 61 Budowa (schemat): - elektroniczny zawór pilotujący CVQ, - zawór serwotłokowy PM, - regulator elektroniczny EKS 61, - oporowy czujnik temperatury ESKL, Zasada działania: Czujnik temperatury ESKL umieszczony w taki sposób, Ŝeby był omywany strumieniem powietrza chłodzonego opuszczającego parownik, rejestruje temperaturę tego powietrza i przesyła sygnał do regulatora elektronicznego EKS 61. W regulatorze sygnał temperatury w obiekcie chłodzonym jest porównywany z sygnałem temperatury zadanej. JeŜeli temperatura
w obiekcie chłodzonym odbiega od zadanej wartości temperatury, wtedy regulator zmienia sygnał (impulsy napięciowe) wysyłany do nastawnika napędu zaworu pilotującego CVQ. Zawór CVQ oddziaływuje poprzez wyŝej wymieniony nastawnik na stopień otwarcia zaworu serwotłokowego, który to jest z kolei odpowiedzialny za ilość czynnika przepływającego przez parownik, czyli jest odpowiedzialny za temperaturę parowania, a co za tym idzie, równieŝ za temperaturę ośrodka chłodzonego. Zadania systemu regulacji: główne: - dokładna regulacja temperatury przestrzeni chłodzonej, dodatkowe: - wyświetlanie bieŝącej temp. parowania oraz temp. w pomieszczeniu chłodzonym, - alarmowanie w momentach kiedy wartości temperatury w przestrzeni chłodniczej zaczynają znacznie odbiegać od wartości zadanych, - samoczynne nastawianie wymaganej temp., - diagnostyka układu chłodniczego. Uwagi dodatkowe: W regulatorze EKS 61 realizuje się regulacje typu PI (proporcjonalnie całkującą), co skutkuje utrzymaniem stałej temperatury przestrzeni chłodzonej pomimo bieŝących zmian obciąŝenia cieplnego obiektu. Zawór pilotujący CVQ jest elementem który stosuje się razem z zaworem serwotłokowym typu PM. Elektorniczny zawór pilotujący reguluje pracę zaworu głównego (typu PM) w taki sposób, Ŝe ciśnienie parowania ma zawsze wartość odpowiadającą bieŝącemu obciąŝeniu cieplnemu parownika. Przy zaniku zasilania zawór CVQ ulega całkowitemu otwarciu. Zawór CVQ musi być przymocowany bezpośrednio do górnej części korpusu zaworu głównego. Ten system regulacji pozwala na utrzymanie temp. wewnątrz komory chłodniczej na stałym poziomie z dokładnością nie mniejszą jak +/-0,25 C. ELEKTRONICZNY SYSTEM STERUJĄCY TEMPERATURĄ W PRZESTRZENI CHŁODZONEJ KVQ+EKS 67 Rys.3. Elektroniczny system regulacji temperatury w komorze EKS 67+KVQ firmy Danfoss
Budowa (schemat): - zawór KVQ, - regulator EKS 67, - czujnik Pt 1000 Zasada działania: Zasada działania jest podobna do poprzedniego systemu, czyli czujnik temp. rejestruje temp. otoczenia po czym wysyła sygnał do regulatora elektronicznego. JeŜeli wysłany sygnał róŝni się od sygnału zadanego, wtedy zawór KVQ pod wpływem sygnału z regulatora zamyka się lub otwiera powodując mniejszy lub większy przepływ czynnika, a tym samym obniŝenie lub podwyŝszenie temp. powietrza znajdującego się w komorze chłodniczej. Zadania systemu regulacji: główne: - dokładna regulacja temperatury przestrzeni chłodzonej, dodatkowe: - kontrola procesu odszraniania parownika, - alarmowanie w momentach kiedy wartości temperatury w przestrzeni chłodniczej zaczynają przekraczać wartości zadane, Uwagi dodatkowe: Regulacja w tym systemie to regulacja typu PI. Istnieje moŝliwość włączenia do układu większej liczby czujników temperatury Pt 1000, które pozwolą nam na monitorowanie pracy parownika, w celu zabezpieczenia go przed nadmiernym oszronieniem jego powerzchni, czy wprowadzenie ograniczenia minimalnego ciśnienia parowania, co powinno chronić produkty schładzane przed utratą jakości Regulacja temperatury chłodzonej odbywa się z dokładnością +/-0,5 C. 6. Zalety i wady systemów elektronicznych względem systemów mechanicznych Zalety: - zoptymalizowana praca układu, czyli mniejsze zuŝycie energii na skutek utrzymania ciśnienia parowania na stałym jak najwyŝszym poziomie; - utrzymanie wysokiego ciśnienia parowania, a co za tym idzie utrzymanie takŝe wysokiej temperatury parowania co z kolei prowadzi do zmniejszeniem ususzki przechowywanych produktów; - moŝliwość programowania pracy urządzenia chłodniczego łącznie z odszranianiem parowników, odolejaniem, odpowietrzaniem instalacji; - większa dokładność utrzymania parametrów na wymaganym poziomie systemów elektronicznych; - rozszerzenie sygnalizacji informacyjnej do pełnej kontroli i diagnostyki; - charakterystyki elementów sterujących w przypadku urządzeń mechanicznych są zmieniane skokowo, a w przypadku urządzeń elektronicznych moŝliwa jest płynna zmiana charakterystyki regulatora w wyznaczonym wcześniej zakresie jego działania, jest to moŝliwe dzięki istnieniu wewnętrznej pętli regulacji, która znajduje się pomiędzy regulatorem a organem wykonawczym - w klimatyzacji dla okresu letniego, moŝliwość utrzymania parametrów komfortu zgodnie z wymaganiami poszczególnych uzytkowników w warunkach zmiennego obciąŝenia cieplnego i wilgotnościowego; - moŝliwość współpracy kilku elementów przy jednym systemie kontrolującym; - moŝliwość współpracy elementów elektronicznych z zaworami elektromechanicznymi i mechanicznymi; - regulatory elektroniczne nie posiadają Ŝadnych ruchomych części mechanicznych czy pneumatycznych
- większa niezawodność; - moŝliwość umieszczenia czujnika nawet do ok. 100m od regulatora elektronicznego; - mniejsze wymiary regulatorów elektronicznych; - niŝsze kosztów eksploatacyjnych; - niŝsze kosztów remontu urządzenia; - ograniczenie liczby personelu obsługującego urządzenie; - wskazania cyfrowe; - wygodna i funkcjonalna zabudowa regulatora urządzenia chłodniczego; Wady: - konieczność pomocniczego zasilania energią elektryczną ; - cena; 7. Dodatki Rys.4. System dokładnej regulacji temperatury w pomieszczeniu chłodzonym, z wykorzystaniem regulatorów elektronicznych CVQ+EKS 61
Rys.5. Elektroniczny zawór pilotujący CVQ zamontowany w korpusie zaworu serwotłokowego typu PM 1
Rys.6. Zawór KVQ wraz z elementem elektronicznym PRS, 1- obudowa, 2- podłączenie przewodów, 3- opór NTC, 4- element grzejny, 5- zbiorniczek ciśnienia, 6- mieszek, 7- pokrywa mieszka, 8- sworzeń mieszka, 9- uszczelka, 10- połączenie gwintowe, 11- sworzeń roboczy, 12- płytka zaworu, 13- tuleja, 14- element dławiący
Rys.7. Współdziałanie elektronicznego systemu regulacyjnego KVQ+EKS 67
Rys.8. Sterowanie rozbudowaną instalacją chłodniczą z uŝyciem systemu elektronicznego KVQ+EKS 67 firmy Danfoss Rys.9. Zmiany ciśnienia parowania po przy: a) duŝym obciąŝeniu cieplnym parownika, b) małym obciąŝeniu cieplnym parownika;
Rys.10. Wewnętrzna pętla regulacji znajdująca się pomiędzy regulatorem EKS 61, a organem wykonawczym CVQ Rys.11. Wewnętrza pętla regulacji pomiędzy regulatorem EKS 67, a organem wykonawczym KVQ
8. Literatura 1. Bonca Z.: Chłodnictwo okrętowe. Wydawnictwo WyŜszej Szkoły Morskiej, Gdynia 1998 2. Ullrich H.J.: Technika Chłodnicza: Poradnik. Wydawnictwo MASTA, Gdańsk 1998