POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ Seminarium z przedmiotu: AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA Temat: Budowa, zasada działania i przykłady zastosowania pojemnościowych regulatorów poziomu cieczy. Wykonał: Przemysław Jakóbowski
1. Wstęp W parownikach płaszczowo-rurowych typu zalanego, chłodnicach międzystopniowych, osuszaczach i innych elementach instalacji chłodniczej, zachodzi konieczność utrzymania stałego, niezaleŝnego od wahań obciąŝenia 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. Regulatory te najczęściej jako człon pomiarowy mają pływak, głównie ze względu na jego prostą budowę. Jednak w przypadku zbiorników ciśnieniowych powstają trudności spowodowane potrzebą dobrych uszczelnień i jednocześnie małego tarcia w miejscach wprowadzeń dźwigni i trzpienia zaworu. Przykładowa konstrukcja to pływak, który za pośrednictwem dźwigni przestawia trzpień zaworu regulacyjnego. 2. Regulatory poziomu cieczy 2.1. Zawory pływakowe niskiego ciśnienia W zaworze pływakowym bezpośredniego działania zmiana połoŝenia pływaka powoduje bezpośrednią zmianę wolnego przekroju, przez który ciekły czynnik dopływa, na przykład do parownika. Zakres proporcjonalności tego typu regulatora jest niewielki, poniewaŝ z reguły nie przekracza od 20 do 100mm róŝnicy poziomu cieczy. W zaworach niskiego ciśnienia element czujnikowy, jakim jest pływak oraz iglica znajduje się w przestrzeni niskiego ciśnienia. W miarę obniŝania się poziomu ciekłego czynnika w 2
zasilanym parowniku, a zatem i w połączonej z nim komorze zaworu, pływak opada, wysuwając iglicę z otworu dyszy, umoŝliwiając w ten sposób wtrysk czynnika do komory. Spadek obciąŝenia cieplnego parownika powoduje wzrost poziomu znajdującej się w nim cieczy, a w konsekwencji przymykanie dopływu czynnika z zaworu. Bezpośredni wtrysk cieczy do komory pływaka moŝe być przyczyną falowania powierzchni wrzącego czynnika, a więc i kołysania samego pływaka. Wada ta w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych jest skutecznie eliminowana przez zastosowanie dławienia czynnika poza komorą pływaka, której pozostaje wówczas wyłącznie funkcja przekaźnika poziomu cieczy w aparacie. Komora pływakowa zaworu jest połączoną z aparatem dwoma przewodami wyrównawczymi, jednym po stronie cieczy i drugim po stronie pary. Sam zawór pływakowy działa na zasadzie regulacji proporcjonalnej. Nadmiar czynnika w instalacji nie wpływa na działanie tego zaworu, natomiast jego niedomiar daje się odczuć przez spadek wydajności chłodniczej parownika. Do regulacji po stronie niskiego ciśnienia zawór SV (L) jest stosowany do małych, zalanych parowników gdzie są dopuszczalne tylko małe zmiany poziomu cieczy. Kiedy poziom cieczy opada, pływak (2) porusza się w dół. To wyciąga trzpień (15) z dyszy powodując wzrost ilości wtryskiwanej cieczy. Przewód wlotowy cieczy, który jest zamontowany do złączki (C) powinien być dobrany sposób zapewniający dopuszczalne prędkości i spadki ciśnienia. Jest to szczególnie waŝne kiedy ciecz jest tylko nieznacznie dochłodzona, poniewaŝ wydajność zaworu obniŝa się znacząco, jeŝeli wystąpi zjawisko wrzenia cieczy przed dyszą i zuŝycie dyszy jest mocno zwiększone. Pary czynnika, które powstają przy rozpręŝeniu są wyprowadzane przez rurę wyrównawczą poz. D. W instalacjach chłodniczych uŝywających fluorowcopochodnych czynników chłodniczych, małe dochłodzenie i duŝy spadek ciśnienia mogą spowodować powstawanie duŝej ilości gazu wynoszącej około 50 % ilości wtryskiwanej cieczy. Dlatego w rurze wyrównawczej musi być utrzymywany minimalny spadek ciśnienia, poniewaŝ w przeciwnym razie powstaje niebezpieczeństwo, Ŝe: poziom cieczy w parowniku będzie się wahał w niedopuszczalnym stopniu jako funkcja obciąŝenia parownika bezwzględna róŝnica pomiędzy poziomem cieczy w parowniku i zaworze SV będzie za duŝa. 3
4
Wykorzystanie tego zaworu w duŝych instalacjach chłodniczych wiązałoby się ze znacznym wzrostem jego masy i gabarytów, stąd teŝ jest on obecnie stosowany jako regulator pilotujący w regulacji pośredniej. 2.2. Zawory pływakowe wysokiego ciśnienia W zaworach pływakowych wysokiego ciśnienia w komorze pływakowej panuje ciśnienie skraplania. Wewnątrz tej komory, znajduje się pływak otwierający przepływ podczas jej wypełniania ciekłym czynnikiem. Zawory tego typu są stosowane wyłącznie w urządzeniach z jednym parownikiem lub z kilkoma parownikami podobnej wielkości, połączonymi równolegle i pracującymi ze stałym obciąŝeniem cieplnym. Utrzymują one poziom cieczy w skraplaczu lub zbiorniku cieczy na stałej wysokości, zaleŝnej od miejsca lokalizacji elementu regulacyjnego. Przy stałej wysokości poziomu czynnika w skraplaczu napełnienie parownika, bez względu na jego obciąŝenie cieplne, jest stałe. Zawór tego typu jest wraŝliwy na ilość czynnika w obiegu, poniewaŝ gdy jego ilość jest zbyt mała, konsekwencję stanowi niedostateczne zasilanie parownika, natomiast gdy jest ona zbyt duŝa - zalewa się przewód ssawny i w spręŝarce występują uderzenia hydrauliczne. Wynika to z faktu, Ŝe przy duŝej ilości czynnika w komorze pływakowej, pozostaje on całkowicie otwarty. 2.2.1 Rozwiązanie firmy Danfoss Do regulacji po stronie wysokiego ciśnienia zawór SV (H) jest stosowany jako regulator poziomu cieczy dla małych skraplaczy lub zbiorników. Kiedy poziom cieczy podnosi się, pływak - poz. (2) porusza się do góry. To wyciąga trzpień poz. (15) z dyszy i zwiększa to strumień przepływającej cieczy. W instalacjach chłodniczych, z fluorowcopochodnymi czynnikami chłodniczymi, nieznaczne dochłodzenie i duŝy spadek ciśnienia mogą, jak juŝ wspomniano, powodować tworzenie się duŝych ilości gazu. Ta mieszanka cieczy i pary musi przejść przez złączkę - poz. (C) do rurociągu cieczowego. JeŜeli wymiary rurociągu są za małe, wystąpi sadek ciśnienia, który moŝe znacząco obniŝyć wydajność zaworu SV(H). Będzie to oznaczało ryzyko gromadzenia się cieczy w skraplaczu lub zbiorniku. 5
6
2.2.2. Rozwiązanie firmy Hansen Obok przedstawione jest rozwiązanie zaworu pływakowego wysokiego ciśnienia o podobnej konstrukcji co pokazana wyŝej, firmy Hansen. Zawór pływakowy upustowy cieczy wysokiego ciśnienia Hansena jest zaworem z bezpośrednim sterowaniem za pomocą pływaka. Przepuszcza on ciecz a uniemoŝliwia przepływ gazu. Kula pływaka jest połączona za pomocą dźwigni z suwakiem z kompozytu o małym tarciu. Suwak przesuwa się po gnieździe z dyszą regulując przepływ. Gdy ciekły czynnik chłodniczy wpływa do korpusu to poziom cieczy się podnosi unosząc kulę pływakową. Mechaniczny układ dźwigniowy pływaka przesuwa blok suwaka po gnieździe celem odsłonięcia większej powierzchni wlotowej do dyszy. Gdy poziom cieczy opada to blok suwakowy przesuwa się nad dyszą tak, by zmniejszył powierzchnię wlotową i zmniejszył przepływ cieczy. Powierzchnie ślizgowe przylegają do siebie szczelnie, niezawodnie zamykając przepływ cieczy oraz uniemoŝliwiając przechodzenie gazu przez dyszę gdy kula pływakowa jest w połoŝeniu dolnym. Wewnętrzna rurka kapilarna ciągle upuszcza drobne ilości par celem zapobieŝenia zastojowi. 2.2.3. Za sto so wa ni a 7
zaworów pływakowych wysokiego ciśnienia Skraplacze wyparne Jeśli zawór pływakowy upustowy jest podłączony do dwu lub więcej sekcji jednego skraplacza to układ rurociągów z króćców wylotowych cieczy ze skraplaczy powinien być traktowany tak samo jakby doprowadzanie cieczy następowało do zbiornika wysokiego ciśnienia. KaŜda rura pionowa odprowadzająca ciecz z kaŝdej sekcji skraplacza musi być zasyfonowana. Minimalna wymagana wysokość odcinka pionowego rury spustowej H normalnie wynosi 1,23 do 1,83 m dla amoniaku i 2,46 do 3,66 m dla freonów. W sprawie szczegółowych wymagań dotyczących przewodu spustowego cieczy z określonego skraplacza naleŝy przestrzegać wytycznych podanych w instrukcjach montaŝowych producenta skraplaczy. Tak jak w wypadku zbiorników cieczy za skraplaczem tak i w wypadku zaworów pływakowych upustowych wymagany jest przewód wyrównawczy poprowadzony od górnej części zaworu pływakowego do wlotu skraplacza. Ułatwia to swobodny spływ ciekłego czynnika chłodniczego do zaworu pływakowego. Zawory pływakowe nadają się do kontrolowanego doprowadzania cieczy o wysokim ciśnieniu ze skraplacza do zbiornika o niŝszym ciśnieniu, osuszacza obiegu pompowego, chłodnicy międzystopniowej lub innego zbiornika. JednakŜe nie nadają się one do spustu cieczy do zbiornika o ciśnieniu skraplania. Spust cieczy z termosyfonowej chłodnicy oleju Zawory pływakowe upustowe moŝna montować na zbiornikach termosyfonów celem spuszczania z nich nadmiernej ilości cieczy i odprowadzania jej do zbiornika o niŝszym ciśnieniu. WęŜownicowy wymiennik do odzysku ciepła Takie wymienniki pracują bardzo sprawnie gdy właściwie zastosowano urządzenie do odprowadzania cieczy. Skroplona ciecz jest odprowadzana z powierzchni skraplania i przesyłana poprzez zawór pływakowy upustowy do zbiornika o niŝszym ciśnieniu. W ten sposób zapewnia się maksymalną wymianę ciepła. 8
Spust cieczy z przewodów magistralnych gorącego gazu W celu zapobieŝenia moŝliwych uszkodzeń instalacji chłodniczej spowodowanych przez skroploną ciecz w dolnej części rurociągu magistralnego gorącego gazu naleŝy zamontować zawór pływakowy upustowy wysokiego ciśnienia. Podczas odtajania nagły przepływ gorącego gazu moŝe wypchnąć do przodu pewną porcję cieczy, która moŝe w pewnych wypadkach spowodować uszkodzenie rurociągów, parowników i zaworów. Zawór pływakowy upustowy w sposób ciągły usuwa ciecz z rurociągu magistralnego (głównego) gorącego gazu i zmniejsza moŝliwość takich problemów. 2.3.Termostatyczne regulatory poziomu cieczy. Termostatyczny regulator poziomu cieczy wyposaŝony jest w czujnik z wmontowanym elementem grzewczym, zasilanym napięciem 24 V. Zadaniem tego elementu jest utrzymanie określonej temperatury czujnika. 9
Schemat układu regulacji poziomu cieczy z wykorzystaniem tego zaworu pokazano na rysunku poniŝej. Czynnik w postaci ciekłej doprowadzany jest do aparatu przez termostatyczny regulator poziomu cieczy, którego czujnik jest przymocowany do przewodu bocznikowego. Jeśli poziom czynnika spadnie poniŝej miejsca zainstalowania, to znajdzie się on pod wpływem temperatury otaczającego go powietrza, a to spowoduje wzrost jego temperatury i ciśnienia w jego wnętrzu. W efekcie zawór zostanie otwarty, powodując dopływ cieczy do aparatu i podniesienie się jej poziomu. Czujnik ponownie omywany będzie przez ciekły czynnik, zatem obniŝy się jego temperatura i zawór zacznie się przymykać ograniczając dopływ cieczy. Regulacja tego typu ma charakter regulacji proporcjonalnej. JeŜeli róŝnica między temperaturą otoczenia i temperaturą w miejscu montaŝu czujnika jest zbyt mała, wówczas, dla zapewnienia prawidłowej pracy regulatora, a takŝe w wypadku, gdy czujnik umieszczony jest bezpośrednio w aparacie, musi on być sztucznie podgrzewany, na przykład za pomocą grzałki elektrycznej. 10
2.4. Elektroniczne regulatory poziomu cieczy 2.4.1 Rozwiązanie firmy Danfoss (AKS 38) 1. Wewnętrzny zespół pływaka 2. Skrzynka wyłącznika 3. Śruba M4x8 4.Pokrywa górna 5. Śruby M12x35, ze stali nierdzewnej (4 szt.) 6. Obudowa AKS38 7. Rura ciśnieniowa 8. Uszczelka pokrywy górnej 9. O-ring do rury ciśnieniowej 10.Wtyczka DIN do elektrycznych połączeń 11.Uszczelka aluminiowa 12.Pierścień blokujący do wewnętrznego pływaka 13. Śruby ze stali nierdzewnej 14. Kołnierze 15. Uszczelki kołnierzowe 11
AKS 38 posiada wewnętrzny zespół pływaka (1), którego działanie jest ściśle związane z poziomem czynnika. Zmiana poziomu wywołuje pionowy ruch zespołu pływaka do góry i w dół. Górna część zespołu pływaka przemieszcza się wewnątrz rury ciśnieniowej (7).W nastawionym punkcie przełączenia, górna część zespołu pływaka, poprzez magnes, spowoduje zadziałanie zestyku umieszczonego w skrzynce wyłącznika (2).Sygnał beznapięciowy jest przekazywany do zacisków we wtyczce DIN (10). Punkt przełączania moŝna ustawić (co 12.5 mm), przy pomocy pierścienia blokującego (12), przed montaŝem w instalacji. Zastosowanie: Do regulacji i kontroli poziomu czynnika w: Osuszaczach. Zalanych wymiennikach płytowych. Zbiornikach cieczy wysoko i niskociśnieniowych. Chłodnicach międzystopniowych. Zbiornikach drenaŝowych Jako zabezpieczenie poziomu wysokiego / niskiego w układach pompowych i spręŝarkowych 12
3. Poziomowskazy elektryczne kontaktowe firmy ZTCh Bydgoszcz Poziomowskazy mają zastosowanie do ciągłego elektrycznego pomiaru i wskazywania poziomu ciekłego amoniaku, R22 i innych czynników chłodniczych w wielu zbiornikach cieczy przemysłowych instalacji chłodniczych lokalnie i centralnie oraz alarmowania po przekroczeniu ustawianych poziomów awaryjnych w kaŝdym zbiorniku. Ponadto bezpośrednio na głowicy kaŝdej sondy moŝe być dodatkowo zamontowany wyświetlacz cyfrowy. DuŜe wyraźne wyświetlacze cyfrowe mierników w sposób ciągły pokazują aktualny poziom cieczy (w procentach zalania cieczą długości pomiarowej czujnika poziomu). Mierniki MPK1 mają dwa wyjścia alarmowe ustawiane na dowolnych poziomach, np. do alarmowania po przekroczeniu górnego i dolnego poziomu cieczy. Mierniki M1S mogą być zgrupowane w jeden lub kilka zdalnych wskaźników umieszczonych w pobliŝu zbiorników cieczy. Mierniki centralne M2S mogą być zamontowane indywidualnie na tablicy sterowni lub zgrupowane w jednej obudowie jako zespół CWP-3. Instalację monitoringu projektuje się indywidualnie dla określonego obiektu chłodniczego. Czujniki poziomu zamontowane są w rurze poziomowskazowej stalowej połączonej króćcem dolnym i górnym ze zbiornikiem cieczy. Króćce połączeniowe standardowo zakończone są zaworami kulowymi 13
bezkołnierzowymi. Mogą teŝ być za-kończone tylko kołnierzami lub być bez zaworu i kołnierza. W temperaturach poniŝej 0 C nie jest potrzebny olej pośredniczący. Rura poziomowskazu w dolnym denku ma otwór gwintowy ¾ FPT zaślepiony korkiem. Celem umoŝliwienia spustu oleju z rury dostawa moŝe teŝ obejmować króciec rurowy lub teŝ króciec rurowy zakończony zaworem odcinającym lub zaworem spustowym szybkozamykającym. Rura poziomowskazowa jest przystosowany do zaizolowania zimnochronnego. NaleŜy ją zaizolować, gdy temperatura ciekłego czynnika chłodniczego w zbiorniku jest niŝsza od temperatury otoczenia, by uniknąć wrzenia cieczy w rurze poziomowskazu, zakłócającego dokładność pomiaru poziomu cieczy. Zalety: Ciągły elektryczny pomiar i cyfrowe wskazywanie poziomu cieczy w zbiorniku lokalnie lub zdalnie oraz alarmowanie po przekroczeniu 2 ustawianych poziomów cieczy Pokazywanie poziomu bezpośrednio ciekłego amoniaku, R22... nawet o temperaturze -50 i niŝszej bez oleju pośredniczącego Bardzo precyzyjne i niezawodne w przemysłowych instalacjach MoŜliwość dogodnego późniejszego włączenia poziomowskazu w układ centralnego monitoringu 14
Schemat podłączeń elektrycznych i wymiary poziomowskazu PE2 Przykład instalacji monitoringu poziomów cieczy w 3 zbiornikach 15
4. Bibliografia 1) Bonca Z. Automatyka chłodnicza 2) WWW.danfos.pl 3) WWW.ztch.pl 4) Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 16