POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Referat z automatyki chłodniczej. Temat : Systemy regulacji temperatury w obiektach o duŝej dokładności. Autor : Zbigniew Marszałek sem. IX SUCHiKL Gdańsk 2007
Bezpośrednie metody regulacji temperatury obiektu Temperatura w danym obiekcie chłodzonym jest utrzymywana na stałym poziomie, gdy wydajność współpracującego z nim urządzenia chłodniczego Q UCH jest równa utracie ciepła przez ten obiekt Q Z.JeŜeli wydajność urządzenia przewyŝsza obciąŝenie zewnętrzne obiektu wówczas temperatura w nim panująca będzie się obniŝała. Przy zbyt niskiej temperaturze w przestrzeni chłodniczej, występuje zakłócenie przyjętych warunków technologicznych przechowywanych produktów, a jednocześnie zwiększa się pobór energii elektrycznej pobieranej przez to urządzenie. W przypadku długotrwałego przechowywania produktów, wahania temp w komorze nie mogą być wyŝsze od ± 1ºC a w transporcie bananów nawet ± 0,1ºC. W związku z tym chcąc regulować temp w obiekcie t ob trzeba mieć moŝliwość oddziaływania na wydajność chłodniczą urządzenia w warunkach zmieniających się jego obciąŝeń cieplnych. W niektórych przypadkach dla bardziej dokładnego utrzymania załoŝonej temp nadmiar wydajności chłodniczej spowodowany zmniejszonym obciąŝeniem kompensuje się doprowadzaniem ciepła do obiektu ( grzanie elektryczne). Jest to jednak sposób mało ekonomiczny i stosowany sporadycznie. Istnieje kilka przyczyn powodujących obniŝenie temp środowiska chłodzonego. Znając je moŝna opracować sposoby zapobiegania temu zjawisku. 1) Wydajność chłodnicza urządzenia Q UCH została dobrana do maksymalnego obciąŝenia cieplnego chłodzonego pomieszczenia przy zadanej temp (rysunek 11.1).Wraz ze spadkiem obciąŝenia zewnętrznego od wartości Q Z max do Q Z min obniŝa się równieŝ temp w obiekcie t ob. W efekcie samoregulacji obiektu i urządzenia w punkcie B ponownie wyrównują się wartości Q UCH do Q Z. Ustalona na skutek samoregulacji temperatura t ob moŝe być niŝsza od wartości dopuszczalnej. W urządzeniach przemysłowych obciąŝenie w okresie zimy moŝe być znacznie mniejsze niŝ w okresie letnim co moŝe prowadzić do obniŝenia temperatury w obiekcie nawet do 10 ºC poniŝej temp dopuszczalnej. W tej sytuacji wymagana jest automatyczna regulacja temp w pomieszczeniu chłodzonym. Aby zapewnić jej wielkość na stałym poziomie przy obniŝającym się do minimum obciąŝeniu obiektu naleŝy przewidzieć moŝliwość automatycznego obniŝania wydajności urządzenia z Q UCH do Q UCH czyli do Q A do Q C.
2) Wydajność urządzenia chłodniczego Q UCH w temperaturze obiektu t ob znacznie przewyŝsza obciąŝenie cieplne (rysunek 11.2). Sytuacja taka moŝe być spowodowana doborem przez konstruktora agregatu o większej wydajności niŝ obciąŝenie obiektu. Wymaga to automatycznego obniŝenia wydajności urządzenia od Q UCH do Q UCH a nawet Q UCH. 3) W niektórych sytuacjach zachodzi konieczność okresowego podwyŝszenia temp obiektu, co moŝna uzyskać przez obniŝenie mocy urządzenia chłodniczego. W urządzeniach spręŝarkowych wydajność moŝna obniŝyć zasadniczo dwoma sposobami: - przez zmniejszenie wydajności parownika - przez zmniejszenie wydajności spręŝarki Ilość ciepła odprowadzana przez parownik określona jest zaleŝnością Q P = kf (t ob - t o ). Jeśli zmieni się współczynnik przenikania ciepła parownika k lub powierzchnie parownika F np. w wyniku zmiany napełnienia to nastąpi zmniejszenie mocy chłodniczej parownika od Q P do Q P ( rysunek 11.3). Ta zmiana wydajności parownika prowadzi do zmiany wydajności urządzenia chłodniczego z Q UCH do Q UCH. Przy tej regulacji mocy urządzenia chłodniczego następuje zmiana temp parowania czynnika w parowniku z t o0 na t o1, co nie zawsze jest wskazane z technologicznego punktu widzenia. Ponadto praca spręŝarki przy niŝszej temp parowania jest mniej efektywna i nieekonomiczna.
Z tego względu odpowiedniejsze jest wykorzystanie całej powierzchni parownika z automatycznym zapewnieniem jego optymalnego napełnienia, a zmniejszenie mocy chłodniczej urządzenia uzyskać przez zmniejszenie wydajności chłodniczej spręŝarki. Z rysunku widać Ŝe przy tym sposobie regulacji temp parowania wzrasta od t o0 do t o2. 4) Najszersze zastosowanie regulacji wydajności urządzenia chłodniczego znalazła metoda postój-praca spręŝarki. Regulację temperatury tą metodą omówię na przykładzie szafy chłodniczej z bezpośrednim chłodzeniem (rysunek 3.17a). Praca i postój spręŝarki zaleŝą od regulatora temperatury którego czujnik znajduje się w komorze chłodniczej w temperaturze obiektu t ob i reaguje na zmianę tej temperatury. W czasie cyklu pracy spręŝarki obniŝa się ciśnienie w parowniku p o oraz odpowiednio temp parowania t o (rysunek 3.17b). Ze spadkiem temp parowania t o wzrasta róŝnica temperatur (t ob - t o ) oraz ilość ciepła odbierana przez parownik w obiekcie. Ze spadkiem temp w komorze szafy np. z 8 ºC do 0 ºC regulator temp wyłącza spręŝarkę i wówczas ciśnienie parowania p o i temp parowania t o wzrastają. W wyniku wzrostu temp parowania zmniejsza się róŝnica temp t ob - t o i parownik zaczyna odbierać mniejsze ilości ciepła. Powoduje to wzrost temp w komorze a gdy osiągnie ona wartość t ob = 8 ºC regulator temperatury ponownie włącza spręŝarkę. Przy zmniejszonym do minimalnego obciąŝeniu komory chłodniczej temp parowania t o i temp obiektu t ob spadają szybciej ( linia przerywana). Powoduje to skrócenie czasu pracy spręŝarki i wydłuŝenie czasu jej postoju czyli zmniejszenie współczynnika czasu pracy spręŝarki i jego średniej temp parowania w czasie cyklu i zmniejszenia ilości ciepła odprowadzanego w parowniku. Temperatura obiektu jest więc funkcją temp parowania, która z kolei jednoznacznie moŝe być określona przez ciśnienie parowania p o.
Pośrednie metody regulacji temperatury obiektu Na równi z bezpośrednimi metodami regulacji temp obiektu rozwinęły się i są powszechnie stosowane pośrednie metody regulacji temp obiektu. Najpowszechniej stosowaną metoda pośrednią jest regulacja temp wrzenia realizowana za pomocą regulatora temperatury którego czujnik mocuje się bezpośrednio na parowniku. Ze względu na to Ŝe duŝym wahaniom temp parowania t o odpowiadają małe wahania temp obiektu t ob regulacja ta pozwala zastosować regulatory temp z duŝą róŝnicą między temp włączenia i wyłączenia oraz z mniejszą dokładnością nastaw, a więc tańsze regulatory. Na rysysunku 3.18b przedstawiono zmianę temp odparowania o t o której odpowiada spadek wydajności o Q o. Ta metoda regulacji temp poza prostotą i taniością ma jeszcze jedna zaletę, ze przy dodatnich temp w obiekcie automatycznie umoŝliwia odszranianie parownika w czasie cyklu postoju spręŝarki Wadą natomiast tej regulacji jest utrzymanie temp obiektu z mniejszą dokładnością aniŝeli metodą bezpośrednią. Chcąc utrzymać stałą wartość zadanej temp t ob przy zmniejszonym obciąŝeniu trzeba utrzymywać duŝo wyŝsze średnie wartości t o oraz t o w chwili wyłączenia spręŝarki. JeŜeli regulator utrzymywałby stałą wartość temp t o to temp t ob byłaby niŝsza od dopuszczalnej. Natomiast w czasie narastania na parowniku szronu zachodzi sytuacja odwrotna i naleŝy utrzymywać o wiele niŝsze temp odparowania. Z wymienionych przyczyn pośrednia regulacja temp obiektu przez regulację temp odparowania jest stosowana głównie w obiektach o stosunkowo wysokiej temp obiektu (plusowe temperatury).
W innej pośredniej metodzie regulację temp obiektu t ob prowadzi się przez regulację ciśnienia parowania (rysunek 3.19). Ma ona podobne wady jak i metoda przez regulacje temperatury parowania. Jednak ze względu na niski koszt znalazła ona szerokie zastosowanie głownie w średnich urządzeniach chłodniczych gdyŝ regulator ciśnienia jest prostszy i tańszy niŝ regulator temperatury. Pyzatym w tej metodzie spręŝarka nie pracuje przy zbyt niskim ciśnieniu gdyŝ presostat niskiego ciśnienia reaguje na wartość ciśnienia parowania. W ten sposób utrzymuje się stałe ciśnienie parowania (rysunek 3.20), natomiast średnia temperatura panująca w obiekcie obniŝa się. Przebieg zmian temperatury obiektu jest taki jak przy malejącym obciąŝeniu obiektu. Ta metoda regulacji prowadzi do znacznych odchyleń średniej temp w obiekcie w czasie cyklu t obc w stosunku do średniej ustalonej wartości temp obiektu.
Regulacja temperatury w kilku pomieszczeniach chłodzonych przy bezpośrednim chłodzeniu W urządzeniach chłodniczych, w których jedna spręŝarka zasila parowniki w kilku obiektach nie moŝna regulować temperatury przez zmianę wydajności poniewaŝ musi być ona równa obciąŝeniu wszystkich odbiorników. W tym przypadku regulacje temperatury w kaŝdym obiekcie uzyskuje się przez zmianę wydajności chłodniczej poszczególnych parowników, zmieniając : Współczynnik przenikania ciepła (warunki wymiany ciepła) Powierzchnie wymiany ciepła parownika Temperaturę parowania czynnika chłodniczego w parowniku Zmianę współczynnika przenikania ciepła osiąga się przez zmianę intensywności chłodzenia powietrza, na przykład sterując pracą wentylatora w chłodnicy (rysunek 3.22a). Z kolei zmianę powierzchni wymiany ciepła uzyskuje się przez zastosowanie proporcjonalnego regulatora temperatury, instalowanego za parownikiem (rysunek 3.22 b). Przy wzroście temperatury obiektu powoduje on zmniejszenie napływu ciekłego czynnika. Bardzo szerokie zastosowanie znalazł układ chłodniczy, w którym dwupołoŝeniową zmianę powierzchni uzyskuje się przez zastosowanie zaworu elektromagnetycznego na wejściu do parownika (rysunek 3.22 c). Zawór ten jest sterowany regulatorem temperatury ustawionym na Ŝądaną temperaturę obiektu ( zawór elektromagnetyczny zostanie wyłączony gdy w komorze zostanie osiągnięta ta temperatura). W tym przypadku TZR( termostatyczny zawór rozpręŝny) słuŝy do regulowania napełnienia parownika ciekłym czynnikiem przy otwartym zaworze elektromagnetycznym. O wiele dokładniejszą regulacje temp obiektu osiąga się przy zastosowaniu płynnej zmiany temperatury parowania przez dławienie par czynnika opuszczającego parownik. (rysunek 3.22 d). Zastosowanie takiego układu jest celowe, kiedy wzrost temp wrzenia jest wygodny z technologicznego punktu widzenia ( np. wzrost wilgotności względnej powietrza w celu zmniejszenia ususzki, zmniejszenie szronienia parowników). Najmniej korzystny jest układ pośredniej regulacji temp obiektu przez regulacje ciśnienia (rys 3.22 e). W tym przypadku przy spadku temp obiektu ciśnienie w parowniku obniŝa się i dwupołoŝeniowy regulator ciśnienia odcina wylot z parownika. Ciśniecie zaczyna wzrastać zmniejszając moc chłodnicza parownika. Regulacja temp w obiekcie przez ciśnienie powoduje bardzo duŝe wahania temp od wartości zadanej.
Regulacja temperatury z wykorzystaniem regulatorów typu PI firmy Danfoss A) (1) PM3 zawór główny (2) CVQ zawór pilotowy sterowany elektronicznie (3) EKS 61 elektroniczny regulator temperatury (4) CVP zawór pilotowy (5) EVM zawór pilotowy (6) AKS 21M czujnik temperatury powietrza Czujnik temp powietrza typu AKS 21M jest instalowany w strumieniu chłodzonego powietrza tuz za parownikiem ( na wylocie z chłodnicy powietrza). Regulator typu EKS 61 porównuje temperaturę z czujnika temperatury powietrza z temperaturą zadaną. W przypadku zmian temperatury ( wywołanymi zmianami obciąŝenia cieplnego), regulator typu EKS 61 natychmiast płynnie dopasuje stopień otwarcia zaworu typu PM. Wraz ze zmianą przepływu czynnika chłodniczego zmieni się temperatura parowania, a w ślad za nią temperatura w pomieszczeniu. Dodatkowo regulator typu EKS 61 wymusza maksymalne otwarcie zaworu pilotowego typu EVM tak aby spręŝarka posiadała maksymalną wydajność podczas procesu wychładzania (np. w przechowalni owoców). Zawór pilotowy typu CVQ wraz z zaworem pilotowym CVP chronią instalację prze zbyt niską temp parowania, podczas fazy magazynowania. W ten sposób zapobiega się nadmiernemu osuszaniu powietrza ususzce produktów w okresie składowania.
B) (1) PM1 zawór główny (2) CVQ zawór pilotowy sterowany elektronicznie (3) EKS 61 elektroniczny regulator temperatury (4) AKS 21M czujnik temperatury powietrza Pt 1000 Ω Układ ten zapewnia utrzymanie stałej temperatury ośrodka chłodzonego z dokładnością do ± 0,25 ºC ( lub lepszą) za pomocą regulacji ciśnienia parowania. Proponowany system jest odpowiedni do instalacji chłodniczych, mroźniczych i klimatyzacyjnych, równieŝ w przemyśle przetwórczym. Czujnik temperatury AKS 21M jest instalowany w strumieniu chłodzonego powietrza, tuz za parownikiem. Regulator EKS 61 porównuje temperaturę czujnika temperatury z temperaturą zadaną. W przypadku zmiany temp ( wywołanej zmianami obciąŝenia cieplnego), regulator typu EKS 61 natychmiast płynnie dopasuje stopień otwarcia zaworu pilotowego typu CVQ. To następnie wywoła zmianę stopnia otwarcia zaworu typu PM. Wraz ze zmianą przepływu czynnika chłodniczego zmieni się temp parowania, a w ślad za nią temperatura medium schładzanego. Literatura : Z. Bonca Automatyzacja chłodnicza i klimatyzacyjna A. Wesołowski, F. Dworski Automatyzacja urządzeń chłodniczych Materiały firmy Danfoss