Automatyka Chłodnicza-Seminarium Temat: Systemy precyzyjnej regulacji temperatury w obiektach chłodzonych o małej i dużej pojemności cieplnej. Opracował: Kamil Kłek Sem.9 Specjalność SUChiKl Wydział Mechaniczny
Spis treści 1.Regulacja temperatury i zadania regulacji 2.Pojemność cieplna 3.Pojemność cieplna obiektu a środowisko chłodzone 4.Przyczyny spadku temperatury w obiektach chłodzonych. 5.Systemy precyzyjnej regulacji temperatury obiektów chłodzonych 6.Podsumowanie 7.Literatura 1.Regulacja temperatury Według D. P. Echmana pod pojęciem regulacji automatycznej powinniśmy rozumieć utrzymanie zadanej wielkości lub stanu za pomocą pomiaru wartości rzeczywistej, porównanie obu wartości i wyzyskanie różnicy między nimi do zapoczątkowania czynności zmierzających do zredukowania wspomnianej różnicy. Zadaniem regulacji jest utrzymywanie na stałym poziomie wymaganych warunków (np. temperatury w komorze), przy czym stan roboczy elementów składowych regulatora (jego nastawy) jest stale dopasowywany do zmieniających się warunków zewnętrznych (wymuszeń zakłócających np. temperatury otoczenia). Typowymi zakłóceniami powodującymi niepożądane zmiany temperatury czy wilgotności środowiska chłodzonego są: -wymiana ciepła z otoczeniem -procesy technologiczne prowadzone wewnątrz obiektu -zmiany temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego -przebywanie ludzi w obiekcie Bardzo ważnym elementem procesu chłodzenia jest utrzymywanie temperatury środowiska chłodzonego w ściśle określonym zakresie. W przechowalnictwie produktów jest to często najważniejszy czynnik mający duży wpływ na jakość i trwałość produktu. 2.Pojemność cieplna Pojemność cieplna- stosunek ilości ciepła doprowadzonego do układu do odpowiadającego mu przyrostu temperatury. C= dq/dt gdzie: C- pojemność cieplna Q- ciepło T- temperatura Pojemność cieplna układu jest proporcjonalna do ilości materii w układzie i jej rodzaju: C = c m gdzie: c-ciepło właściwe m-masa materii
3.Pojemność cieplna obiektu, a środowisko chłodzone Pojemność cieplna obiektu zależy od: -materiałów z jakich wykonany jest obiekt chłodzony -izolacji obiektu -środowiska chłodzonego -rodzaju, ilości produktu chłodzonego oraz jego pojemności cieplnej. Obiekty chłodzone w większości przypadków powinny posiadać możliwie największą pojemność cieplną celem uniezależnienia temperatury wewnątrz obiektu od czynników zewnętrznych. Obiekty o małej pojemności cieplnej są wrażliwe na zmiany warunków zewnętrznych co może skutkować wahaniami temperatury wewnątrz obiektu,a co za tym idzie niekorzystnym wpływem na produkt chłodzony. Układ, który jest wrażliwy na oddziaływanie warunków zewnętrznych czy na użytkowanie komory powinien być wyposażony w możliwie najbardziej precyzyjny system regulacji temperatury. Układy o dużej pojemności cieplnej są w mniejszym stopniu narażone na wahania temperatury powodowanymi oddziaływaniami zewnętrznymi. Duża pojemność cieplna obiektu jest w stanie zapewnić chłodzonemu środowisku utrzymanie przez pewien czas zadanej temperatury nawet w wypadku awarii czy wyłączenia systemu. Temperatura w obiekcie chłodzonym jest utrzymywana na stałym poziomie, gdy wydajność urządzenia chłodniczego Quch jest równa obciążenia cieplnego obiektu Qz. Quch= Qz Gdy warunek ten nie jest spełniony wówczas temperatura obiektu będzie się obniżać co może spowodować zakłócenie warunków technologicznych przechowywania produktu oraz zwiększonego poboru mocy przez urządzenie chłodnicze. W przypadku technologii przechowywania niektórych produktów wahania temperatury w komorze nie mogą być wyższe niż 1 C, a w transporcie bananów nawet 0,1 C. 4.Przyczyny spadku temperatury ośrodka chłodzonego. Wydajność chłodnicza urządzenia Quch została dobrana do maksymalnej wartości obciążenia cieplnego obiektu Qz przy zadanej temperaturze(wykres 1). Rys.1 Zmiany obciążenia cieplnego obiektu[1]
Skutki: 1)Wraz ze spadkiem obciążenia zewnętrznego następuje spadek temperatury obiektu chłodzonego tob. 2)Samoregulacja obiektu i urządzenia w punkcie B powoduje wyrównanie się wartości Quch= Qz. Ustalona w ten sposób temperatura może być niższa od wartości dopuszczalnej. W takim wypadku niezbędna jest automatyczna regulacja temperatury w ośrodku chłodzonym. Aby utrzymać wartość dopuszczalnej temperatury należy przewidzieć możliwość automatycznego obniżania wydajności urządzenia. 5.Systemy precyzyjnej regulacji temperatury obiektów chłodzonych. Sterowanie postojem i pracą sprężarki Najszersze zastosowanie w regulacji urządzeń chłodniczych znalazła metoda bezpośrednia przez sterowanie postojem i pracą sprężarki. Sterowanie pracą i postojem sprężarki może być uzyskane dzięki: -regulacji dwupołożeniowej,np. z wykorzystaniem termostatu komorowego(stosunkowo duże wahania temperatury obiektu) -pośredniej regulacji temperatury obiektu przez zmianę temperatury parowania czynnika przy użyciu regulatora, którego czujnik zamocowany jest bezpośrednio na parowniku (w tego typu regulacji obserwujemy nieznaczne wahania temperatury w obiekcie przy dużych zmianach temperatury parowania). Regulacja za pomocą termostatu parownikowego 1-termostat parownikowy 2-automatyczny zawór rozprężny 3-automatyczny zawór wodny 4-presostat wysokiego ciśnienia Rys.1 Schemat układu regulacji temperatury za pomocą termostatu parownikowego oraz wykres zmian wydajności[1]
Parametrem regulowanym w tym układzie jest temperatura parowania. Zastosowany w tym układzie termostat(1) włącza i wyłącza silnik sprężarki, co powoduje zmianę temperatury parowania, odpowiadającą zmianie temperatury w przestrzeni chłodzonej. Termostat parownikowy reguluje czas działania urządzenia w zależności od bieżącego obciążenia cieplnego. Regulacja za pomocą presostatu niskiego ciśnienia Innym sposobem regulacji temperatury w obiekcie chłodzonym jest regulacja ciśnienia parowania w parowniku(rys.2).metoda ta znalazła zastosowanie w urządzeniach chłodniczych średniej wielkości albowiem wspomniany parametr regulowany jest przez presostat niskiego ciśnienia. Przebieg zmian temperatury obiektu jest podobny jak przy malejącym obciążeniu, gdyż średnia temperatura tego obiektu obniża się(rys.1). Rys.2 Schemat regulacji temperatury obiektu presostatem niskiego ciśnienia oraz wykres zmian ciśnienia parowania[1] Regulacja temperatury w kilku obiektach chłodzonych W układach chłodniczych w których jedna sprężarka zasila kilka parowników nie możliwa jest regulacja przez zmianę wydajności, ponieważ wydajność musi być równa obciążeniu wszystkich parowników. W tym wypadku zmianę temperatury w każdym pomieszczeniu uzyskuje się przez zmianę wydajności chłodniczej poszczególnych parowników zmieniając: -współczynnik przenikania ciepła k- jego zmianę możemy uzyskać przez sterowanie pracą wentylatora w chłodnicy. -powierzchnie wymiany ciepła A, którą możemy uzyskać przez: 1)Zastosowanie proporcjonalnego regulatora temperatury instalowanego za parownikiem (gdy temperatura obiektu wzrasta regulator zmniejsza napływ czynnika) 2)Zastosowanie systemu z zaworem elektromagnetycznym sterowanym termostatem nastawionym na żądaną temperaturę w obiekcie (wyłącza się w chwili osiągnięcia wymaganej temperatury)-rys.3 3)Przez zmianę temperatury parowania czynnika chłodniczego w parowniku.taką regulację możemy uzyskać przez: -dławienie par czynnika na wyjściu z parownika -zastosowanie regulatora dwupołożeniowego (regulator odcina wylot par czynnika z parownika gdy ze spadkiem temperatury w obiekcie obniża się ciśnienie w parowniku)
Rys.3 Schemat regulacji temperatury przez zmianę powierzchni wymiany ciepła[1] Regulacja temperatury przy pośrednim chłodzeniu obiektu. W celu dopasowania wydajności chłodniczej urządzenia do obniżonego obciążenia cieplnego ośrodka chłodzonego należy zmniejszyć jego moc cieplną. Ilość ciepła odbieranego przez wymiennik przy stałych wartościach temperatury obiektu i początkowej temperatury płynu chłodzonego możemy zmieniać przez zmianę: -współczynnika czasu pracy wentylatora, a więc zmianę współczynnika przenikania ciepła -średniej powierzchni wymiany ciepła przy pomocy zaworu elektromagnetycznego -ilości krążącego płynu chłodzonego, np. przy udziale proporcjonalnego regulatora temperatury lub poprzez dozowanie zaworem elektromagnetycznym W urządzeniach wyposażonych w jeden parownik stosuje się regulację dwupołożeniową przez pracę i postój sprężarki sterowane przekaźnikiem temperatury. Regulacja temperatury w ładowniach statków transportowych. 1)Precyzyjny system regulacji temp. z dokładnością do 0,1 C Rys.4 Schemat elektronicznego systemu regulacji powietrza chłodzonego CVMM i EPT70[1] Przedstawiony na rysunku system regulacyjny zbudowany jest z regulatora elektronicznego EPT 70,czujnika oporowego ESD, zaworu serwotłokowego (głównego) typu PM1 oraz motorowego zaworu pilotującego CVMM. Układ zaworów PM1 i CVMM umieszczonych w
przewodzie odpływowym z parownika utrzymuje stałe ciśnienie parowania w chłodnicy. Regulator temperatury EPT 70 wysyła sygnał do zmiany nastawy zaworu pilotującego. Sygnał pojawia się wówczas,gdy temperatura w miejscu zainstalowania czujnika typu ESD odchyli się od wartości nastawionej na skali regulatora. Czujnik temperatury składa się z uzwojeń mostka Wheatstone a, który poprzez regulator EPT70 sprzężony jest z zaworem sterującym CVMM, uruchamianym silnikiem, wyposażonym w regulator całkujący. Po osiągnięciu żądanej temperatury powietrza opuszczającego chłodnicę,silnik zostaje wyłączony, natomiast nastawy zaworu sterującego CVMM i serwotłokowego PM1 pozostają nie zmienione.jeżeli temperatura rejestrowana przez czujnik obniży się o 0.1K w stosunku do wartości zadanej w regulatorze EPT70,EPT 70 daje sygnał uruchamiający silnik zaworu sterującego CVMM, powodując taką zmianę jego nastawienia, że ciśnienie parowania w chłodnicy wzrasta, jako efekt dławienia par czynnika w tym zaworze jak i zaworze głównym. W przypadku wzrostu temperatury czujnika o 0.1K ponad wartość nastawioną na regulatorze, nastąpi taka zmiana nastawy zaworów, aby ciśnienie parowania w parowniku obniżyło się. 2)Elektroniczny system regulacji temperatury powietrza chłodzonegocvq+ept71 z dokładnością 0,1 C stosowany w morskim transporcie bananów. ` Rys.4 Schemat elektronicznego systemu regulacji powietrza chłodzonego CVQ i EPT71[1] W najnowszych rozwiązaniach powyżej omówiony system tworzą: regulator elektroniczny EPT71,czujnik oporowy ESD, zawór serwotłokowy PM i elektroniczny zawór pilotujący CVQ.W przypadku tego układu możliwe jest utrzymanie temperatury lub ciśnienia z dokładnością do 0.1K lub 0.1%.System ten jest wykorzystywany w chłodniowcach i kontenerowcach z centralnym urządzeniem chłodniczym. Czujnik oporowy ESD kontroluje temperaturę powietrza na wyjściu z parownika i przesyła sygnały do regulatora elektronicznego EPT 71,a stąd,poprzez zawór pilotujący CVQ wymuszany jest stopień otwarcia zaworu głównego PM. Zawór CVQ steruje pracą zaworu głównego tak,aby ciśnienie parowania zawsze odpowiadało bieżącemu obciążeniu cieplnemu parownika. 6.Podsumowanie W przypadku obiektów chłodzonych ważnym jest zapewnienie określonej temperatury przy bardzo małych odchyłkach jej wahań. Stąd bardzo istotnymi są systemy precyzyjnej regulacji temperatury. Oprócz dokładnego systemu regulacji obiekt chłodzony sam w sobie powinien
posiadać zdolność do utrzymania zadanego mu stanu. Odpowiednią pojemność cieplną mogą zapewnić mu zabiegi na etapie konstrukcyjnym poprzez np. dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych obiektu lub określoną lokalizację. 7.Literatura 1.Z.Bonca :Automatyka chłodnicza,str.216-233 2.A.Wesołowski,F.Dworski:Automatyzacja urządzeń chłodniczych,str.114-133 3.H-J Ullrich: Technika Chłodnicza Tom 1,IPPU Masta 2008