Systemy precyzyjnej regulacji temperatury w obiektach chłodzonych

Systemy precyzyjnej regulacji temperatury w obiektach chłodzonych

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
obciążenia cieplnego obiektu Qz przy zadanej temperaturze(wykres 1).
Rys.1 Zmiany obciążenia cieplnego obiektu[1]
wartości
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