Wybrane systemy sterowania wydajnością

Wybrane systemy sterowania wydajnością
ziębniczą wielokomorowych chłodni
składowych. Stefan RESZEWSKI, Bogusław
BIAŁKO, Zbigniew KRÓLICKI, Wrocław
W artykule przedstawiono zagadnienia związane z regulacją wydajności ziębniczej chłodni
składowych. Przedstawiono podstawowe rodzaje regulacji wydajności sprężarek ziębniczych.
Przeanalizowano koncepcję systemu sterowania na podstawie projektu wielokomorowej chłodni
składowej, będącej integralną częścią zakładu przetwórstwa i produkcji wędlin.
Chłodnia składowa, jako obiekt służący przede wszystkim do chłodzenia, zamrażania i
przechowywania artykułów żywnościowych, podlega stale zmieniającym się zewnętrznym oraz
wewnętrznym warunkom termicznym. Zmiany te mają charakter zarówno zamierzony (jak np.
załadunek i wyładunek towarów, okresowa zmiana przeznaczenia chłodni, sezonowa produkcja
mrożonek czy ich paczkowanie) jak i przypadkowy (sezonowe zmiany temperatury otoczenia, zmiana
własności izolacji zimnochronnej itp.) Wszystkie te uwarunkowania prowadzą do konieczności
wyposażania chłodni w układy regulacji, mające na celu zapewnienie ustalonych parametrów
powietrza wewnątrz komór przechowalniczych.
W zależności od przeznaczenia chłodni wyróżnić można tzw. chłodnie dystrybucyjne o stosunkowo
niewielkich powierzchniach składowych, służące do krótkiego przechowywania produktów
spożywczych, lokalizowane w dużych ośrodkach konsumpcyjnych, w których towary pochodzą z
dużych chłodni składowych lub zakładów produkcyjnych. Chłodnie przedsiębiorstw handlowych i
usługowych, będące niewielkimi pomieszczeniami chłodzonymi, budowanymi na zapleczach dużych
punktów handlowych (centra handlowe, supermarkety itp.) i usługowych (hotele, sanatoria, domy
wypoczynkowe), które umożliwiają kilkudniowe przechowywanie artykułów żywnościowych.
Chłodnie portowe, lokalizowane w portach morskich i rzecznych, których przeznaczeniem jest
przechowywanie artykułów przeznaczonych, bądź pochodzących z transportu wodnego. Wyposażane
są one dodatkowo w urządzenie umożliwiające bezpośredni załadunek lub wyładunek ze statków.
Chłodnie transportowe zabezpieczające przed zepsuciem towary będące w transporcie kolejowym,
samochodowym lub wodnym wyposażone w odpowiednie urządzenia do chłodzenia przewożonych
towarów. Chłodnie produkcyjne lokalizowane zwykle przy zakładach przetwórczych rożnego rodzaju
branż spożywczych, w których może odbywać się chłodzenie, zamrażanie i przechowywanie surowca
oraz gotowego produktu. Ponadto, systemy ziębienia chłodni mogą być wykorzystywane pośrednio
lub bezpośrednio w procesie technologicznym [5].
Systemy regulacji wydajności ziębniczej
Zapotrzebowanie ziębnicze chłodni, w całym okresie jej pracy, praktycznie nie osiąga stałej wartości.
Determinuje to konieczność odpowiedniego dopasowywania wydajności ziębniczej poprzez
zastosowanie adekwatnego systemu regulacji.
Stosowane są dwa podstawowe systemy regulacji wydajności sprężarek ziębniczych - skokowy i
ciągły [8], [9]. Do skokowych systemów regulacji zaliczyć można:
●
●
wyłączanie sprężarki systemu ziębniczego z ruchu. Jest to powszechnie stosowany system regulacji
w małych urządzeniach o automatycznym działaniu, wyposażonych w sprężarki bez urządzeń do
regulacji wydajności. Przy wyłączaniu z ruchu, średnia wydajność sprężarki zależy od jej
względnego czasu działania. Ten sam system regulacji można zastosować w systemach większej
mocy, wyposażonych w kilka sprężarek. W takim układzie uzyskuje się możliwość odpowiedniego
stopniowania wydajności, a więc bardziej ekonomicznego sposobu regulacji. Dodatkowymi zaletami
tego układu są: możliwość stopniowania obciążenia sieci elektrycznej podczas rozruchu, a także
gwarancja działania urządzenia nawet w razie niesprawności części sprężarek.
wyłączanie poszczególnych cylindrów sprężarki. W systemie tym wykonuje się urządzenie
umożliwiające bezpośrednie połączenie komory tłocznej cylindra z komorą ssawną lub przestrzeni
roboczej cylindra z komorą ssawną. Przy takim połączeniu wyeliminowany cylinder (płyta
zaworowa zawiera zazwyczaj zespół dwóch cylindrów) przestaje tłoczyć czynnik do kolektora
tłocznego i wydajność sprężarki zmniejsza się. Jest to ekonomiczny system regulacji, gdyż
wyłączony cylinder zużywa minimalną moc napędową silnika. Urządzenie regulacyjne tego systemu
sterowane jest elektrycznie. W sprężarkach średniej i dużej mocy efekt ten uzyskuje się za pomocą
zaworów elektromagnetycznych umieszczonych na głowicach płyt zaworowych w określonych
cylindrach. Przy tym systemie regulacji w wyłączonej płycie zaworowej pokonywane są jedynie
opory wahadłowego przepływu ziębnika przez zawory ssawne. Działanie części wykonawczej tego
typu układu regulacji sprowadza się do podniesienia płytki zaworu ssawnego i utrzymywania jej w
tym położeniu przez okres działania regulacji, która może w tym wypadku być sterowana
elektromagnetycznie.
Do systemów regulacji ciągłej zaliczyć można:
●
●
●
●
●
zmianę prędkości obrotowej sprężarki. Ten rodzaj regulacji można realizować za pomocą
przekładni mechanicznej znajdującej się pomiędzy silnikiem napędowym a sprężarką lub na drodze
elektronicznej przez zmianę liczby par biegunów asynchronicznego silnika trójfazowego o większej
liczbie przyłączanych uzwojeń, redukcję napięcia za pomocą regulowanych transformatorów oraz
regulatorów triakowych lub tyrystorowych, zmianę częstotliwości poprzez zastosowanie
prostowników i falowników.
dławienie gazu w przewodzie ssawnym, poprzez wbudowanie w ten przewód odpowiedniego
zaworu dławiącego. Na skutek dławienia przepływu następuje zmniejszenie ciśnienia ssania po
stronie sprężarki bez zmiany ciśnienia odparowania, a przez to zmniejszenie masowego natężenia
przepływu ziębnika.
upuszczanie tłoczonego ziębnika przewodem obejściowym (by-pass) z przewodu tłocznego
sprężarki na stronę ssawną poprzez dławiący zawór upustowy. Zaletą tego rozwiązania jest
możliwość uzyskania dowolnej wydajności w zakresie od 0 do około 40% (maksymalna ilość
upuszczanego gazu na stronę ssawną jest informacją przedstawianą przez poszczególnych
producentów sprężarek chłodniczych w ich biuletynach technicznych) oraz niezmienne obciążenie
sprężarki, niezależnie od warunków pracy parowacza. Wadą natomiast jest strata energii na
sprężanie ziębnika upuszczonego ze strony tłocznej.
otwieranie zaworów ssawnych podczas części suwu sprężania. Zasada działania tego systemu
polega na przetrzymaniu zaworów ssawnych w położeniu otwartym po zakończeniu suwu ssania. W
wyniku tego zabiegu część ziębnika zassanego do cylindra wytłaczana jest z powrotem do
przewodu ssawnego. Urządzenie regulacyjne wyposażane jest w siłowniki oddziałujące za
pośrednictwem popychaczy na płytki zaworów ssawnych.
przyłączanie dodatkowej przestrzeni szkodliwej, mającej wpływ na stopień dostarczania czynnika
przez sprężarkę. Na przykład w sprężarkach 3-cylindrowych, z jedną płytą zaworową można
zmieniać wydajność sprężarki w sposób ciągły poprzez przyłączanie dodatkowej przestrzeni o
regulowanej pojemności. Niestety wymieniony system regulacji jest nieekonomiczny, ponieważ ta
sama porcja gazu jest sprężana i rozprężana w cylindrze, przez co obciążenie silnika sprężarki nie
ulega zmniejszeniu.
Koncepcja rozwiązania systemu ziębniczego chłodni wielokomorowej
Projektowany i poddany analizie projekt instalacji ziębniczej przeznaczony jest do zapewnienia
odpowiednich warunków termicznych zakładu przetwórstwa i wyrobu wędlin, w którym realizację
poszczególnych instalacji oparto na systemie bezpośrednim.
W projekcie zastosowano dwie maszynownie chłodnicze, które mieszczą się poza obrębem zakładu,
w pobliżu komór mroźni. W maszynowni nr 1 znajdują się dwa agregaty realizujące efekt ziębniczy w
komorach mroźni.
W maszynowni nr 2 usytuowane są dwa zespoły sprężarkowe realizujące efekt ziębniczy: jeden dla
komór wymagających temperatury od 0oC do 4oC, drugi dla komór wymagających temperatury od 10o
C do 12oC. Obie maszynownie zostały zadaszone, a zamiast ścian pomieszczeń zabezpieczono je
siatką. Dodatkowo, skraplacze maszynowni nr 2, usytuowano poza jej obrębem i umieszczono na
wylewce betonowej ze względu na pionowy przepływ powietrza.
Sterowanie pracą zespołu sprężarkowego nr 1 odbywa się za pomocą regulatora, który odbiera
sygnały z dwóch przetworników ciśnienia: jednego WC (wysokiego ciśnienia) odpowiedzialnego za
regulację ciśnienia skraplania i jednego NC (niskiego ciśnienia) odpowiedzialnego za regulację
ciśnienia odparowania. Regulacja ciśnienia odparowania i skraplania w praktyce oznacza regulację
wydajności zespołu sprężarkowego.
Urządzenie to należy do bardzo nowoczesnych, swobodnie programowalnych sterowników
mikroprocesorowych z pamięcią typu Flash, w której instaluje się odpowiednią aplikację,
umożliwiającą regulację zgodnie z zadanym programem. Oprogramowanie, używane w tych
systemach posiada następujące możliwości:
●
●
●
●
●
●
●
●
●
wyświetlanie i kontrola odczytywanych wielkości (np. ciśnienia parowania, ciśnienie skraplania);
sterowanie maksymalnie sześcioma sprężarkami;
zależnie od ilości dostępnych wyjść maksymalnie 3 cewki regulacji wydajności dla każdej sprężarki;
sterowanie wentylatorami (maksymalnie 5 stopni);
wskazywanie alarmów na wyświetlaczu LCD oraz powiadamianie za pomocą sygnału akustycznego;
konfiguracja parametrów fabrycznych (logika regulacji) oraz parametrów użytkownika (kontrola i
podstawowe nastawy);
trzy poziomy zabezpieczeń;
programowanie przedziałów czasowych z drugim punktem nastawy dla sprężarek w celu
oszczędności energii elektrycznej;
przystosowanie do współpracy z programem nadzoru i monitoringu systemem BMS.
Wykorzystane sposoby regulacji wydajności oraz monitoringu projektowanej chłodni
Regulacja ze strefą martwą (neutralną) Regulacja ze strefą neutralną określa przedział ciśnienia, w
którym nie następuje włączanie ani wyłączanie żadnego urządzenia. Dzięki temu uzyskuje się
większą stabilizację pracy systemu i mniejszą wrażliwość na chwilowe zmiany ciśnienia. Kolej- ne
urządzenie (sprężarka lub wentylator) może być włączone/wyłączone, jeżeli odczytywane przez
czujnik ciśnienie przez określony czas znajduje się poza obszarem strefy neut- ralnej.
Włączenie lub wyłączenie urządzenia następuje wtedy, gdy spełnione są jednocześnie dwa warunki:
●
●
odczytywane przez czujnik ciśnienie wychodzi i pozostaje poza strefą martwą;
musi upłynąć minimalny, ustalony czas przebywania poza tą strefą. Przy włączaniu i wyłączaniu
urządzeń obowiązują także wszystkie ustanowione czasy ochronne.
Wnioski
Przedstawiony układ regulacji wydajności ziębniczej systemu zapewniającego założone warunki
termiczne w komorach ziębniczych zakładu mięsnego, bazuje na współczesnych osiągnięciach
automatyki, elektroniki i techniki chłodniczej. W założeniach system ten, bez względu na różnice czy
odstępstwa od powszechnie znanych i utartych sposobów regulacji wydajności ziębniczej, zapewnia
wysoki komfort obsługi, szeroki wachlarz nastaw oraz wysokie bezpieczeństwo aparatów i urządzeń
wykorzystanych do budowy instalacji.
Zaawansowane systemy regulacji wydajności ziębniczej pozwalają na bezawaryjną pracę systemu, a
w razie awarii uniemożliwiają uszkodzenie sprężarek czy innych aparatów wchodzących w skład
urządzenia, co niejednokrotnie jest zabezpieczeniem znacznych kosztów zainwestowanych podczas
budowy.
Analizowany projekt, choć oparty na realizowanym w praktyce przedsięwzięciu, ma na celu
pokazanie jednego z możliwych podejść ideowych do zagadnienia regulacji wydajności chłodni, bez
względu na rodzaj przechowywanych towarów czy też na sposób pracy chłodni.
Źródło:
www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
KONTAKT
Chłodnictwo & Klimatyzacja
Tel: +48 22 678 84 94
Fax: +48 22 678 84 94
Adres:
al. Komisji Edukacji Narodowej 95
02-777 Warszawa