Systemy regulacji wilgotności powietrza w obiektach klimatyzacyjnych

Systemy regulacji wilgotności powietrza w obiektach klimatyzacyjnych

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Automatyka chłodniczo-klimatyzacyjna - seminarium.
Temat: Systemy regulacji wilgotności powietrza w obiektach
klimatyzacyjnych: cel stosowania + budowa + przykłady
zastosowania.
Prowadzący:
Wykonał:
dr inŜ. Zenon Bonca
Artur Papierz
Sem.: 9.
Specjalność: SUChKl
Rok akad. 2005/2006
Zakres pracy:
1. PARAMETRY KOMFORTU CIEPLNEGO
2. URZĄDZENIA DO POMIARU WILGOTNOŚCI
3. REGULATOR WILGOTNOŚCI
4. UKŁADY REGULACJI WILGOTNOŚCI
5. WNIOSKI
6. LITERATURA
1. Parametry komfortu cieplnego.
Systemy klimatyzacyjne mają zapewnić w miejscu pracy lub odpoczynku dobre
samopoczucie człowieka, a w przemyśle ponadto dopomóc w uzyskaniu dobrego produktu.
Samopoczucie cieplne człowieka jest dobre, gdy nie odczuwa ani chłodu ani gorąca. W wyniku
długotrwałych obserwacji i badań ustalono pewien zakres parametrów powietrza, który przez
większość ludzi został określony jako stan dobrego samopoczucia.
Na stan dobrego samopoczucia wywierają wpływ:
•
temperatura powietrza w pomieszczeniu;
•
temperatura przegród budowlanych;
•
prędkość ruchu powietrza w strefie przebywania ludzi;
•
wilgotność względna powietrza.
•
czystość powietrza
Dla róŜnych rodzajów pomieszczeń (biurowe, przemysłowe, szkolne, i td.) istnieją zalecenia lub
normy, podające wartości poszczególnych parametrów.
Wpływ wilgotności na samopoczucie człowieka.
Samopoczucie człowieka moŜe być dobre w duŜych zakresach zmienności wilgotności względnej
powietrza. Wywiera ona wpływ na samopoczucie ludzi wówczas, gdy jest to związane z
koniecznością odparowania wody z powierzchni skóry. JeŜeli w pomieszczeniu występuje wysoka
temperatura i wilgotność względna powietrza, wówczas zostaje zahamowany proces odparowania
wody z powierzchni skóry, człowiek zaczyna się pocić i odczuwać duszność.
Zalecane wartości wilgotności wewnątrz budynków publicznych
Budynki administracji, biurowe:
•
Lato 50 do 60%
Biblioteki i muzea:
•
Lato 40 do 55%
Centra telegraficzne i telefaksowe:
•
Lato 40 do 50%
•
Zima 45 do 55%
Dworce autobusowe:
•
Zima 50 do 60%
Wymagane wilgotności w pomieszczeniach przemysłowych:
Wilgotność niska:
•
Elektronika: nawijanie cewek
15%
•
Wulkanizacja
25-30%
•
Ceramika: składowanie glinki
35-63%
Wilgotność wysoka:
•
Przemysł wełniany: przędzenie wełny przędzarką wózkową
65-75%
•
Mechanika precyzyjna: montaŜ przyrządów pomiarowych
80-83%
•
Browary: słodowanie
80-85%
•
Przemysł tytoniowy: rozmiękczanie tytoniu
85-88%
2. Urządzenia do pomiaru wilgotności.
Urządzenia do pomiaru wilgotności lub stanu psychrometrycznego powietrza wilgotnego
noszą nazwę higrometrów, niezaleŜnie od jednostki miary, w jakiej jest wyraŜona wilgotność.
Psychrometry
Metody psychrometryczne polegają na wykorzystaniu zjawiska obniŜania się temperatury
wilgotnej powierzchni przy przepływie powietrza nienasyconego.
Rys.1. Psychrometr Assmanna: 1 - termometr suchy, 2 - termometr wilgotny, 3 - tkanina zwilŜająca, 4 - kanał
przepływu powietrza, 5 - wentylator promieniowy, 6 - urządzenie napędowe wentylatora (spręŜyna lub silniczek
elektryczny).
Dzięki zastosowaniu wentylatora promieniowego (5) mierzy się temperaturę powietrza przy
stałej prędkości przepływu powietrza równej 2,5m/s. Stała prędkość przepływu powietrza zapewnia
duŜą dokładność pomiaru. Aby wykonać taki pomiar, naleŜy zwilŜyć tkaninę wodą destylowaną za
pomocą pipetki, włączyć wentylator oraz odczytać wskazania termometrów po ustaleniu się
temperatury. Wilgotność względną powietrza odczytuje się z wykresu lub z tablic
psychrometrycznych.
Zalety:
•
Prosta konstrukcja
•
Dokładny pomiar, poniewaŜ prędkość wiatru jest stała utrzymywana na poziomie 2,5 m/s.
•
Niedrogi
Wady:
•
Trudność dokładnego zmierzenia wilgotności poniŜej punktu zamarzania.
•
skomplikowany pomiar oraz ograniczenie w stosowaniu w automatycznych
układach
•
czuły na promieniowanie zewnętrzne.
•
Stabilizacja dokładnego pomiaru wymaga czasu, 10 do 15 minut
Czujniki elektryczne
Czujniki elektryczne oparte są na zastosowaniu substancji lub złoŜonych układów, które absorbują
lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę właściwości
elektrycznych układu (impedancja, pojemność elektryczna lub inne pomiary elektryczne)
Typy czujników elektrycznych:
Istnieją dwa rodzaje wilgotnościomierzy elektrycznych, róŜniące się rodzajem czujnika
wilgotności, choć cechą wspólną jest uŜycie materiału absorbującego i wydzielającego wilgoć:
•
Z czujnikiem rezystancyjnym (zmiana rezystancji);
•
Z czujnikiem pojemnościowym (zmiana pojemności).
Czujnik rezystancyjny jest to czujnik o prostej budowie i małych rozmiarach, umoŜliwiający
odsunięcie miejsca pomiaru od urządzenia elektronicznego, które obrabia i wskazuje jego wynik.
Dodatkowa zaleta to moŜliwość stosowania przy dość wysokich temperaturach. Na ceramicznym
podłoŜu jest nałoŜony czuły na wilgoć polimerowy element, w którym umieszczone są dwie
elektrody o strukturze grzebieniowej. Absorpcja lub emisja wilgoci z elementu polimerowego
powoduje zmianę jego rezystancji.
Rys.2. Czujnik rezystancyjny
Czujnik pojemnościowy charakteryzuje się znaczną szybkością działania, moŜliwością uŜywania w
stosunkowo wysokich temperaturach, doskonałymi własnościami przy niskich wilgotnościach. W
pewnych okolicznościach czujnik moŜna zmywać wodą destylowaną. Warstwa czuła na
zawilgocenie jest umieszczona między dwoma elektrodami, umieszczonymi na szklanym podłoŜu.
Absorpcja lub emisja wilgoci z warstwy powoduje zmianę pojemności kondensatora, utworzonego
przez obie elektrody.
Rys.3. Czujnik pojemnościowy
Termohigrometry
Termohigrometry: są przyrządami do jednoczesnego pomiaru temperatury i wilgotności
powietrza. Charakteryzują się nowoczesną konstrukcją opartą na wydajnych i oszczędnych
energetycznie sterownikach mikroprocesorowych.
Elementami pomiarowymi są tu: cienkowarstwowy czujnik temperatury Pt-100 i
cienkowarstwowy pojemnościowy czujnik wilgotności względnej, z których analogowe sygnały
zostają zamienione w przetwornikach A/C na dane liczbowe. Indywidualne dane kalibracyjne
czujników wilgotności i temperatury zapisane są w nieulotnej pamięci termohigrometrów i słuŜą do
wyznaczenia ostatecznych wyników pomiarów. Obliczenia są wykonywane z duŜą precyzja i
uwzględniają nieliniowości charakterystyk przetwarzania czujników temperatury i wilgotności. J
Jednoczesne wykonywanie pomiarów temperatury i wilgotności przez jeden przyrząd jest
uzasadnione ścisłą zaleŜnością wilgotności bezwzględnej od temperatury i wilgotności względnej.
UmoŜliwia to rachunkowe wyznaczenie w przyrządzie innych parametrów wykorzystywanych do
opisu wilgotności: temperatury punktu rosy, procentowej zawartości i ciśnienia cząsteczkowego
pary wodnej.
Elementy pomiarowe w termohigrometrze wykorzystują dwa czujniki:
•
Cienkowarstwowy rezystor platynowy
1) – Głowica przyłączeniowa i przetwornik pomiarowy
2) – Wkład pomiarowy
3) – Element dystansowy
4) – Rura ochronna
Rys.4. Rezystor platynowy Pt-100
Przykładem zastosowania tego czujnika jest psychrometr LB-754P w połączeniu z
panelem LB-706T tworzący urządzenie, które mierzy wilgotność i temperaturę powietrza metodą
psychrometryczną. Zasadniczą zaletą elektronicznego psychrometru jest wysoka dokładność
pomiaru wilgotności (nie gorsza niŜ 1%), zwłaszcza w zakresie bardzo duŜych wilgotności
(bliskich 100%). Psychrometr jest wolny od wad mierników bazujących na cienkowarstwowych
pojemnościowych czujnikach wilgotności (histerezy i dryftu dla duŜych wilgotności).
Rys.5 .Psychrometr LB-754P z lewej i panel LB-706T z prawej.
Psychrometr składa się z dwóch termometrów pracujących z wykorzystaniem
termorezystorów platynowych Pt1000: suchego i mokrego (nawilŜanego mokrym knotem).
Równomierny przepływ powietrza zapewnia elektryczny wentylator. Termometry są umocowane
poziomo wewnątrz metalowej obudowy, nad zbiornikiem na wodę destylowaną.
•
Cienkowarstwowy pojemnościowy czujnik wilgotności względnej (kondensator, którego
pojemność jest zaleŜna od wilgotności względnej).
Rys.6. Termohigrometr LB-701 z panelem sterująco-odczytowym LB-725
Termohigrometry pozwalają mierzyć wilgotność względna powietrza w zakresach:
•
10-95% w zakresie temp. do +40C
•
10-60% w zakresie temperatur do +70C
•
10-40% w zakresie temperatur do +85C
Zalety:
•
duŜa dokładność pomiaru +- 2%,
•
brak analogowych elementów regulacji
•
duŜa szybkość pomiaru
•
automatyzacja pomiarów
•
przesyłanie sygnału na duŜą odległość ( do kilku km)
Wady: wysoka cena jednostki
3. Regulator wilgotności powietrza
Rys.7. Regulator wilgotności powietrza Omega
Regulator wilgotności powietrza Omega, jest regulatorem o funkcjach:
- regulacja wilgotności: +/- 0,2 [%] w zakresie 60 - 100 [%],
w temperaturze powietrza 10 - 40 0C
- sterowanie nawilŜaniem powietrza
- sterowanie osuszaniem powietrza
PoniŜej przedstawiony został wykres pracy regulatora.
Widzimy, Ŝe model zawartości wilgoci w klimatyzowanym pomieszczeniu zmienia się
sinusoidalnie. Na regulatorze ustawiamy wartość zadaną wilgoci, przy czym błąd dokładności
pomiaru( histereza) jest ustawiony w granicach: +/- 0.2 [%]. Występują dwa przypadki pracy
regulatora:
•
•
Osuszanie, gdy zawartość wilgoci przekroczy górny próg alarmowy, odpowiedni
przekaźnik załączy wentylator. Wentylator pracuje cyklicznie na zasadzie praca/postój
NawilŜanie, gdy zawartość wilgoci przekroczy dolny próg alarmowy, odpowiedni
przekaźnik uruchomi wtryskiwacz wody w komorze zraszania. Wtryskiwacz wody pracuje
cyklicznie na zasadzie praca/postój.
Rys.8. Schemat pracy regulatora
4. Układy regulacji wilgotności
Instalacja niskociśnieniowa
Rys.9. Schemat regulacji niskociśnieniowej instalacji klimatyzacyjnej.
JeŜeli wilgotność powietrza spadnie poniŜej wartości zadanej, to przez zainstalowany w
pomieszczeniu czujnik H i regulator RIV otworzy się zawór M6 nagrzewnicy wstępnej I. JeŜeli zaś
wilgotność wzrośnie ponad wartość zadaną, to zawartość wilgoci w powietrzu zostaje zmniejszona
przez wykroplenie się wilgoci na chłodnicy. Regulator RIV przy zbyt wysokiej wilgotności w
pomieszczeniu, otworzy zawór M7 chłodnicy, natomiast pompa wody obiegowej zostanie
wyłączona za pomocą wyłącznika S2.
Instalacja wysokociśnieniowa
Rys.10. Schemat regulacji wysokociśnieniowej instalacji klimatyzacyjnej z dwururowym systemem wodnym.
W układzie takim parametrem regulowanym jest temperatura punktu rosy. Czujnik temp. T1,
umieszczony za komora zraszania, mierzy temp. powietrza nasyconego odpływającego z komory.
Wartość ta jest porównywana w regulatorze R II z nastawioną w nim wartością zadaną. JeŜeli
punkt rosy leŜy za nisko, wtedy otwierany jest zawór M1 nagrzewnicy wstępnej powietrza. JeŜeli
punk rosy leŜy za wysoko regulator otwiera zawór M2 chłodnicy, natomiast wyłącznik S2 wyłącza
pompę obiegową komory zraszania.
Instalacja dwuprzewodowa
Rys.11. Schemat regulacji dwuprzewodowej instalacji klimatyzacyjnej.
Czujnik wilgoci H umieszczony w przewodzie wywiewnym oddziałuje na regulator R VI.
Regulator zmienia strumień masy wody obiegowej w komorze zraszania, w wyniku, czego zmienia
się stopień zraszania w komorze. Dzięki temu w komorze zraszania nastąpi spadek wilgotności
powietrza poniŜej punktu nasycenia, a zatem temperatura odpływającego powietrza z komory
zraszania będzie wyŜsza. Regulator R II ma za zadanie utrzymać tę temperaturę na stałym
poziomie. Przy zmniejszaniu strumienia masy wody obiegowej komory zraszania zmniejszana jest
moc cieplna nagrzewnicy wstępnej do tego stopnia, aŜ czujnik T2 osiągnie wartość zadaną.
5. Wnioski
Przy dzisiejszym rozwoju technologicznym, potrzeby ludzkie są coraz to większe. Dlatego
teŜ klimatyzacja obiektów zmienia się z dnia na dzień wykorzystując nowe technologie
pomiaru wilgotności. W biurach, halach przemysłowych, czy basenach konieczny jest ciągły
monitoring zmian wilgotności, aby zapewnić warunki komfortu cieplnego.
PowyŜsza praca ukazuje, Ŝe elektroniczne systemy regulacji wilgotności są dzisiaj najczęściej
spotykane, poniewaŜ uzyskany sygnał elektroniczny jest łatwy do przetworzenia na inne
wielkości mechaniczne, natomiast sam przesył takiego sygnału jest znacznie ułatwiony. Dobór
odpowiedniego czujnika jest uzaleŜniony od zakresu wilgotności, w jakim ten czujnik ma
pracować. Ponadto naleŜy brać pod uwagę dokładność zachowania parametru wilgotność
szczególnie waŜne w niektórych procesach technologicznych. Bardzo waŜnym parametrem jest
temperatura pomieszczenia, jak wiadomo, czym niŜsza temperatura tym trudniej utrzymać
wymaganą wilgotność, poniewaŜ zmienia się ona w bardzo wąskim zakresie.
Literatura:
1. Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat. Pomiary, regulacja;
2. Fritz Steimle: Kurs klimatyzacji;
3. http://www.label.com.pl
4. http://cieplej.pl
5. http://www.geneza.cc.pl