ARwOiW Badanie przebiegów regulacyjnych układu do podgrzewu

Politechnika
Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie przebiegów regulacyjnych układu do
podgrzewu c.w.u.
Ćwiczenie nr
Laboratorium z przedmiotu:
„Automatyczna regulacja w ogrzewnictwie i wentylacji”
Kod:
Opracował:
mgr inż. Tomasz Teleszewski
dr inż. Piotr Rynkowski
wrzesień 2008
1
1. Wprowadzenie
„Ciepła woda użytkowa (c.w.u.) może być przygotowywana w podgrzewaczach
elektrycznych i gazowych.
Gazowe wymagają podłączenia do instalacji gazowej oraz komina przystosowanego
do odprowadzania spalin gazowych (stare kominy murowane często trzeba modernizować).
Pomieszczenie, w którym ma być zainstalowany taki podgrzewacz, musi mieć odpowiednią
kubaturę (nie mniej niż 8 m3). Trzeba również zapewnić w nim dobrą wentylację, tzn.
nawiew powietrza (może to być nawiew bezpośredni - przez nawiewnik zamontowany w tym
pomieszczeniu, w którym jest zainstalowany podgrzewacz, lub nawiew pośredni - przez
nawiewniki zamontowane w pokojach) oraz wywiew przez kanał wentylacyjny.
Elektryczne, jeśli mają małą moc -do 6 kW, z reguły są przystosowane do zasilania z
instalacji jednofazowej (230 V); większe wymagają podłączenia do instalacji trójfazowej (400
V). Zarówno podgrzewacze gazowe, jak i elektryczne produkuje się w dwóch odmianach:
- pojemnościowe podgrzewają wodę znajdującą się w zasobniku i utrzymują jej temperaturę
na zadanym poziomie;
- przepływowe uruchamiają podgrzewanie w momencie odkręcenia kranu i wyłączają, gdy się
go zakręca.
Elektryczne pojemnościowe
Moc elektrycznych podgrzewaczy pojemnościowych to najczęściej 1,5 do 2 kW - taką
moc mają ich grzałki (a niektóre modele mają je dwie a nawet trzy). Jest to bardzo wygodne i
przynosi konkretne oszczędności energii, pozwala bowiem na pracę urządzenia ze zmienną
mocą: małą - kiedy przez dłuższy czas nie używamy ciepłej wody i chodzi jedynie o
podtrzymanie jej temperatury, średnią - w cyklu normalnej pracy, i wysoką - gdy zachodzi
potrzeba szybkiego podgrzania wody w zbiorniku. Niektóre podgrzewacze pojemnościowe
mają zamontowane dodatkowo urządzenia przystosowane do współpracy z kotłami
centralnego ogrzewania.
Podgrzewacze pojemnościowe mogą być bezciśnieniowe (jednopunktowe) oraz
ciśnieniowe (wielopunktowe).
Bezciśnieniowe. Są to niewielkie zbiorniki (o pojemności 5-15 litrów), które mogą
zasilać tylko jeden punkt poboru: umywalkę lub zlewozmywak. Umieszcza się je nad lub pod
przyborem. Zazwyczaj są sprzedawane razem ze specjalną baterią, która redukuje ciśnienie
wody - z tego, jakie panuje w instalacji, do tego, pod jakim pozostaje woda w zbiorniku.
Ciśnieniowe. Mają w zbiorniku takie ciśnienie, jakie panuje w instalacji wodnej. Mogą
zasilać jeden lub więcej punktów poboru wody. Do zasilania pojedynczych punktów stosuje
się niewielkie podgrzewacze o pojemności od 10 do 30 litrów, możliwe do zamontowania w
szafkach Większe podgrzewacze - o pojemności od kilkudziesięciu do kilkuset litrów można
zawiesić bezpośrednio pod sufitem (te wykonane w wersji poziomej) albo na ścianie, lub
postawić na specjalnym stojaku (pionowe).
Elektryczne przepływowe
Małe, o mocy od 3,5 do 6 kW mają wydajność od 1,5 do 3 litrów ciepłej wody na
minutę i mogą zasilać tylko jeden punkt poboru wody. Często są sprzedawane w komplecie z
zamontowaną baterią i wylewką lub słuchawką prysznicową.
Większe, o mocy przekraczającej 20 kW, są w stanie dostarczyć wodę jednocześnie do
dwóch, a nawet trzech punktów poboru wody w ilości nawet 12-14 litrów na minutę.
2
Regulacja temperatury wody w elektrycznych podgrzewaczach przepływowych może
się odbywać na dwa sposoby:
- hydraulicznie - im więcej wody się pobiera, tym niższa jest jej temperatura;
- elektronicznie - temperatura pozostaje niezależna od ilości pobieranej wody (istnieje
możliwość nastawiania temperatury z dokładnością do 0,5-1oC).
Gazowe pojemnościowe
Są to różnej wielkości zbiorniki, w których dolnej części znajduje się komora spalania
wraz z palnikiem. Kiedy następuje włączenie palnika, gorące spaliny przepływające
specjalnym kanałem usytuowanym w środku zbiornika oddają ciepło otaczającej go wodzie.
Palnik pracuje tak długo, aż woda w zasobniku osiągnie nastawioną temperaturę, po czym się
wyłącza.
Podgrzewacze stosowane w domach mają pojemność od 80 do 200 litrów. Te o
pojemności do 120 litrów mają mniejsze gabaryty, są lżejsze, a więc przystosowane do
zawieszenia na ścianie. Większe produkuje się tylko jako stojące.
Dużą zaletą podgrzewaczy pojemnościowych jest mała moc, zazwyczaj
nieprzekraczająca 10 kW. Dzięki temu urządzenia te charakteryzują się mniejszym
chwilowym zużyciem gazu niż przepływowe podgrzewacze gazowe i mogą być stosowane
nawet tam, gdzie ze względu na zbyt mały przydział gazu ziemnego korzystanie z
podgrzewacza przepływowego jest niemożliwe.
Gazowe przepływowe
Nazywane też „termami” lub „piecykami kąpielowymi”, różnią się od siebie mocą,
sposobami zapłonu palnika i regulacji temperatury wody.
Moc. Dostępne są trzy grupy urządzeń: małej mocy (17-19 kW), średniej (23-24 kW) i
dużej (około 30 kW). Maksymalna wydajność tych pierwszych to około 9 litrów na minutę, a
tych dużej mocy - nawet 14 litrów na minutę (jeśli woda jest podgrzewana o 30oC).
Rodzaj zapłonu palnika podgrzewacza. Tu można wybierać spośród trzech wariantów:
- płomyk dyżurny, od którego po odkręceniu kranu z ciepłą wodą zapala się palnik główny;
- zapłon na baterie, czyli zasilany z baterii aparat zapłonowy wytwarzający iskrę do zapalenia
palnika;
- hydrogenerator, czyli mała zasilana wodą turbinka, która wytwarza prąd i zasila zapalacz
iskrowy.
Regulacja temperatury wody. Do wyboru są trzy jej rodzaje:
- ręczna, umożliwiająca skokowe lub płynne ustawianie mocy urządzenia (najczęściej w
zakresie od 50 do 100%).Przy takiej regulacji temperatura wody pozostaje stała tylko przy
jednej wielkości strumienia. Jeśli zmniejszymy strumień wody, jej temperatura wzrośnie, a
jeśli go zwiększymy - woda będzie chłodniejsza;
- automatyczna, która zapewnia stałą temperaturę przy różnej ilości pobieranej wody. Zmiana
strumienia wody powoduje automatyczne dostosowanie mocy urządzenia do wielkości
przepływu;
- automatyczna i ręczna, dzięki której zużycie energii zostaje zredukowane do najniższego
koniecznego poziomu, a temperatura pobieranej wody jest niezależna od wielkości jej
poboru.” - G. Dudek „Podgrzewacze do wody”
3
a)
b)
Rys. 1 Elektryczne podgrzewacze wody: a) pojemnościowy podgrzewacz wody typu
SG30ORPL firmy Ariston, b) przepływowy podgrzewacz wody TSC6840 firmy Hakl
Badanie właściwości dynamicznych
Charakterystykę dynamiczną otrzymuje się, gdy w członie regulacji lub obiekcie zmieni się
nagle wartość wejściową z jednej wartości na inną i następnie obserwuje się przebieg zmiany
wielkości wyjściowej w czasie. Na podstawie tego przebiegu regulacyjnego można określić
właściwości regulacyjne układu za pomocą wskaźników. Do najważniejszych wskaźników
charakteryzują właściwości dynamiczne można zaliczyć:
- współczynnik wzmocnienia K
-czas opóźnienia To
- stałą czasową T
Współczynnik wzmocnienia K określa iloraz ustalonej wartości przyrostu sygnału
wejściowego do amplitudy wymuszenia skokowego.
K=
∆y
∆x
Czas opóźnienia mierzony jest od momentu realizacji wymuszenia skokowego do chwili
pojawienia się odpowiedzi elementu.
Stała czasowa charakteryzująca szybkość zmian przebiegu przejściowego może być
wyznaczana dwojako:
- jako czas, po którym odpowiedź elementu osiągnie 63,2% przyrostu wartości ustalonej ∆y
(ten sposób może być stosowany wyłącznie dla elementu inercyjnego I rzędu),
- jako odcinek podstycznej wyznaczony na asymptocie w dowolnym punkcie charakterystyki
skokowej
4
Rys. 2 Charakterystyka skokowa elementu statycznego o złożonych właściwościach
dynamicznych.
Przykładowa charakterystyka skokowa elementu statycznego o złożonych
właściwościach dynamicznych została przedstawiona na rysunku 2. Wielkościami
charakteryzującymi ten przebieg oprócz współczynnika wzmocnienia są:
- czas narastania Tn, będący miarą szybkości odpowiedzi elementu, określony w praktyce
jako przedział czasu, w którym następuje wzrost odpowiedzi elementu do 0,1 do 0,9
końcowej wartości ustalonej,
- czas ustalenia Tu, przedział czasu do chwili wprowadzenia wymuszenia skokowego na
wejście elementu do chwili, w której różnica między wartością sygnału odpowiedzi skokowej,
a jego wartością ustaloną nie przekracza określonej części (zwykle 5%) przyrostu wartości
ustalonej.
2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie przebiegu regulacji oraz przedstawienie metod
oceny jakości regulacji układu do podgrzewu c.w.u. Dla określonych nastaw wstępnych
układu regulacji, dokonać oceny jakości i dynamicznej tego układu na podstawie
zarejestrowanych przebiegów regulacyjnych, będących odpowiedzią układu na zadane
wymuszenie skokowe.
5
3. Metodyka badań – przepływowy elektryczny podgrzewacz wody
a) opis stanowiska badawczego przepływowego elektrycznego podgrzewacza wody
3
2
4
1
4
5
Rys. 3 Schemat stanowiska badawczego: 1-przepływowy podgrzewacz wody, 2-rotametr, 3rejestrator, 4-czujniki temperatury, 5- zawór odcinający .
b) przebieg realizacji eksperymentu
Wielkością regulowaną jest temperatura wody na wypływie z podgrzewacza wody. W
celu wykonania ćwiczenia należy:
1) Włączyć rejestrator temperatury (3).
2) Wprowadzić zakłócenie skokowe wartości zadanej poprzez zmianę ilości
przepływającej przez rotametr (2).
3) Rejestrować szybkość zmiany temperatury
Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć rejestrator temperatury (3).
c) prezentacja i analiza wyników badań
Na podstawie zarejestrowanego przebiegu regulacyjnego określić przebieg
temperatury wskazywanego przez rejestrator oraz wyznaczyć graficznie i obliczyć wskaźniki
jakości dynamicznej.
6
4. Metodyka badań – pojemnościowy elektryczny podgrzewacz wody
a) opis stanowiska badawczego pojemnościowego elektrycznego podgrzewacza
wody
3
2
4
1
4
5
Rys. 4 Schemat stanowiska badawczego: 1-pojemnosciowy podgrzewacz wody, 2-rotametr, 3rejestrator, 4-czujniki temperatury, 5- zawór odcinający .
b) przebieg realizacji eksperymentu
Wielkością regulowaną jest temperatura wody na wypływie z podgrzewacza wody. W
celu wykonania ćwiczenia należy:
1) Włączyć rejestrator temperatury (3).
2) Wprowadzić zakłócenie skokowe wartości zadanej poprzez zmianę ilości
przepływającej przez rotametr (2).
3) Rejestrować szybkość zmiany temperatury
Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć rejestrator temperatury (3).
c) prezentacja i analiza wyników badań
Na podstawie zarejestrowanego przebiegu regulacyjnego określić przebieg
temperatury wskazywanego przez rejestrator oraz wyznaczyć graficznie i obliczyć wskaźniki
jakości dynamicznej.
7
5. Wymagania BHP
Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na
pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w
laboratorium.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach
elektrycznych bez polecenia prowadzącego.
6. Sprawozdania studenckie
Sprawozdania studenckie powinno zawierać następujące informacje:
1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:
a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
b) niezbędne związki teoretyczne,
c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
d) przebieg realizacji eksperymentu,
e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym),
g) zestawienie i analiza wyników badań.
3) Analiza dokładności pomiarów.
4) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.
5) Zestawienie łączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.).
7. Literatura
W. Chmielnicki, K. Kasperkiewicz, B. Zawada: „Laboratorium automatyzacji urządzeń
sanitarnych”, Arkady 1985,
W. Chmielnicki: „Podstawy automatyki w inżynierii sanitarnej”, WPW, Wrocław 1977,
L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980
G. Dudek „Podgrzewacze do wody”
8