Automatyzacja w ogrzewnictwie i klimatyzacji

1. Automatyzacja w ogrzewnictwie i klimatyzacji

2. Automatyzacja w ogrzewnictwie i klimatyzacji Wykład 1

3. Wstępne informacje Forma zaliczenia wykładu: • kolokwium 15.01.2011 Obecność na wykładach: • zalecana,będzie sprawdzana wyrywkowo. Tematem wykładów będzie charakterystyka i dobór elementów automatyki budynków: • Zawory regulacyjne przelotowe: charakterystyka i zasady doboru • Zawory regulacyjne trójdrogowe: charakterystyka i zasady doboru • Przepustnice wentylacyjne i klapy: charakterystyka i zasady doboru • Napędy zaworów i przepustnic • Regulatory stosowane w ogrzewnictwie, ciepłownictwie i klimatyzacji • Czujniki i przetworniki pomiarowe: temperatury, wilgotności i jakości powietrza, ciśnienia, przepływu, prędkości i ruchu.

4. LITERATURA • Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006. • Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997. • Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa 1997. • Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.

5. Elementy wykonawczeZawory regulacyjne jednodrogowe (przelotowe)

6. z regulator e u y w urządzenie wykonawcze obiekt regulacji _ obiekt regulacji ym y element pomiarowy Elementy wykonawcze – zawory regulacyjne w układzie regulacji Element wykonawczy (zawór regulacyjny) + napęd (siłownik) = urządzenie wykonawcze .

7. Zawory regulacyjne Zawory regulacyjne dzieli się według: • budowy: zawory jedno-, trój- i czterodrogowe, (zawory mogą być jedno- lub dwugniazdowe), • rodzaju połączenia: zawory kołnierzowe i gwintowe, • zasady działania: zawory grzybkowe, kulowe (kurki), klapy, zasuwy, • materiału korpusu: żeliwo szare, mosiądz, brąz, staliwo (gniazdo zaworu wykonuje się z mosiądzu lub stali nierdzewnej). • kształtu grzybka i charakterystyki otwarcia (charakterystyki przepływu), Podstawowe parametry charakterystyki zaworu to: średnica nominalna DN, ciśnienie nominalne PN, współczynnik przepływu Kvs (Cvs=1,17 Kvs )

8. Jednodrogowe zawory regulacyjne • Literatura: • Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa 1997. • Jednodrogowy zawór regulacyjny w literaturze polskiej bywa nazywany zamiennie zaworem jednodrogowym lub przelotowym. Nazwa przelotowy używana jest głównie publikacjach tłumaczonych z języka niemieckiego.

9. Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe Konstrukcje zaworów jednodrogowych

10. Zawory dwugniazdowe • W wypadku zaworów dwugniazdowych płyn dopływa do obu grzybów zarówno zgodnie, jak i przeciwnie do kierunku zamykania. • Ciśnienie płynu działające na oba grzyby jest w dużym stopniu zrównoważone, tak że ten rodzaj konstrukcji nie wymaga, nawet przy dużej różnicy ciśnienia na zaworze, przenoszenia przez siłownik dużych sił, a przepływ może zachodzić w dowolnym kierunku. • To rozwiązanie jest więc także konstrukcją umożliwiającą zmianę kierunku działania na odwrotny.

11. Zawory dwugniazdowe • Zawory dwugniazdowe stosowane są w parowych i wodnych instalacjach wysokociśnieniowych, gdzie występują duże różnice ciśnienia przed i za zaworem. • Do całkowitego zamknięcia takiego zaworu bez odciążenia hydraulicznego musiałyby być stosowane duże, kosztowne siłowniki elektryczne o dużej sile osiowej. • Dobierając zawór dwugniazdowy możemy zastosować tanie siłowniki o niewielkiej sile.

12. Współczynnik przepływu zaworu Strumień przepływu wyrażony w m3/h, wyznaczony przy ustalonym skoku grzyba zaworu oraz przy spadku ciśnienia na zaworze Δpo równym 1 bar i gęstości przepływającego czynnika ρo = 1000 kg/m3 nazywany jest współczynnikiem przepływu Kv. m3/h

13. Współczynnik przepływu zaworu • W wypadku innej straty ciśnienia niż Δpo = 1 bar i płynów o gęstości innej niż gęstość wody ρo=1000kg/m3 współczynnik przepływu Kv obliczymy

14. Nominalny współczynnik przepływu zaworu Kvs • Obliczając wymiary zaworu określa się nominalny współczynnik przepływu Kvs przez zawór całkowicie otwarty. • Wartość ta charakteryzuje minimalny opór hydrauliczny zaworu. • Obliczenie Kvs umożliwia dobranie średnicy zaworu z katalogu. • Dla tej samej średnicy w katalogu może być podane kilka współczynników przepływu Kvszaworu.

16. Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów wg. PN-83/74201

17. Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów wg. PN-83/74201 • V - objętościowe natężenie przepływu, m3/h, • Vn - objętościowe natężenie przepływu w warunkach normalnych (Tn= 273,15 K, pn = 101325 Pa), m3/h, • m - masowe natężenie przepływu, kg/h, • p1 - ciśnienie dopływu, Pa, • p2 - ciśnienie odpływu, Pa, • Δp - dyspozycyjny spadek ciśnienia, Pa, • ρ1 - gęstość czynnika na dopływie, kg/m3 , • ρn - gęstość czynnika w warunkach normalnych ( Tn= 273,15 K, pn = 101325 Pa), kg/m3, • T1 - temperatura czynnika przed zaworem, K, • v2 - objętość właściwa pary dla parametrów p2 i T1, m3/kg, • v2* - objętość właściwa pary dla parametrów p1/2 i T1, m3/kg, • x - stopień nasycenia pary (0 < x ≤ 1).

18. Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów • Gdy lepkość jest większa niż2×10-5m2/sto współczynnik przepływu Kv należy skorygować według zależności: Kv’ - skorygowany współczynnik przepływu zaworu. β- współczynnik korekcyjny Przy bardzo dokładnych obliczeniach współczynnika przepływu dla par i gazów należy również uwzględnić zmiany gęstości spowodowane zmianą ciśnienia i temperatury.

19. Charakterystyki zaworów regulacyjnych • – dlaczego zajmujemy się tym tematem? • Zasada doboru zaworów regulacyjnych - minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji !

20. b a h Q/Qs Q h m m m Q/Qs Q/Qs h/hs m/ms h/hs Zasada doboru zaworów regulacyjnych - minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji zawór reg. +wymiennik ciepła Charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór reg. +wymiennik ciepła a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji) ks m/ms

21. Charakterystyki zaworów regulacyjnych • Charakterystyki zaworów regulacyjnych wyznacza się we współrzędnych względnych zdefiniowanych następująco: • względny współczynnik przepływu: • względny skok grzyba zaworu: • względny strumień objętości: • względne pole przepływu przez zawór: Indeks s oznacza wartości nominalne (100% otwarcie zaworu)

22. Charakterystyki zaworów regulacyjnych • Rozróżnia się następujące charakterystyki zaworów: • charakterystykę otwarcia zaworu s = f(h); jest to zależność pomiędzy względnym polem powierzchni przekroju poprzecznego i względnym skokiem grzybka zaworu, • charakterystykę wewnętrzną przepływu zaworu kv = f(h), jest to zależność pomiędzy współczynnikiem przepływu zaworu (przy zachowaniu stałego spadku ciśnienia na zaworze) i wzniosem grzybka zaworu, • charakterystykę roboczą przepływu zaworu (eksploatacyjną) v = f(h), kv = f(h) jest to zależność pomiędzy względnym strumieniem czynnika przepływającego przez zawór w warunkach pracy w danej instalacji (przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze) i wzniosem grzybka zaworu

23. Charakterystyki zaworów regulacyjnych Charakterystyki otwarcia i wewnętrzna są w dużym przybliżeniu jednokształtne, to znaczy, że współczynnik zaworu kv zmienia się analogicznie jak pole powierzchni przepływu w funkcji wzniosu grzybka h. W ogrzewnictwie i wentylacji stosowane są zawory o następujących charakterystykach wewnętrznych kv=f(h): • liniowej (proporcjonalnej), • stałoprocentowej (logarytmicznej), • dwustawnej (zawory szybko otwierające).

24. Charakterystyki zaworów regulacyjnych

25. Charakterystyka otwarcia zaworu W odniesieniu do jakości zaworu regulacyjnego decydujące znaczenie ma tzw. dokładność regulacji ΔA/Δh. Im mniejsza zależność ΔA/Δh, tym precyzyjniej i dokładniej można wyregulować zawór 1 2 A = bh = π d2 / 4.

26. Charakterystyka otwarcia zaworu Grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce otwarcia Grzyb paraboliczny

27. Liniowa charakterystyka zaworu (wewnętrzna przepływu)

28. Liniowa charakterystyka zaworu (wewnętrzna przepływu) • Z równania charakterystyki wynika, że w dolnym zakresie skoku zmiana ma większe skutki i w pewnych okolicznościach może być przyczyną niestabilnej pracy instalacji. • Oznacza to, że wadą liniowej charakterystyki przepływowej zaworu jest zbyt duża reakcja w dolnym i zbyt duża czułość w górnym zakresie skoku, co może być przyczyną zbyt wolnej zmiany położenia grzyba zaworu.

29. Stałoprocentowa charakterystyka zaworu(wewnętrzna przepływu) • W charakterystyce stałoprocentowej, w całym zakresie skoku uzyskiwana jest stała zależność procentowej zmiany strumienia objętości, • to znaczy, że ingerencja w położenie regulacyjne zaworu, zawsze powoduje taką samą zmianę procentowej strumienia objętości niezależnie od tego, przy jakim skoku ma miejsce taka ingerencja

30. Stałoprocentowa charakterystyka zaworu kvo/kvs= 0,3679 przy n = 1 = 0,1353 n = 2 = 0,0498 n = 3 = 0,0183 n = 4

31. Stałoprocentowa charakterystyka zaworu • Zaskakujące jest, że także przy zamkniętym zaworze przepływa przez niego strumień masy wymagany przy obciążeniu podstawowym. • Zjawisko to jest jednak nieprzydatne do wykorzystania w instalacjach ogrzewania. • Z tego względu w najniższym zakresie skoku, przerywany jest przebieg stałoprocentowej charakterystyki zaworu opisany wzorem i zastępowany niezdefiniowanym odcinkiem krzywej. • W praktyce przyjęło się stosować wartość stosunku kvo/kvs = 0,04, • co odpowiada stałej n = 3,22.

32. Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste charakterystyki produkowanych zaworów) Wytyczne VDI/VDE 2173 30%

33. Parametry zaworów regulacyjnych • Odchyłka wartości współczynnika kvs (współczynnik kv przy skoku zaworu 100%) danego zaworu nie może być, większa niż ±10% wartości współczynnika kvs. • Nachylenie charakterystyki rzeczywistej nie może odbiegać w zakresie h/hs = 0,1 do 1,0 od nachylenia charakterystyki nominalnej nie więcej niż 30%. • Najmniejszy współczynnik przepływu kvs, przy którym zachowane są jeszcze granice tolerancji określany jest jako współczynnik kvr

34. Parametry zaworów regulacyjnych • Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien wynosić ≥ 25 (kvo/kvs ≤ 0.04). • W zaworach o wysokiej jakości regulacji stosunek regulacji kvs/kvo = 50 (kvo/kvs = 0.02). • Stosunek regulacji jest ważną wielkością świadczącą o możliwościach regulacyjnych zaworu !.

35. Charakterystyka robocza przepływu zaworu (eksploatacyjna) • Charakterystyka uwzględniająca warunki zamontowania zaworu nazywana jest charakterystyką eksploatacyjną (charakterystyką roboczą przepływu). • W wypadku zamontowania zaworu regulacyjnego w sieci obowiązuje zasada: podczas zamykania zaworu wzrasta strata ciśnienia na zaworze.

36. Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu będącym obiektem regulacji

37. Autorytet zaworu – kryterium dławienia W celu określenia ilościowego przebiegu charakterystyki eksploatacyjnej wprowadzone zostało pojęcie tzw. autorytetu zaworu (kryterium dławienia) a. Autorytet zaworu oznacza udział oporu stawianego przez zawór całkowicie otwarty w odniesieniu do całkowitego oporu sieci wraz z zaworem

38. Autorytet zaworu • Autorytet zaworu bywa nazywany również kryterium dławienia. • Autorytet zaworu jest również definiowany jako stosunek różnicy ciśnień na zaworze całkowicie otwartym do różnicy ciśnień na zaworze całkowicie zamkniętym.

39. Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce liniowej (przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze)

40. Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce stałoprocentowej (przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze)

41. Wpływ pompy na kształt charakterystyki eksploatacyjnej • Przy wyprowadzaniu równań charakterystyki eksploatacyjnej przyjęte zostało założenie, że całkowita strata ciśnienia jest wartością stałą.

42. Wpływ pompy na kształt charakterystyki eksploatacyjnej • W wypadku zastosowania pomp wirowych warunek Δpcałk=const nie jest spełniony. Charakterystyka pompy, która przy coraz mniejszych strumieniach przepływu powoduje wzrost różnicy ciśnienia, powoduje także przyrost strumienia objętości o określoną wartość (ΔV ) przy danym stopniu otwarcia zaworu.

43. Wpływ pompy na kształt charakterystyki eksploatacyjnej

44. Wpływ pompy na kształt charakterystyki eksploatacyjnej • Po zastosowaniu pompy wirowej przy takim samym położeniu zaworu powstaje większy strumień objętości (Δpcałk jest zmienne). • Oznacza to także, że przedstawione na poniższych rysunkach charakterystyki eksploatacyjne będą jeszcze bardziej przesunięte do góry. • W praktyce projektowej należy dążyć do stosowania w instalacjach ogrzewania pomp o możliwie płaskiej charakterystyce.

45. Zasady konstruowania i analiza charakterystyk statycznych obiektu regulacji: zawór – wymiennik ciepła

46. b a h Q/Qs Q h m m m Q/Qs Q/Qs h/hs m/ms h/hs Podstawowa zasada doboru zaworów regulacyjnych Minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji Charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór reg. +wymiennik ciepła a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji) m/ms

47. Przykładowa rzeczywista charakterystyka cieplna wymiennika ciepła Charakterystyka cieplna grzejnika Q/Q100 = f(m/m100); ρ=const Oznaczenia: Φ – parametr obliczeniowy wymiennika (grzejnika)

48. Przykładowa rzeczywista charakterystyka cieplna wymiennika ciepła (grzejnika c.o.) Φ (a?) – parametr obliczeniowy wymiennika (grzejnika)

49. Całkowita charakterystyka stat. Instalacji (zawór + wymiennik) przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej ks-współczynnik wzmocnienia

50. Całkowita charakterystyka instalacji przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej Współczynnik przenoszenia kw(nachylenie stycznej – względna wartość współczynnika wzmocnienia ks)