АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура является показателем термодинамического состояния объекта и используется как выходная координата при автоматизации тепловых процессов. Характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно и требуется тщательный анализ характеристик каждого конкретного процесса.

Регулирование температуры в инженерных системах производится значительно чаще, чем регулирование каких-либо других параметров. Диапазон регулируемых температур невелик. Нижний предел этого диапазона ограничен минимальным значением температуры наружного воздуха (—40 °С), верхний — максимальной температурой теплоносителя (+150 °С).

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и измерителей (датчиков) температуры. Поэтому одной из основных задач при создании АСР температуры является уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим в качестве примера, характеристики наиболее распространенного в инженерных системах манометрического термометра в защитном чехле (рис. 5.1). Структурную схему такого термометра можно представить в виде последовательного соединения четырех тепловых емкостей (рис. 5.2): защитного чехла /, воздушной прослойки 2, стенки термометра 3 и рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то уравнение теплового баланса для каждого элемента этого прибора можно записать в виде

G,Cpit, ⁼ а_п ? Sjі (tj_і — tj) — a_i2 • S_i2(tj — Сн), (5.1)

где Gj— масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; C_pj — удельная теплоемкость; tj — температура; a,i, а_/2 — коэффициенты теплоотдачи; S_n, S_i2 — поверхности теплоотдачи.

Рис. 5.1. Принципиальная схема манометрического термометра:

12 3 4

• 1 — защитный чехол; 2 — воздушная прослойка; 3 — стенка термометра;
• 4 — рабочая жидкость

Рис. 5.2. Структурная схема манометрического термометра

Как видно из уравнения (5.1), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются;

• • повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной; при прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;
• • уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;
• • уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкости, металлической стружки); у термопар рабочий спай припаивается к корпусу защитного чехла;
• • выбор типа первичного преобразователя: например, при выборе необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей — манометрический термометр.

Каждая АСР температуры в инженерных системах создается для вполне конкретной цели (регулирования температуры воздуха в помещениях, тепло- или холодоносителя) и, следовательно, предназначена для работы в очень небольшом диапазоне. В связи с этим условия применения той или иной АСР определяют устройство и конструкцию как датчика, так и регулятора температуры. Например, при автоматизации инженерных систем широко применяются регуляторы температуры прямого действия с манометрическими измерительными устройствами. Так, для регулирования температуры воздуха в помещениях административных и общественных зданий при использовании эжекционных и вентиляторных доводчиков трехтрубной схемы тепло- и холодоснаб-жения применяют регулятор прямого действия прямого типа РТК (рис. 5.3), который состоит из термосистемы и регулирующего клапана. Термосистема, пропорционально перемещающая шток регулирующего клапана при изменении температуры рециркуляционного воздуха на входе в доводчик, включает чувствительный элемент, задатчик и исполнительный механизм. Эти три узла соединены капиллярной трубкой и представляют единый герметичный объем, заполненный термочувствительной (рабочей) жидкостью. Трехходовой регулирующий клапан управляет подачей горячей или холодной воды к теплообменнику эжекционного

Рис. 5.3. Регулятор температуры типа РТК:

а — регулятор; б — регулирующий клапан; в — термосистема;

• 1 — сильфон; 2 — задатчик; 3 — ручка настройки; 4 — корпус;
• 5, 6 — регулирующие органы соответственно горячей и холодной воды; 7 — шток; 8 — исполнительный механизм; 9 — чувствительный элемент

доводчика и состоит из корпуса и регулирующих органов. С повышением температуры воздуха рабочая жидкость термосистемы увеличивает свой объем и сильфон клапана перемещает шток и регулирующий орган, закрывая прохождение горячей воды через клапан. При увеличении температуры на 0, 5—1 °С регулирующие органы остаются неподвижными (проходы горячей и холодной воды закрыты), а при более высокой температуре открывается лишь проход холодной воды (проход горячей воды остается закрытым). Заданная температура обеспечивается вращением ручки настройки, связанной с сильфоном, который изменяет внутренний объем термосистемы. Регулятор может быть настроен на температуру в диапазоне от 15 до 30 °С.

При регулировании температуры в водо-и пароводных подогревателях и охладителях используются регуляторы типа РТ, которые незначительно отличаются от регуляторов типа РТК. Их основная особенность — совмещенное исполнение термобаллона с задатчиком, а также использование двухседельного клапана в качестве регулирующего органа. Такие манометрические регуляторы выпускаются на несколько 40-градусных диапазонов в пределах от 20 до 180 °С с диаметром условного прохода от 15 до 80 мм. В связи с наличием в этих регуляторах большой статической ошибки (10 °С) их не рекомендуется применять для высокоточного регулирования температуры.

Манометрические термосистемы используются также в пневматических П-регуляторах, широко применяемых для регулирования температуры в инженерных системах кондиционирования воздуха и вентиляции (рис. 5.4). Здесь при изменении температуры изменяется давление в термосистеме, которое через сильфон действует на рычаги, передающие усилие на шток пневмореле и мембрану. При равенстве текущей температуры с заданной вся система находится в равновесии, оба клапана пневмореле, питающий и стравливающий, закрыты. При увеличении давления на шток начинает открываться питающий клапан. К нему подведено давление от сети питания сжатым воздухом, в результате чего в пневмореле образуется давление управления, возрастающее от 0, 2 до 1 кгс/см² пропорционально увеличению температуры контролируемой среды. Этим давлением приводится в действие исполнительный механизм.

Для автоматического регулирования температуры воздуха в помещениях начали широко использоваться термостатические клапаны американской фирмы Honeywell и радиаторные терморегуляторы (термостаты) RTD, выпускаемые московским филиалом

Рис. 5.4. Схема пневматического П-регулятора температуры

с манометрической термосистемой:

• 1 — шток пневмореле; 2 — узел неравномерности; 3, 9 — рычаги;
• 4, 7 — винты; 5 — шкала; 6 — гайка; 8 — пружина; 10 — сильфон;
• 11 — мембрана; 12 — пневмореле; 13 — термобаллон; 14 — питающий

клапан; 15 — стравливающий клапан

датской фирмы Danfoss, необходимая температура задается поворотом настроенной рукоятки (головки) с указателем от 6 до 26 °С. Понижение температуры на 1 °С (например, с 23 до 22 °С) позволяет экономить 5—7% тепла, потребляемого на отопление. Термостаты RTD позволяют избежать перегрева помещений в переходный и другие периоды года и обеспечить минимально необходимый уровень отопления в помещениях с периодическим проживанием людей. Кроме этого, радиаторные терморегуляторы RTD обеспечивают гидравлическую устойчивость для двухтрубной системы отопления и возможность ее регулировки и увязки в случае ошибок при монтаже и проектировании без использования дроссельных шайб и других конструктивных решений.

Терморегулятор состоит из регулирующего клапана (корпуса) и термостатического элемента с сильфоном (головки). Соединение корпуса и головки производится с помощью накидной гайки с резьбой. Для удобства монтажа на трубопровод и присоединения терморегулятора к отопительному прибору он комплектуется накидной гайкой с резьбовым ниппелем. Температура в помещении поддерживается путем изменения расхода воды через отопительный прибор (радиатор или конвектор). Изменение расхода воды происходит за счет перемещения штока клапана сильфоном, заполненным специальной смесью газов, изменяющих свой объем даже при незначительном изменении температуры окружающего сильфон воздуха. Удлинению сильфона при повышении температуры противодействует настроечная пружина, усилие которой регулируется поворотом рукоятки с указателем желаемого значения температуры.

Для лучшего соответствия любым системам отопления выпускаются два типа корпусов регулятора: RTD-G с малым сопротивлением для однотрубных систем и RTD-Nс повышенным сопротивлением для двухтрубных систем. Корпуса изготавливаются для прямого и углового клапанов.

Термостатические элементы регуляторов изготавливаются в пяти вариантах: со встроенным датчиком; с дистанционным датчиком (длина капиллярной трубки 2 м); с защитой от неумелого использования и воровства; с ограничением диапазона настройки до 21 °С. В любом исполнении термостатический элемент обеспечивает ограничение настроенного диапазона температур или фиксации на требуемой температуре воздуха в помещении.

Срок эксплуатации регуляторов RTD 20—25 лет, хотя в гостинице «Россия» (Москва) зарегистрирован срок службы 2000 регуляторов более 30 лет.

Регулирующий прибор (погодный компенсатор) ECL (рис. 5.5) обеспечивает поддержание температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха по соответствующему конкретному ремонту и конкретному объекту отопительному графику. Прибор воздействует на регулирующий клапан с электроприводом (при необходимости — и на циркуляционный насос) и позволяет осуществлять следующие операции:

• • поддержание расчетного отопительного графика;
• • ночное снижение температурного графика по недельным (интервал 2 ч) или 24-часовым (интервал 15 мин) программируемым часам (в случае электронных часов интервал 1 мин);
• • натоп помещения в течение 1 ч после ночного снижения температуры;
• • подключение через релейные выходы регулирующего клапана и насоса (или 2 регулирующих клапанов и 2 насосов);

• 1
• 2
• 3
• 4

Рис. 5.5. Погодный компенсатор ЕС/. с настройкой,

доступной потребителю:

1 — программируемые часы с возможностью задания периодов работы комфортной или пониженной температуры по суточному или недельному циклу: 2 — параллельное перемещение графика температуры в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха (отопительного графика): 3 — переключатель режимов работы; 4 — место для инструкции по эксплуатации: 5 — сигнализация включения, текущего режима работы,

аварийных режимов;

О — отопление отключено, поддерживается температура, предотвращающая замерзание теплоносителя в системе отопления; ) — работа с пониженной температурой в системе отопления; © — автоматическое переключение с режима комфортной температуры на режим с пониженной температурой и обратно в соответствии с заданием на программируемых часах;

О — работа без понижения температуры по суточному или недельному циклу; — ручное управление: регулятор выключен, циркуляционный насос включен постоянно, управление клапаном производится вручную

• • автоматический переход из летнего режима в зимний и обратно по заданной температуре наружного воздуха;
• • прекращение ночного снижения температуры при понижении наружных температур ниже заданного значения;
• • защиту системы от замораживания;
• • коррекцию отопительного графика по температуре воздуха в помещении;
• • переход на ручное управление приводом клапана;
• • максимальные и минимальные ограничения температуры воды на подаче и возможность фиксированного или пропорцио-

нального ограничения температуры обратной воды в зависимости от температуры наружного воздуха;

• • самотестирование и цифровую индикацию значений температур всех датчиков и состояний клапанов и насосов;
• • установку зоны нечувствительности, зоны пропорциональности и времени накопления;
• • возможность работы по накопленным за заданный период или текущим значениям температур;
• • задание коэффициента тепловой устойчивости здания и задание влияния отклонения температуры обратной воды на температуру воды на подаче;
• • защиту от образования накипи при работе с газовым котлом. В схемах автоматизации инженерных систем используются

также биметаллические и дилатометрические терморегуляторы, в частности электрический двухпозиционный и пневматический пропорциональный.

Электрический биметаллический датчик предназначен в основном для двухпозиционного регулирования температуры в помещениях. Чувствительным элементом этого прибора является биметаллическая спираль, один конец которой закреплен неподвижно, а другой свободен и удовлетворяет подвижным контактам, замыкающимся или размыкающимся с неподвижным контактом в зависимости от текущего и заданного значений температуры. Заданную температуру устанавливают поворотом шкалы настройки. В зависимости от диапазона настройки терморегуляторы выпускаются в 16 модификациях с общим диапазоном настройки от —30 до + 35 °С, причем каждый регулятор имеет диапазон 10, 20 и 30 °С. Погрешность срабатывания ±1 °С на средней отметке и до ±2, 5 °С на крайних отметках шкалы.

Пневматический биметаллический регулятор в качестве преобразователя-усилителя имеет сопло-заслонку, на которую действует усилие биметаллического измерительного элемента. Эти регуляторы выпускаются 8 модификаций, прямого и обратного действия с общим диапазоном настройки от +5 до +30 °С. Диапазон настройки каждой модификации 10 °С.

Дилатометрические регуляторы устроены на использовании разности коэффициентов линейного расширения инварного (железоникелевый сплав) стержня и латунной или стальной трубки. Эти терморегуляторы по принципу действия регулирующих устройств не отличаются от подобных регуляторов, использующих манометрическую измерительную систему.