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 1, 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_iC_pit_i = α_{i 1} ·S_{i 1} (t_{i- 1} – t_i)- α_i2·S_i2(t_i-t_{i+ 1} ), (5.1)

где G_i — масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости; C_pi — удельная теплоемкость; t_i — температура; α_{i 1}, α_i2 — коэффициенты теплоотдачи; S_{i 1,} S_i2 — поверхности теплоотдачи.

 

 

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 холодоснабжения 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

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

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-Nc 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);

• 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 пропорционального 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 пре- образователя-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.