Урок №13. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 2

На прошлом уроке мы начали рассматривать вопросы автоматизации приточно-вытяжных систем и дошли до нагревательных секций. Рассмотрим сначала секцию, где в качестве теплоносителя используется вода.
Секция представляет собой пластинчатый теплообменник, расположенный в виде секции приточной камеры. Через него вентилятором протягивается воздух, который нагревается отопительной водой, проходящей через пластины. За счет теплообмена на поверхности пластин возникает передача тепла от воды к воздуху. Теплообменник обвязан так называемым «узлом управления», состоящим, как правило, из ручной арматуры, регулирующего клапана и циркуляционного насоса. К сожалению, в связи с непониманием процессов регулирования, на практике можно встретить любые узлы: с насосом и без насоса, с двухходовым или трехходовым клапаном, кто ставит их в подающий трубопровод, кто в обратный. Мало того, узлы обвязки проектируют ОВ-шники, хотя они должны подбирать типы насосов и клапанов в зависимости от расходов и гидравлических режимов, диаметры трубопроводов, а вот типы узлов должны проектироваться совместно с КИП-овцами.
Для качественного регулирования температуры желательно иметь постоянный расход воды через теплообменник. А регулирование проводить изменением температуры этого постоянного расхода. Тогда мы можем четко сказать, что у нас теплообменник четкий объект управления с понятными характеристиками. Если же регулировать расходом, то меняются два параметра - расход и температура самого теплоносителя. Это происходит потому, что при прикрытии клапана или его открытии происходит изменения скорости движения теплоносителя. Понятно, что температура воды тем ближе к температуре источника приготовления этой воды, чем быстрее вода поступает к потребителю. В процессе регулировании при закрытии клапана температура подающего теплоносителя падает, при открытии растет. Т.е. объект постоянно меняет свои характеристики. В такой ситуации добиться одинаковой динамики ПИД-регулятора, т.е. динамики выхода на новый режим и динамики удержания параметра при различных отклонениях нельзя. Кстати, размороженные теплообменники (об этом чуть позже) в большинстве случаев это продукт количественного регулирования (хотя не только).
Начнем с самого худшего:

Узел обвязки №1
1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий двухходовой
4 – кран шаровый для выпуска воздуха
5 – кран шаровый для спуска воды
6 – манометр показывающий
7 – термоманометр показывающий

Схема без насоса. Применен двухходовой регулирующий клапан. Установлен в обратном трубопроводе, что делает схему максимально дешевой (можно применить клапан, работающий при температуре не более 70ºС), но при прикрытии клапана повышается давление на теплообменник, тем самым повышается его гидравлическая нагрузка. Регулирование количественное.
Это самая плохая схема из всех возможных, поэтому ее лучше не применять.
Единственный плюс - уменьшение начальных капиталовложений.

Узел обвязки №2

1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий трехходовой
4 – кран шаровый для выпуска воздуха
5 – кран шаровый для спуска воды
6 – манометр показывающий
7 – термоманометр показывающий

Схема так же без насоса. Однако применен трехходовой регулирующий клапан, установленный в обратном трубопроводе. При прикрытии клапана повышается давление на теплообменник, тем самым повышается его гидравлическая нагрузка. Регулирование количественное - часть воды идет через теплообменник, часть - минуя его, возвращается в обратный трубопровод. Преимущество данной схемы перед предыдущей все же есть. Перед разделением потоков расход теплоносителя постоянен. Т.е. в данной точке температура теплоносителя не падает и не повышается в зависимости от количества воды, пропускаемой через воздухонагреватель, а зависит от источника. При такой схеме степень опасности размораживания теплообменника меньше. Но в связи с количественным регулированием – схему так же лучше не применять.

Узел обвязки №3
1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий двухходовой
4 – насос циркуляционный
5 – вентиль регулировочный
6 – клапан обратный
7 – кран шаровый для выпуска воздуха
8 – кран шаровый для спуска воды
9 – манометр показывающий
10 – термоманометр показывающий

Схема с насосом и двухходовым регулирующим клапаном в обратном трубопроводе. Насос можно поставить в подающем трубопроводе. При открытии клапана обратный теплоноситель поступает, благодаря наличию насоса, по перемычке в подающий трубопровод, тем самым, понижая температуру воды, поступающей в воздухонагреватель. И наоборот, при закрытии клапана температура воды повышается. При переносе клапана в подающий трубопровод (до точки смешения) можно решить вопрос гидравлической нагрузки на теплообменник. Т.е. в этой схеме через теплообменник постоянно проходит постоянный расход воды, изменение температуры которой происходит изменением количества подмешиваемого с помощью насоса обратного теплоносителя. Таким образом, это схема с качественным регулированием. Недостатком данной схемы является отсутствие постоянного расхода перед точкой смешения. Тут появляется опять, как и в первой схеме, зависимость температуры подачи от расхода через теплообменник. При такой схеме степень опасности размораживания теплообменника уменьшается.

Узел обвязки №4
1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий двухходовой
4 – насос циркуляционный
5 – вентиль регулировочный
6 – клапан обратный
7 – кран шаровый для выпуска воздуха
8 – кран шаровый для спуска воды
9 – манометр показывающий
10 – термоманометр показывающий

Эта схема является одним из нескольких вариантов «правильной» схемы обвязки водяного воздухонагревателя. Данная схема законодательно разрешена для применения в Европе. У нее отсутствуют все недостатки всех предыдущих схем. Постоянный расход воды через теплообменник обеспечивает качественное регулирование. Перемычка до трехходового клапана позволяет обеспечить стабильность температуры перед узлом смешения. При правильной настройке системы и правильной реализации остальных условий такая схема полностью исключает опасность размораживания теплообменника (отсутствие теплоносителя в трубах не рассматривается).
Таким образом. Первый критерий выбора узла управления - качественное или количественное регулирование Немаловажным вторым критерием является источник приготовления воды и соотношение вентиляционной нагрузки по теплоносителю с системами отопления и ГВС объекта.
Часто бывает, что применение качественного регулирования усложнено большим количеством возвращаемой воды практически той же температуры, что и температура подающего теплоносителя. Если объем тепловой нагрузки вентиляции объекта основной, то в этом случае суммарная температура обратного теплоносителя объекта может быть завышена. Это может быть проблема как для котлов (ограничение температуры воды возвращаемой на котел), так и для тепловых сетей (неэффективное использование тепла). В этом случае рекомендуем применять схему №3.
Поговорим об угрозе размораживания теплообменника.
Ну, во-первых, произносимые в обиходе замораживание и размораживание теплообменника – это одно и тоже. Просто замораживание - это 1-ая часть процесса, а размораживание – это его вторая часть.
Этот процесс, когда в калорифере в связи с недостаточной скоростью движения, а соответственно и температуры теплоносителя, при обдуве воздухом с минусовой температурой, сначала в нижних точках, а потом и по всему теплообменнику начинает происходить замерзание воды, что еще дополнительно ухудшает циркуляцию воды через него и, в конце концов, полностью ее останавливает. В это время теплообменник замерзает. Лед, образовавшийся в теплообменнике, расширяется и разрывает его. После того, как температура воздуха поднимается, теплообменник оттаивает и начинает течь. В это время и говорят, что калорифер разморозился.
Решающим фактором для возникновения угрозы замораживания является не столько температура теплоносителя, а и расход теплоносителя, расход и температура воздуха. Исходя из вышесказанного понятно, что узлы обвязки с переменным расходом теплоносителя через воздухонагреватель - это потенциальная угроза его замораживания.
Начнем собирать задачи по управлению водяным воздухонагревателем:
- поддержание температуры воздуха путем управления клапаном.
При этом поддерживается температура приточного воздуха по одноконтурной замкнутой схеме или по каскадной температура в помещении или в вытяжном воздуховоде. Соответственно температурный датчик устанавливается в приточный воздуховод и в характерной точке помещения или, при ее отсутствии, в вытяжной воздуховод.
Привод клапана следует применять с аналоговым управлением (0-10)В или (4-20)мА, т.к. подавая определенный сигнал на привод, мы точно знаем, что он переместится в соответствующее положение (если только он не поломан).
- управление циркуляционным насосом и его защита, если насос не имеет встроенной защиты.
Существуют различные алгоритмы управления насосом. Но если говорить по сути, то насос должен работать во всех режимах, когда существует необходимость движения теплоносителя через калорифер:
а) при работающем вентиляторе, когда осуществляется подогрев воздуха в нагревателе.
б) при неработающем вентиляторе при температуре воздуха ниже 5-7ºС (далее будем называть - зимний режим)
в) при прогреве воздухонагревателя перед пуском вентилятора.
г) при возникновении угрозы замораживания.
- поддержание температуры обратного теплоносителя при неработающем вентиляторе.
Когда система не работает в зимнем режиме, теплоноситель должен все равно циркулировать через теплообменник, но поскольку без движения воздуха в полном объеме теплоноситель не нужен, то есть смысл поддерживать расход на минимальном уровне. Для этого, при остановке вентилятора, управляющий контроллер перестает поддерживать температуру приточного воздуха, и переходят на поддержание температуры обратной воды. Обычно диапазон уставки колеблется в диапазоне 20-40 ºС. Для этого в обратный трубопровод до точки подмешивания со стороны теплообменника устанавливается температурный датчик, который одновременно используется и для защиты теплообменника от замораживания и при пуске системы.
- защита воздухонагревателя от замораживания.
Защита осуществляется по анализу двух параметров - температуры обратной воды и воздуха. Для анализа температуры обратной воды используется тот же датчик, что и для регулирования температуры обратного теплоносителя. По воздуху ставится дополнительный термостат. Если какая-либо из температур снизилась ниже уставки (на термостате для воздуха или в контроллере для воды), то контроллер останавливает вентилятор, закрывает заслонку наружного воздуха, открывает на 100% регулирующий клапан и включает насос (если он был выключен).
- предварительный прогрев воздухонагревателя.
В зимний период перед тем, как включить установку необходимо прогреть воздухонагреватель. Обычно это происходит следующим образом. При нажатии кнопки «пуск» контроллер осуществляет задержку этого пуска обычно на 3-и минуты, открывая при этом клапан на 100% и включая насос, и только через 3 минуты открывается заслонка наружного воздуха и запускается вентилятор. Существуют и более продвинутые схемы. Например, и время задержки может выбираться, и алгоритм может быть более энергосберегающий. Например, нет понятия четкого времени задержки пуска вентилятора. При нажатии кнопки «пуск» контроллер следит за воздушным термостатом и датчиком на обратном теплоносителе. Как только обе температуры поднимутся выше уставок по угрозе от замораживания, прекращается режим прогрева и осуществляется пуск системы. Таким образом, данный алгоритм является наиболее оптимальным, поскольку учитывает все реалии каждой конкретной системы.
Урок №14. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 3

На прошлом уроке мы разобрались с работой одного из основных блоков в составе вентиляционных установок – воздухонагревателя с водяным теплоносителем. Но не всегда в качестве теплоносителя может быть использована вода. Альтернативным источником тепла может быть электроэнергия.
Использование для нагрева других источников обуславливается следующими причинами:
- отсутствием на объекте водяного теплоносителя или его недостаточное количество для обеспечения теплом систем вентиляции;
- необходимостью нагрева воздуха в период выходящий за рамки отопительного сезона;
- экономической целесообразностью.
Автоматизации электрических воздухонагревателей.
Электрический воздухонагреватель представляет собой блок в составе вентиляционной установки или отдельный блок, устанавливаемый в воздуховоде, внутри которого размещены ТЭН’ы.

ЧТО ТАКОЕ ТЭН?
Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую.
Трубчатый электронагреватель состоит из тонкостенной металлической оболочки, выполненной из трубы соответствующего диаметра, внутри которой помещена спираль из проволоки высокого удельного электрического сопротивления. Концы спирали соединены с контактными стержнями, снабженными с внешней стороны контактными устройствами, токопроводы выполняются в виде флажков или резьбовых соединений.
Между торцом трубы и контактным устройством установлен изолятор. Свободное пространство внутри оболочки заполнено наполнителем, обладающим высокими диэлектрическими свойствами и имеющим значительный коэффициент теплопроводности. Как правило, в качестве наполнителя применяется периклаз (кристаллическая окись магния) или керамика. Торцы электронагревателя заполняются влагозащитным термостойким лаком (герметиком), снижающим влияние внешней среды на электроизоляционные свойства наполнителя ТЭНа в процессе его хранения и эксплуатации.
Принцип работы ТЭНа основан на выделении тепла при прохождении тока через спираль из проволоки высокого омического сопротивления. При этом тепловой поток проходит от спирали через периклаз (керамику) на оболочку и далее к нагреваемой среде.
Важное преимущество ТЭНов - возможность эксплуатировать их при непосредственном контакте с нагреваемыми газообразными, жидкими и твердыми средами.

Количество ТЭН’ов, установленных в электрическом воздухонагревателе, зависит от мощности нагрева данного воздухонагревателя и применяемых производителем оборудования типов ТЭН’ов. Как правило, мощность установленных ТЭН’ов небольшая, в пределах 1 … 6 кВт. Применяются ТЭН’ы как с рабочим напряжением ~220В, так и ~380В.
Все ТЭН’ы, установленные в воздухонагревателе, могут быть закоммутированы между собой в одну группу или, при большой мощности нагрева, закоммутированы несколькими группами (секциями). У некоторых производителей оборудования количество секций в электронагревателях может доходить до 6-ти. В пределах секции ТЭН’ы соединяются в цепь различным образом в зависимости от своего рабочего напряжения и напряжения питания, подаваемого на нагреватель. В нагревателе все секции могут быть как одинаковой, так и различной мощности.

Как ко всякому токоприемнику, к нагревателю также должно быть приведено заземление (РЕ).
Согласно «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) питание на электронагреватели должно осуществляться через коммутационные и защитные аппараты, которые должны соответствовать характеристикам нагревателя и осуществлять защиту нагревателя от токов коротких замыканий и токов перегрузки.
В качестве защитных аппаратов могут применяться:
- выключатель (рубильник с дугогасящими контактами, пакетный выключатель) и предохранители;
- блок выключатель-предохранители;
- автоматический выключатель с электромагнитными тепловым расцепителями.
В автоматических выключателях защиту от токов коротких замыканий выполняет электромагнитный расцепитель, а защиту от токов перегрузок - тепловой расцепитель.
Коль мы уже заговорили о защите электронагревателя, вышеуказанными устройствами дело не ограничивается. Практически у всех производителей тепловая защита нагревателя также осуществляется установкой двух, а то и трех термостатов в корпусе самого нагревателя. Если термостаты не установлены производителем, то их необходимо установить при проектировании системы автоматики.
Места установки термостатов и величины их уставок срабатывания в зависимости от конструкции нагревателя и производящей его компании варьируются. Как правило, уставки срабатывания у двух термостатов разные.
Термостат с более низкой уставкой срабатывания защищает нагреватель от перегрева путем отключения его цепи питания. При остывании нагревателя на nºС цепь автоматически восстанавливается.
Термостат с более высокой уставкой срабатывания является защитой от пожара. Действует он также как и предыдущий, отключая цепь питания. Но после его срабатывания при остывании нагревателя цепь питания автоматически не восстанавливается. Это термостат с так называемым «ручным возвратом», т.е. для возобновления работы нагревателя эксплуатационный персонал должен подойти к нагревателю и нажать кнопку, которая вынесена на корпус нагревателя. Таким образом, производители нагревателей заставляют эксплуатацию разобраться в причинах перегрева.
Возможны различные варианты подключения термостатов:
а) контакты термостатов последовательно включены в фазовую цепь питания внутри нагревателя

б) контакты обоих термостатов внутри нагревателя последовательно соединены в цепь и на клемник выведены как один контакт тепловой защиты

в) контакт каждого из термостатов выведен на клемник электронагревателя

Вариант а) встречается в нагревателях малой мощности и с напряжением питающей сети ~220В. Варианты б) и в) встречаются в равной степени в нагревателях всех мощностей и напряжений питающей сети и зависят от производителя.
В вариантах б) и в) разработчик схемы питания и управления нагревателем должен сам закоммутировать этот контакт в схеме таким образом, чтобы гарантировано отключить нагреватель по перегреву. Если это нагреватель небольшой мощности и с напряжением питающей сети ~220В, то во внешних цепях можно повторить вариант а). При этом обязательно надо проверять может ли контакт данного термостата скоммутировать такую нагрузку. Если это нельзя проверить или нагреватель имеет двух- или трехфазное питание, то контакт при срабатывании должен размыкать цепь управления аппарата, коммутирующего цепи питания нагревателя. Таким аппаратом может быть магнитный пускатель или силовое реле. При этом я настоятельно рекомендую для этой цели устанавливать отдельный аппарат, а не включать этот контакт в цепь управления аппарата, работающего с нагревателем в штатном режиме.
Осуществить функцию поддержания температуры приточного воздуха на заданном значении при необходимости нагрева этого воздуха можно только путем включения и выключения нагревателя, если он состоит из одной секции, или последовательным включением секций многосекционного нагревателя по определенному алгоритму.
Такая работа нагревателя предполагает частое срабатывание аппарата, коммутирующего цепи питания нагревателя в нормальном режиме работы. Остановимся на выборе этого аппарата. Необходимо обратить внимание на два фактора:
- возможность работы в режиме частых включений/выключений – заявленное производителем количество циклов срабатывания;
- шумовые характеристики, если аппарат расположен в помещении с постоянным присутствием людей.
По своему конструктивному исполнению пускатели подразделяются на контактные (магнитные) и бесконтактные (симисторные и др.). Магнитные пускатели применяются в тех случаях, когда управляемое ими оборудование включается/выключается не очень часто. Например, не чаще чем 1 раз в час. Для работы с часто включаемым оборудованием лучше применять бесконтактные пускатели, поскольку, в отличие от магнитных пускателей, срок их службы не зависит от количества циклов включения/выключения. Отсутствие коммутационных помех и долговечность бесконтактных пускателей обеспечивает большую надежность работы оборудования. Но они имеют большую стоимость, по сравнению с магнитными пускателями.
Исходя из вышесказанного, в схемах управления инженерным оборудованием зданий для двигателей насосов и вентиляторов, для нерегулируемых секций электрических воздухонагревателей применяются магнитные пускатели, а для управления регулируемыми секциями электрических воздухонагревателей – бесконтактные.

Таким образом, для коммутации силовых цепей нагревателя устанавливаем контактный или, что предпочтительнее, бесконтактный пускатель или силовое реле.
Далее, в зависимости от решаемой задачи по автоматизации вентиляционной установки в целом, возможны такие варианты выбора аппаратуры управления.
1. Для управления нагревателем устанавливается пускатель с регулятором температуры и подключенным к нему термодатчиком.
2. Для управления нагревателем устанавливается специализированное устройство, совмещающее в себе бесконтактный пускатель и электронный блок, управляемый дискретным или аналоговым (0..10В) сигналом от контроллера системы автоматизации вентиляционной установки.
3. Для управления нагревателем устанавливается специализированное устройство, совмещающее в себе бесконтактный пускатель и контроллер, управляющий работой всей вентиляционной установки.
Во всех вариантах выбора аппаратуры регулирование температуры одно- или многосекционным электрическим нагревателем с заданной точностью осуществляться по ПИД-закону с ограничением выходного сигнала широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По ПИД-закону вычисляется необходимая в данный момент времени мощность нагрева, а ШИМ ограничивает время, на которое нагреватель может быть включен и время паузы между включениями. Акцентирую внимание на том, что ШИМ только ограничивает время включенного состояния, а реальное время, на которое каждый раз включается нагреватель, вычисляется. Применение ШИМ несколько ухудшает качество регулирования, но позволяет ограничить частоту включений, о чем было написано ранее. Кроме того, это существенно влияет на качество регулирования температуры по датчику, установленному в приточном воздуховоде.
В специализированных устройствах время полного цикла (сумма времен включенного и отключенного состояний) фиксировано и составляет у разных устройств от 2-х до 60-ти секунд. В контроллерах для управления вентиляционными установками (специализированных для этих задач или свободно программируемых) время цикла является задаваемым параметром.
При управлении многосекционным нагревателем вышеуказанным способом, одна из секций назначается «регулируемой», а остальные – «базовыми». При необходимости нагрева базовые секции подключаются последовательно только в том случае, если требуемая мощность больше, чем мощность регулируемой секции.
Выбор, какую из секций назначить регулируемой, алгоритмы последовательности включения регулируемой и базовых секций разрабатываются производителями контроллеров. Отличия в этих разработках и объясняют, почему качество регулирования у разных производителей разное.
Ну вот, если кратко резюмировать все вышесказанное, то задачи по управлению электронагревателем сводятся к следующим:
1. Поддержание температуры воздуха путем включения/выключения всего нагревателя или его отдельных секций по соответствующему алгоритму.
2. Защита нагревателя от перегрева путем:
- обязательной блокировки его работы с работой вентилятора
- отключения питания при срабатывании защитных термостатов, контролирующих температуру элементов его конструкции
- отключения питания по току короткого замыкания и току перегрузки
- снятия остаточного тепла с его поверхности отключением вентилятора с задержкой времени.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: