Zastosowanie, konstrukcja i badania regulatora stałego przepływu

ZESZYTY NAUKOWE PO LITECH NIKI ŚLĄ SKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 126

1995 N r kol. 1281

J a n OKOŁO-KUŁAK W łodzimierz OGULEWICZ

Z A S T O S O W A N I E , K O N S T R U K C J A I B A D A N I A R E G U L A T O R A S T A Ł E G O P R Z E P Ł Y W U

S tr esz c z en ie . W arty k u le omówiono różne zastosow ania regulato­

rów stałego przepływu. Przedstaw iono prototyp reg u lato ra w ykonany dla chłodnictwa. Zaprezentow ano w yniki b a d a ń tego prototypu.

APPLICATION, D E SIG N AND TESTIN G OF THE CONSTANT FLOW CONTROLLER

Sum m ary. In th is p ap er w as discussed different applications of constant flow controllers. Described controller w as as th e prototype of constant flow controller m ade for refrig eratin g engineering. The obtained resu lts from a te s t facility h a s been given.

ANW ENDUNG, KONSTRUKTION U N D UN TE R SU C H U N G E N EINES REGLERS MIT KONSTANTEM DURC H FLUß

Z u sa m m en fa ssu n g. Im A ufsatz w u rd en verschiedene A nw endun­

gen von Reglern arb eitend en nach dem P rinzip des k o n stan ten Flusses besprochen. E in speziell für die K ältetechn ik entw ickelter Regler dieser B au art is t vorgestellt worden. Forschungsergebnisse dieses Reglers sind beigefügt w erden.

WSTĘP

Regulatory przepływ u są u rządzeniam i sterującym i przepływem płynu w rurociągu. Najczęściej regulow any je s t nim i przepływ stru m ien ia m asy. Regu­

latory przepływu m ożna podzielić n a stałowartościow e, regulujące przepływ wg określonego program u oraz pracujące jako podrzędne w regulacji kaskado­

wej. Innym podziałem tych urządzeń je s t podział n a regulatory w ykorzystują­

ce do swego d ziałania energię płynu przepływającego w rurociągu oraz na (pneum atyczne lub elektryczne) regulatory zasilane energią dostarcza­

306 Jan Około-Kułak, Włodzimierz Ogulewicz

n ą z zew nątrz. W praktyce najczęściej znajdują zastosowanie regulatory stałowartościow e (z n a sta w ia ln ą lub nie w artością zadaną) wykorzystujące do napęd u energię płynu przepływ ającą przez rurociąg.

Uogólniając, m ożna powiedzieć, że wszędzie tam , gdzie przyczyny zewnę­

trz n e lub w ew nętrzne usiłu ją zakłócić działanie urządzenia przepływowego, zastosow anie reg u lato ra stałego przepływ u rad y kalnie popraw ia sytuację.

O kazuje się, że dokładność reg u la to ra wcale nie m usi być zbyt duża, w praktyce najczęściej w ystarcza ±20%. W łaśnie ta k duży uchyb przesądza o tym , że w większości przypadków m ożna zrezygnować z serwomechanizmu i zasilać reg u lato r energią czynnika regulowanego.

P r z y k ła d y w y k o r z y sta n ia r e g u la to r ó w p r z e p ły w u Regulatory stałego przepływu są stosowane:

- w chłodnictwie do zasilania parow ników w am oniakalnych obiegach pom­

powych.

- w wodnych sieciach ciepłowniczych dla zapew nienia określonego przepły­

w u w rurociągach (co znakomicie upraszcza eksploatację sieci i regulację ciepła dostarczanego do odbiorców).

- w urządzeniach opalanych gazem, gdzie reg u latory zapew niają stabilną pracę palników, mimo w ah ań ciśnienia gazu w sieci.

- w napędach hydraulicznych, w których reg u la to r stałego przepływu za­

pew nia sta łą prędkość elem entu wykonawczego siłow nika gw arantując w te n sposób popraw ną pracę całego urządzenia.

WYKORZYSTANIE REGULATORA STAŁEGO PRZEPŁYWU W AMONIAKALNEJ INSTALACJI CHŁODNICZEJ Z OBIEGIEM POMPOWYM

Schem at pompowego obiegu u rząd zen ia chłodniczego z zainstalowanym i reg ulatoram i stałego przepływ u (R1; R2, R3... Rn) przedstaw iono n a rys. 1.

Pom pa „S” zasysa ciekły am oniak ze zbiornika „Z” i tłoczy go do parow ni­

ków (Pi, P 2, P³... P n) poprzez regu lato ry stałego przepływ u R1; R2, R3... Rn.

Zawory Zx, Z2, Z3... Zn, to zawory dwupołożeniowe autom atycznej regulacji tem p eratu ry . Poziom ciekłego am oniaku w zbiorniku „Z” je s t regulowany regulatorem poziomu R.

W klasycznej instalacji pompowej (bez regulatorów stałego przepływu) w ła­

ściwy rozpływ ciekłego am oniaku powinny zapewnić kryzy lub ręczne zawory regulacyjne. Um ożliwiają one elim inację tak ich zakłóceń przepływu, jak:

- różny opór hudrauliczny poszczególnych parowników, - różny poziom zainstalow ania parowników,

- różną odległość parow ników od pompy,

- różną ilość zaworów regulacyjnych, w któ re zaopatrzone są parowniki.

Zastosowanie, konstrukcja i badania regulatora. 307

Rys. 1. U kład pompowego zasilania parow ników Fig. 1. S ystem of a n evaporator feeding by a pum p

Zakłócenia te należą do nie zm ieniających się w czasie. Kryzy i ręczne zawory regulacyjne są je d n a k całkowicie bezużyteczne w p rzypadku regulacji zakłóceń zmiennych w czasie, tak ich jak:

— zmiany obciążenia cieplnego jednego lub k ilku parowników n a skutek zm ian tem p e ra tu ry w kom orach chłodniczych,

— zmiany oporu hydraulicznego filtrów am oniaku n a sk u tek osiadania się w nich zanieczyszczeń,

— zm iany wydajności pompy n a sk u te k w ah ań napięcia w sieci elektrycznej,

— otworzenia się lub zam knięcia zaw oru elektrom agnetycznego współpracu­

jącego z regulatorem tem p e ra tu ry k tórejś z komór.

W yeliminowanie zakłóceń zm iennych w czasie je s t możliwe tylko przy zastosow aniu odpowiednio nastaw ionych regulatorów stałego przepływu.

308 Jan Około-Kutak, Włodzimierz Ogulewicz

Oczywiście, regulatory te w yelim inują tak że wpływ zakłóceń pierwszej grupy (tj. niezm iennych w czasie). Raz n astaw io n y n a w łaściw y przepływ amonia­

k u re g u la to r u trzy m u je go n a poziom ie nie odbiegającym od zadanego o więcej niż ±20%.

P opraw na p raca reg u lato ra wymaga:

- b rak u zanieczyszczeń stałych w am oniaku,

- przepływ u ciekłego (nie wrzącego) am oniaku przez (część) pomiarową re­

gulatora,

- odpowiedniej różnicy ciśnienia przed i za regulatorem wystarczającej do nap ęd u elem entu wykonawczego regulatora.

Zasadę pracy reg u lato ra stałego przepływ u ilu stru je rys. 2.

W artość przepływu n a sta w ia się pokrętłem zadajnika „Z” sprężonego z grzybem zaworu nastaw czego G^ Grzyb zaw oru regulacyjnego G2 je s t elemen­

tem wykonawczym utrzym ującym przepływ am oniaku n a zadanym poziomie.

Położenie grzyba G2 zależy od w artości następujących sił:

- siły proporcjonalnej do różnicy ciśnień (p0 - p x) i powierzchni grzyba G2, - siły nap oru dynamicznego stru m ien ia am oniaku n a grzyb G2,

- siły działania sprężyny T2.

Rys. 2. Z asada d ziałania reg u la to ra stałego przepływ u Fig. 2. O peration principle of th e co nstant flow controller

Zastosowanie, konstrukcja i badania regulatora. 309

1 - k o r p u s

3 - u s z c z e l n i e n i e 5 - u s z c z e l n i e n i e

7 - u s z c z e l k a

1 2 - u s z c z e l k a

1 4 - s p r ę ż y n a z a w o r u d ł a w i ą c e g o

1 6 - m o c o w a n i e p o k r y w y

1 8 - m o c o w a n i e p o k r ę t ł a 2 0 - w s k a ź n i k z a d a j n i k a

2 2 - p o k r ę t ł o z a d a j n i k a

2 4 , 2 5 , 2 6 - u s z c z e l n i e n i e t r z p i e n i a

2 - z a w ó r r ó ż n i c o w y

4 - z a w ó r d ł a w i ą c y 6 - k o ł n i e r z

1 1 - p o k r y w a

1 3 - s p r ę ż y n a z a w o r u r ó ż n i c o w e g o

1 5 - m o c o w a n i e p o k r y w y

1 7 - t r z p i e ń z a d a j n i k a

1 9 - d ł a w i k

2 1 - m o c o w a n i e w s k a ź n i k a 2 3 - m o c o w a n i e p o k r ę t ł a

z a d a j n i k a

Rys. 3. K onstrukcja reg u la to ra stałego przepływ u Fig. 3. View of th e co n stan t flow controller

310 Jan Około-Kułak, Włodzimierz Ogulewicz

Równowaga powyższych sił u s ta la położenie grzyba „G2”.

S tru m ień am oniaku przepływjący przez reg u lato r je s t funkcją różnicy ciś­

nień „P0” i „P²” oraz położenia grzyba „Gi” i „G2”. Jeżeli n a sku tek zakłócenia np. zwiększy się przepływ am oniaku, to wzrośnie spadek ciśnienia n a grzybie G1( co spowoduje przym ykanie się grzyba G2 ta k długo, aż przepływ stanie się bliski w artości zadanej zadajnikiem „Z”. R egulator stałego przepływu jest regulatorem proporcjonal nym, co oznacza, że przy różnym od zera zakłóceniu w ystępuje w nim uchyb regulacji różny od zera (jednak nie większy niż +20%).

Przekrój prototypu reg ulato ra stałego przepływ u dla instalacji am oniakal­

nej, wykonanego w Zakładzie M iernictw a i A utom atyki Procesów Energetycz­

nych, przedstaw iono n a rys. 3. W szystkie elem enty reg ulato ra wykonano z m ateriałów odpornych n a działanie am oniaku oraz zgodnie z norm am i chłod­

niczymi.

BADANIA PROTOTYPU

Prototyp reg ulatora przebadano n a dwóch stanow iskach:

a) stanow isku wodnym przedstaw ionym n a rys. 4 i umożliwiającym:

- zadaw anie spadku ciśnienia n a regulatorze od 0,02 - 0,5 M Pa i mierze­

n iu ciśnień P j i P 2 m anom etram i,

- pom iar stru m ien ia wody przepływającej przez zawór rotam etrem „Q”, - łatw y m ontaż i dem ontaż zaworu dla w ym iany sprężyn i grzybów o

różnym kształcie okien wypływowych.

b) stanow isku am oniakalnym przedstaw ionym n a rys. 5 i umożliwiającym:

- pom iar spadku ciśnienia n a regulatorze m anom etram i P 3 i P 2,

- pom iar stru m ien ia am oniaku przepływającego przez regu lator tu rbin ­ k ą pom iarową Q,

- n astaw ian ie różnych w artości przepływ u am oniaku.

C harak terystyk i robocze reg u latora zdjęte n a stanow isku badawczym z rys. 4 przedstaw iono n a rys. 6. C harak terysty ki te potw ierdzają skuteczność działania reg u lato ra stałego przepływu.

LITERATURA

[1] M ausen Ch. C.: A utom atic Flow Regular From Amonia Liquid Recircu­

lation System e. Refigerating Specialists Com pany, Broadivicv, Illinois 60153 1971.

[2] O koło-K ułak J., Ogulewicz W., B a rtn ik R.: Opracowanie konstrukcji i przeprow adzenie b adań prototypu zaworu stałego przepływu czynnika chłodniczego (NH3) przeznaczonego do urządzeń chłodniczych z obiegiem pompowym. P raca VB-252, Gliwice 1986.

Zastosowanie, konstrukcja i badania regulatora. 311

Rys. 4. S chem at wodnego stanow iska pomiarowego Fig. 4. W ater te s t facility

W

Rys. 5. S chem at am onikalnego stanow iska pomiarowego Fig. 5. A m m onia te s t facility

312 Jan Około-Kułak, Włodzimierz Ogulewicz

P /m it]

2 5

20

15 -

—f--- 1 --- 1 --- 1 --- 1 --- 1 --- 1

Rys. 6. C harak tery sty k i robocze regulatorów stałego przepływu Fig.6 P erform ance curves of th e co nstant flow controllers

Zastosowanie, konstrukcja i badania regulatora. 313

[3] P raca zbiorowa: Rozwój m aszyn i u rządzeń chłodniczych w badaniach teoretycznych i eksperym entalnych. S kry pt Pol. K rak., Kraków 1991.

[4] Wesołowski A.: A utom atyzacja urząd zeń chłodniczych. WNT, W arszaw a 1984.

A b stract

In th is pap er was discussed different applications of co nstant flow controllers. Described controller w as as th e prototype of constant flow controller m ade for refrig eratin g engineering. The p a ra m ete rs h a s been on basis of experim ental investigations estim ated. The controller model and obtained p aram eters w ere used in com puter softw are pack for design com putation of the co n stan t flow controller. The controller consist of adjustable th ro ttle valve and an differential valve linked serial. In practical application is demand for th e co n stan t flow controller having th e static characteristics adapted to a m ounting place. From m easu ring was observed th a t constant flow controller h a s an h isteresis. The obtained resu lts from a te s t facility h as been given.