Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB – TU Ostrava
Simulace vytápění v budově pomocí laboratorního modelu spalovacího kotle na tuhá paliva s využitím autonomní řídicí jednotky
Návod do měření
Ing. Roman Hrbáč, Ph.D. prosinec 2011 Cíl laboratorní úlohy: 1
Seznámit studenty se způsoby realizace simulace vytápění v budově pomocí moderního spalovacího kotle na tuhá paliva s využitím autonomní řídicí jednotky. Zadání: 1. Proveďte měření na modelu laboratorního kotle na tuhá paliva postupem uvedeným níže. 2. Zaznamenejte si všechny technické parametry pro realizaci projektové dokumentace. 3. Realizujte ovládání provozně technických funkcí dle zadání vyučujícího. 4. Vypracujte projektovou dokumentaci k dané úloze, konkrétní požadavky Vám upřesní vyučující. Postup měření: 1. Zkontrolujte, v jakém módu je nastaven pokojový termostat. Přepněte ho do nočního módu, který je zobrazen symbolem „Měsíc“. Tento mód má nastavenou teplotu 15°C (stručný návod nastavení je uveden v kapitole 3). 2. Zapněte laboratorní model kotle na tuhá paliva (kolébkový vypínač je umístěn na zadním panelu modelu kotle. 3. Opište hodnotu teploty vody na kotli, teplotu užitkové vody zásobníku (bojleru) a teplotu okolí indukující pokojový termostat. 4. Dle pokynů vyučujícího nastavte v uživatelském menu konkrétní hodnoty těchto parametrů: teplota vody žádaná teplota vody hystereze teplota náběhu čerpadla malého okruhu teplota náběhu čerpadla velkého okruhu doba zapnutí podavače doba vypnutí podavače doba doběhu ventilátoru doba útlumu kotle 5. Zkontrolujte, zda zobrazovač LCD1 ukazuje, že je kotel nastaven do automatického módu. V opačném případě tento režim nastavte. 6. Přepněte pokojový termostat do manuálního módu a nastavte požadovanou teplotu o 2°C vyšší, než je skutečná teplota měřena pokojovým termostatem (stručný návod nastavení je uveden v kapitole 3). 7. Sledujte probíhající děj a každých 30s si zaznamenávejte hodnoty teploty vody na kotli, teplotu užitkové vody zásobníku (bojleru) a teplotu okolí indukující pokojový termostat. 8. Zaznamenejte si všechny potřené údaje k návrhu přesného schéma zapojení kotle na topný okruh.
2
1. Úvod Automatické kotle umožňují použít několik druhů paliv, čímž se investor nevystavuje riziku nedostatku daného druhu paliva na trhu. Kotle jsou vyráběny s ocelovým i litinovým výměníkem. Některé kotle umožňují kombinovaný provoz jak v automatickém režimu, tak i v ručním režimu ve kterém lze spalovat kusové palivo (černé a hnědé uhlí, koks, dřevo, brikety), takže zákazník není omezen jen na automatický provoz, ale kotel pak lze použít jako klasický kotel na tuhá paliva. Některé kotle jsou vybaveny rovněž ekvitermní regulací s týdenním programem. Pro spalování je u většiny kotlů použit retortový hořák se šnekovým podáváním paliva, jak je zobrazeno na Obr. 1. Na Obr. 2 je zobrazen šnek pro otočnou retortu.
Obr. 1 Retortový hořák s otočnou retortou pro kotle, vnitřní věnec hořáku (retorty)
Obr. 2 Šnek pro otočnou retortu Mezi hlavní přednosti automatických kotlů na tuhá paliva patří: automatický provoz kotle možnost spalování obnovitelného zdroje energie v podobě dřevěných pelet, obilí, dřevní štěpky, možnost doplňkového spalování kusového dřeva nebo uhlí. mechanický přísun paliva z vestaveného zásobníku do spalovací komory jednoduchá, časově nenáročná obsluha a údržba nízké provozní náklady nízká emisní zátěž pro okolí konstrukce výměníku zaručující vysokou účinnost modulace tepelného výkonu v celém výkonovém rozsahu možnost připojení pneumatického nebo šnekového dopravníku pro dopravu paliva z případného skladiště do zásobníku kotle možnost připojení odpopelňovače automatické zapalování 3
2. Způsob regulace kotle na tuhá paliva Kotle na tuhá paliva lze rozdělit na kotle velkých výkonů a na kotle malých výkonů pro bytovou zástavbu. U kotlů na uhlí s automatickým podavačem je dobré regulovat přívod spalovacího vzduchu pro kotel. Pro lepší regulaci lze pro řízení ventilátoru použít frekvenční měnič. Kotle na tuhá paliva jsou osazeny mechanickými regulačními orgány pro regulaci konstantní výstupní teploty. Pro tyto kotle se doporučuje zajistit teplotu kotle 70-85°C, při které se dosahuje největší účinnosti. Přebytečné teplo lze ukládat do akumulační nádrže. Na straně otopného systému je dobré regulovat teplotu topné vody podle ekvitermní křivky a odběr tepla vypínat při dosažení žádané prostorové teploty. V úvahu je potřeba brát rovněž riziko přehřátí kotle v případě, když je kotel nastaven na provozní teplotu a nedochází k odběru topné vody, nebo dojde k výpadku elektrické energie při použití čerpadlového topného okruhu. Přetopení vlivem nízkého odběru tepla se dá předejít osazením termostatu na výstupu z kotle. Ten v případě přetopení kotle automaticky otevře regulační ventil na maximum a umožní tak, odvodem tepla do systému topení, ochlazení kotle na přijatelnou teplotu. Možnosti eliminace přehřátí kotle: Osazením mechanicky ovládané chladící smyčky, která při vysoké teplotě otevře na výstupu z kotle přívod studené pitné vody a nuceně vychladí kotel. Osazením samotížného okruhu např. radiátory nebo nádrží, který se otevře při výpadku energie použitím např. elektricky ovládaným kulovým kohoutem s pružinovou havarijní funkcí. Osazením záložního zdroje el. energie, který zajistí dodávku el. energie po dobu nutnou k zajištění vychlazení kotle.
Obr. 3 Automatický kotel na uhlí litinovým výměníkem LT20
4
Regulace teploty vratné vody kotle Jednou z důležitých podmínek pro dlouhou životnost všech kotlů je dodržet jejich provozní parametry. V první řadě k nim patří dostatečná teplota vratné vody. Každý výrobce kotlů udává minimální teplotu vratné vody, která se pohybuje mezi 45 – 70°C. Pokud není hlídaná teplota vratné vody, zkracuje se životnost kotle vinou nízkoteplotní koroze přibližně na polovinu. Regulace teploty vratné vody se týká všech druhů kotlů (na tuhá paliva, plynových kotlů atd.). Regulaci lze realizovat následujícími způsoby: 1. Regulace vratné vody čerpadlem Popis: Čerpadlem, které je osazeno mezi výstupem topné vody a vstupem vratné vody. Čerpadlo je v provozu, pokud teplota vratné vody nedosahuje minimální požadované hodnoty dané výrobcem kotle. Spínání je vhodné provádět s hysterezí asi 5°C. Použití: Toto zapojení je většinou realizováno u kotlů středních výkonů. Nevýhody: Z hlediska plynulosti regulace vratné vody není úplně ideální. Podmínky realizace: Do okruhu zkratovacího čerpadla se nesmí zapomenout vřadit zpětnou klapku, z důvodu nechtěného průtoku topné vody tímto okruhem při vypnutém čerpadle.
Obr. 4 Hlídání teploty vratné vody čerpadlem. 2. Regulace vratné vody čtyřcestnou klapkou Popis: Čtyřcestná klapka plynule udržuje teplotu vratné vody v zadaných mezích. Regulace čtyřcestnou klapkou v podstatě slučuje funkce dvou trojcestných regulačních ventilů a to pro regulaci vratné vody do kotle a regulaci topné vody. Snímač teploty se osazuje na vratné potrubí. Regulace je realizována na minimální teplotu vratné vody udanou výrobcem 50-60°C. Výhody: Tato varianta je pro plynulost regulace teploty podstatně výhodnější než udržování teploty vratné vody čerpadlem. Je vhodná i z důvodu možnosti nezařazení čerpadla do kotlového okruhu, kde by mohlo dojít při přetopení kotle ke zničení čerpadla. Dále je vhodná pro systémy, kde je důležité dodržet průtok v kotlovém i topném okruhu. Podmínky realizace: Tato náhradní metoda není vodná tam, kde se vlivem nízkých průtoků může vracet velmi chladná vratná voda.
5
Obr. 5 Regulace teploty vratné vody čtyřcestnou klapkou. 3. Regulace vratné vody trojcestnou regulační klapkou v okruhu vratné vody Popis: Trojcestná regulační klapka je osazená v okruhu vratné vody. Čerpadlo je spínáno od provozu kotle. U kotlů na tuhá paliva je tato podmínka hůře realizovatelná, ale lze ji vyřešit dvěma základními principy: Základní a doporučovaný způsob je umístění spalinového termostatu osazeného do kouřovodu a při teplotě spalin cca 100°C zapínat kotlové čerpadlo. Náhradní metodou je osazení termostatu na výstup topné vody z kotle a podle této teploty (asi 40-60°C) spínat kotlové čerpadlo. Výhody: Toto zapojení je vhodné pro kotle na tuhá paliva, protože nehrozí poškození instalovaných zařízení. Je rovněž výhodné pro kvalitní stabilitu teploty vratné vody do kotle. Nevýhody: Není možné s ním řídit teplotu topné vody do systému topení. Tato nevýhoda může být odstraněna osazením dalšího regulačního ventilu pro řízení teploty vody do systému topení.
Obr. 6 Regulace teploty vratné vody trojcestným ventilem v okruhu vratné vody. 4. Regulace vratné vody trojcestnou regulační klapkou v okruhu topné vody Popis: Tímto zapojením lze udržovat teplotu vratné vody do kotle a zároveň řídit teplotu topné vody do systému topení. Hodí se pro regulovatelné kotle. Pokud je toto zapojení použito pro kotle na tuhá paliva, je vhodné čerpadlo posunout do okruhu vratné vody. Nevýhody: Toto zapojení není úplně vhodné pro neřízené kotle, tj. kotle na tuhá paliva, z důvodu možného přetopení kotlového okruhu.
6
Obr. 7 Regulace teploty vratné vody trojcestným ventilem v okruhu topné vody. 5. Regulace vratné vody vlivem na spotřebiče Popis: Je určena pro větší systémy topení, zvláště tam, kde je více regulovaných větví. Plynule jsou přivírány topné větve tak, aby byla držena teplota vratné vody v zadaných mezích. Výhody: To je výhodné hlavně pro rychlé vyhřátí kotlového okruhu a následné plynulé najíždění topných větví, které mají být v provozu. 6. Použití termomechanického vlnovce pro přepínání okruhů vody Popis: Toto zařízení funguje na principu přepínání vratné vody ze systému topení a topné vody z kotle do vratné vody kotle pomocí termomechanického vlnovce. Ve zkratovací odbočce je v zařízení použito čerpadlo, které do dosažení žádané teploty z kotle drží kotlový okruh v ohřátém stavu. Toto zařízení se osvědčilo, ale je nutná kvalitní montáž podle pokynů výrobce, např. fy ATMOS. 7. Osazení termostatického ventilu do kotlového okruhu Popis: Dalším způsobem regulace teploty vratné vody je osazení samostatného kompaktního termostatického ventilu do kotlového okruhu. Výhody: Jednoduchá montáž, cena, nezávislost na dodávce elektrické energie, protože regulačním orgánem je termomechanický vlnovec. Nevýhody: nemožnost změny regulované teploty a různá životnost akčního členu. Termostatický ventil se osazuje do vratného potrubí s připouštěním výstupní topné vody z kotle. Schéma doporučeného zapojení automatického kotle na tuhá paliva pro kotel BENEKOV C 15 p je ukázán na Obr. 8.
7
Obr. 8 Příklad schéma zapojení automatického kotle na tuhá paliva BENEKOV C 15 p 8. Technický návrh řízení kotle pomocí mikroprocesoru. Popis: Vlastní regulace pomocí mikroprocesoru využívá dva digitální vstupy a čtyři digitální výstupy. Počet vstupů: DI1 teplota vody DI2 signál od termostatu zabudovaného v místnosti (aktivuje velký okruh topení). Počet výstupů: DO1 ventilátor DO2 podavač DO3 čerpadlo – malý okruh, DO4 čerpadlo – velký okruh. Na Obr. 9 a Obr. 10 je ukázán text, jenž zobrazují dva LCD displeje. Oba tyto LCD displeje jsou řízeny mikrokontrolérem firmy ATMEL, který obsluhuje celé uživatelské rozhranní. Na Obr. 11 je ukázáno rozložení ovládacích tlačítek, Obr. 12 popisuje význam jednotlivých tlačítek. Zobrazovač LCD 2 rovněž zobrazuje obslužné menu, které slouží k podrobnému nastavování následujících parametrů: teplota vody žádaná teplota vody hystereze teplota náběhu čerpadla malého okruhu 8
teplota náběhu čerpadla velkého okruhu doba zapnutí podavače doba vypnutí podavače doba doběhu ventilátoru doba útlumu kotle režimy kotle ruční ovládání podavače ruční ovládání ventilátoru nastavení datum a čas výpis poruch
Obr. 9 Zobrazovač LCD 1
Obr. 10 Zobrazovač LCD 2
OK Obr. 11 Rozložení ovládacích tlačítek O úroveň výš nebo zruš zadávání hodnoty
Posun v menu dolu Zvětšuje hodnotu
Zmenšuje hodnotu
Posun v menu nahoru
Obr. 12 Význam jednotlivých tlačítek 9
O úroveň níže nebo potvrď zadávání hodnoty
Podrobná výchozí grafika obou displejů je uvedena v přílohách s názvy: - Priloha_1_Vychozi_grafika_obou_displeju. - Priloha_2_Grafika_zobrazovaciho_displeje. - Priloha_3_Grafika_menu_displeje. 3. Stručný manuál k nastavení pokojového termostatu AP: K nastavení teploty v místnosti zde slouží pokojový termostat AP s možností nastavení týdenního programu. Nastavení termostatu se provádí pomocí modře podsvíceného LCD dotykového displeje. Termostat může sloužit jak k ovládání topného zařízení, tak k ovládání klimatizace. Řízení topného nebo chladícího zařízení se provádí pomocí spínacích nebo rozpínacích kontaktů relé, jež jsou umístěné na zadní straně termostatu. Hlavní vlastnosti termostatu: - Ovládání přes dotykový displej - Termostat je určen k řízení topení i klimatizace - Obsahuje funkci ochrany proti mrazu - Způsob montáže: na omítku - Rozsah nastavitelné teploty: 5 - 35°C - Rozsah měřené teploty: 3 - 37°C - Hystereze: +/- 0,2°C - Zatížitelnost kontaktů: 230 V/6A (odporová zátěž), 2A (indukční zátěž) - Provozní napětí: 2x 1,5 V baterie AA - Rozměry, hmotnost, barva: 130 x 88 x 38 mm, 182 g, bílá
Obr. 13 Termostat AP s týdenním programem s LCD dotykovým displejem 1. Postup pro manuální nastavení požadované teploty v místnosti v daný okamžik: a) V případě, že je na LCD displeji zobrazen pouze symbol „OK“, je nutné aktivovat hlavní menu stlačením symbolu „OK“ po dobu nejméně 3s. b) Následně pomocí symbolu „Slunce“ přepínáme tak dlouho, dokud se nám rovněž nezobrazí (nad osou ukazující 24-hodinový interval denních hodin) symbol „Hodiny“. c) V pravém horním rohu LCD se zobrazí aktuální požadovaná teplota. Pokud má teplota jinou hodnotu, než požadujeme, je třeba ji nastavit. 10
d) Tlačítky „+“ nebo „-“ nastavíme požadovanou teplotu v místnosti. Zároveň se musí zobrazit symbol „Ruky“ e) Dále již pouze jednou potvrdíme tlačítkem „OK“ (při opětovném potvrzení tlačítkem „OK“ se nám ztratí symbol „Ruky“, což nás upozorňuje, že se opět nacházíme v automatickém módu). 2. Postup pro nastavení kontrolní noční teploty: a) V případě, že je na LCD displeji zobrazen pouze symbol „OK“, je nutné aktivovat hlavní menu stlačením symbolu „OK“ po dobu nejméně 3s. b) Následně pomocí symbolu „Slunce“ přepínáme tak dlouho, dokud se nám nezobrazí (nad osou ukazující 24-hodinový interval denních hodin) symbol „Měsíce“. c) V pravém horním rohu LCD by se měla zobrazit teplota 15°C. Pokud má teplota jinou hodnotu, je třeba ji nastavit. d) Zvolíme symbol „Teploměru“ a tlačítky „+“ nebo „-“ nastavíme požadovanou teplotu v místnosti na 15°C. e) Potvrdíme tlačítkem „OK“ f) Pro opětovné zablokování tlačítek přidržíme po dobu nejméně 3s symbol „OK“. 3. Postup pro nastavení kontrolní denní teploty: a) V případě, že je na LCD displeji zobrazen pouze symbol „OK“, je nutné aktivovat hlavní menu stlačením symbolu „OK“ po dobu nejméně 3s. b) Následně pomocí symbolu „Slunce“ přepínáme tak dlouho, dokud se nám rovněž nezobrazí (nad osou ukazující 24-hodinový interval denních hodin) symbol „Slunce“. c) Zvolíme symbol „Teploměru“ a tlačítky „+“ nebo „-“ nastavíme požadovanou teplotu v místnosti. d) Potvrdíme tlačítkem „OK“ e) Pro opětovné zablokování tlačítek přidržíme po dobu nejméně 3s symbol „OK“. 4. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Valter J.; Regulace v praxi, BEN, Praha 2010, ISBN 9788073002565 http://www.benekov.cz http://www.siemens.com/entry/cz/cz/ http://www.ekologicke-kotle.cz/ http://www.belimo.cz/ http://www.viadrus.cz/
11
