I R Á N Y Í T Á S T E C H N I K A

Irányítástechnikai alapismeretek

Irányítástechnika, szabályozás, fűtésszabályozás

IRÁNYÍTÁSTECHNIKA Az irányítástechnika az alkalmazott műszaki tudományok egyik ága, az önműködő irányítás törvényszerűségeivel és gyakorlati megvalósításával foglalkozik. Olyan rokon tudományterületek tartoznak hozzá, mint az alkalmazott kibernetika (robotika, mechatronika) vagy az elméleti kibernetika (valószínűség számítás, a játékelmélet, a káoszelmélet) stb. Az irányítás olyan művelet, amely valamely folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít. Az irányítási műveletre jellemző, hogy nagy energiájú folyamatokat általában kis energiájú hatásokkal befolyásol. •

Kézi irányítás: az irányítási művelet egészét vagy egy részét kezelőszemélyzet végzi.

•

Önműködő irányítás: a teljes irányítási folyamat kezelőszemélyzet közbeavatkozása nélkül valósul meg.

Az irányítási folyamat műveletei: 1. Érzékelés: értesülés- (információ-) szerzés az irányítási folyamatról; 2. Ítéletalkotás: döntés az értesülés feldolgozása alapján a rendelkezés szükségességéről; 3. Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra; 4. Beavatkozás: az irányított folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján. Az irányítási folyamat általában kis energia szinten valósul meg, a beavatkozáshoz azonban már rendszerint nagyobb energiák szükségesek. Az irányítási folyamat során különböző hatások haladnak tovább az irányítási lánc egyes elemein, míg a rendelkezés, illetve beavatkozás hatására az átalakulási folyamatot a kívánt mértékben befolyásolják. A hatáslánc az irányítási rendszer azon szerkezeti egységeinek sorozata (láncolata) amelyek az irányítási hatást közvetítik. A hatáslánc tagjain áthaladó hatásokat jelnek nevezik. A jelnek legfontosabb jellemvonása az információtartalom, az energiaszint csak másodlagos jelentőségű. Jelhordozó lehet minden mérhető fizikai, (kémiai) állapothordozó. A jel valamely fizikai állapothordozó minden olyan

értéke

vagy

értékváltozása,

amely

a

hozzárendelt

információ

szerzésére,

továbbítására, tárolására, feldolgozására alkalmas. Jellemzőnek nevezzük azokat az állapothordozókat, amelyek az irányított folyamatnak az állapotát jellemzik, vagy befolyásolják (például nyomás, hőmérséklet, vízszint).

Építőipari, Faipari Szakképző iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6.

1



Irányítási rendszer 1. Irányító berendezés: mindazon szervek összessége, amelyek együttműködésével az irányított rendszer irányítása megvalósul. Jele: R 2. Irányított berendezés: amelyet irányítani szándékoznak. Jele: S Az irányítási rendszer szerkezeti részei: 1. A szerv, egy irányítási részfeladatot önállóan ellátó szerkezeti egysége; 2. Az elem, irányítástechnikai szempontból tovább nem bontható rész; 3. A jelvivő, a jeleket átviszi az irányítási rendszer részei között. A hatásvázlat részei: 1. A tag, az irányítási rendszer jelformáló tulajdonságait képviselő fogalom; 2. Az irányított szakasz, az irányított berendezés (S) jelátvivő tulajdonságait leíró tag; 3. A jelek, bemenő külső jel a tagot működésre készteti, a tag működése pedig kimenő jelet produkál. Az irányítás művelet lehet: 1. Vezérlés: művelete során az érzékelővel előállított rendelkező-jel által kiváltott jelek végigfutnak a hatásláncon, a vezérlő berendezés egyes szervein. Az utolsó szerv a beavatkozó szerv. A kívánt hatás kiváltásával a vezérlési művelet befejeződött. Nincs ellenőrző jel. Hatáslánca nyitott, nincs visszacsatolás. R

Egyszerűsített ábrázolás:

S

2. Szabályozás: művelete során ugyancsak végigfut a kiváltott jel(-ek). A beavatkozó jellemző hatása nyomán ellenőrző jel vezet vissza, negatív visszacsatolás áll fent, hatásában a szabályozott jellemzőnek az előírt értékétől való eltérését igyekszik megszüntetni. A visszacsatolás révén hatáslánca zárt. Egyszerűsített ábrázolás:

R S

Negatív visszacsatolás!


2



A vezérlés működési vázlata

Érzékelő szerv

Vezérlő berendezés

Vezérelt berendezés

Beavatkozó szerv Xm

Xr

Xb Beavatkozó jel

Rendelkező jel

Xz

Módosított jellemző

Zavaró jel (-ek)

A vezérlés művelete során az érzékelővel előállított Xr rendelkező jel által kiváltott jelek végigfutnak a hatásláncon, a vezérlő berendezés szervein. Az utolsó szerv a beavatkozó szerv. Az utóbbinak kimenőjele az Xm módosított jellemző, ez egyben a vezérelt berendezés egyik bemenőjele. A kívánt hatás kiváltásával a vezérlési művelet befejeződött. A vezérelt berendezésre természetesen egyéb jelek is hatnak: ezek a zavarójelek. A szabályozás működési vázlata Alapjel

Xa

Rendelkező jel

Beavatkozó jel

Xr

Módosított jellemző

Xb Szabályzó berendezés

Xm

Xz Szabályzott berendezés

Beavatkozó szerv

Zavaró jel (-ek)

Xr = Xa - Xe Szabályzott jellemző

Xe Érzékelő szerv

Xs

Ellenőrző jel

A szabályozás művelete során az Xr rendelkező jel (amely az előre megadott Xa alapjelnek és az Xs szabályozott jellemző pillanatnyi értékétől függő Xe ellenőrző jelnek különbsége) által kiváltott jelek ugyancsak végigfutnak a szabályozó berendezés egyes szervein. A szabályzó berendezés kimenőjele az Xb beavatkozó jel, a beavatkozó szerv kimenő jele az Xm módosított jellemző, amely egyben a szabályzott berendezés egyik bemenőjele. A módosított jellemző olyan hatást vált ki a szabályozott berendezésben, amely az Xs szabályzott jellemzőnek az előírt értékétől való eltérését megszüntetni igyekszik. A leglényegesebb különbség a vezérlés és a szabályozás között: a vezérlés hatáslánca nyitott, a szabályozásé zárt. A szabályozásban az alapvető ítéletalkotási művelet a különbségképzés. A szabályozási folyamatra

az

irányítani

kívánt

jellemző

visszahat:

a

szabályozás

hatáslánca

a

visszacsatolás következtében zárt. A vezérlési folyamatban nincs visszajelzés, nincs ellenőrző jel. A vezérlési rendszer működését kizárólag a rendelkező jel váltja ki. A szabályozási rendszer működését is a rendelkező jel váltja ki, de alapjelet és ellenőrző jelet is tartalmazza, mely szabályzott jellemzővel áll kapcsolatban. Negatív visszacsatolás!


3



A szabályozás alapvető feladata: -

Értéktartó szabályozás esetén biztosítsa a szabályozott jellemző állandó értéken tartását a különböző zavaró hatások elkerülésére

-

Követő szabályozás esetén pedig biztosítsa azt, hogy a szabályozott jellemző a zavaró hatások ellenére jól kövesse az alapjel változását.

A szabályzó körök stabilitása Stabilisnak nevezik azt a rendszert, amely egyensúlyi állapotából kimozdítva és azután magára hagyva visszatér eredeti egyensúlyi állapotba, ha nyugalomban volt, akkor nyugalomba, ha állandó sebessége volt, akkor az előző állandó sebességű mozgási állapotba. (Az instabil rendszerek nem csillapodó, vagy növekvő amplitúdóval lengenek.)

A szabályozások minőségi követelményei Az ideális az lenne, ha az alapjel és a szabályozott jellemző időbeli lefolyása az alapjel időbeli lefolyásával pontosan megegyezne. Azaz a szabályozásnak nem lenne hibája sem állandósult, sem átmeneti állapotban. Ezt csak megközelíteni lehet. Minél jobban megközelítik az ideális szabályozást, az annál bonyolultabb is. Minden szabályozással szemben támasztott alapkövetelmények egyidejűleg teljesüljenek: -

A rendszer stabilan működjön, és kellő stabilitásai tartalékkal rendelkezzen,

-

Állandósult állapotban a szabályozási eltérés nagysága előírt legyen.

-

Átmeneti állapotban a minőségi követelmény az előírtnál ne legyen rosszabb.

Energiatárolás és holtidő A jelátviteli rendszer a gerjesztésre nem azonnal adja meg a választ, kimenőjel valamilyen időfüggvény szerint késik. Ennek fizikai oka az, hogy a tag valamilyen energiát tárol, melynek a jel áthaladása végett meg kell változnia, mivel ez az energia hordozza a jelet. Az energia megváltozásához időre van szükség. Energiatárolók például: tartályok befogadóképessége, kazánok és hőleadók hőkapacitása stb. Előfordul, a tag a bemenőjellel arányos kimenőjelet ad ki, de a kimenőjel megjelenéséig bizonyos idő – holtidő (Th) – telik el. Például hosszú csővezeték elején bekeverés, de a keverés a cső másik végén csak később jelenik meg

Az irányítástechnikai jelek fajtái: -

Folytonos vagy szakaszos (tetszőleges vagy csak meghatározott értéket vehet fel)

-

Folyamatos vagy szaggatott (megszakítás nélküli vagy időközönként megszakad)

-

Analóg vagy digitális (hasonló, szemléletes vagy digitális, jelképi) 56 0237 Pa

-

Determinisztikus vagy sztochasztikus (egyértelmű vagy szabálytalan valószínűségű)


4



Szabályozás csoportosítása Az alapérték lefolyása szerint: -

Értéktartó szabályozás – az alapjel alapértéke üzemszerűen állandó

-

A követő szabályozás alapjele üzemszerűen változik

Folytonosság szerint: -

Folyamatos szabályozás – hatáslánca tartósan zárt

-

Szaggatott – a hatáslánc üzemszerűen megszakad (mintavétel)

A hatáslánc értékkészlete szerint: -

Folytonos szabályozás – a hatáslánc bármely helyén a jelek folytonosak

-

Szakaszos szabályozás – a hatáslánc legalább egy ponton nem folytonos -

Állásos: két-, három- vagy többállásos analóg jelekkel (relészerű)

-

Szakaszos digitális: digitális-analóg jelátalakítókkal

A rendszer szerkezete szerint: -

Egyhurkos szabályozás – egy szabályozott jellemzője és egy beavatkozó jele van

-

Többhurkos – több hurok, több szabályozási kör, melyek kölcsönösen hatnak

Rendszerparaméterek szerint: -

Állandó paraméterű – a változók (statikus jelleggörbék) nem idő függőek

-

Változó paraméterű – legalább egy az idő függvénye

Átviteli tagok vizsgálata A bemenőjel és a kimenőjel hányadosa a szabályzó átviteli „körerősítési” tényezője (K), ha K nagy, akkor túl nagy a

Bemenő jel

maradó eltérés, ha kicsi, akkor labilis a szabályozás. Tároló nélküli arányos tag: a kimenőjel a bekapcsolás

Kimenő jel

pillanatában késedelem nélkül követi a bemenőjel változását.

Egytárolós arányos tag: az energiatároló következménye, hogy nem képes egyidejűleg követni a bemenő jel változását a kimenő jel. Mellette ugyanaz, de holtidős (Th) változata. Például egy szelepszár elmozdulása nem fogja a helyiség hőmérsékletét azonnal és ugrásszerűen megváltoztatni! (Sőt, P arányos

Th

szabályozónál maradó eltérés lép fel!)


5



Szabályozástechnika (Összefoglalva) A szabályozás az irányításnak az a területe, amelyben a rendelkezés és a beavatkozás a szabályozott jellemző tényleges és előírt értékeinek alapján, az eltéréstől függő értelemben jön létre, és hatására az eltérés csökken. A szabályozástechnika a technológiai folyamatok zárt hatásláncú irányítása. Feladata a szabályozott jellemző előírt értéken tartása – vagy előírt program szerint a szabályozott jellemző jól kövesse az alapjel változását - a zavaró hatások ellenére. A szabályozás folyamata a következő lépéseket tartalmazza: 1./ rögzíti a szabályzott jellemzőnek azt az értékét, amelyet szabályozással megvalósítani, tartani kívánunk, 2./ érzékeli a pillanatnyi értéket, 3./ összehasonlítja az alap- (kívánt) értéket a tényleges (mért) értékkel, 4./ a tényleges és a mért különbség alapján úgy változik a folyamat, hogy a különbség megszűnjék. (5./) az automatikus szabályozás emberi elhatározás és egyedi döntés szükségessége nélkül végrehajtja a fenti lépéseket. A szabályzó kör tagjai: A. / 1./ Szabályzott berendezés: a szabályozástól függetlenül is létezik, a technológiai berendezés az a része, ahol a műszaki folyamatra irányuló szabályozási ténykedés irányul. 2./ Szabályzó berendezés: a mérőhelynél „kezdődik” és a beavatkozás helyénél és az állítóműnél „végződik”. Mindazon elemeket tartalmazza, amelyek a szabályzó szakasz befolyásolásához szükségesek. (Érzékelő + szabályzó / összehasonlító + állítómű) B. / 1./Szabályzott szakasz (S): a szabályozási körben a szabályozott berendezés jelátviteli sajátosságait jellemző tagokat nevezik így. (Például: állítószelep + fűtőtest + helyiség) 2./Szabályzó szakasz (R): a szabályozási körben a szabályozó berendezés jelátviteli sajátosságait jellemző tagokat nevezik így. (Érzékelés → összehasonlítás → beállítás (A mérőtag illetve a beavatkozó tag nem, azok a szabályzott szakaszhoz tartoznak!)


6



A szabályozási rendszer működési vázlata:

SZABÁLYZOTT BERENDEZÉS

Érzékelés helye

Beavatkozás helye

Xz

Xs

Xm

Beavatkozó szerv

SZABÁLYZÓ BERENDEZÉS

Érzékelő szerv

Xb

Erősítő szerv

Xv XA

Xe Xk

Jelformáló szerv

Xr

Összehasonlító szerv

Xa

Alapjel képző szerv

Xa – alapjel – a szabályzó körben haladó jelektől és jellemzőktől független jel, melynek szerepe, hogy a szabályzott jellemző kívánt értékét az alapértéket képviselje Xv – vezetőjel – a szabályozás alapjelét egyértelműen meghatározó jel, előre meghatározott program szerint változhat Xe – ellenőrző jel – az érzékelő szerv kimenő jele, különbségképzésre alkalmas Xr – rendelkező jel – a beavatkozást elindító és fenntartó jel, a különbségképző kimenő jele, amely az alapjel és az ellenőrző jel különbségével arányos Xb – beavatkozó jel – a beavatkozó szerv bemenő jele, ha a szabályozási körben nincs végrehajtó szerv, a beavatkozó jel azonos a végrehajtó jellel Xh – végrehajtó jel – a szabályozás kimenő jele, amely a végrehajtó szervet vagy közvetlenül a beavatkozó szervet működteti XA – alapérték – a szabályzott jellemzőnek az előírt értéke, melyet annak a szabályozás révén kell elérnie Xs – szabályzott jellemző – valamely folyamatnak az a jellemzője, amelyet a szabályozás révén az alapjellel meghatározott értékben vagy változó értéken kívánunk tartani. A szabályzott jellemző a szabályzott szakasz kimenőjele. Xm – módosított jellemző – a szabályzott berendezésnek az a jellemzője, melyet a szabályzó berendezés közvetlenül befolyásol a szabályozási feladat teljesítése végett Xz – zavaró jellemző – szabályzott berendezésre ható – az irányítástól független – olyan jellemző, mely a szabályzott jellemző értékét nem kívánt módon befolyásolja


7



Szabályozók osztályozása Szabályzott jellemző szerint: hőmérséklet-, nedvesség-, nyomás-, térfogatáram-, szintszabályozók. Szabályzó működéséhez szükséges energia szerint: segédenergia nélküli ( a működéshez az energiát a szabályozott szakaszból használják) illetve elektromos-, pneumatikus (sűrített levegős), elektro-pneumatikus, esetleg elektro-hidraulikus (folyadékos) energiával üzemelők. Az alkalmazás célja szerint: valamely

folyamat

fenntartáshoz

szükséges

szabályozók

illetve

biztonsági

szabályozók. (Előzőek feladata a folyamat fenntartása meghatározott parancsolt érték mellett kézi beavatkozás nélkül, utóbbiak szerepe az üzembiztonság feltételeinek automatikus fenntartása.) Szabályzási mód szerint: szakaszos (kétpont, többpont) és folytonos működési szabályozókat. Utóbbiak lehetnek

arányos

P1,

integráló

I2,

arányos-integráló

PI3,

arányos-integráló-

differenciáló PID4 jellegűek. (Állandósult állapotra vonatkozó megállapítások.) Arányos szabályozó – P Egyensúlyi állapotban az x szabályzott mennyiség és az y szabályzómennyiség között rögzített (arányos) kapcsolat van. KR=∆y/∆x Emiatt, - bár a szabályozó a szabályzókör zavarait azonnal érzékeli - de a hatást nem tudja teljesen kiküszöbölni. Ez annál nagyobb, minél nagyobb az arányossági tartomány, melyet nem szűkíthetünk túl kicsire, mert akkor meg lengésekre lesz hajlamos, azaz ki-bekapcsolóként működne és nem folyamatosan! Azaz van maradó5 eltérés! Integráló szabályozó – I Az x szabályzott mennyiség változásának hatására az y szabályzómennyiség meghatározott sebességgel változik, amely annál nagyobb, minél nagyobb a szabályzott mennyiség eltérése a parancsolt xw értéktől. KIR * xw =dy/dx vagy írható y = KIR ∫ xw dt A korrekció csak lassan, bizonyos sebességgel megy végbe, de nem keletkeznek maradó szabályozási eltérések.

1

A termosztatikus radiátorszelep A szobatermosztátos hőmérsékletszabályozó 3 A motoros szelepes időjárásfüggő hőmérsékletszabályozó 4 A KÖGÁZ KHS nyomásszabályozói 5 A szabályozási tartományban bárhol egyensúlyba kerülhet, azaz nem pontos értékre áll be. 2


8



Arányos integráló szabályozó – PI Az arányos integráló szabályozók egyesítik a P és I szabályozók előnyeit, így a gyors

Előírt érték

P

∆xB

arányossági tartomány

beavatkozást és eltérések teljes kiküszöbölését.

I

∆xK

∆xK

PI ∆xK

Differenciáló szabályozó – az épületgépészetben* – önmagában nem fordul elő, de ismeretes az úgynevezett arányos-integráló-differenciáló PID szabályozó. Lényege egy határozott „elébevágás”, majd normál PI beállás: ∆ xB bemenő jel változása, előírt értéke ∆ xK kimenő jel változása

∆xK

PID

*Kivétel lehet egy tartály folyadékkal való feltöltése. A töltőszelep valamennyire nyit, a folyadékszint egyenletesen nő. Ha a kimenő jel állandósult állapotban egyenes, akkor lineárisnak nevezik a tag viselkedését.

Szabályzó szelepek Xp arányos szabályozási értéke Xp – az a helyiséghőmérséklet növekedés, amelynél a szelep teljesen lezár (ez nyomáskülönbségtől függő érték) Példa: - beállított 20 oC-os helyiséghőmérsékletnél a szelep valamennyire nyitott - 20 oC-os helyiséghőmérsékletnél a szelep teljesen lezár Xp diagram Kvs [m3/ó] Kv1

Alkalmazható tartomány: 0,5 – 4,0 oC - alatta beleng (instabil) - felette értelmetlen (túlfűt és túlhűl) Termosztatikus fűtőtestszelepeknél Xp = 2 oC 1oC Xp max – szelepemelkedéshez tartozó hőfokváltozás


9



Termosztatikus szelepek P szabályozó, változó tömegarányú, arányos segédenergia nélküli szabályozó, mely két fő részből áll, a „termosztátfejből” és a fojtó „szeleptestből”. A termosztát töltete: 1./ Gőz (például: bután) - a legpontosabb értéktartás (úgynevezett minimális hiszterézis) - gyors reakció („ingyenes hő” maximális hasznosítása) - reakció a membrántér leghidegebb pontja - nincs nyári letapadás, kíváló 2./ Folyadék - jó értéktartás (kis hiszterézis) - gyors reakció („ingyenes hő” maximális hasznosítása) - reakció a membrántér átlaghőmérséklete szerint - jó értékelésű 3./ Viasz/plasztik - pontatlan értéktartás (nagy hiszterézis) - lassú reakció („ingyenes hő” maximális hasznosítása) A termosztát érzékelő: szelepre szerelt, távérzékelős, távbeállítású, vandálbiztos stb. A szeleptest: -

gyárilag kalibrált változtatható előbeállítású cserélhető betétes előbeállításhoz kis vagy nagy ellenállású stb.

Xa – alapjel – a szabályzott jellemző kívánt értékét az alapértéket képviseli, termosztát töltet Xv – vezetőjel – amit a kezelő beállít, termosztátfej eltekerése Xe – ellenőrző jel – a termosztát töltet térfogatváltozása Xr – rendelkező jel – a termosztát töltet térfogatváltozása Xb – beavatkozó jel – a termosztát töltet térfogatváltozása Xh – végrehajtó jel – a termosztát töltet térfogatváltozása XA – alapérték – a szabályzott jellemzőnek az előírt értéke, melyet annak a szabályozás révén kell elérnie, gyári konstrukciós beállítástól és töltettől függ Xs – szabályzott jellemző – a szabályozás révén az alapjellel meghatározott értékben vagy változó értéken kívánunk tartani, helyiséghőfok. A szabályzott jellemző a szabályzott szakasz kimenőjele. Xm – módosított jellemző – a szabályzott berendezésnek az a jellemzője, melyet a szabályzó berendezés közvetlenül befolyásol a szabályozási feladat teljesítése végett, vízmennyiség átfolyása időegység alatt (változó tömegáram) Xz – zavaró jellemző – szabályzott berendezésre ható – az irányítástól független – például a külső hőmérséklet, szélerősség, napsütés változása


10



Szelephiszterézis Minden érzékelő hőmérséklethez tartozik egy bizonyos szelepbeállítás. Emelkedő érzékelő hőmérsékletnél a szelep zár, csökkenő hőmérsékletnél pedig nyit. A zárási és nyitási jelleggörbék között a tömszelence súrlódás következtében egy csekély hőmérsékletkülönbség jön létre (hiszterézis), a példában 1K (1 OC). Hiszterézis

1

Nyitási jelleggörbe

0,75 0,05 Zárási jelleggörbe

0,25 0 19

20

21

22

O

C

A függőlegesen a fűtőteljesítmény van feltüntetve nyitott (1) és zárt (0) szelepállás mellett. Az arányossági tartomány a példában 2K (2 OC).

Arányossági tartomány Xp

A fűtőtest hőteljesítménye A gyakorlatban közömbös a termosztatikus radiátorszelep tényleges viselkedése, a lényeg a fűtőtest teljesítménye. A fűtőtest teljesítménye azonban nem arányos a tömegárammal vagy a szelepemelkedéssel, hanem a fűtőtest jelleggörbéjétől függ. A tömegáram és a szelepemelkedés közötti összefüggést a szelep jelleggörbe és a szelepautoritás adja meg, azaz a nyitott szelep nyomásvesztesége a csőhálózatrész teljes nyomásveszteségéhez képest. 0%

10%

25%

50%

1,25

Külső energiarész

1 A ∆p = változó

0,75 0,05

A = méretezési pont

0,25 0 19

20

21

22

O

C

Látható, hogy 1K (1OC) hőmérsékletnövekedés hatása – külső energiarész – akár 60-80%

∆p = állandó

fűtőteljesítmény-csökkenést eredményez. A szabályozási jelleggörbék javítása miatt ajánlott a

szelepen

eső

konstans

(állandó)

nyomásveszteség! Építőipari, Faipari Szakképző iskola és Kollégium; Kaposvár Cseri út 6.

11



Szelepautoritás Szelepautoritás – szabályozhatóság (megmutatja a szelep és a szabályozott szakasz nyomásviszonyát). ∆p szelep A R

B

Számítási mód: ∆p szelep

Autoritás (a) = ∆p szelep

+

∆p AB szabályozott szakasz

A szabályozás kielégítő, ha a = 0,3 – 0,7 között van.

FIGYELEM! A szelep emelkedése nem egyenes arányos a helyiséghőmérséklet változásával! A szelep emelkedése (nyitása) által az átáramló tömegáram nő, majd nő a fűtőtest hőleadása, de nem egyenes arányban. Ugyanis az átfolyó tömegáram csak a vízmennyiséget növeli, igaz „több” hőmennyiség is jut a hőleadóba (Q = m c ∆t), de a hőátbocsátás (Q = A k ∆t) „fűti” fel a helyiséget.

Szabályzó szelepek jellemzői Névleges nyomás - PN Maximális megengedett nyomáskülönbség – ∆p max Névleges átmérő – DN (NÁ) Kv, Kvs érték [m3/h] Zárási áteresztés Szeleptényező - autoritás Átfolyási jelleggörbék: -

Lineáris jelleggörbéjű szelepeknél vízáteresztés arányos a szelepemelkedéssel

-

Egyenlőszázalékos jelleggörbéjű szelepeknél a szelepemelkedés százalékos változásához azonos százalékos Kv érték változás tartozik


12



Ahol minden helyiségben fűtőtest termosztát van felszerelve (kivéve ott, ahol a kazánt működtető helyiségtermosztát található), a felhasználó energiát és pénzt takarít meg. A megtérülési idő rövid és mindegyik helyiség komfortossá válik. A termofejek kivitele lehet beépített érzékelős, távérzékelős (amikor az érzékelő és a radiátorszelep egy bizonyos távolságra található és egy kapilláris cső viszi a jelet), vandálbiztos (és lopás elleni védelemmel ellátott), korlátozható vagy rögzíthető beállítással. A beépített érzékelőt mindig úgy kell elhelyezni, hogy a szoba levegője szabadon tudjon áramolni körülötte. Az érzékelőt vízszintesen kell felszerelni, hogy a szelep körüli levegőt ne melegítsék a fűtőcsövek. Távérzékelős termosztátot célszerű beépíteni az alábbi esetekben: - ha az érzékelő fülkében van elhelyezve, - ha az érzékelő parapet alatt van elhelyezve, ahol a távolság az ablakkeret és a fűtőtest között kisebb, mint 10 cm, és az ablak parapet maga 22 cm-nél szélesebb, - ha a fűtőtest termosztátot függőlegesen lehet felszerelni - ha a fűtőtest bevezetés közepe és a fűtőtest legtávolabbi élei közötti távolság > 8 cm, - ha a termofejet függöny takarja el. A radiátor szelepekre csatlakoztatható termosztatikus fejek is többféle kivitelben kerültek forgalomba. Kiválasztásánál először is figyelembe kell venni az alkalmazás helyének hőmérséklet határait, mely például egy lakásban általában 6-29 oC, egy uszodában, gyógyfürdőkben 15-35 oC között mozog. Mindkét hőmérsékleti tartományra találhatunk megfelelő termosztatikus fejet. A modernebbek között megtalálhatjuk a digitális kivitelűt, mely között még mindig választhatunk, hogy a napi, vagy a heti programmal szeretnénk. Ez utóbbinál a kívánt hőmérséklet a hét napjára külön-külön beállítható. Általában a hétvégék más napirend szerint zajlanak, így a heti programos kivitel automatikusan követi a hétvégére beállított helyiség-hőmérsékleteket. Természetesen a digitális kivitelű termofej elektromos áramról kapja a tápot. Mindegyik modell rendelkezik fagyvédelemmel. A hollandi anyás kötés egyszerű, de erős csatlakozást biztosít az érzékelőfej és a szeleptest között. Most nézzük a radiátor visszatérő oldalát. Visszatérő elzáró szelepet minden esetben célszerű beépíteni. Ennek két oka lehet, melyből az egyik a karbantartást, javítást segíti. (Ha csak ez lenne a probléma, akkor elegendő lenne egy golyóscsap felszerelése.) A másik ok sokkal fontosabb szerepet tölt be, mégpedig a beszabályozásét. Sok helyen tapasztaljuk, hogy a hőtermelőtől távolabb eső radiátorokhoz nem jut el a megfelelő hőmennyiség, pedig jól vannak leméretezve. Ilyen esetben segít a visszatérő elzáró, mely szabályozás céljára is alkalmas. Általában egy menetes zárókupak alatt, imbusz-kulccsal állítható be a megfelelő fojtás. Be kell állítani, hogy az egyes radiátorokon közel ugyanannyi legyen a nyomásesés, illetve a térfogatáram. A beszabályozás egy kicsit hosszabb folyamat, de a tökéletes beüzemeléshez hozzátartozik. Ha a hőtermelőnk a helyiség-termosztát hatására lép üzembe, vagy áll le, akkor a szobatermosztáttal ellátott helyiségbe tilos felszerelni termosztátfejes radiátorszelepet. Ha mégis beépítésre került, egyszerű a dolgunk, mivel a termofej a radiátor szelepről leszerelhető. (Ha pl. ugyan abban a helyiségben a helyiségtermosztát hőt kér a hőtermelőtől, de a termofejen beállított hőfok jóval alacsonyabb, akkor a készülékben előállított hő olyan helyre fog áramolni, ahol szabad az útja és nem pedig a termosztát által kért helyiségbe.) A helyiség-termosztátok lehetnek félautomatikus és automatikus kivitelűek. A programszabályzók feladata a hőtermelők működésének meghatározott program (idő, hőmérséklet) szerinti szabályozása. A félautomatikus esetén kézzel állítjuk be, a kikapcsolás automatikus.


13



Szelep K v és K v s érték - lineáris és egyenlőszázalékos szelep Kv – az a térfogatáram [m3/óra], amely adott szelepállás esetén 1 bar nyomáskülönbség hatására átfolyik a szelepen. (Szelepállandónak is nevezik.) Kvs – az a térfogatáram [m3/óra], amely teljesen nyitott szelepállás esetén 1 bar nyomáskülönbség hatására átfolyik a szelepen. (Szelepállandó teljesen nyitott helyzetben.) Például a termosztatikus radiátorszelepek átfolyását közel 0, 1 bar értékre kell tervezni, illetve vizsgálni. A szakmai gyakorlatban 1 bar értéket szerepeltetik a diagramokban a gyártók, erre az értékre számolják át. Kvs

Számítási mód: Q [m3/óra]

kv [m3/óra] =

Kv %

√ ∆p [bar]

100 % Lineáris szelep minden szelepállásban azonos szelepemelkedéshez azonos átáramló közegmennyiség-változás tartozik.

100%

A szelepek átfolyási jelleggörbéi csak abban az

rendszer ellenállásának döntő hányada. Általában

esetben használhatók, ha a szelepellenállás a

25%

50%

azonban

a

csőrendszer

ellenállása

számottevő.

ellenállása

annál

és A

jobban

a

hőfogyasztó

rendszer

összes

eltér

szelep

a

jelleggörbéjétől, minél kisebb rész adódik a

0%

szelepellenállásából. Így aztán belátható, hogy az átfolyó vízmennyiség és a szelepemelkedés között 0%

25%

Lineáris

50%

75%

100%

Egyenlőszázalékos

távolról sincs egyenes (lineáris) összefüggés. Hőcserélőknél

és

hőleadóknál

egyenlőszázalékos

szelep

közelíthet

az a

teljes

szelepemelkedési tartományban a linearitáshoz. Mivel a hőcserélő, hőleadó (radiátor), mint energiatároló jelleggörbéje a √x függvény alakú, ezért „egyenlőszázalékos” szelepet választva, mely másodfokú parabola alakú a*x2 - így az

térfogatáram

szelep

hőmennyiség

hőcserélő

átfolyás

együttes hatás, mint szabályozott szakasz jelleggörbéje közelít a lineárishoz. hőmennyiség

.

75%

Egyenlőszázalékos szelep az átáramló közegmennyiség változása azonos százalékú

szelepemelkedés


hőcserélő + szelep

szelepemelkedés 14



Háromjáratú szelepek Keverőszelep elvi vázlata:

Elosztószelep elvi vázlata: Motor

Motor

AB

A

A

AB

B B

Beépítési példák: 1. Háromjáratú szelepek elosztóként beépítve, de keverő hatással, keverés a szelepen kívül: A kazánkörben változó tömegáram

A hálózatban állandó tömegáram

2. Háromjáratú szelepek elosztóként beépítve, elosztó hatással, keverés a szelepen kívül: A kazánkörben állandó tömegáram

A hálózatban változó tömegáram

3. Háromjáratú szelepek keverőként beépítve, keverő hatással, keverés a szelepen belül, nevezik hozzákeverés kapcsolásnak, illetve minőségi szabályozásnak is: A kazánkörben változó tömegáram


4. Háromjáratú szelepek keverőként beépítve, de elosztó hatással, keverés a szelepen belül, nevezik mennyiségi szabályozásnak vagy elterelő kapcsolásnak is: A kazánkörben állandó tömegáram

A hálózatban változó tömegáram

5. Háromjáratú szelepek keverőként beépítve, de elosztó + keverő hatással, keverés a szelepen belül és kívül, nevezik befecskendező kapcsolásnak is: A kazánkörben állandó tömegáram



15



Fűtésszabályozás Az épületet érő hatások:

Hőveszteség -

Hőnyereség

Külső hőfok Szél Hővezetés talajba Légcsere stb.

-

Napsugárzás Világítás Főzés, fürdés Emberi hő stb.

Cél: hőegyensúly fenntartása, a kívánt helyiséghőmérséklet biztosítása mellett, miközben az épületet érő hatások folyamatosan változnak. Az egyensúly a fűtés szabályozásával

Q veszteség = Q nyereség + Q fűtés

tudjuk biztosítani!

Szabályozás elve: Végrehajtó jellemző (Y)

Xw

R

Alapjel

Végrehajtó jel Y' (Y)

Xa

Végrehajtó (motor) és Beavatkozó tag (szelep)

Ellenőrző jel / Pillanatnyi, mért jellemző T

O

C Érzékelő Xe

Helyiség

Hőleadó

Vezető jellemző

A szabályozott jellemző a helyiség levegő hőmérséklete - T [OC] A szabályzó jellemző a hőleadóba áramló fűtővíz mennyisége - m [kg/h] A mért jellemző a helyiség levegőjének pillanatnyi hőfoka, ellenőrző jele - T [OC] Az alapjel a szabályzó parancsolt értéke - T [OC] -nek megfelelő például elektromos jel A vezető jellemző az alapjel elállítása az egyéni igényeknek megfelelően - T [OC] A szabályozóban (R) a mért és beállított értékek összehasonlítása, majd az összehasonlítás eredményének megfelelő parancs - végrehajtó jel - kiadása például elektromos jel formájában, ha szükséges átalakítva, illetve felerősítve a végrehajtóműnek. A fenti ábra csak a szabályozás elvét mutatja, a gyakorlatban talán a melegvizes fűtések távérzékelős termosztatikus szabályozó radiátorszelep hasonlít a legjobban a vázolt megoldáshoz. Egyébként teljesen így fogható fel egy kalorikus gőzfűtésű hőleadó szabályozása, vagy egy bojler vízhőfok szabályozása. Gőzfűtésű hőleadó szabályozása

Bojler vízhőfok szabályozása

HMV

Xe

Xe


HV

16



Hőmérsékletszabályozás Lényegét tekintve lehet: A./ Minőségi szabályozás - az előremenő és visszatérő hőfoklépcsőjének változtatásával (t e – t v) B./ Mennyiségi szabályozás - a víz tömegáramának változtatásával, például fojtással (m’) A fentiek egy átlagos fűtési rendszerben megvalósulhatnak: 1./ Központilag - a hőtermelőnél, például a kazánnál minőségi szabályozással. Ekkor a kazán termosztát a parancsolt érték elérésekor lekapcsolja a kazánt. Ez a kazán oldalon tulajdonképpen úgynevezett „két pont”, illetve „ki-bekapcsolásos” szabályozás. A nagyobb kazánoknál már „három pont”, azaz „kisláng - nagy láng” szabályozás valósul meg. Még előnyösebb a „modulációs égőüzem”, ahol általában 40 és 100 % között folyamatosan a láng nagyságának állításával szabályoz. (Kaszkádszabályozás: kazánok ki-be kapcsolása.) 2./ Helyileg - a hőleadóknál, például a radiátornál mennyiségi szabályozással. Ekkor a radiátorszelep kézi fojtással kevesebb melegvizet enged a radiátorba. Jobb megoldás a termosztatikus radiátorszelep, mely nem igényel emberi beavatkozást, de ráadásul energia megtakarítását teszi lehetővé. 3./ Kombinált - a kazánnál központilag minőségi, a radiátoroknál helyi mennyiségi szabályozással. Időjárástól és napszaktól illetve életmódtól függő „modulációs égőüzem”, folyamatosan a lángszabályozással, de még a radiátoroknál termosztatikus radiátorszelep.

Az időjárást követő fűtésszabályozó A külső hőmérséklet, napsugárzás, széljárás függvényében szabályozza a fűtési melegvíz az előremenő és visszatérő - hőmérsékletét illetve hőfokkülönbségét. Például központilag a visszatérő lehűlt vizéből keveri a szükséges mennyiséget az előremenőbe épített háromjáratú keverőszeleppel. (Hőmérséklet-szabályozás!) Az értéktartó szabályozó A használati melegvíz hőmérsékletének állandó értéken tartására alkalmas, azaz hőcserélő esetén - közvetett üzemnél - annyi primer vizet enged a melegvíztermelőbe, amennyi biztosítja ezt, illetve közvetlen üzemnél annyi ideig működteti a lángot, amíg ez szükséges. Például

a

visszatérőbe

szerelt

háromjáratú

szeleppel.

(Tömegáram-szabályozás!)


17



Példa szobatermosztátos szabályozásra: A szobatermosztát hőmérséklet érzékelője méri a helyiség hőmérsékletét a mérőjelet egy kazánautomatika szabályozónak adja. Ez a

szabályozó

„vezérli”

a

kazánégő

működését, azaz ki-be kapcsolja azt. Jobb, ha tud kis és nagy lángot is állítani, mely azonban drágább kazánt illetve égőrendszert kíván meg. Elvi vázlat

Példa időjárás követő szabályozásra: A

külső

hőmérséklet

előremenő

érzékelője

hőmérséklet

és

az

érzékelője

a

mérőjelet egy követő szabályozónak adja. Minden külső hőmérséklethez hozzá van rendelve egy előremenő-hőmérséklet. Ez a szabályozó

„vezérli”

a

keverőszelep

működését, azaz több vagy kevesebb lehűlt vizet kever hozzá az előremenőhöz. Jobb, ha érzékeli a helyiséghőmérsékletet is, és ennek megfelelően korrigálja a szelepállást.

Elvi vázlat

Példa négyjáratú szelepes szabályozásra: A külső hőmérséklet érzékelője és az előremenő hőmérséklet érzékelője a mérőjelet egy követő szabályozónak hőmérséklethez

adja. hozzá

előremenő-hőmérséklet.

Minden van

rendelve

Ez

a

külső egy

szabályozó

„vezérli” a keverőszelep működését, azaz lehűlt vizet

kever

hozzá

az

előremenőhöz.

Csúcsteljesítménynél (például indulási felfűtés) megakadályozza, hogy a kazán visszatérő vize Elvi vázlat

egy beállított érték alá csökkenjen. (Nem kondenzációs kazán!)


18



Példa padlófűtés szabályozásra: A külső hőmérséklet érzékelője és az előremenő hőmérséklet érzékelője a mérőjelet egy követő szabályozónak hőmérséklethez

adja. hozzá

előremenő-hőmérséklet.

Minden

külső

van

rendelve

Ez

a

egy

szabályozó

„vezérli” a keverőszelep működését, azaz több vagy kevesebb lehűlt vizet kever hozzá az előremenőhöz, mely egy hőcserélőre köt. A második érzékelő egy biztonsági termosztát, mely a padlófűtési hőmérséklet nem kívánatos megemelkedése esetén zárja a szelepet. A padlófűtés nagy tehetetlenségű szabályozott szakasz, így csak PID szabályozás ad megfelelő

Elvi vázlat

eredményt! Termosztátszelepek alkalmazásának problémái: A termosztátszelep segédenergia nélküli arányos, Szelepfojtás

úgynevezett tömegáramot

Nyitott szelep

P

szabályozó,

eredményez,

-

amely egy

változó eredetileg

∆p

állandó tömegáramú rendszerben is. Probléma főleg akkor lép fel, amikor a szelepek sorban kezdenek fojtani, illetve lezárni. Egyre kevesebb víz áramlik a rendszerben és egyre jobban nő az

Vízszállítás

ellenállás (∆p), lásd a szivattyú jelleggörbét! A

Vízszállítás nyitott szelep

szelepek zajosak, bizonytalan lesz a működésük! Jó

megoldás,

ha

frenkvenciaváltós

és

nyomáskülönbség-érzékelős illetve szabályozós szivattyút szerelünk. Ekkor vizszintes szivattyú jelleggörbét kapunk, a szelepre nem hat lényeges nyomásnövekedés. Mégjobb, ha negatív jelleggörbéjű szivattyúszabályozást

alkalmazunk,

bár

ez

sokkal

drágább, csak nagyobb teljesítménynél kifizetődő!


19



Egy és kétcsöves fűtések kialakításai (példák) Kétcsöves

fűtés,

az

osztó-

gyűjtőről

párhuzamosan kötnek le a hőleadók. Minden radiátor egy kör, körülbelül azonos hidraulikai viszonyok

között

üzemelnek,

felületük

kiegyensúlyozott, a csőméretek azonosak, de sok a cső.

Kétcsöves fűtés, a hőleadók hagyományosan egy

felszállóról

(strangról)

kötnek,

a

végpontok felé T leágazásokkal és egyre kisebb méretű csövekkel szerelten. Vannak előnyös és kedvezőtlenebb helyű radiátorok, de ránézésre nehéz ennek megállapítása.

Falszegélyben

szerelt

hagyományos

kétcsöves fűtés, T leágazásokkal és a végpont felé egyre kisebb mérettel. Az utolsó radiátor van a legkedvezőtlenebb helyzetben, míg az első sokkal nagyobb nyomást kaphat. A Tichelmann kötés egyforma helyzetbe hozza a radiátorokat. Falszegélyben hidraulikailag

szerelt nincs

egycsöves kitüntetett

fűtés,

helyzetű

hőleadó, de egyre langyosabb vizet kapnak a hátrébb lévő radiátorok, így fűtőfelületük egyre nagyobb. Célszerűbb két körre bontani!

Kétcsöves szelep

Egycsöves szelep (a = 0,5; ω = 0,3)


20



Fűtési rendszerek méretezése Egycsöves fűtés

Azonos hőigény mindegyik radiátoron (Q = 1500 W) Összes hőigény Σ 6000 W, mert 4 * 1500 W = 6000 W Radiátor hőfokesés 80 / 60 oC hőfoklépcső mellett TN = 5 oC, mert 20 oC / 4 db = 5 oC A szelep beömlési tényezője ω = 0, 3 (gyártóműi adat prospektusból) A térfogatáram V = 0,265 m3/ó, mert Q * 3600 / c * ∆t * ρ = (6000 W * 3600) / (4196 * 20 * 970) = 0,265 m3/ó tR1* Vössz * ω + tF1* Vössz*(1-ω) = tF2 * Vössz tR1 * 265 * 0,3 + 80 * 265 * 0,7 = 75 * 265 → 63,3 oC k = [{(tF + tR) / 2} – ti / (tE + tV) / 2 – ti]-1,3 = k = [{(80 + 63,3) / 2} - 20 / (80 + 60) / 2 - 20] -1,3 = 0,89 m3/ó 0,89 m3/ó-hoz radiátort választunk, mégpedig 0,89 m3/ó * 1500 W = 1335 W ! Szelepek méretezése 0,3 * 0,265 m3/ó = 0,0795 m3/ó ∆p = 0,2 bar > ∆pN = 0,2 bar / 4 db = 0,05 bar kV = V / √∆p = 0,0795 / √0,05 = 0,36 m3/ó → táblázatból RTD-KE 15 szelepet választunk, mert a prospektus szerint kV = 2,5 m3/ó, ∆pMAX = 0,1 bar, maximális fűtőtest hányad 30% Kétcsöves fűtés

Azonos hőmérsékletesés (∆t = 20 oC) mindegyik radiátoron, azonos hőigény (Q = 1500 W) Szelepek méretezése A térfogatáram V = 0,066 m3/ó, mert Q * 1500 / c * ∆t * ρ = (1500 W * 3600) / (4196 * 20 * 970) = 0,066 m3/ó kV = V / √∆p = 0,066 / √0,2 = 0,15 m3/ó → táblázatból RTD-K ½” szelepet választunk, mert a prospektus szerint kV = 0,17 m3/ó, ∆pMAX = 0,2 bar, előbeállítás 4-es és még nem is zajos a szelep. 4

zajos

0,2 bar 0,17 m3/ó


21



Fűtési jelleggörbék: 80/60 oC hagyományos radiátoros fűtési rendszer 70/55 oC alacsony hőmérsékletű radiátoros fűtési rendszer

40/30 oC kondenzációs fűtési rendszer

50/45 oC hagyományos padlófűtési rendszer 80oC 70oC

Fokozott maximális, fűtésterhelés

60oC

Téli fűtés

FF

50oC

Átmeneti idő (tavaszi – őszi)

40oC Már nincs fűtés

30oC 20oC +20oC +14oC+12oC

0oC

-11oC

A minőségi szabályozás lényege, hogy a külső hőmérséklet függvényében változtatják az előremenő és a visszatérő vizének hőmérsékletét, a hőleadóban létrejövő hőmérsékletesést, azaz a hőfoklépcsőt! (Te – Tv) További szabályozási lehetőség, hogy a sajátosságok figyelembevételével lehet változtatni ugyanazon fűtési rendszeren belül a hőfokgörbék (Te és Tv) meredekségét, de lehet lefelé vagy felfelé „elcsúsztatni”, azaz süllyeszteni vagy emelni a hőfokgörbét. Például fűtési jelleggörbe meredekségének „emelése” azt eredményezi, hogy a teljes fűtési szezonban fokozott a fűtés teljesítménye, - feltéve, ha a kazán képes erre. Ha sokallják a fűtési számlát, vagy túlméretezettek a hőleadók, akkor kisebb meredekséget kell beállítani! De könnyűszerkezetes épület lapradiátoros fűtésénél is meredekebb állítás szükséges, míg vastagabb falú és nagy hőtehetelenségű épület nagyvíztartalmú radiátorokkal alacsonyabb görbéjű! Például fázósak napközben, akkor párhuzamosan elcsúsztatva emelni kell a hőmérsékletet a szabályzón. Ha éjszaka azonban hűvösebb levegőt szeretnek, akkor csökkenteni, azaz süllyeszteni kell! Ezt egy programkapcsoló naponta többször is automatikusan állíthatja.

Fentieket lehet kombinálni is! Különösen jól lehet olyan eseteket programozni előre, ha valakik nem egyformán kevésbé fázósak a hidegebb, de szárazabb időben, amikor süt a nap és szélcsendes az időjárás, de jobban fáznak a kevésbé hideg, ám nyirkosabb és párás időben, amikor ugyanis nagyobb lehet még a szélsebesség is, azaz jobban hűl az épület. Az épülethez és lakóihoz igazítható az intelligens fűtési szabályozó!


22



Hőleadók hőátadási viszonyai A fűtőtestbe érkező hőáram (időegység alatt érkező hőmennyiség) függ a melegvíz mennyiségétől, hőkapacitásától és a hőfoklépcsőtől. Ez a hőáram tud majd a radiátor falán a helyiség felé átadódni. Az, hogy konkrétan ez hogyan valósul meg – a hőátbocsátás alapképletével fejezzük ki.

Q =m c (t e Levegő – t v) A fűtőtestbe érkező és átadható hőáram mct e Q =m k ∆t köz mct v

Jelmagyarázat:

A fűtőtest hőátbocsátása

m = víz tömegárama (kg/óra) ~ térfogatárama (liter/óra) c = víz hőkapacitása (kJ/kgK) t e = víz előremenő vízhőfoka (K) t v = víz visszatérő vízhőfoka (K) Q = víz hőárama (kJ/óra) (watt) A = a fűtőtest fűtőfelülete (m2) k = hőátbocsátási tényező (w/m2K)

Egy konkrét – adott – hőleadónál állandó -

a fűtőfelület (A)

-

az anyag és szerkezet (k)

-

a víz hőkapacítása (c)

Egy konkrét – adott – hőleadónál változhat -

az előremenő és visszatérő hőfoklépcsője minőségi szabályozás (t e – t v)

-

a víz tömegárama, például fojtással mennyiségi szabályozás (m)

-

a fűtendő helyiség hőmérséklete (K)

Ez utóbbi azért fontos, mert ugyanazon fűtőtest nem azonos mennyiségű hőt tud leadni egy 16 oC-os előszobában, mint egy 20 oC-os szobában, vagy éppen egy 24 oC-os fürdőben.


23

I R Á N Y Í T Á S T E C H N I K A

Recommend Documents