Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta
Monitorovací systém tepelného čerpadla Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Autor práce:
Dr. Ing. Radovan Kukla
Tomáš Vencálek
Brno 2013
Vynechaná stránka pro zadání BP.
Chtěl bych poděkovat všem, kteří mě při tvorbě bakalářské práce podporovali – své rodině, své přítelkyni, spoluţákům a přátelům. Děkuji mému vedoucímu Dr. Ing. Radovanu Kuklovi, ţe byl vţdy trpělivý a ochotný pomoci nebo poradit.
Prohlašuji, ţe jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, na svojí vlastní zodpovědnost a pouţil jsem pouze zdroje, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. V Brně dne 13. května 2013
__________________
Abstract Vencálek T. Monitoring system heat pump. Bachelor thesis. Brno: Mendel university in Brno, 2013. This thesis deals with the monitoring system of the heat pump. The aim is to familiarize the reader with the physical principle of the device and its types, the possibilities of measuring of variables which are related to the ongoing storyline inside, and with the development environments that are suitable for this problem. The practical outcome of this work is the creation of technical data processing applications that will be deployed in the real field. Keywords Heat pump, monitoring, control web, ADAM, automation.
Abstrakt Vencálek T. Monitorovací systém tepelného čerpadla. Bakalářská práce. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 2013. Bakalářská práce se zabývá návrhem monitorovacího systému tepelného čerpadla. Cílem práce je seznámit čtenáře s fyzikálním principem zařízení a jeho typy, moţnostmi měření veličin souvisejících s ději probíhajícími uvnitř, a s vývojovými prostředími, která jsou pro tuto problematiku vhodná. Praktickým výstupem práce je tvorba aplikace zpracovávající technická data, jeţ bude nasazena ve skutečném provozu. Klíčová slova Tepelné čerpadlo, monitoring, Control web, ADAM, automatizace.
Obsah
6
Obsah 1
2
Úvod a cíl práce
11
1.1
Úvod ................................................................................................................. 11
1.2
Cíl práce ........................................................................................................... 11
Teoretická část
12
2.1
Krátký historický úvod .................................................................................. 12
2.2
Princip tepelného čerpadla ........................................................................... 13
2.2.1
Obecný princip tepelného čerpadla .................................................... 13
2.2.2
První termodynamický zákon .............................................................. 14
2.2.3
Druhý termodynamický zákon ............................................................ 14
2.2.4
Carnotův cyklus ..................................................................................... 14
2.2.5
Rankinův cyklus..................................................................................... 17
2.3
Druhy tepelných čerpadel ............................................................................. 18
2.3.1
Tepelné čerpadlo země-voda ............................................................... 18
2.3.2
Tepelné čerpadlo voda-voda ................................................................ 18
2.3.3
Tepelné čerpadlo vzduch-voda ............................................................ 19
2.4
Technika průmyslových měřicích prvků..................................................... 21
2.4.1
Čidla tlaku............................................................................................... 21
2.4.2
Čidla teploty ........................................................................................... 22
2.4.3
Čidla průtoku ......................................................................................... 23
2.4.4
Senzory pro měření vlhkosti ................................................................ 25
2.4.5
Vstupně/výstupní programový modul ADAM .................................. 26
3
Metodika práce
27
4
Praktická část
29
4.1
Analýza strojního vybavení laboratorní měřicí trati ................................. 29
4.1.1
Primární okruh ......................................................................................30
4.1.2
Sekundární okruh ..................................................................................30
4.1.3
Elektroinstalace .....................................................................................30
Obsah
7
4.2
Návrh systému měření ..................................................................................30
4.2.1
Stanovení měřených veličin ................................................................. 31
4.2.2
Volba a rozmístění senzorů .................................................................. 31
4.2.3
Systematika sběru dat ........................................................................... 33
4.3
4.3.1
Implementační postup.......................................................................... 35
4.3.2
Popis uţivatelského rozhraní ............................................................... 36
4.4
Vlastní řešení problematických úseků ........................................................ 39
4.4.1
Hodnoty snímané pomocí proudu ...................................................... 39
4.4.2
Veličiny snímané pomocí pulzů...........................................................40
4.4.3
Paměť počtu pulzů ................................................................................. 41
4.5 5
Návrh aplikace ................................................................................................ 35
Aplikace v reálném provozu ......................................................................... 41
Závěr
43
5.1
Zhodnocení řešení.......................................................................................... 43
5.2
Moţnosti do budoucna .................................................................................. 43
6
Literatura
44
A
Rankinův cyklus
47
B
Obrázkové přílohy
48
C
Tabulkové přílohy
55
Seznam obrázků
8
Seznam obrázků Obr. 1
Schéma obecného principu tepelného čerpadla
14
Obr. 2
Carnotův cyklus, diagram teplota-entropie
15
Obr. 3
Průběh teplot ve výparníku
16
Obr. 4
Průběh teplot v kondenzátoru
17
Obr. 5 Schéma tepelného čerpadla země-voda s plošným kolektorem
18
Obr. 6 Schéma tepelného čerpadla voda-voda s hlubinným vrtem
19
Obr. 7
Základní schéma tepelného čerpadla vzduch-voda
20
Obr. 8
Schéma uspořádání tlakoměrné buňky
22
Obr. 9
Schéma zapojení tenzometrů
22
Obr. 10
Schéma měřicího obvodu termoelektrického článku
23
Obr. 11
Blokové schéma teploměru s číslicovým výstupem
23
Obr. 12
Lopatkový průtokoměr – princip
24
Obr. 13
Princip průtokoměru s oválnými ozubenými koly
25
Obr. 14
Ilustrační kondenzátor pro měření vlhkosti
26
Obr. 15
Teploměr a vlhkoměr
26
Obr. 16
Zařízení tepelného čerpadla v laboratoři
29
Obr. 17
Rozmístění snímačů v systému tepelného čerpadla
32
Obr. 18
Finální vzhled hlavního panelu aplikace
38
Obr. 19
Vzhled druhého panelu aplikace
39
Obr. 20 T-S diagram tepelného čerpadla, obecné schéma tepelného čerpadla a P-I diagram
47
Seznam obrázků
9
Obr. 21 Vývoj počtu nainstalovaných tepelných čerpadel v letech 1990-2011
48
Obr. 22
Zařízení tepelného čerpadla z jiného pohledu
49
Obr. 23
Zaměření na primární okruh tepelného čerpadla
50
Obr. 24
Detail primárního okruhu z jiného pohledu
51
Obr. 25
Elektrická instalace uvnitř rozvodné skříně
52
Obr. 26
Ovládací panel na dveřích rozvodné skříně
53
Obr. 27
Zachycení prodlevy mezi pulzy
53
Obr. 28
Detailní pohled na elektrický impulz
54
Seznam tabulek
10
Seznam tabulek Tab. 1
Měřené veličiny včetně jejich popisu a jednotek
31
Tab. 2
Tabulka rozsahu jednotlivých stupnic
40
Tab. 3
Technické specifikace modulu ADAM 419+
55
Tab. 4
Tabulka komponent tvořících tepelné čerpadlo
56
Tab. 5 Sledované veličiny, jejich jednotky, použité snímače a časování archivace
57
Úvod a cíl práce
11
1 Úvod a cíl práce 1.1
Úvod
Jiţ od pravěku vyuţívá člověk jako nejjednodušší zdroj tepla oheň, se kterým některé domácnosti vytápí dodnes. Bohuţel při spalování vzniká mnoho odpadu a dochází ke znečištění ovzduší, proto člověk hledá alternativní zdroje energie, které nezatěţují přírodu. Jedním takovým zdrojem je nízkopotencionální energie, které jsou kolem nás nevyčerpatelné zásoby . Z tohoto zdroje energie, mezi které patří studená voda, vzduch a zemský povrch, můţeme získat energii za pomoci zařízení nazývaného tepelné čerpadlo. Roku 1852 formuloval William Thomson princip tepelného čerpadla, který je zaloţen na rozdílné teplotě změny skupenství látky při různém tlaku. Počátkem 20. let 20. století se tepelná čerpadla začala rozšiřovat i do domácností. Největší boom tepelná čerpadla zaznamenala v 80. letech 20. století díky růstu cen energií, coţ znamenalo kratší návratnost investice, a také klesali pořizovací náklady. Tento trend pokračuje do dnešní doby, kdy je moderní vyuţívat ekologickou energii. Tuto strategii podporuje vláda různými dotacemi, které mají zvýšit počet těchto systémů. (Ţeravík, 2003) Při provozu takto sloţitého stroje vzniká potřeba sledování stavů v závislosti na měnících se podmínkách a čase. Monitoringem a analýzou těchto dat získáváme informace vyuţívané pro regulaci a řízení provozu. Získaná data mohou být dále prezentována nebo vyuţita k výpočtu rovnic a vzorců, jejichţ výsledkem je číselné vyjádření zajímavých údajů. V dnešní době počítačů, se kterými přicházíme denně do styku, jsou tyto integrované polovodičové obvody vyuţívány k řízení nejrůznějších přístrojů. Pomocí mikroprocesorových součástek vznikají automatické systémy schopné vykonávat naprogramované úkoly. Díky automatizaci bude umoţněno provádění i zdlouhavých měření.
1.2 Cíl práce Cílem této práce je vytvořit aplikaci umoţňující monitoring provozu soustavy tepelného čerpadla, archivaci technologických dat a vzdálené manuální ovládání. Program bude slouţit při výuce termomechanické problematiky např. v předmětu Základy fyzikální techniky. Pro zvládnutí úlohy je třeba nastudovat fyzikální princip tepelného čerpadla, technologii měřicích článků a vhodný software pro tvorbu programu.
Teoretická část
12
2 Teoretická část 2.1 Krátký historický úvod Roku 1824 publikoval S. N. L. Carnot dílo „Úvahy o hybné síle ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu", kde mimo jiné popsal svůj známý Carnotův cyklus, určitě netušil, co jeho dílo vyvolá. Na základě jeho prací roku 1852 formuloval William Thomson (lord William Kelvin) princip tepelného čerpadla, ale k jeho praktickému vyuţití ve 20. století vedla ještě velice dlouhá cesta. Za zmínku stojí J. Perkins, který v roce 1834 sestrojil zařízení pracující s dietyléterem, v roce 1859 vzniklo první zařízení na absorpčním principu pracující se čpavkem. Roku 1873 byl v Mnichově Karlem von Linde sestrojen první chladící stroj vyuţívající amoniak. První prakticky pouţitelný systém tepelného čerpadla byl uveden do prov ozu aţ v roce 1924 ve Švýcarsku. Jako chladivo byl pouţit kysličník uhličitý, tlaky v systému byly aţ 9 MPa. Většího rozšíření doznala chladicí zařízení po roce 1932, kdy začala americká firma Kinetic Chemicals Inc. vyrábět první freonová chladiva. V osmdesátých letech 20. století byl prokázán negativní vliv freonů na ozonovou vrstvu a vznikla potřeba nahradit pouţívaná chladiva modernějšími, ekologickými. Pro nízkou cenu energií se však tepelná čerpadla k vytápění nehodila, to se změnilo aţ s příchodem ropné krize a následnému zdraţování energií v osmé dekádě 20. století. (Ţeravík, 2003) Dalšího rozmachu se tepelné čerpadla dočkala na přelomu tisíciletí, kdy se začalo věnovat více pozornosti ekologii a získávání energie, z obnovitelných zdrojů. Tato politika díky dotacím, které dosahovaly aţ 1/3 pořizovací ceny tepelného čerpadla, nastartovala trend v růstu instalovaných čerpadel, který znázorňuje obrázek č. 21.
Teoretická část
13
2.2 Princip tepelného čerpadla V této podkapitole se dozvíme, na jakém principu je zaloţena funkčnost tepelného čerpadla. Také se seznámíme s různými typy interpretací od badatelů, kteří se touto problematikou zabý vali jiţ dříve. 2.2.1
Obecný princip tepelného čerpadla
Pracovní cyklus okruhu tepelného čerpadla znázorněný obrázkem č. 1. Na vstupní straně tepelného čerpadla, se nachází výměník tepla nazývaný výparník. Sem se pomocí vhodného teplonosného média přivádí nízkopotenciální teplo zvenku a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického expanzního ventilu (TEV) vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak ve výparníku za TEV je niţší a kapalné chladivo se proto rychle odpařuje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu niţší, neţ je teplota prostředí, ze kterého se odebírá teplo. Tak je dosaţeno toho, ţe teplo ze „studené" strany ohřívá podchlazený plyn a tento ohřátý, ale stále ještě studený plyn je nasáván kompresorem (průběh teplot ve výparníku viz obrázek 3). Zde samozřejmě platí druhá věta termodynamického zákona. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stlačení kompresorem se plyn silně zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie ve formě ztrátového tepla z elektromotoru kompresoru a tepla vzniklého třením jeho pohyblivých ploch. Stlačený plyn na výtlaku kompresoru dosáhne vyšší teploty neţ voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku tzv. kondenzátoru, kterým topná voda proudí (průběh teplot v kondenzátoru viz obr. 4). Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. I tady platí druhá věta termodynamického zákona. Kapalina je zase vedena do expanzního ventilu. Celý cyklus běţí spojitě stále dokola. Tepelné čerpadlo v ţádném případě neporušuje ani neobchází ţádný fyzikální zákon. (Ţeravík, 2003)
Teoretická část
14
Obr. 1 Schéma obecného principu tepelného čerpadla Zdroj: P. Mastný , 2007.
2.2.2
První termodynamický zákon
„Součet všech energií v izolovaném systému je konstantní. Energii nelze vyrobit z ničeho, lze ji pouze přeměňovat. Všechny druhy energie jsou vzájemně transformovatelné a sobě ekvivalentní“. (Ţeravík, 2003) Tento zákon také bývá ve fyzice nazýván zákon zachování energie. 2.2.3
Druhý termodynamický zákon
„Teplo může samovolně přecházet pouze z vyšší teplotní hladiny na nižší, tedy ve směru klesající teploty“. (Ţeravík, 2003) 2.2.4
Carnotův cyklus
Funkční princip tepelného čerpadla lze vyjádřit pomocí Carnotova cyklu (viz obr. 2), který popisuje cyklický vratný kruhový děj ideálního tepelného stroje skládajícího se ze dvou izotermických a dvou adiabatických dějů. Tento cyklus bývá vyuţíván pro porovnání kvality tepelného čerpadla srovnáním skutečného topného faktoru s ideálním. (Groda, Hájek, 2001)
Teoretická část
15
Obr. 2 Carnotův cyklus, diagram teplota-entropie Zdroj: Beller, 2007 .
1.
Izotermická expanze (bod 4-1). Z počátečního stavu plynu, který je dán tlakem, objemem a teplotou se plyn izotermicky rozpíná. Při tomto rozpínání plyn za teploty T 0 získává nízkopotenciální teplo Q 0 z okolí tzv. ohřívače. (Groda, Hájek, 2001)
2.
Adiabatická expanze (bod 3-4) navazuje na izotermickou expanzi. Při adiabatickém rozpínání nedochází k výměně tepla s okolím. Práce, kterou plyn vykoná v této fázi cyklu jde na úkor vnitřní energie, tzn. sníţením vnitřní energie dojde také k poklesu teploty plynu. (Groda, Hájek, 2001)
3.
Izotermická komprese (bod 2-3) navazuje na adiabatickou expanzi. Při izotermickém stlačování dochází za teploty T k k předání tepla Qk vnějšímu okolí. (Groda, Hájek, 2001)
4.
Adiabatická komprese (bod 1-2) navazuje na izotermickou kompresi. Při adiabatické kompresi stlačujeme plyn, který je dokonale tepelně izolován. Nedochází tedy k výměně tepla s okolím. Práce Ak , kterou dodáme plynu, je spotřebována na zvýšení vnitřní energie plynu. (Groda, Hájek, 2001)
Tepelná bilance oběhu Qk Q0+A
Kde: Q0 je tepelný tok ve výparníku tepelného čerpadla. Qk je tepelný tok na kondenzátoru tepelného čerpadla. A je oběhem vykonaná práce. (Groda, VÍTĚZ, 2005)
(1)
Teoretická část
16
Topný faktor Topný faktor je bezrozměrné číslo, udávající poměr mezi získanou a dodanou energií. Jinými slovy jde o rozdíl topného výkonu a elektrického příkonu. Tento poměr charakterizuje celkovou účinnost tepelného čerpadla. Skutečný topný faktor udává poměr tepelného výkonu a součtu příkonů všech prvků topné soustavy bez zanedbání ztrát. Topný faktor je kolísavý v závislosti na teplotě zdroje nízkopotencionální energie. (Ţeravík, 2003) Výpočet topného ideálního faktoru: Εt=
Qk A
(2)
Εch=
Q0 A
(3)
(Groda, VÍTĚZ, 2005) Chladící faktor
(Groda, VÍTĚZ, 2005) Tepelná bilance výparníku Q0=m (i1 i5 )
Obr. 3 Průběh teplot ve výparníku Zdroj: Groda, V ÍTĚZ, 2005.
(4)
Teoretická část
17
Tepelná bilance kondenzátoru Q0=m (i 2 i 4 )
(5)
Obr. 4 Průběh teplot v kondenzátoru Zdroj: Groda, V ÍTĚZ, 2005.
Práce předaná oběhu
A=Ak Ae
(6)
Kde: Ak práce vykonaná kompresorem při kompresi přeměněna na teplo. Ae energie navrácená do oběhu při expanzi. (Groda, VÍTĚZ, 2005) 2.2.5
Rankinův cyklus
Tento cyklus bývá označován jako skutečný popis oběhu tepelného čerpadla, přestoţe je jako Carnotův cyklus svým způsobem ideální. Ideálnost spočívá v důsledku zanedbání ztrát hydraulických a tepelných, avšak tyto ztráty jsou u dnešních čerpadel minimalizované na zanedbatelnou úroveň. Rozdílnost cyklů spočívá v expanzi chladiva, u Carnotova cyklu dochází k isoentropické expanzi, u Rankinova cyklu je expanze prováděna isoentalpicky – stejně jako při skutečném škrcení páry v tepelném expanzivním ventilu tepelného čerpadla. (Groda, Hájek, 2001) Rankinův popis cyklu tepelného čerpadla je k nahlédnutí v příloze, děj je také znázorněn obrázkem obrázkem č. 20. I zde platí stejné vzorce pro výpočet charakteristik tepelného čerpadla uvedené v předchozí kapitole.
Teoretická část
18
2.3 Druhy tepelných čerpadel Tepelná čerpadla můţeme rozdělit na několik typů podle druhu zdroje, z něhoţ je energie získávána. Toto rozdělení můţeme povaţovat za primární. Zdroje mohou být přírodní nebo se dají vyuţít odpadní energie z technologických procesů. Získávání energie z odpadních zdrojů je velice specifické, a proto se jimi zabývat nebudeme. Typy tepelných čerpadel se od sebe liší různými konstrukčními prvky a podmínkami provozu, které jsou uzpůsobeny pro efektivní získávání energie z daného média. Tyto systémy si blíţe představíme níţe. Dále mohou být tepelná čerpadla rozděleny pomocí chladiv, jimiţ je napuštěn primární okruh, nebo podle typu pouţitého kompresoru a zdroje, z něhoţ je energie pro jeho pohon získávána. (Ţeravík, 2003) 2.3.1
Tepelné čerpadlo země-voda
Teplo obsaţené v zemi se vyuţívá nepřímo, získává se pomocí zemního kolektoru nebo hlubinných vrtů, kde cirkuluje nemrznoucí směs, která přivádí získané teplo na výparník tepelného čerpadla (viz obr. 5). Cirkulující chladivo se ve výparníku tepelného čerpadla ochlazuje a v zemním kolektoru se znovu ohřívá geotermálním teplem. Díky umístění kolektorů v zemi, v hloubce stálé teploty, nedochází k výkonovým výkyvům. Pořizovací investice se navyšuje o nutnost pozemních prací, případně vrtů vynahrazených tichým chodem, nízkými provozními náklady a dlouhou ţivotností. (Ekologické zdroje vytápění, 2009)
Obr. 5 Schéma tepelného čerpadla země-voda s plošným kolektorem Zdroj: ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ S.R.O., 2006 .
2.3.2
Tepelné čerpadlo voda-voda
Teplo je přiváděno do výparníku pomocí vody, která je čerpána z povrchu nebo z hlubinných vrtů. Povrchová voda Tento princip funguje stejně jako v systému země-voda s plošným kolektorem, ale zde je kolektor místo země umístěn ve vodě. Bohuţel ne kaţdému proudí kolem domu řeka, nebo se nalézá poblíţ rybníku a budovat nádrţ je nesmyslné.
Teoretická část
19
Další nároky jsou kladeny na čistotu a chemické sloţení vody. (Ekologické zdroje vytápění, 2009) Hlubinné vrty Teplo je získáváno z podzemní vody tak, ţe voda je přiváděna z čerpací studny do výparníku tepelného čerpadla. V něm se ochladí a ochlazená je vracena do druhé, vsakovací studny (viz obr. 6). Tento typ tepelného čerpadla je unikátní díky otevřenému oběhu. Pro provoz tohoto typu tepelného čerpadla je nutné vybudovat alespoň 2 studny v dostatečné vzdálenosti od sebe splňující nároky na vydatnost, vsakování, teplotu a čistotu vody. Systém charakterizuje vysoký a stálý výkon ve všech ročních obdobích. Vyšší pořizovací náklady spojené s vrtáním studní vynahrazuje niţší provozní cena. (Ekologické zdroje vytápění, 2009)
Obr. 6 Schéma tepelného čerpadla voda-voda s hlubinným v rtem Zdroj: ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ S.R.O., 2006 .
2.3.3
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Na výparník tepelného čerpadla se přivádí vzduch, ze kterého se získává teplo (viz obr. 7). Tento typ má široké vyuţití a vyţaduje nejméně náročnou investici. Mezi klady patří snadná instalace, kterou je moţné provést téměř na všech místech bez potřeby dodatečných stavebních úprav. Topný faktor je závislý na teplotě vzduchu a v zimním období, kdy se teploty drţí pod 12 °C, je nutné zapínat další tzv. bivalentní zdroj energie. Nevýhodami jsou vyšší provozní náklady a kratší ţivotnost neţ je tomu u ostatních druhů tepelných čerpadel. Tvorba námrazy na výparníku, jejíţ odstranění vyţaduje další energii a tím negativně ovlivňuje topný faktor. Náchylnost k tvorbě rušivého hluku při vyšších otáčkách ventilátoru. Některá čerpadla bývají rozdělena na dva díly (vnitřní část a venkovní část), toto čerpadlo nazýváme oddělená TČ, odborně split. Venkovní část obsahuje výparník, ventilátor a expanzivní ventil a je spojena s vnitřní částí, kde jsou obvykle umístěny zbývající díly. Tyto části jsou spojeny izolovanými měděnými
Teoretická část
20
trubkami, proto je toto řešení draţší neţ kompaktní provedení. Výhodou je ţe kompresor, který je vydatným zdrojem hluku, je umístěn uvnitř objektu. Kompaktní řešení tepelného čerpadla, kde jsou všechny prvky zařízení uvnitř jednoho celku, který je napojený na topný systém. Tento typ čerpadla můţe být umístěn venku, kde je nebezpečí zamrznutí a ovlivňování výkonu kolísáním teplot, nebo uvnitř objektu ve sklepě nebo v podkroví. Zde vzniká nutnost přiv ádět venkovní vzduch k výparníku pomocí potrubí. (Ţeravík, 2003)
Obr. 7 Základní schéma tepelného čerpadla v zduch-voda Zdroj: ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ S.R.O., 2006.
Teoretická část
21
2.4 Technika průmyslových měřicích prvků V této podkapitole se seznámíme s přístroji schopnými „vnímat“ podmínky uvnitř zařízení. Nejdůleţitější částí je čidlo (senzor), které je přímo ve styku s měřeným prostředím a převádí aktuální stav fyzikální veličiny (teplota, tlak, rychlost, průtok, …) na elektrický signál (analogový nebo digitální). U snímačů rozlišujeme vlastnosti udávané parametry snímače, jako jsou: citlivost, přesnost, spolehlivost, časová stálost, nebo výstupní signál. Senzory jsou propojeny s dalšími přístroji, se kterými komunikují, a ty automaticky zpracovávají přijatý signál za účelem archivace nebo zobrazení. Podrobnější seznámení se všemi druhy senzorů a jejich fyzikálním principem by bylo na samostatnou knihu, proto budeme věnovat pozornost pouze snímačům pro snímání fyzikálních veličin vystupujících v systému tepelného čerpadla. 2.4.1
Čidla tlaku
Tlak je fyzikální veličina označovaná P, která udává poměr mezi sílou F působící na plochu S. Základní jednotkou je Pascal (Pa), v některých dalších oborech se můţeme setkat se značením Bar. P=
F S
(7)
Tyto čidla snímají tlak v hydraulických a pneumatických obvodech zařízení. Principem měření spočívá v deformování tzv. deformačního členu, který mění svůj tvar působením tlaku. Tlak se tedy převádí na mechanické napětí nebo v ýchylku. Tato veličina se dále převádí na výstupní signál poţadovaného typu (nejčastěji elektrický). Obvykle pouţívanými deformačními členy jsou membrána nebo trubice. Na tento prvek navazuje další senzor, který vyhodnocuje deformaci vzniklou měřeným tlakem. Výsledkem této deformace je změna polohy nebo změna mechanického napětí, kterou tento senzor zaznamená a převede na v ýstupní signál odpovídající hodnoty. (Kadlec, 2007) Čidla s odporovými tenzometry Odporový tenzometr je senzor, u něhoţ se mění elektrický odpor při mechanickém namáhání v oblasti pruţných deformací. Ve většině případu jsou tenzometry umístěny přímo na deformačním členu. Existují tenzometry kovové, polov odičové a integrované. V moderních snímačích tlaku se pouţívají polovodičové tenzometry nazývané piezorezistory , které se vyrábějí z křemíku (viz obr. 8). Pomocí techniky zachycené obrázkem č. 9 lze dosáhnout velice vysoké citlivosti. (Kadlec, 2007)
Teoretická část
22
Obr. 8 Schéma uspořádání tlakoměrné buňky, která se skládá z membránya nalepených polovodičových tenzometrů. Zdroj: Kadlec, 2007.
Obr. 9 Schéma zapojení tenzometrů, kde tenzometr R1 a R2 je namáhaný na tah, tenzometr R3 a R4 je namáhaný na tlak. Zdroj: Kadlec, 2007.
2.4.2
Čidla teploty
Teplota je stavová veličina důleţitá pro správnou činnost systému. Intenzita teploty se určuje srovnáním daného stavu s teplotní stupnicí. Za tímto účelem byla vytvořena mezinárodní praktická teplotní stupnice (ITS-90). Rozsah této stupnice je definován 17. pevnými teplotními body, které jsou relativně snadno fyzikálně dosaţitelné. Termoelektrický článek Termoelektrický článek (viz obr. 10 je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny. Na styku dvou různých kovů vzniká rozdíl potenciálů úměrný teplotě tohoto místa. Při uzavření obvodu bude výstupní termoelektrické napětí úměrné rozdílu teploty obou míst. Termoelektrické čidlo je tedy generátor napětí, jehoţ velikost závisí na teplotě měřicího spoje, který je přímo v kontaktu s měřeným prostředím. Napětí výsledného signálu, kde f je konstanta závislá na pouţitých materiálech a ty jsou závislé na rozsahu měřené teploty.
U f * (m * o) (Kmínek, 2005)
(8)
Teoretická část
23
Obr. 1 0 Schéma měřicího obvodu termoelektrického článku Zdroj: Kmínek, 2005 .
U moderních teploměrů je analogový signál termočlánku transformován na digitální výstupní signál. Termočlánek je na vstup zesilovače připojen prostřednictvím izotermické svorkovnice pro kompenzaci vlivu změn teploty srovnáv acího spoje. Po zesílení je analogový signál převeden na signál číslicový pomocí analogově-digitálního převodníku. Pro vyhodnocení signálu se vyuţívá ve značné míře mikroprocesorové techniky. Tento princip znázorňuje obrázek č. 11. (Kmínek, 2005)
Obr. 11 Blokov é schéma teploměru s číslicovým výstupem Zdroj: Kmínek, 2005 .
2.4.3
Čidla průtoku
Pro měření mnoţství proteklého plynu nebo kapaliny existuje mnoho zařízení pracujících na nejrůznějších fyzikálních principech. Tato rozmanitost je způsobena rozdílností chemických a fyzikálních vlastností sledované látky. Průtok (rovnice č. 9) je definován mnoţstvím látky, která proteče průřezem daného potrubí za časovou jednotku. V případě proměnných stavových veličin jako je teplota nebo tlak, které přímo ovlivňují hustotu je nutno výslednou hodnotu přepočítat. Průtok pak můţe být hmotnostní, objemový nebo tíhový. Průtok lze spočítat pomocí vzorce, který slouţí pro výpočet objemového průtoku. Nahrazením Objemu (V) hmotností (m) lze vypočítat hmotnostní průtok. Hmotnostní průtok lze vypočítat i z objemového průtoku za pouţití vzorce (V=m/ρ) hustotu musíme určit z tabulek. V případě proměnné rychlosti prou-
Teoretická část
24
dění látky v potrubí je výsledný průtok určen střední hodnotou rychlosti proudění. (Kmínek, 2005) Qv =
V t
(9)
Dlouhodobým rozvojem snímačů průtoku byla vytvořena řada principů, na jejichţ základě tyto přístroje fungují. Podle měřicí metody rozlišujeme tři skupiny: objemové metody, rychlostní metody, hmotnostní metody. Nejjednodušší metoda je rychlostní, kde je měřena rychlost proudící látky a za pomoci znalosti průřezu potrubí je dopočítán objemový průtok.(Kmínek, 2005) Lopatkové průtokoměry Princip lopatkového průtokoměru (viz obr. 12) spočívá v umístění rotoru, jehoţ osa je kolmá na osu potrubí. Proudící látka uvnitř potrubí působí silou na lopatky rotoru, a tím dochází k jeho roztočení. Otáčky rotoru jsou přímo úměrné střední rychlosti proudění a díky znalosti o průřezu potrubí lze snadno spočítat objemový průtok. (Kmínek, 2005)
Obr. 1 2 Lopatkový průtokoměr – princip Zdroj: Kmínek, 2005 .
Průtokoměr s oválnými koly Průtokoměry s oválnými koly (na obrázku č. 13) jsou objemová měřidla, u kterých protékající kapalina uvádí do otáčivého pohybu dvě oválná kola uvnitř přesné měřící komory. S kaţdou otáčkou proteče průtokoměrem pevně stanov ený objem kapaliny. Magnety umístěné v kolech generují pulzní výstup s vysokým rozlišením. Pulzní výstup můţe být přímo zapojen do řídícího procesu či sledování. (Kobold.com, 2010)
Teoretická část
25
Obr. 1 3 Princip průtokoměru s oválnými ozubenými koly Zdroj: Kobold.com, 2010.
2.4.4
Senzory pro měření vlhkosti
Vzduch se skládá z kyslíku a vody, která je obvykle ve formě vodní páry, tedy ve zkondenzovaných vodních kapičkách či ledových krystalcích. Vlhkost vzduchu udává mnoţství vody obsaţené v daném objemu vzduchu. Tento atribut vzduchu lze vyjádřit pomocí několika charakteristik: tlak vodní páry , rosný bod a poměr směsi, absolutní vlhkost vzduchu, relativní vlhkost vzduchu. Vlhkoměr zvolený pro měření vyuţívá charakteristik relativní vlhkosti vzduchu. Tato charakteristika udává poměr mezi skutečným a maximálním, nasyceným obsahem vody ve vzduchu. Značíme φ a výslednou jednotku uvádíme v %RH nebo %RV. Relativní vlhkost vyjadřuje tedy procentní nasycení suchého vzduchu vodní parou při dané teplotě. (ČVUT, 2006) Kapacitní vlhkoměry Tyto vlhkoměry pro měření vyuţívají hygrometrickou metodu – změna fyzikálních nebo chemických vlastností na základě mnoţství absorbované vody. V našem případě je to elektrický odpor a kapacita. Výhodou měření kapacity je vysoká citlivost a univerzální pouţití pro měření plynů i kapalin. Základem kapacitního snímače je kondenzátor (obr. 14), jehoţ dielektrikum tvoří tenká vrstvička materiálu vratně sorbujícího vlhkost z prostředí. Jedna z elektrod je děrovaná, umoţňující okolnímu vzduchu kontakt s dielektrickým filmem. Kapacitní senzory se vyznačují malou závislostí na teplotě, odolností vůči kondenzaci, nízkou dobou, přesností v jednotkách % relativní vlhkosti (RH), dobrou odolností proti chemikáliím a vy šším teplotám, malými rozměry a nízkou cenou. (ČVUT, 2006)
Teoretická část
26
Obr. 1 4 Ilustrační kondenzátor pro měření v lhkosti Zdroj: Micros Sp. j., 201 3.
Vlhkostní senzor bývá často integrován s teplotním čidlem v jednom kompaktním přístroji, jak lze vidět na obrázku č. 15. Tuto kombinaci umoţňuje parametricky stejný výstupní signál přístrojů, který je napojen na měřící systém.
Obr. 15 Teploměr a v lhkoměr Zdroj: Direct industry, 2013.
2.4.5
Vstupně/výstupní programový modul ADAM
Série ADAM jsou inteligentní senzory vyráběné firmou ADVANTECH. Tento modul obsahuje vestavěný procesor ovládaný pomocí příkazů sloţených z jednoduchých znaků ASCII. Přístroj umoţňuje komunikací s počítačem pomocí RS485 protokolu a tím umoţňuje vzdálené ovládání. Výstupní signál z čidel je přiváděn na vstup modulu, který umoţňuje provádět některé základní operace na signálu. (Advantech, 2004)
Metodika práce
27
3 Metodika práce Pomocí poznatků načerpaných v teoretickém rozboru, jsme schopni stanovit nutné veličiny pro popis oběhu tepelného čerpadla. Kaţdá monitorovaná veličina je snímána vlastním senzorem, coţ povede k pouţití snímačů od více výrobců z různých modelových řad. Jednotlivé senzory se od sebe odlišují výstupním signálem, jehoţ parametry jsou popsány v technické dokumentaci dodávané výrobcem. Pomocí této informace jsme schopni zajistit správný přístup k měřeným hodnotám. Systematika snímání Na základě rychlosti, se kterou měřené veličiny mohou změnit svoji hodnotu, je nutné stanovit časový interval, v němţ dojde k aktualizování hodnoty. Po uplynutí této periody dojde k přečtení signálu na odpovídajícím kanále modulu ADAM. Některé veličiny je nutné sledovat neustále, avšak pro uţivatele nemají ţádný informační charakter, naopak jiné veličiny důleţité pro obsluhu se za daný časový úsek nemusí změnit. Tyto hodnoty jsou zaslány počítači, kde dochází k jejich zobrazení na obrazovku, archivaci a případný převod hodnoty, které digitální moduly ADAM nejsou schopny realizovat. Při zpracování signálu v této práci dochází k následujícím situacím: Přijatý signál je jiţ převeden na poţadovanou veličinu v modulu ADAM a není nutné ho nijak modifikovat před zobrazením. Na vstup počítače je přiveden proudový výstup snímače nabývající hodnoty 4-20 mA, který je před zpracováním nutné nejprve převést na poţadovanou jednotku. Na impulzním výstupu odchytáváme jednotlivé pulzy, které jsou sčítány a přepočítávány na srozumitelnou hodnotu uvnitř programu. Tento přístup vyţaduje širší podporu v podobě podprogramu, který zpracovává daný impulzní kanál. Implementace Pro implementaci aplikace byl zvolen programový systém Control Web, který je vyuţíván při průmyslové automatizaci. Na Mendelově univerzitě je také hojně vyuţíván při výuce a řešení nejrůznějších automatizačních úloh. Síla tohoto systému spočívá v širokém poli působnosti, rozsáhlé podpoře protokolů a bohaté knihovně virtuálních přístrojů usnadňujících práci vývojářům. Snadná a přehledná práce s datovými elementy spolu se znalostí objektového programování (v programovacím jazyce C) pro úpravu zdrojového kódu umoţňují pohodlný vývoj aplikací. Pro získání poznatků potřebných pro úspěšnou tvorbu aplikace je nutné prostudovat dílčí kapitoly technické dokumentace prostředí Control webu. Zejména pokud přicházíme poprvé do styku s tímto vývojovým prostředím. Některé kapitoly popisují uţivatelské prostředí programovacího systému pro laiky,
Metodika práce
28
jiné moţnosti konkrétního vyuţití při řešení dané problematiky, ale nejvíce obsahu tvoří popis jednotlivých virtuálních přístrojů a jejich funkcí. Analýza požadavků Vytvořit systém pro monitorování a archivaci technických dat ze soustavy tepe lného čerpadla, přičemţ se se kladl důraz na tyto poţadavky : umoţnění vzdáleného, ale pouze manuálního ovládání zařízení, výpočet charakteristických údajů tepelného čerpadla pomocí fyzikálních rovnic, optimalizaci chodu aplikace pro rozumné vyuţití hardwarových zdrojů, přehledné pracovní prostředí. Kontrola funkčnosti Control web nabízí moţnost spuštění vyvíjené aplikace a tak je moţné ověřit funkčnost řešení. Vyuţitím této moţnosti získáme zpětnou vazbu pro provádění úprav, pomocí kterých uvedeme aplikaci do poţadovaného stavu.
Praktická část
29
4 Praktická část 4.1 Analýza strojního vybavení laboratorní měřicí trati Laboratorní měřicí trať tepelného čerpadla je sestavena z více přístrojů a zařízení. V této kapitole se budeme věnovat bliţšímu popisu pouţitých přístrojů. Ukázkové tepelné čerpadlo (viz obr. 16 nebo obr. 22) je školní projekt, který má slouţit k praktické demonstraci při výuce. Toto zařízení je zkonstruováno jako mobilní jednotka, jeţ má všechny přístroje (uvedené v tabulce č. 4) nutné pro provoz zabudované v jedné konstrukci. Přístroj je díky montáţi koleček moţno snadno přesouvat a tím rozšířit moţnosti jeho vyuţití. Jednotku tvoří primární a sekundární okruh (viz obrázek č. 23 a 24), přístroje pro měření fyzikálních veličin, elektroinstalace a ovládací panel.
Obr. 1 6
Zařízení tepelného čerpadla v laboratoři
Praktická část
4.1.1
30
Primární okruh
Jak jsme se dozvěděli v teoretické části, dochází zde k přečerpávání tepla z okolního vzduchu do vody v sekundárním okruhu. Primární okruh tvoří spirálový kompresor, který tlakuje chladivo do primární strany kondenzátoru. Chladivo ochlazené v kondenzátoru je vypouštěno expanzním ventilem do výparníku, jemuţ zajišťuje ventilátor trvalý přísun vzduchu pro ohřev ochlazeného chladiva. Výparník je spojen s kompresorem a tím je uzavřen okruh. Cirkulaci natlakovaného chladiva R-507 v okruhu umoţňuje měděné potrubí, které propojuje jednotlivé komponenty. Uspořádání primárního okruhu odpovídá obecnému schéma tepelného čerpadla na obrázku č. 1. 4.1.2
Sekundární okruh
Sekundární okruh tvoří potrubí propojující zásobník na vodu s druhou částí kondenzátoru, mezi kterými cirkuluje voda poháněná čerpadlem. Nádrţ na vodu kumuluje ohřátou vodu a umoţňuje chod tepelného čerpadla i bez jejího dalšího vyuţití. Pro vyuţití teplé vody je umoţněno propojení topného okruhu se sekundárním okruhem tepelného čerpadla, které se realizuje pomocí hadic připojených na přípojky zabudované v nádrţi. 4.1.3
Elektroinstalace
Většina přístrojů nacházejících se v tepelném čerpadle potřebuje pro svůj provoz elektrickou energii. Kabely přivádějící proud jednotlivým přístrojům jsou nat aţeny z rozvodné skříně (viz obr. 25), která je napájena třífázovým elektrickým napětím. Uvnitř rozvodné skříně nalezneme elektroměr, který počítá celkovou spotřebu zařízení, a další prvky elektroinstalace, kterými se podrobněji zabývat nebudeme, přesto si některé z nich vyjmenujeme. Patří sem různé spínače, jističe, stykače, transformátory, indikátory, elektroměr a ostatní prvky elektrického vedení. Tyto přístroje zajišťují správný a bezpečný chod systému a umoţňují ruční ovládání tepelného stroje za pomoci ovládacího panelu umístěného na přední straně dvířek rozvodné skříně (viz obr. 26). Rozvodná skříň také poskytuje napájení celého měřicího systému a poskytuje bezpečné uloţení modulů ADAM, které není moţné z technických důvodů řešit externě.
4.2 Návrh systému měření Pro získání informací o událostech probíhajících uvnitř tepelného čerpadla za provozu je nutné stanovit veličiny, jejichţ monitoringem získáme poţadované údaje. Pro kaţdou měřenou veličinu je nutné zajistit vlastní senzor pro snímání hodnoty, kterou udává elektrické napětí na výstupu snímače. Senzory je nutné umístit do místa snímání dané veličiny. Dále je nutné zajistit přístroje, schopné zpracovat signál generovaný senzory, a převést jej na signál digitální. Tyto převodníky jsou propojeny s počítačem,
Praktická část
31
kterému zasílají jiţ převedený signál, který počítač pomocí softwarových prostředků dále zpracovává. Některé převodníky jsou omezeny v moţnostech převodu signálu, který je pouze přeposlán do počítače, kde dojde k následné konverzi na poţadovanou veličinu. Data získaná měřením lze vyuţít pro regulaci systému a archivaci těchto dat, jejich následnou analýzou získáme další informace, které by mohly zajímat obsluhu. Dále lze z těchto veličin pomocí vzorců uvedených v předchozích kapitolách vypočítat charakteristiky zařízení. 4.2.1
Stanovení měřených veličin
Pomocí poznatků o tepelném čerpadle nabytých v teoretické části byl vytvořen následující seznam monitorovaných veličin. Pro detailnější přehled lze sledovat více veličin, avšak získáme tak pouze přesnější informace o ztrátách uvnitř potrubí, které jsou díky dobré izolaci minimální. Dosazením těchto veličin do rovnic lze dopočítat termomechanické charakteristiky tepelného čerpadla. Tab. 1
Měřené v eličiny včetně jejich popisu a jednotek
Název veličiny Popis Jednotka T1 Teplota chladiva na sání kompresoru °C T2 Teplota chladiva na výtlaku kompresoru °C T3 Teplota chladiva před expanzním ventilem °C T4 Teplota chladiva za expanzním ventilem °C T5 Teplota vzduchu před výparníkem °C T6 Teplota na lamele výparníku °C T7 Teplota vzduchu za výparníkem °C T8 Teplota vody na výstupu z kondenzátoru °C T9 Teplota vody na vstupu do kondenzátoru °C RH1 Vlhkost vzduchu před výparníkem %RH RH2 Vlhkost vzduchu za výparníkem %RH P1 Tlak chladiva na sání kompresoru MPa P2 Tlak chladiva na výtlaku kompresoru MPa P3 Tlak chladiva před expanzním ventilem MPa P4 Tlak chladiva za expanzním ventilem MPa A Příkon soustavy kW/h mch Objemový průtok chladiva dm3 . s-1 4.2.2
Volba a rozmístění senzorů
Rozmístění čidel v systému tepelného čerpadla odpovídá seznamu měřených veličin, umístění senzorů znázorňuje obrázek č. 17. Senzor musí být v přímém kontaktu s měřeným prostředím, jinak by mohlo dojít k neţádoucímu zkreslení měřené hodnoty. Pouţité senzory pro snímání jednotlivých veličin jsou zaznamenány v tabulce č. 5. Nesmí být opomenuto, ţe měřicí senzory mají určitý rozsah hodnot, kte-
Praktická část
32
ré jsou schopny měřit, a hodnoty leţící mimo rozpětí této stupnice jsou čteny jako maximální nebo minimální hodnota tohoto rozsahu.
Obr. 17 Rozmístění snímačů v systému tepelného čerpadla Zdroj: Groda, V ÍTĚZ, 2005.
Měření teploty v potrubí primárního okruhu Pro měření teplot byl jako výchozí senzor zvolen termo-elektrický článek typu T (Cu-K) označení Omega 5TC-TT-T-20-72 . Tento snímač umoţňuje měření na vzdálenost 1,83 metru pomocí vedení o průměru 0,81 mm. Výhodou tohoto typu je, ţe má oproti ostatním termočlánkům vysokou citlivost. Vybraný termoelektrický článek je schopný měřit teploty v rozmezí -100 aţ 400 ºC a po převodu v analogovém modulu ADAM 4019+ udává výstupní signál hodnotu přímo ve stupních Celsia. Termočlánky v primárním okruhu jsou přilepeny na potrubí a díky velmi dobrým teplo-vodivým vlastnostem mědi nedochází ke zkreslení měřených hodnot. Snadná instalace senzorů umoţňuje jejich rychlou výměnu v případě poruchy. Termočlánky jsou připojeny na digitální převodník ADAM, který převádí vstupní elektrický signál na teplotní hodnotu udanou ve stupních Celsia. Měření vlhkosti a teploty Při měření vlhkosti vzduchu nás často zajímá i jeho teplota. Některé přístroje s integrovaným vlhkostním i teplotním senzorem umoţňují snímat obě veličiny zároveň. Při měření byl uţíván relativní vlhkoměr a teploměr OMEGA HX-13. Kovová konstrukce chrání vnitřní plošný spoj osazený senzory, ale zároveň umoţňuje přívod vzduchu ke snímačům. Výstupní signál nabývá rozsahu 4-20 mA coţ odpovídá rozmezí 0-100 ºC u teploty a 0-100 % relativní vlhkosti vzduchu. Pro získání hodnoty v poţadovaných jednotkách je nutné provést konverzi, kterou je moţno realizovat v pozdější fázi softwarově.
Praktická část
33
Měření tlaku Pro měření tlaku uvnitř potrubí je pouţito průmyslových tlakoměrů od firmy BD SENZORS. Zvolená čidla primárního okruhu tepelného čerpadla pracují v rozmezí 0-40 barů. Na připojeném modulu ADAM je tlak prezentován elektrickým signálem 4-20 mA a pro převod na konkrétní jednotky bude nutné aplikovat přepočet. Měření příkonu Mnoţství spotřebované energie získáme pomocí elektroměru s impulzním výstupem AMT B0B-SA4. Dokumentace uvádí, ţe 400 pulzů odpovídá 1 kW/h a průběh jednoho pulzu trvá 80 ms. Měření průtoku Při měření průtoku byl pouţit impulzní průtokoměr výrobce Sika. Označení přístroje VZ020ALV31|00S pro měření průtoku 0,16-16 l/min. Tento snímač je jako ostatní připojen k modulu ADAM, který neumí z pulzního signálu vypočítat průtok, a tak slouţí jen jako mezistupeň k propojení s počítačem, kde probíhá dodatečný přepočet na poţadovanou veličinu. Snímání výstupních hodnot senzorů Pro snímání signálu ze snímačů je vyuţito následujících přístrojů: ADAM 4520 ADAM 4055 ADAM 4019+ ADAM 4019 Moduly umoţňují převod D/A a A/D, porovnávání, digitální komunikaci a spínání výstupních linek. Moduly ADAM vyţadují napájecí napětí 24 V DC, ale mohou být napájeny 10-30 V DC. Jednotlivým ovladačům lze nakonfigurovat parametry adresy, frekvence a rychlosti komunikace. Technické specifikace modulu ADAM 4019 jsou uvedeny v tabulce č. 3. 4.2.3
Systematika sběru dat
Při správném zapojení měřicího systému je počítač schopen zobrazit přijímaná data pomocí softwaru od výrobce modulů ADAM. Pro správné zobrazení nepřevedených hodnot je nutné vytvořit postup, jehoţ pomocí jsme schopni tento nedostatek napravit. Pro vyvíjenou aplikaci je důleţité nastavit časovou konstantu, kdy dojde k automatickému znovunačtení měřených hodnot. Periodu je nutné volit rozváţně, neboť velmi krátký interval poskytující podrobné informace v čase by zbytečně zatěţoval systémové prostředky síťovou komunikací. Konkrétní perioda aktivace kaţdého snímače je zaznamenána ve stejné tabulce jako pouţité senzory (tabulka č. 5).
Praktická část
34
ADAM Komunikace probíhá pomocí průmyslové sběrnice RS-485 protokolu ADVANTECH, kterou je spojen počítač s modulem ADAM 4520, jeţ je dále propojen s dalšími pouţitými moduly pomocí vnitřní sériové linky. Tento modul je tedy základní komunikační kanál, umoţňující přístup k výstupním signálům ostatních modulů. Pomocí softwaru od výrobce modulů je moţné provést konfiguraci jednotlivých vstupně/výstupních zařízení i datových portů. Dodaný software umoţňuje také prohlíţení hodnot jednotlivých kanálů v podobě vstupních signálů. Teploty v okolí výparníku Nejdůleţitější veličinou, která přímo ovlivňuje výkon tepelného čerpadla, je teplota vzduchu před výparníkem (teplota venkovního vzduchu). Tato veličina je proměnlivá v čase, avšak k relevantním změnám hodnot dochází velmi pomalu. Venku se teplota ráno a v poledne liší o několik stupňů, ale měření provedené v několika minutových intervalech zaznamenají změnu v řádu desetin stupně. Takto malé změny mají minimální vliv na funkčnost systému. Při sérii měření provedených nezávisle na čase naměříme téměř konstantní hodnotu z důvodu vytápění vnitřních prostor při provozu v laboratorních podmínkách. Další veličinou je teplota vzduchu za výparníkem, tedy jiţ ochlazený venkovní vzduch. Rozdíl teplot činí energii, kterou předal vzduch proudící přes výparník do oběhu tepelného čerpadla. Volba časového intervalu aktualizace hodnot bude stejná jako u předchozí veličiny. Ve stejném intervalu budeme snímat i teplotu na lamele výparníku. Proudící vzduch předává energii podchlazenému výparníku a ten energii dále předává obíhajícímu chladivu v primárním okruhu. Při měření teploty venkovního vzduchu před a za výparníkem nás zajímá i jeho vlhkost, která ovlivňuje tvorbu námrazy. Vlhkostní a teplotní čidlo je int egrováno v jednom přístroji, který snímá obě veličiny zároveň, a proto budeme snímat obě veličiny ve stejném časovém intervalu. Teplota a tlak uvnitř primárního okruhu Teploty uvnitř primárního okruhu určuje míra expanze a komprese chladiva, které popisují tlaky uvnitř potrubí, zejména tlak před kompresorem a tlak za ním. Další faktory, ovlivňující teploty uvnitř primárního okruhu, jsou mnoţství energie získané ve výparníku a odevzdané v kondenzátoru a celkové ztráty na teplotě a tlaku v potrubí. Veličiny uvnitř okruhu se mění poněkud rychleji, aţ se ustálí teploty, pak bude docházet k malým změnám u kaţdé veličiny. Hodnoty těchto veličin jsou prezentovány v systému elektrickým proudem a pro převod na poţadovanou jednotku je nutné vyuţít zmiňovaného přepočtu. V okruhu je zabudován presostat – přístroj, který udrţuje tlakový rozdíl před a za kompresorem v poţadovaném poměru, coţ je důleţité pro udrţení poţadovaného výkonu tepelného čerpadla. Tento přístroj pracuje mechanicky a
Praktická část
35
nezávisle, jeho hlavním úkolem je zabránit překročení hranice maximálního pracovního tlaku, a tak předejít přetlakování. Průtok chladiva a vody Další měřené veličiny jsou průtok chladiva v primárním okruhu a průtok vody v sekundárním okruhu. Měřené látky mění svůj objem i hustotu při změně tlakových či teplotních podmínek. Hmotnost určitého mnoţství dané látky zůstane zachována za všech podmínek. Mnoţství průtoku vody určíme pomocí objemového výkonu čerpadla, které pracuje ve třech rychlostních stupních, mezi kterými lze manuálně přepínat. Pouţívaný stupeň konstantně čerpá 3,1 m 3 /hod. V ideálním případě by se průtok vody měřil obdobným způsobem jako průtok chladiv a, ale z technických důvodů tato metoda nebyla realizována. Pro snímání mnoţství proteklého chladiva je pouţit impulzní průtokoměr, který je propojen jako ostatní čidla s jedním z modulů ADAM. Průtokoměr není časován, ale veškeré impulzy přivádíme do počítače, kde jsou programově sčítány. Pro dosaţení přesného výsledku je nutno brát při přepočtu v úvahu jiţ zmiňované proměnlivé vlastnosti látek v závislosti na teplotě a tlaku. Měření příkonu Impulzní výstup elektroměru je připojen na vstup modulu ADAM 4055, který umoţnuje počítači zachytit jednotlivé pulzy. V počítači dojde k obdobnému zpracování pulzů jako při měření průtoku.
4.3 Návrh aplikace V této kapitole budeme seznámeni s navrhovaným řešením, které vychází vstříc všem počátečním poţadavkům. Během vývoje prošly některé úseky aplikace úpravami (někdy i opakovaně) a jiné byly od základu předělány. Impulzem k úpravě byly skryté problémy odhalené později, při testování v laboratoři. 4.3.1
Implementační postup
Prvním krokem při vývoji aplikace bylo vytvoření a nastavení datových elementů, které slouţí pro ukládání hodnot vyskytujících se v aplikaci. Datové elementy tvoří vstupní data, odvozené hodnoty z naměřených dat, konstanty, systémové proměnné a archivátory. Při pouţití sekce kanál, získávající vstupní data z externích přístrojů, je nutno nadefinovat ovladač, který zajišťuje komunikaci s tímto hardware a nakonfigurovat parametrické a mapovací soubory. Pomocí parametrického souboru definujeme adresy, pomocí kterých komunikujeme s poţadovaným přístrojem a indexy, na kterých nalezneme poţadovanou hodnotu. V dalším kroku je nutné vybrat a umístit přístroje z knihovny virtuálních přístrojů. Tento proces probíhá v grafickém rozhraní vývojového prostředí Control web a výsledná podoba bude tvořit vzhled a uţivatelské rozhraní budoucí
Praktická část
36
aplikace. Tyto virtuální přístroje vyuţívají předem naprogramovaných funkcí pro zpracování datových elementů a provádění nejrůznějších operací. Kaţdý přístroj lze upravit zásahem do zdrojového kódu a vytv ořit tak snadno funkce přímo na míru. Výběr z několika předem definovaných funkčních vzhledů a podpora v podobě dokumentace pro případnou úpravu přináší moţnosti pestrého uţivatelského prostředí tvořené aplikace. Parametr, který je nutno nastavit všem virtuálním přístrojům, po kterých je vyţadován běh v reálném čase, je časování. Tento parametr udává časovou periodu aktivace daného přístroje, kdy dojde ke spuštění funkce právě aktivovaného přístroje. Pomocí této funkce dochází ke spouštění dalších funkcí, přístroje či předávání hodnot. Další nastavení časování provedeme u archivovaných hodnot, kdy dojde v dané době k uloţení dat do databáze. Periodu v podobě časové prodlevy komunikace je nutné nastavit i u kanálů. Současný stav aplikace umoţňuje archivaci a zobrazení dat současného stavu, pro otestování funkčnosti je nutné získat měřené hodnoty. Při vývoji dochází k fyzické nepřítomnosti měřicího zařízení, které je nahrazeno virtuálním ovladačem dummy, který dokáţe simulovat jednotlivé vstupy. Nastavení vstupních hodnot je realizováno pomocí souboru s koncovkou .dum, kde jsou nastaveny jednotlivým vstupním kanálům hodnoty a k těmto datům lze přistupovat stejným způsobem, jako k hodnotám získaným reálnými přístroji a lze provádět i stejné operace. Přepnutí způsobu získávání dat je realizováno jednoduchým úkonem, pokud odpovídají mapovací soubory, stačí změnit ovladač pouţívaný aplikací. Pro splnění poţadavku na zobrazování archivovaných dat je nutné rozšířit aplikaci o tuto moţnost. Programový systém Control Web disponuje virtuálním přístrojem schopným provádět různé úkony nad mnoţinou archivovaných dat. Pro správný chod datového prohlížeče je nutné nakonfigurovat všechny poţadované funkce a jejich parametry. Je nutné nastavit časové osy, mnoţinu zobrazovaných hodnot, jejich barvy, popis datových elementů. Systém Control web umoţňuje i nastavení uţivatelského panelu datového prohlíţeče, který dovoluje uţivatelům měnit nastavení datového prohlíţeče, a tím přizpůsobení vzhledu prohlíţeče dle vlastních představ. 4.3.2
Popis uživatelského rozhraní
Základním prvkem aplikace jsou panely umístěné uvnitř v pro Windows typickém okně. Pro naši aplikaci postačí tři panely, mezi kterými můţe uţivatel libovolně přepínat. Účelem panelů je sdruţit přístroje s podobným zaměřením a umoţnit tak různé skupinové operace. Pro ulehčení orientace uţivatelům v prostředí aplikace jsou naimplementovány funkční klávesy. Stisknutím příslušné klávesy dojde ke zviditelnění poţadovaného okna, pak je moţné manipulovat s přístroji uvnitř panelu.
Praktická část
37
Hlavní panel Dominantním prvkem hlavního panelu je schéma tepelného čerpadla zvolené pro vysokou výpovědní charakteristiku. Umístění obrázku do aplikace je provedeno nastavením daného obrázku jako pozadí panelu a další přístroje jsou vrstveny na něj. Schéma bylo nutné nejprve vytvořit v grafickém editoru, aţ následně mohlo být pouţito v aplikaci. Ve vrchní části jsou ve sloupci umístěny boolean indikátory pro zobrazení stavu strojů a upozornění na případný problém. Vedle je umístěný multiselect – takový menší panel schopný ovládat jednotlivé výstupy modulu ADAM 4055, kterými dochází ke spínání přístrojů uvedených v popisu panelu. Jako zpětná vazba jsou vyuţity další indikátory, které nabývají hodnot true nebo false. U doposud jmenovaných přístrojů se provádělo pouze přiřazení proměnných, výběr vhodného vzhledu a časování. Po stranách panelu jsou umístěny zobrazovače monitorovaných dat, které se v Control webu jmenují Meter. Těmto virtuálním přístrojům je přiřazen datový element, jehoţ hodnota bude zobrazována na displeji. Poţadovanou hodnotu lze přímo zobrazit, pokud je jiţ převedena pomocí digitálního převodníku ADAM. Jindy je nutné provést převod na poţadované jednotky. Jednoduchý přepočet tvoří výraz uvnitř přístroje Meter, který odpovídá popsanému algoritmu. Převod z elektrického proudu do poţadovaných jednotek jsme nuceni provádět pro všechny veličiny neměřené pomocí termočlánků. Jako nejvíce problematické se jeví veličiny získávané pomocí impulzů, naštěstí těchto veličin není mnoho. Komplikace vzniká při pokusu o odchycení, kdy můţe dojít k nekorektnímu zachycení pulzů. Zachycené pulzy sčítáme a pro celkovou hodnotu stačí pulzy vynásobit konstantou udávající mnoţství na jeden pulz. K aktivaci pulzů dochází po uplynutí daného mnoţství měřené látky, jejíţ proudění můţe být časově nestálé, a proto je sloţitější přepočítat aktuální mnoţství na průměrnou hodnotu za daný časový úsek. Řešení tohoto problému je realizováno pomocí vytvořeného podprogramu, který odchytává jednotlivé pulzy, sčítá jejich celkový počet a měří čas uběhlý mezi dvěma pulzy. Touto metodou lze spočítat současný stav, ale i celkové mnoţství, které je ukládáno do databáze s ostatními údaji. Rozmístění přístrojů na panelu aplikace (viz obrázek č. 18) probíhalo v rámci zachování nejvyšší moţné přehlednosti. Bylo vyuţito popisků a čar vedoucích z virtuálního přístroje Meter do místa na schématu, kde dochází k měření dané veličiny.
Praktická část
Obr. 1 8
38
Finální v zhled hlav ního panelu aplikace
Panel zobrazení dat V tomto panelu je umístěn pouze jediný přístroj, jehoţ úkolem je vykreslování dat z databáze. Control web nazývá tento přístroj Data viewer a umoţňuje prohlíţení dat prezentované tabulkou nebo grafem (viz obr. 19) změnou zobrazovacího módu. Pouţití tohoto přístroje provází delší konfigurace, neboť zde vystupuje mnoho poloţek zastupující jednotlivé veličiny, které je nutné pro větší př ehlednost barevně rozlišit, popsat a sdruţovat poloţky stejných veličin v jedné záloţce. Další moţnosti ke konfiguraci nalezneme v nastavení uţivatelského rozhraní, kde můţeme umoţnit uţivateli provádět při spuštěné aplikaci stejné nastavení jako vývojář. Podrobné informace o tomto přístroji nalezneme v technické dokumentaci Control webu.
Praktická část
Obr. 1 9
39
V zhled druhého panelu aplikace
Podpůrný panel Tento panel má informační charakter, který doplňuje hlavní panel. Jsou zde umístěny přístroje vyčíslující charakteristické údaje tepelného čerpadla. Zbylé místo bylo vyuţito pro umístění seznamu výsledných jednotek pro pouţité veličiny.
4.4 Vlastní řešení problematických úseků Control web disponuje kvalitní dokumentací, která popisuje jeho uţivatelské prostředí a také všechny virtuální přístroje. Instalační adresář obsahuje sloţku s exemplárními ukázkami jiţ hotových aplikací. Ze zmíněných materiálů byly čerpány poznatky pro implementaci dané problematiky, případně pro hledání alternativního řešení. 4.4.1
Hodnoty snímané pomocí proudu
Veličiny, u kterých vzniká potřeba převodu jednotek, jsou prezentovány elektrickým proudem nabývajícím dané rozmezí. Pro převod byl vytvořen algoritmus vyuţívající řešení pomocí lineární funkce. Při výpočtu pro usnadnění posuneme hodnotu i stupnici o rozdíl, který činí rozdíl minima stupnice a nuly. Následně tuto hodnotu roznásobíme maximální hodnotou stupnice, do které je veličina převáděna a celé vydělíme počtem dílků staré stupnice. Dodrţením tohoto postupu lze snadno převést všechny veličiny na poţadované jednotky.
Praktická část Tab. 2
40
Tabulka rozsahu jednotlivých stupnic
Veličina Elektrický proud Tlak Teplota
Rozsah možných hodnot 4-20 mA 0-40 Bar 0-100 ºC
Pro názornou ukázku hodnota 6,26 mA ve stupnici 4-20 mA bude po přepočtení nabývat hodnoty 2,26 mA o rozsahu 0-16 mA nové stupnice. Dalším krokem je vynásobení hodnoty 2,26 nejvyšší hodnotou stupnice poţadované veličiny. V případě převodu na teplotu je to 100, pokud by se jednalo o tlak, pouţijeme číslo 40. Po násobení stačí výsledek vydělit rozsahem původní stupnice – tedy číslem 16. Hodnota 6,26 mA můţe prezentovat teplotu o 14,1 ºC nebo tlak o velikosti 5,65 Barů. Uvnitř kódu je výraz pro vyčíslení tlaku zapsán následujícím způsobem: 78 4.4.2
P1 = ( p1 - rodzdil ) * dilku_tlak / celkem
Veličiny snímané pomocí pulzů
V případě převodu veličin udávaných pulzy je nutné odchytit a zaznamenat celkový počet pulzů, který pak stačí roznásobit udávanou konstantou. Problém je vyřešen softwarově pomocí virtuálního přístroje program, který přečte a následně vyhodnotí hodnotu daného vstupního kanálu. Perioda časování přístroje je nastavena menší neţ délka pulzu a tak dojde minimálně k jedné aktivaci během pulzu. Moţnost vícenásobné aktivace je eliminována implementací podmínky, která kontroluje, zda dochází ke změně hodnoty, aţ poté jsou provedeny příkazy reagující na jednotlivé pulzy. Při splnění podmínky je nejprve navýšení hodnoty datového elementu uchovávajícího počet pulzů a rozsvícení indikační diody pro kontrolu aktivace. Následně je zapsán počet desetinsekundy uběhlých od přijetí předešlého pulzu, které se měří pomocí vytvořeného časovače, jeţ je vynulován při odchycení impulzu a počítá, dokud nedojde k jeho další aktivaci. Posledním krokem je vyčíslení aktuální spotřeby pomocí formulace ve zdrojovém kódu. Algoritmus aplikovaný při hodnocení impulzů z elektroměru je popsán slovy v následujících řádcích. Čas uběhlý mezi dvěma pulzy je převeden na vteřiny a je jimi vydělen celkový počet sekund v hodině, tak zjistíme, kolik impulzů za hodinu by došlo při zachování současného stavu. Dopočítaný počet pulzů vynásobíme konstantou 2,5, která udává počet w/h na jeden pulz a výsledné číslo lze jiţ prezentovat jako výsledek, avšak výsledná hodnota je moc veliká a tak ji vydělíme 1000 pro udání výsledných hodnot v kW/h. Následná ukázka je částí kódu virtuálního přístroje pulzy_elektriky začínajícího řádkem 1402.
Praktická část
41
activity period = 0.01; end_activity; procedure OnActivate(); begin if pokus_amp = true then if stav=false then stav=true; pulzy_elektriky = pulzy_elektriky+1; ubehly_cas = pokus_cas; pokus_cas=0; spotreba.SetValue((2.5*(3600/(ubehly_cas/10)))/1000); end;
Zachycení pulzů, které udávají průtok chladiva je řešeno téměř identickým způsobem, změny se projevují pouze v názvech pouţitých datových elementů. Pomocí vzorců uvedených v teoretické části a získaných hodnot je moţné dopočítat charakteristické vlastnosti tepelného čerpadla. 4.4.3
Paměť počtu pulzů
Při vypnutí aplikace dojde ke ztrátě neuloţených dat, které je nutné při novém spuštění aplikace načíst. Tento problém je nutné vyřešit zejména pro povědomí o celkové spotřebě zařízení bez nutnosti sloţitého procházení databáze, nebo mechanického odečítání stavu. Problematika je vyřešena pouţitím přístroje text scanner, který slouţí pro práci se strukturovanými textovými soubory nacházející uplatnění jako inicializaci soubory. Při zapnutí aplikace je provedeno načtení hodnot do příslušných datových elementů. Před ukončením aplikace dojde k uloţení datových elementů do zmiňovaného inicializačního souboru.
4.5 Aplikace v reálném provozu Testování aplikace v reálném provozu probíhalo ve více etapách. Důvodem testování bylo ověřit, zda navrţené řešení funguje podle očekávání. Pro testování byl k dispozici počítač typu ITX s operačním systémem Windows XP. Na tomto počítači byl nainstalován programový systém Control web verze 6, který obstarává překlad a spouštění vývojové verze aplikace. Některé z poznatků získaných při testování vedly k úpravám, které měly odstranit zjištěné nedostatky, případně vylepšit současné řešení. Příkladem je odchytávání impulzů, kdy aţ testování v reálném prostředí odhalilo nedostatečnost řešení povaţovaného za funkční. Vzniklý problém byl podroben analýze, která vedla aţ ke zkoumání signálu pomocí digitálního osciloskopu DS-1150. Bylo zjiš-
Praktická část
42
těno, ţe skutečná délka pulzu je kratší, neţ udávaná. Naměřeno bylo 60 ms namísto výrobcem udávaných 80 ms, jak lze vidět na obrázcích č. 27 a č. 28. Tento problém je způsoben pouţitím stykače, který zkrátí daný pulz o čas potřebný k mechanickému sepnutí. Na základě zjištěných parametrů pulzu bylo provedeno nové nastavení parametrů funkce, která jiţ fungovala správně. Řešení problematiky uvedené v předchozí kapitole jiţ pracuje s těmito hodnotami. Po odladění aplikace proběhlo finální testování simulující reálné pouţití. Postup při spuštění Nejprve je nutné připojit tepelné čerpadlo do elektrické sítě a pomocí spínačů na ovládacím panelu přepnout do automatického reţimu. Při aktivním ručním reţimu jsou ignorovány příkazy z počítače a tepelné čerpadlo lze ovládat pouze prostřednictvím ovládacího panelu. Po spuštění aplikace je okamţitě zobrazen současný stav zařízení prezentován jednotlivými hodnotami. Před vyvoláním příkazu pro zapnutí či vypnutí některého z ovládaných přístrojů je nutné nejprve aktivovat automatický režim prostřednictvím ovládacího panelu. K vykonání instrukce dojde ihned po kliknutí myši, avšak zpětná vazba má vteřinové zpoţdění, stejně tak při aktivaci ostatních přístrojů je zpoţdění způsobené nutným časem pro rozběh z klidného stavu. Při zobrazení veličin na display dochází k obměně hodnot v rozmezí několika vteřin, a proto můţe obsluha sledovat aktuální stav, a tak odvodit trend hodnot. Ukládání veličin do databáze probíhá v intervalu 15 minut, při celodenním provozu tedy získáme 96 záznamů. Při testování bylo vyuţito kratšího intervalu, neboť získání testovacího vzorku dat by bylo časově náročné. Soubory s ukázkou naměřených dat jsou nahrány na přiloţeném CD, případně lze prohledat i vyexportovaný databázový soubor.
Záv ěr
43
5 Závěr Práce zachycuje postup návrhu a tvorby systému pro monitoring provozu tepelného čerpadla. Obsahuje všechny důleţité poznatky získané při řešení dané problematiky. Stěţejní část se zabývá tvorbou aplikace, jejíţ výsledná podoba prošla během vývoje mnohými změnami. Zbytečně náročné řešení by lo nahrazeno jednodušším, případně bylo hledáno nové funkční řešení. S výsledným testováním aplikace byly spojeny různé technické zádrhele způsobené např. poškozením přístroje nebo špatnou instalací či konfigurací snímačů. Technické problémy bylo nutno odstranit, coţ způsobovalo neţádoucí zdrţení. Prvotní návrh aplikace byl realizován jiţ v počátcích této práce. Pro rychlý vývoj prototypu byly kladeny nároky pouze na plnění základních funkcí. Tento koncept byl na základě testování a konzultací s vedoucím práce doplňován o chybějící moţnosti. Nalezení některých správných řešení předcházelo zdlouhavé hledání příčiny problému, která byla odhalena při testování.
5.1 Zhodnocení řešení Pomocí programu můţeme jednoduše ovládat základní prvky tepelného čerpadla, sledovat aktuální stav přístroje pomocí charakteristických veličin a prohlíţet archivované hodnoty. Aplikace díky vývoji v prostředí Control web disponuje moţností budoucích úprav, které by mohli realizovat přímo studenti v rámci výuky. Aplikaci by bylo moţné také realizovat pomocí sady bashových skriptů v linuxovém prostředí. Tato volba by znamenala konfiguraci potřebných moţností operačního systému, případně vyuţití cizích knihoven nebo implementaci vlastních procedur pro funkce, které jsou v prostředí Control web jiţ obsaţeny. Aplikace bude pouţívána při výuce v předmětech, ve kterých se vyučuje práce s programovacím systémem Control web. Aplikace by mohla být (za jistých okolností) pouţívána i na jiném zařízení, neţ pro které byla vyvinuta. Nejdůleţitější by byla shodná konfigurace měřicího řetězce a měření stejných hodnot. V případě rozdílnosti by bylo nutné provést úpravu aplikace.
5.2 Možnosti do budoucna Úpravy softwarové části za účelem vylepšení by bylo moţné provést celkem pohodlně, ale musely by býti realizovány na základě nějakého impulzu, neboť aplikace splňuje všechny vznesené poţadavky. V hardwarové oblasti lze najít moţnosti pro vylepšení měřicího řetězce. Zejména pro snímání impulzů by bylo vhodnější pouţití modulu ADAM 4080, který je navrţen za účelem snímání pulzujícího signálu a tomu jsou uzpůsobeny i jeho funkce. Tento modul je schopný samostatně sčítat pulzy, díky čemuţ by odpadla nutnost dalšího softwarového zpracování. Bohuţel tyto moduly nebyly k dispozici a tak vzniklo stávající řešení, které chybějící funkce nahradilo softwarově.
Literatura
44
6 Literatura ADVANTECH. User manual for ADAM-4000 series. 2004. Dostupné z: http://downloadt.advantech.com/download/downloadsr.aspx?File_Id=1 J1OBRB BELLER, Petr. Návrh tepelného čerpadla pro vytápění objektu. 2007, Brno. Pert Beller. Bakalářská práce. Mendelova univerzita v Brně. Vedoucí práce Ing. Tomáš Vítěz, Ph.D. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ. Měření vlhkosti vzduchu. 2006. Dostupné z: http://www.micro.feld.cvut.cz/home/X34SES/cviceni/Navody%20na%20c viceni/07.Mereni%20vlhkosti.pdf EKOLOGICKÉ ZDROJE VYTÁPĚNÍ. Druhy tepelných čerpadel [online]. 2009 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.ezv.cz/stranka-druhytepelnych-cerpadel-38 ENERGETICKÁ ZAŘÍZENÍ S.R.O. Princip tepelného čerpadla [online]. 2006 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.enza.cz/princip-tepelnehocerpadla.htm GRODA, Bořivoj a Petr HÁJEK. Termomechanika. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2001, 182 s., [51] s. obr. příl. ISBN 80715-7555-0. GRODA, Bořivoj a Tomáš VÍTĚZ. Termomechanika: cvičení. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2005, 111 s., [7] l. obr. příl. ISBN 978-80-7157-888-8. Humidity sensor. Micros Sp.j. [online]. 2013 [cit. 2013-04-27]. Dostupné z: http://www.image.micros.com.pl/_icon_auto/rys.gy-hr100.jpg KADLEC, CSC, Doc. Ing. Karel. Snímače tlaku – principy, vlastnosti a použití. 2007. Dostupné z: http://ufmt.vscht.cz/cs/component/joomdoc/doc_download/255-.html KMÍNEK CSC., DOC, Ing. Miloš. Měření teploty . VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKOTECHNOLOGICKÁ V PRAZE [online]. 2005a [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k43-tepl.htm KMÍNEK CSC., DOC, Ing. Miloš. Měření průtoku a proteklého mnoţství. VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE. [online]. 2005b [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k45-prut.htm KOBOLD.COM. Průtokoměr s oválnými koly [online]. 2010 [cit. 2013-04-25]. Dostupné z: http://gas.ibyznys.cz/www/prilohy/průtokoměry/85044.pdf MASTNÝ, Petr. Specifikace tepelných čerpadel pro využití v TZB. In: Časopis stavebnictví | Expodata Brno [online]. 2007 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://casopisstavebnictvi.cz/tisk.php?ID=517
Literatura
45
MORAVSKÉ PŘÍSTROJE A.S. Control web 6 - dokumentace. 2013. OEM capacitive relative humidity and temperature sensor. Direct industry [online]. 2013 [cit. 2013-04-27]. Dostupné z: http://www.directindustry.com/prod/galltec-mess-und-regeltechnik/oemcapacitive-relative-humidity-and-temperature-sensors-28234-508814.html Tepelná čerpadla v roce 2011. Ministerstvo průmyslu a obchodu [online]. 2012 [cit. 2013-03-24]. Dostupné z: http://www.mpo.cz/dokument118628.html ŢERAVÍK, Antonín. Stavíme tepelné čerpadlo: [návratnost i za jeden rok]. 1. vyd. Přerov: Antonín Ţeravík, 2003, 311 s. ISBN 80-239-0275-X.
Přílohy
46
Přílohy
Rankinův cy klus
47
A Rankinův cyklus „Pracovní látka vstupuje do kompresoru ve stavu syté páry při suchosti x=1 a objemu (V) je adiabaticky, resp. isoentropicky stlačována na tlak pk (1-2). Jak lze vidět na obr. 20, teplota uvolněná při stlačování je vyšší, než-li je teplota látky, které je teplo odváděno. Pracovní látka pak vstupuje do kondenzátoru (KO) ve stavu přehřáté páry a kondenzuje za stálého tlaku p k přičemž se odvádí uvolněné teplo Q k (2-4). Kapalná pracovní látka vstupuje do expanzního ventilu (EV), kde isoentalpicky expanduje (4-5) na tlak p0 a ve stavu mokré páry přichází do výparníku (V). Ve výparníku se tepelným tokem Q 0 isotermicky vypařuje hmotnost (m) pracovní látky (5-1). Vypařování musí probíhat při takové teplotě T0, jíž odpovídá tlak p0, aby i při nejnižší teplotě chlazené látky byl ve výparníku dostatečný teplotní rozdíl. Vypařená pracovní látka je v objemu V odsávána kompresorem (K) a cyklus se opakuje. Tento oběh bývá u tepelného čerpadla označován jako primární.“ (Groda, Hájek, 2001)
Obr. 20 Zlev a: T-S diagram tepelného čerpadla, obecné schéma tepelného čerpadla, P-I diagram. Zdroj: Groda, Hájek, 2001 .
Obrázkové přílohy
B Obrázkové přílohy
Obr. 21 V ý voj počtu nainstalovaných tepelných čerpadel v letech 1 990-2011 Zdroj: Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2012 .
48
Obrázkové přílohy
Obr. 22
Zařízení tepelného čerpadla z jiného pohledu
49
Obrázkové přílohy
Obr. 23
Zaměření na primární okruh tepelného čerpadla
50
Obrázkové přílohy
Obr. 24
Detail primárního okruhu z jiného pohledu
51
Obrázkové přílohy
Obr. 25
Elektrická instalace uv nitř rozvodné skříně
52
Obrázkové přílohy
Obr. 26
Ov ládací panel na dv eřích rozvodné skříně
Obr. 27
Zachy cení prodlevy mezi pulzy
53
Obrázkové přílohy
Obr. 28
Detailní pohled na elektrický impulz
54
Tabulkové přílohy
55
C Tabulkové přílohy Tab. 3 Technické specifikace modulu ADAM 41 9+ Zdroj: Adv antech, 2007.
Channel Resolution Input Type Input type and temperature range
Isolation Voltage Sampling Rate Input Impedance Accuracy Power Consumption I/O Connector Type Burn-out Detection
8 16 bits V, mV, mA, T/C V: ±1 V , ±2.5 V, ±5 V , ±10 V mV: ±100 mV, ±500 mV mA: ±20 mA (with 120 Ω resister) 4~20 mA (with 120 Ω resister) Thermocouple: J 0 to 760 °C K 0 to 1370 °C T -100 to 400 °C E 0 to 1000 °C R 500 to 1750 °C S 500 to 1750 °C B 500 to 1800 °C 3000 VDC 10 samples/sec (total) Voltage: 20 MΩ, Current: 120 Ω ±0.1 % or better 1.0 W @ 24 VDC 10 pin plug-in terminal 4~20 mA and all thermocouple input
Tabulkové přílohy Tab. 4
56
Tabulka komponent tvořících tepelné čerpadlo
Název přístroje
Kompresor
Výparník
Kondenzátor
Expanzní ventil
Čerpadlo
Vodní nádrţ
Popis Typ: spirálový kompresor Výrobce: Copeland Označení: Copeland Scroll ZR22K3E-PFJ 522 Napájení: 220 - 240 V Výkon motoru: 1,4 kW Vykonnost: 5,3 m3/h Hmotnost: 24 kg Lamelový hliníhový chladič Rozměry chladiče: 80x77x14,5 mm 6 heatpipe Výkon ventilátoru 120w Výkon motoru ventilátoru 2kW Spirálně vinutý dvoutrubkový kondenzátor Materiál: měď Průměr trubek: TISE TI–SW (12mm) Pájecí měděné hrdlo Rozsah vypařovacích teplot -45 aţ +20 ºC Označení: WILO Star RS 25/4 Typ: Oběhové čerpadlo Ø 180 mm Maximální průtok: 51 litrů/hod Maximální výtlak: 4,2 m Jmenovitý výkon motoru: 0,022 kW Třístupňový přepínač výkonu Plastový sud o objemu 50l
Tabulkové přílohy Tab. 5
57
Sledov ané v eličiny, jejich jednotky, pouţité snímače a časování archivace
Název veličiny
Použitý snímač
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 RH1 RH2 P1 P2 P3 P4 A mch
OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA HX13 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA HX13 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA 5TC-TT-T-20-72 OMEGA HX13 OMEGA HX13 BD senzor DMP-333 BD senzor DMP-333 BD senzor DMP-333 BD senzor DMP-333 AMT B0B-SA4 Sika VZ020ALV31
Interval snímání [minuty] 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Spojitě Spojitě
