Автоматизация комплекса центрального кондиционирования воздуха дорожного центра управления перевозками

84

Уральский государственный горный университет

Горно-механический факультет

Кафедра автоматики и компьютерных технологий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА ЦЕНТРАЛЬНОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА к1/в3 дОРОЖНОГО ЦЕНТРА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗКАМИ

выпускная квалификационная работа инженера

по специальности 220301 "автоматизация технологических процессов и производств"

Руководитель работыЗав. кафедры АКТ

Выполнил студент

группа

г. Екатеринбург 2008 г.

Содержание

• Введение
• 1. Технология обработки воздуха
• 1.1 Сведения о назначении систем вентиляции и кондиционирования. Классификация систем
• 1.2 Основные параметры влажного воздуха
• 1.3 Термодинамическая модель систем кондиционирования и вентиляции
• 2. Механическое и электрическое оборудование приточно-вытяжной установки К1/В3
• 2.1 Общие данные
• 2.2 Технические данные комплекта
• 2.3 Приточная ветвь
• 2.4 Вытяжная ветвь
• 2.5 Расчет регулирующего клапана секции 1-го подогрева
• 2.6 Определение действительной гидравлической потери выбранного клапана при полном открытии.
• 3. Характеристика управляемого объекта
• 3.1 Системный анализ технологического комплекса
• 3.2 Структурная и параметрическая идентификация технологического комплекса
• 3.3 Расчет коэффициентов теплообменника рекуператора обогревающего
• 3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 1-го подогрева
• 3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 2-го подогрева
• 3.5 Расчет коэффициентов оросительной камеры
• 4. Управление технологическим комплексом
• 4.1 Выбор структуры управления технологического комплекса измельчения
• 4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом
• 4.3 Управление системой
• 4.4 Описание системы
• 5 Автоматизация технологического комплекса
• 5.1 Определение локальных контуров регулирования
• 5.2 Выбор управляющего устройства
• 5.3 Выбор датчиков
• 5.4 .Выбор исполнительных механизмов
• 5.5 Моделирование автоматической системы регулирования
• 5.6 Программирование контроллера
• 6. Безопасность эксплуатации автоматизированного технологического комплекса
• 6.1 Требования к вентиляционным системам при эксплуатации
• 6.2 Требования к вентиляционным системам при ремонте
• 7. Технико-экономические показатели автоматизированного комплекса
• 7.1 Исходные данные
• 7.2 Расчет инвестиций
• 7.3 Расчет текущих издержек
• 7.4 Экономическая эффективность проектируемого технического решения
• Заключение

Введение

Жизненный опыт и научные исследования показывают, что организм человека имеет огромные потенциальные резервы для физической и умственной деятельности. Однако, чтобы использовать эти резервы, необходимо создать определенные благоприятные условия. Прежде всего, это относится к окружающей среде: составу, чистоте, температуре, влажности воздуха, содержанию положительных и отрицательных ионов, наличию полей различного происхождения и т.д.

Некоторые из перечисленных параметров могут поддерживаться в требуемых пределах системами вентиляции и кондиционирования воздуха (СКВ). Качественная работа СКВ, точность поддержания параметров воздуха, снижение эксплуатационных расходов и сроков окупаемости климатического оборудования во многом зависят от алгоритмов работы и от аппаратурной реализации систем автоматизации. Кроме того, системы автоматизации, выполняя защитные и диагностические функции, не допускают выход из строя дорогостоящего оборудования.

Известно, что наибольшие сложности в управлении технологическими процессами возникают, когда регулируемые параметры ограничены многомерной областью, например, многоугольником. Именно таким образом выглядят исходные требования к СКВ при представлении их термодинамическими моделями. Алгоритмы управления СКВ должны предусматривать порядок перемещения и изменения параметров воздуха в области, ограниченной этим многоугольником, т.е. осуществлять переход исходного множества параметров (наружный воздух) в новое множество параметров (воздух, подаваемый в помещение). При этом такой процесс должен проходить кратчайшим (оптимальным) путем. Так, эксплуатационные расходы будут минимальными, если в холодный период года состояние подаваемого в помещение воздуха будет поддерживаться на уровне минимально допустимой энтальпии, а в теплый период - на уровне максимально допустимой. Исходя из этих и других критериев, выбирается технологический процесс стабилизации параметров, алгоритмы и оборудование как СКВ в целом, так и систем автоматизации в частности.

1. Технология обработки воздуха

1.1 Сведения о назначении систем вентиляции и кондиционирования. Классификация систем

Системы вентиляции и кондиционирования предназначены для двух целей:

Создание допустимых или оптимальных условий (по выбору заказчика и СНиПов) микроклимата в помещениях, предназначенных для пребывания работающих или отдыхающих людей.

Создание требуемых условий микроклимата для проведения технологических процессов с минимальным количеством брака.

Системы вентиляции для общественных и гражданских зданий классифицируются по функциональному назначению:

Приточные системы, подающие наружный очищенный и подогретый (в холодный период года) воздух в рабочую зону помещений, в зону жизнедеятельности людей.

Вытяжные системы, удаляющие отработанный увлажненный воздух из места его скопления, обычно из верхней зоны помещений.

Рециркуляционные системы, использующие воздух помещения для его охлаждения (в теплый период года) или нагрева (в переходных условиях и в холодный период).

1.2 Основные параметры влажного воздуха

Состояние влажного воздуха определяется совокупностью параметров: температурой воздуха tв, относительной влажностью в%, скоростью движения воздуха Vв м/с, концентрацией вредных примесей С мг/м3, влагосодержанием d г/кг, теплосодержанием I кДж/кг.

Относительная влажность в долях или в% показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения и равна отношению давления Рп водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению Рп. н. водяного пара в насыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре и барометрическом давлении:

(1.1)

Влагосодержание - это масса водяных паров в г, содержащихся в 1 кг сухой части влажного воздуха:

d= или d=623, г/кг, (1.2)

где В - барометрическое давление воздуха, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха РС.В. и водяного пара РП.

Парциальное давление водяных паров, находящихся в насыщенном состоянии, зависит от температуры:

, Па (1.3)

Теплосодержание или энтальпия влажного воздуха I кДж/кг состоит из суммы энтальпий сухой части воздуха и водяного пара:

, кДж/кг, (1.4)

где сВ - теплоемкость сухого воздуха, равная 1,005 ;

сП - теплоемкость водяного пара, равная 1,8 ;

сВ и сП можно считать постоянными в диапазоне температур, используемых для вентиляционных процессов;

r - удельная теплота парообразования, равная 2500 ;

I = 1,005t + (2500 + 1,8t) d * 10-3, кДж/кг. (1.5)

I-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов изменения состояния воздуха. Точка росы и мокрого термометра. Угловой коэффициент и связь его с поступлением тепла и влаги в помещение

I-d диаграмма влажного воздуха - это основной инструмент для построения процессов изменения его параметров. I-d диаграмма основана на нескольких уравнениях: теплосодержания влажного воздуха:

I = 1,005 * t + (2500 + 1,8 * t) * d/1000, кДж/кг (1.6)

влагосодержания:

, г/кг (1.7)

в свою очередь давление водяных паров:

и (1.8)

давление водяных паров, насыщающих воздух:

, Па (Формула Фильнея), (1.9)

а - относительная влажность воздуха, %.

В свою очередь в формулу 1.7 входит барометрическое давление Рбар, разное для различных районов строительства, следовательно, для точного построения процессов требуется I-d диаграмма для каждого района.

I-d диаграмма (рис.1.1) имеет косоугольную систему координат для увеличения рабочей площади, приходящейся на влажный воздух и лежащей выше линии = 100%. Угол раскрытия может быть разным (135 - 150є).

I-d диаграмма связывает воедино 5 параметров влажного воздуха: тепло и влагосодержание, температуру, относительную влажность и давление водяных паров насыщения. Зная два из них, по положению точки можно определить все остальные.

Основными характерными процессами на I-d диаграмме являются:

Нагрев воздуха по d = const (без увеличения влагосодержания) рис.1.1, точки 1-2. В реальных условиях это нагрев воздуха в калорифере. Увеличивается температура и теплосодержание. Уменьшается относительная влажность воздуха.

Охлаждение воздуха по d = const. Точки 1-3 на рис.1.1 Этот процесс происходит в поверхностном воздухоохладителе. Уменьшается температура и теплосодержание. Увеличивается относительная влажность воздуха. Если продолжить охлаждение, то процесс дойдет до линии = 100% (точка 4) и, не пересекая линию, пойдет вдоль нее, выделяя влагу из воздуха (точка 5) в количестве (d4-d5) г/кг. На этом явлении основана осушка воздуха. В реальных условиях процесс не доходит до = 100%, а окончательная относительная влажность зависит от начальной величины. По данным профессора Кокорина О.Я. для поверхностных воздухоохладителей:

max = 88% при начальном нач = 45%

max = 92% при начальном 45% < нач 70%

max = 98% при начальном нач > 70%.

На I-d диаграмме процесс охлаждения и осушки обозначается прямой линией, соединяющей точки 1 и 5.

Однако встреча с = 100% линии охлаждения по d = const имеет свое собственное название - это точка росы. По положению этой точки легко определяется температура точки росы.

Изотермический процесс t = const (линия 1-6 на рис 1.1). Все параметры возрастают. Увеличивается и тепло, и влагосодержание, и относительная влажность. В реальных условиях это увлажнение воздуха паром. То небольшое количество явного тепла, которое вносится паром, обычно не учитывается при построении процесса, т.к оно незначительно. Однако такое увлажнение достаточно энергоемко.

Адиабатный процесс I = const (линия 1-7 на рис.1.1). Снижается температура воздуха, увеличивается влагосодержание и относительная влажность. Процесс осуществляется при непосредственном контакте воздуха с водой, проходя либо через орошаемую насадку, либо через форсуночную камеру.

При глубине орошаемой насадки 100 мм можно получить воздух с относительной влажностью = 45% при начальной - 10%, насадка глубиной 200 мм дает = 70%, а 300 мм - = 90% (по данным блоккамер сотового увлажнения фирмы ВЕЗА). Проходя через форсуночную камеру, воздух увлажняется до величины = 90 - 95%, но со значительно большими энергозатратами на распыление воды, чем в орошаемых насадках.

Продолжив линию I = const до = 100%, мы получим точку (и температуру) мокрого термометра, это равновесная точка при контакте воздуха с водой.

Однако в аппаратах, где происходит контакт воздуха с водой, особенно по адиабатическому циклу, возможно возникновение болезнетворной флоры, и поэтому такие аппараты запрещены для использования в ряде медицинских и продовольственных отраслей.

В странах с жарким и сухим климатом аппараты на основе адиабатического увлажнения весьма распространены. Так, например, в Багдаде при дневной температуре в июне - июле 46єС и относительной влажности 10% такой кулер позволяет снизить температуру приточного воздуха до 23єС и при 10-20-кратном воздухообмене в помещении достигнуть внутренней температуры 26єС и относительной влажности 60-70%.

При сложившейся методике построения процессов на I-d диаграмме влажного воздуха наименование реперных точек получили следующую аббревиатуру:

Н - точка наружного воздуха;

В - точка внутреннего воздуха;

К - точка после нагрева воздуха в калорифере;

П - точка приточного воздуха;

У - точка воздуха, удаляемого из помещения;

О - точка охлажденного воздуха;

С - точка смеси воздуха двух различных параметров и масс;

ТР - точка росы;

ТМ - точка мокрого термометра, которая и будет сопровождать все дальнейшие построения.

При смешивании воздуха двух параметров линия смеси пойдет по прямой, соединяющей эти параметры, а точка смеси будет лежать на расстоянии, обратно пропорциональном массам смешиваемого воздуха.

Теплосодержание смеси:

, кДж/кг, (1.10)

а влагосодержание:

, г/кг. (1.11)

При одновременном выделении в помещение избыточного тепла и влаги, что обычно бывает при нахождении в помещении людей, воздух будет нагреваться и увлажняться по линии, называемой угловым коэффициентом (или лучом процесса, либо тепловлажностным отношением) е:

, кДж/кгН2О, (1.12)

где ?Qn - суммарное количество полного тепла, кДж/ч;

?W - суммарное количество влаги, кг/ч.

При ?Qn = 0 е = 0.

При ?W = 0 е > ? (рис.1.2)

Таким образом, I-d диаграмма по отношению к внутреннему воздуху (или к другой точке) разбивается на четыре квадранта:

Iе от ? до 0 - это нагрев и увлажнение;

IIе от 0 до - ? - охлаждение и увлажнение;

IIIе от - ? до 0 - охлаждение и осушка;

IVе от 0 до ? - нагрев и осушка - в вентиляции и кондиционировании не используется.

Для точного построения луча процесса на I-d диаграмме, следует взять значение е в кДж/гН2О, и отложить на оси влагосодержание d = 1, или 10 г, а на оси теплосодержание в кДж/кг соответствующее е и полученную точку соединить с точкой 0 I-d диаграммы.

Процессы, не являющиеся основными, называются политропическими.

Изотермический процесс t = const характеризуется значением е = 2530 кДж/кг.

Рис.1.1 I-d диаграмма влажного воздуха

Рис.1.2 I-d диаграмма влажного воздуха. Основные процессы

1.3 Термодинамическая модель систем кондиционирования и вентиляции

Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение представляет собой совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепло влажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.

Для выбора способов обработки воздуха строят I-d диаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т.д. Такая схема обработки воздуха называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).

Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Хн = хн (ф). Соответственно совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Хпр = хпр (ф), а в обслуживаемом помещении Хпом = хпом (ф) (параметры в рабочей зоне).

Математически технологический процесс может быть представлен аналитическим или графическим описанием движения многомерной функции Хн к Хпр и далее к Хпом.

Отметим, что под переменным состоянием системы х (ф) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени.

Термодинамическую модель движения функции Хн к Хпом строят на I-d диаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.

Построение ТДМ начинают с нанесения на I-d диаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05_91 (параметры Б).

Верхней границей является изотерма tл и изоэнтальпа hл (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма tзм и изоэнтальпа hзм (предельные параметры холодного и переходных периодов года). Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20% до 100%.

Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис.1.3).

Затем наносят на I-d диаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне.

Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р1Р2Р3Р4 (комфортное кондиционирование).

Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении е и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепловлажностном процессе в помещении ориентировочно е можно принять (в кДж/кг):

предприятия торговли и общественного питания 8 500 - 10 000

зрительные залы 8 500 - 10 000

квартиры 15 000 - 17 000

офисные помещения 17 000 - 20 000

Рис.1.3 Изображение на I-d диаграмме параметров воздуха при кондиционировании.

После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях е, проведенных из граничных точек зоны Р1Р2Р3Р4, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур:

Дt = tпом - tпр, (1.13)

где tпр - расчетная температура приточного воздуха.

Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Хн к функции Хпом.

Величину Дt принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения.

Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха (Дt) для производственных помещений составляет 6-9 °С, торговых залов - 4-10 °С, а при высоте помещения более 3 м - 12-14 °С. В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов.

Зоны П, Р и У (приточная, рабочая, удаляемая) на I-d диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии е на расстояниях, соответствующих разностям температур Дt1= tпом - tпр и Дt2 = tуд - tпом.

Соотношение между tпр, tпом и tуд оценивается коэффициентом:

(1.14)

Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П1П2П3П4).

Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла.

2. Механическое и электрическое оборудование приточно-вытяжной установки К1/В3

2.1 Общие данные

Система К1, В3 состоит из кондиционера К1, совмещенного с вытяжной системой В3.

Кондиционер К1 располагается в подвале блока Б в венткамере №2. Вытяжная система В3 располагается в венткамере в межферменном пространстве под кровлей блока Б (над залом ЦУП). Шкаф автоматики, управляющий системой, располагается в подвале блока Б в венткамере №2.

Система К1, В3 обслуживает помещения диспетчерских и студий блока Б. В состав системы входят:

заслонка наружного воздуха (двухпозиционная с концевым выключателем закрытия и пружинным возвратом);

секции фильтров (предназначены для очистки приточного и вытяжного воздуха);

секции рекуперации (предназначены для использования тепла вытяжного воздуха для обогрева приточного воздуха зимой и холода вытяжного воздуха для охлаждения приточного воздуха летом);

секция первого подогрева (предназначена для предварительного подогрева приточного воздуха зимой);

секция увлажнения (предназначена для увлажнения приточного воздуха зимой, когда влажность воздуха понижена);

секция охлаждения (предназначена для охлаждения приточного воздуха летом);

секция второго подогрева (предназначена для окончательного нагрева приточного воздуха);

секции приточного и вытяжного вентиляторов.

Рис.2.1 Приточно-вытяжной агрегат KLM 40.

2.2 Технические данные комплекта