Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Технические характеристики воздухонагревателя ТАГ – 100

1.1 Описание объекта управления

1.1.1 Общее описание системы

Объектом для установки автоматизированной системы отопления являются неотапливаемые производственные помещения общей площадью до 300 кв.м.

Целью установки данной системы является поддержание комфортной температуры воздуха в холодное время года (при температуре наружного воздуха менее 10 ⁰С), а так же экономия энергии и денежных средств, затрачиваемых на отопление помещения. В связи с этим требуется обеспечить температуру воздуха в помещении в дневное время –25 ⁰С, в ночное время – 14 ⁰С.

Одним из вариантом решения проблемы отопления производственных помещений является применение автономных воздухонагревателей.

Отопление горячим воздухом может быть вентиляционным (когда приточный воздух полностью забирается снаружи помещения), циркуляционным (когда нагревается только внутренний воздух помещения) и комбинированным.

Установки для отопления циркуляционным воздухом обычно имеют осевой вентилятор, одно- или двухступенчатую газовую горелку, принудительный отвод продуктов сгорания, а также электронный блок управления. Благодаря использованию бесшумных вентиляторов и регулируемых жалюзи для изменения направления потока воздуха, эти установки могут использоваться даже в небольших помещениях с низкими потолками без снижения уровня комфортности для находящихся в них людей.

Установки для вентиляционного нагрева воздуха служат для отопления и вентиляции в непрерывном режиме. Это уже целая приточная система, которая устанавливается или внутри, или снаружи помещения, имеет электронное управление и возможность программирования режима работы. К тому же, кроме летнего вентиляционного режима, они могут работать в режиме кондиционирования при дополнительной комплектации. Автоматический режим работы и минимальная инерционность процесса управления позволяет вентиляционным установкам с высокой точностью выдерживать заданный температурный режим в обслуживаемом помещении. Благодаря применению блока электронно-управляемого розжига установки могут выключаться в нерабочее время и затем автоматически включаться.

В воздухонагревателях используется технология прямого теплообмена воздух/воздух, который обеспечивает высокий тепловой КПД, так как исключается промежуточная стадия жидкого теплоносителя. Система позволяет избежать прокладку дорогостоящих гидравлических систем отопления, которые - помимо высокой стоимости установки - являются также источником тепловых потерь. С помощью модульной системы за 30 минут можно нагреть воздух даже в большом помещении. Воздухонагреватели устанавливаются напрямую в отапливаемом помещении и не требуют наличия традиционной котельной и выполнения дополнительных строительных работ. Кроме этого, благодаря расположению на стене и сохранения свободного пространства на полу, они позволяют более выгодно использовать внутреннее пространство помещений.

Каждый воздухонагреватель является автономным и независимым отопительным прибором и выполняет двойную функцию производства и распределения тепла. Воздухонагреватели подстраиваются к переменным потребностям помещений с точки зрения отопления – можно устанавливать точно требуемое количество аппаратов. Каждый аппарат работает независимо от других установленных аппаратов с независимой регулировкой температуры для каждой отдельной зоны на требуемое время: это обеспечивает соответствие расхода реальным потребностям. Воздухонагреватели, кроме этого, особенно подходят для тех систем, где в будущем возможны изменения/расширения. И еще одним преимуществом системы является постоянство работы даже при аварии одного аппарата, благодаря автономии и независимости других аппаратов системы.

Автономные воздухонагреватели предназначенны для мастерских и промышленных помещений, коммерческих и выставочных комплексов.

1.1.2 Описание элементов системы

1.1.2.1 Технические характеристики воздухонагревателя ТАГ – 100

Технические характеристики соответствуют величинам, приведённым ниже.

Теплопроизводительность не менее 95000 ккал/ч
Производительность по воздуху 8500 м³/ч
Температура нагрева воздуха 40 ⁰С
Топливо – природный газ
Расход топлива не более 11,7 кг/ч
Параметры электрической сети 380/50 В/Гц
Габаритные размеры, мм:

- Длина 1730

- Ширина 840

- Высота 1280

Масса 220 кг
Рабочее давление газа 0,6 МПа
КПД насоса 0,8

1.1.2.2 Требования, предъявляемые к электроприводу ТАГ – 100 и системе автоматизации

К электроприводам воздухонагревателей, исходя из условий эксплуатации, предъявляются следующие требования:

Электроприводы должны обязательно соответствовать требованиям ГОСТ 14691-69, ГОСТ 7192-89, ГОСТ 12997-84.
Все электрические приводы и комплектующие необходимо изготавливать с определенной степенью защиты, а по требованию заказчиков можно изготавливать электроприводы с повышенной степенью защиты.

Предъявляемые требования по взрывобезопасности приводят к необходимости изготовления электроприводов не только в обычном, но и во взрывозащищенном исполнении. Все электрические приводы должны быть стойкими к различным видам ударных или вибрационных нагрузок во избежание их разрушения. Оборудование должно оставаться работоспособным и сохранять все параметры и характеристики, несмотря на воздействие постоянного магнитного поля и переменных полей с различной сетевой частотой.

Требования к электроприводу в отношении видов и функций управления заключаются в том, что электрические приводы должны обеспечивать такие виды управления, как ручное по месту с использованием ручного дублера, дистанционное управление с постоянных пультов, а также автоматическое управление с помощью специальных технических средств по типовым алгоритмам.

Говоря о требованиях к электроприводу, стоит отметить и предъявляемые требования к конструкции. Электрические приводы изготавливают и разрабатывают под конкретные виды энергетической арматуры в качестве инструмента управления ею. Они делятся на однооборотные, многооборотные и прямоходные. Исходя из конструкции и выполняемых функций, электроприводы подразделяются на два вида: для регулирующей и для запорной арматуры, а в зависимости от типа сочленения с арматурой электроприводы бывают встроенные и выносные.

Еще одно из требований, предъявляемых к электроприводу, является то, что в его состав должны входить такие конструктивные элементы:

Электродвигатель, который обеспечивает перемещение рабочего органа;
Редуктор, который обеспечивает необходимую скорость перемещения у выходного вала электрического привода;
Устройство ограничения крутящего момента. Этот элемент обеспечивает необходимый уровень уплотнения электродвигателя при полном открытии или закрытии запорной арматуры;
Устройство для отключения электрического привода при крайних положениях запорного органа.

1.1.2.3 Общее описание ТАГ – 100

Воздухонагреватель ТАГ-100 (далее воздухонагреватель) предназначен для обогрева производственных и складских помещений, строительных объектов, мастерских, спортивных, выставочных и торговых залов, сооружений агропромышленного комплекса, теплиц, ангаров и т.д.

Воздухонагреватель соответствует требованиям безопасности ГОСТ27570.0-87, ГОСТ 27570.15-96 и ППБ-01-93.

Степень защиты, обеспечиваемая оболочкой воздухонагревателя, IP20 по ГОСТ 14254-96.

Нагреватель рекомендуется использовать при температурах окружающей среды между - 20 ⁰С и + 40⁰С.

Электрооборудование ТАГ – 100

Электропривод воздушного клапана

Электропривод воздушного клапана со встроенной пружиной возврата предназначен для открытия и закрытия клапана. Воздушный клапан перекрывает поступление воздуха в пушку.

Вентилятор

В системах нагрева воздуха вентиляторы являются ответственным элементом. От надежной работы вентилторов зависит стабильная и надежная работа системы отопления воздуха. В России и других странах мира широкое применение получили вентиляторы фирмы «Grundfos».

Для работы вентиляторов в составе систем отопления воздуха и систем тепло- и холодоснабжения характерны два основных режима: при постоянном расходе; при переменном расходе.

При постоянном расходе рекомендуется применение вентиляторов с постоянной частотой вращения ротора приводного электродвигателя рабочего колеса.

Фирма «Grundfos» в системах отопления воздуха производит вентиляторы типа UPS. Для ручного регулирования производительности систем конструкции вентиляторов имеет ручное переключение на три частоты вращения.

Привод ЗРК

Для управления клапанами нагрева и охлаждения используется привод ЗРК типа SSB61U. Привод имеет пропорциональный сигнал управления 0…10В, это сигнал приводит в действие шток привода, воздействующий на шток клапана.

Клапан открывается пропорционально напряжению на выходе Y. Электромеханические приводы предназначены для использования совместно с 3-х ходовыми клапанами с номинальным ходом штока 5,5 мм типа VXP45.

Устройство и работа воздухонагревателя ТАГ – 100

Воздухонагреватель ТАГ-100 в соответствии с рисунками 1.1, 1.2 состоит из горелки 1, камеры сгорания 2, корпуса 3, вентилятора 4, электродвигателя 5, колесной подвески 6.

Рисунок 1.1 – Воздухонагреватель ТАГ-100, боковой вид

Рисунок 1.2 – Воздухонагреватель ТАГ-100, фронтальный вид

Пульт управления содержит световую индикацию наличия напряжения на фазах, световую индикацию включения горелки, световую индикацию аварии. Питание осуществляется от сети переменного тока ~380В, промышленной частотой 50 Гц. В качестве зажигающего элемента используется электроды, подключенные к трансформатору, подача топлива осуществляется двигателем М2, нагретый воздух подается в помещение двигателем М1, двигатели короткозамкнутые, асинхронные.

Воздухонагреватель ТАГ-100 имеет два режима работы: режим нагрева воздуха и режим вентилятора.

В режиме нагрева воздуха напряжение питания подаётся на горелку и вентилятор через переключатели «ГОРЕЛКА» и «ВЕНТИЛЯТОР», соответственно. При этом включаются насос, вентилятор горелки и электропривод вентилятора воздухонагревателя. Одновременно подаётся напряжение на электроды розжига.

Топливо (газ) подаётся через фильтр-отстойник насоса на форсунку. Из форсунки распылённое топливо подаётся в камеру сгорания. При помощи вентилятора горелки создаётся топливовоздушная смесь, воспламенение которой происходит от электродов. Воздух, подаваемый вентилятором, нагревается в теплообменнике и выходит через четыре патрубка агрегата.

При достижении температуры в теплообменнике 40 ⁰С срабатывает датчик температуры, который поддерживает работу вентилятора до охлаждения теплообменника до безопасной температуры. При достижении температуры воздуха в теплообменнике значения, установленного ручкой «90⁰С», датчик-реле температуры отключает горелку. При этом вентилятор воздухонагревателя продолжает работать. При понижении температуры в теплообменнике, горелка включается вновь.

Воздухонагреватель может работать в автоматическом режиме от наружного термостата. Для этого необходимо снять ответную часть разъёма «ТЕРМОСТАТ», установленного на блоке управления, снять перемычку и распаять вместо нее провода от внешнего термостата.
При достижении необходимой температуры в обогреваемом помещении, внешний датчик выключит горелку. При этом вентилятор продолжает работу. Горелка возобновит работу при понижении температуры в помещении ниже установленной на внешнем термостате.
При работе воздухонагревателя в режиме вентилятора питание на электродвигатель подаётся через переключатель «ВЕНТИЛЯТОР». При этом переключатель «ГОРЕЛКА» не включается.

При возникновении аварийной ситуации (отказ вентилятора, необоснованное повышение температуры обогреваемого воздуха и т.д.) датчик-реле температуры отключает горелку.

Горелка отключается также по сигналу фоторезистора при затухании пламени по окончании топлива, засорении форсунки и т. д. В этом случае, чтобы запустить воздухонагреватель вновь, необходимо после устранения причин отключения нажать кнопку сброса на горелке.
При включении воздухонагревателя возможно автоматическое отключение горелки из-за низкой температуры топлива (нет воспламенения). Количество отключений допускается не более четырех. Последующие включения производить не ранее, чем через 30 минут.

Во время последующего запуска воздухонагревателя возможно воспламенение скопившегося в камере сгорания топлива, сопровождающееся появлением черного дыма в патрубке. После выгорания остатков топлива режим горения восстанавливается.

Описание работы электрической схемы

После подачи питания в цепь управления и силовую часть теплогенератора путем включения автомата Q1. Загорается индикация наличия фаз осуществленная светодиодами А1,А2,А3. Аппарат как уже описывалось выше, может работать в двух режимах:

В режиме вентилятора после переключения ключа S1 в положение 2 питание подается на катушку К1, которая замыкает свои контакты в цепи двигателя М1 осуществляя его пуск.

Режим нагрева воздуха: запуск режима осуществляется нажатием кнопки S3, ключ S1 находится в положении 1, через катушку К2 питание подается на двигатель М2. Двигатель расположен в камере воздухообменника горелки, на вал двигателя закреплен насос для подачи топлива на форсунку в камере сгорания. Одновременно с запуском двигателя М2 питание подается на электроклапан КL и на трансформатор Т к которому подключены электроды Э_к, через контакт К2.2. Между электродами возникает дуга, воспламеняющая топливо поступающего через форсунку. Клапан КL установлен в топливной системе теплогенератора и служит для регулирования подачи топлива в систему путем открывания и закрывания. По достижении в камере воздухообменника температуры 40⁰С замыкается контакт теплового датчика SK2 и через катушку К1 происходит запуск двигателя М1 осуществляющий подачу нагретого воздуха в помещение. Остановка работы теплогенератора осуществляется нажатием кнопки S2, размыкающей свой контакт в цепи горелки.

В цепи управления установлен плавкий предохранитель F1, защита от КЗ осуществляется автоматическим выключателем Q1. От перегрева тепловой пушки в цепи управления предусмотрен тепловой датчик SK1, срабатывающий при температуре в 90⁰С. Система предусматривает защиту от самопроизвольного затухания факела и не зажигании его при запуске. Для этого в камере сгорания установлены фотодиоды Ф1, Ф2, которые открываются при попадании на них света факела. Через данные фотодиоды протекает постоянный ток, поступающий от диодного моста VD1, VD2,VD3,VD4 на катушку К3, которая в свою очередь имеет нормально замкнутый контакт в цепи реле времени КТ. В случае самопроизвольного затухания факела. Фотодиоды Ф1 и Ф2 остаются закрытыми катушка К3 обесточена, реле времени с выдержкой в 20 сек. разомкнет свой контакт в цепи катушки К2, запретив подачу топлива в камеру сгорания и отключив от сети трансформатор Т. Одновременно замкнется контакт КТ2.1 подключив к сети лампу аварии. Электрическая схема ТАГ-100 представлена на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 – Электрическая схема ТАГ-100

Системы защиты и сигнализации

Для защиты двигателя тепловой пушки от перегрева устанавливаются токоограничивающие силовые автоматические выключатели типа 3RV1 фирмы Siemens. Характеристики расцепления силовых выключателей рассчитаны главным образом для защиты трехфазных двигателей. Расчетный ток защищаемого двигателя устанавливается на настроечной шкале. Расцепитель тока короткого замыкания настроен на заводе на 13-кратную величину расчетного тока. Этим обеспечивается нормальный пуск и надежная защита двигателя. Чувствительность выключателя к выпадению фазы гарантирует, что выключатель своевременно сработает при выпадении фазы и при вызванными этими обстоятельствами сверх токах в других фазах.

Силовые автоматические выключатели также обеспечивают защиту линии.

1.2 Обоснование разработки новой системы управления

1.2.1 Недостатки существующей системы

Вышеописанная система нагревания воздуха обладает следующими недостатками:

Относительно высокий расход топлива.
Невозможность регулирования температуры внутри помещения.
Сложность в обслуживании и ремонте.
Недостаточность визуальных средств наблюдения за работой системы и изменением параметров окружающей среды.
Во время очередного запуска воздухонагревателя возможно воспламенение скопившегося в камере сгорания топлива.

Реализуемые решения

При автоматизации процесса регулирования в пределах каждого контура возможны различные решения схем. Выбор схемы автоматизации связан с анализом кратковременных суточных изменений режимов работы систем отопления воздуха. Он определяется динамическими свойствами системы и предъявляемыми требованиями по точности регулирования, быстродействию и другим показателям.

Для систем воздухоподогрева различного назначения эти требования варьируются в довольно широких пределах. Например, для комфортного отопления допустимы колебания температуры до 1,5 ⁰С, для технологического отопления воздуха – до 1 ⁰С, для специальных систем – tв до 0,1 ⁰С. Регулирование приточных вентиляционных систем, как правило, осуществляется только в зимнее время, регулирование систем отопления воздуха – в течение всего периода эксплуатации.

По своим динамическим свойствам системы нагрева воздуха и обслуживаемые ими помещения относятся к объектам с разделенными параметрами, нестационарные процессы в которых описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Аналитическое решение таких уравнений крайне затруднительно, поэтому для инженерных расчетов пользуются упрощенными зависимостями, полностью справедливыми только для объектов с сосредоточенными параметрами. Элементы систем отопления воздуха рассматриваются как инерционные объекты, работающие с запаздыванием.

Анализ суточных изменений расчетных режимов работы систем отопления воздуха с учетом нестационарности процессов, происходящих в них,позволяет определить тепловые нагрузки, действующие на системы, и характер их изменения. Такой анализ выполняется по различным методикам, основанным на частных решениях исходной системы дифференциальных уравнений.

Средства автоматизации должны соответствовать требуемой точности поддержания параметров. Устройства автоматики принципиально могут обеспечить любую степень точности поддержания параметров, но бесполезно добиваться точного регулирования, если этого не требует функциональное назначение обслуживаемых помещений или если сама система отопления воздуха не способна в некоторой мере реагировать на сигналы регуляторов. Ни по практическим, ни по экономическим соображениям не следует выбирать устройства автоматики, обеспечивающие более точное регулирование, чем это требуется, и отягощать систему специальным сложным оборудованием. Системы отопления воздуха эксплуатируются в течение многих лет, поэтому наилучшей будет простая надежная система автоматики, дающая необходимый эффект.

Разработка системы управления

1.3.1 Функциональная схема системы

В состав автоматизированной системы генерации тепла на базе тепловых пушек ТАГ-100 входят следующие компоненты, агрегаты и измерительные устройства:

Система питания - баллоны со сжатым газом, предназначенным для питания тепловых пушек ТАГ-100, и затворный клапан, регулирующий подключение/отключение тепловых пушек к системе питания.
Измерители давления газа – установлены перед системой ЗК(затворных клапанов) – 1шт., и после него на газопроводе питания каждой тепловой пушки – 6 шт.
Датчики наличия питающего напряжения тепловых пушек, а так же управляющего устройства автоматизированной системы управления – программируемого логического контроллера (ПЛК), и ЗК каждой пушки – 13 шт.
Тепловые пушки ТАГ-100, оснащенные светочувствительными датчиками наличия пламени горелки – 6 шт.
Датчики температуры, расположенные на потолке помещения соответственно областям нагрева воздуха тепловыми пушками – 6 шт.

Функциональная схема системы генерации тепла на базе тепловых пушек ТАГ-100 представлена на рисунке 1.4

Рисунок 1.4 – Функциональная схема системы генерации тепла

1.3.2 Выбор схемы включения двигателя

Поскольку питание воздухонагревателя ТАГ-100 осуществляется от сети 380 В, подключение к которой не всегда осуществимо в ремонтируемых зданиях, следует спроектировать подключение трехфазного двигателя к однофазной цепи, что позволит облегчить его использование и упростить схему системы управления.

Рисунок 1.5 – Схема подключения к однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором обычно подключают к однофазной сети по схеме, показанной на рисунке 1.5

Расчет показывает, а практика подтверждает, что даже при оптимальном выборе емкости фазосдвигающего конденсатора С1 вращающий момент на валу включенного подобным образом двигателя не превышает 35 % номинального.

Это объясняется тем, что ток, протекающий по обмотке III двигателя, сдвинут по фазе относительно токов в обмотках I и II таким образом, что в суммарном магнитном поле статора, кроме компоненты, вращающей ротор в нужном направлении, образуется еще одна, вращающаяся в другую сторону. Она тормозит ротор, уменьшая момент на валу и бесполезно расходуя свою энергию на нагревание проводов и магнитопровода двигателя.

Рисунок 1.6 – Схема отключения одной из обмоток трехфазного двигателя

Отключив обмотку III (рисунок 1.6), удается увеличить вращающий момент до 41 % номинального. Он возрастает еще больше, до 58 %, если вновь подключить эту обмотку, изменив направление тока в ней (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Схема подключения третьей обмотки с изменением направления тока

Эффект достигается не только за счет смены направления вращения "вредной" компоненты магнитного поля. Происходит взаимная компенсация создаваемых обмотками II и III составляющих полей, совпадающих по направлению с полем обмотки I и потому не участвующих во вращении ротора.

Экспериментально установлено, что применение двух фазосдвигающих конденсаторов облегчает и пуск двигателя. Емкости конденсаторов С1 и С2 должны быть одинаковы.

Их рассчитывают по известной формуле С = 2800 · Iф /U, где:

Iф — номинальный фазный ток электродвигателя, A;

U = 220 В.

Правильность выбора конденсаторов можно проверить, измерив напряжения на каждой из трех обмоток двигателя под нагрузкой. Они должны быть приблизительно равны.

Равенство напряжений на обмотках II и III электродвигателя дает возможность соединить их встречно-параллельно, как показано на рисунке 1.7 штриховой линией. Конденсаторы С1 и С2 в этом случае заменяют одним удвоенной емкости.

1.3.3 Выбор пусковых конденсаторов

Произведем выбор конденсаторов для двигателей вентилятора на основании следующей зависимости:

, мкФ (1.1)

где = 8А – фазный ток двигателя;

U = 220В – напряжение сети;

С – ёмкость конденсаторов для двигателя;

Можно установить один конденсатор емкостью 102 мкФ, при помощи справочника выбираем конденсатор типа МБВГ с номинальной емкостью 100мкФ, допуск составляет ± 10%, U_н =220В, диапазон рабочих температур от – 60⁰С до + 60⁰С.

1.3.4 Расчёт мощности и выбор двигателя вентилятора для теплогенератора ТАГ – 100

Исходные данные:

Теплопроизводительность не менее ккал/ч 95000
Производительность по воздуху, м³/ч. 8500
Температура нагрева воздуха, ⁰С 40
Расход топлива не более, кг/ч. 11,7
Параметры электрической сети, В/Гц 380/50

Обычно вентиляторы используют для перемещения больших количеств воздуха под малым давлением. Им, как правило, не приходится преодаливать значительных статических подпоров. Весь напор создаваемый вентилятором, расходуется на ускорение массы воздуха, проходящей через вентилятор. Кинетическая энергия, запасенная в движущейся массе воздуха, расходуется далее на покрытие потерь в воздухопроводах.

Исходя, из этих соображений можно рассчитать мощность, требуемую для привода вентилятора. Примем, что в камере, откуда вентилятор забирает воздух, скорость воздуха равна нулю, а в выходном патрубке вентилятора равна v.

Каждую секунду вентилятор ускоряет Q м³ воздуха от нуля до скорости v.

,кВт ^.с (1.2)

=1,29- плотность воздуха, кг/м³.

Следовательно, мощность Ру, необходимая для ускорения воздуха составит:

,кВт (1.3)

От электродвигателя требуется получить мощность Р:

, кВт_(1.4)