Regulacja kotłów na paliwa stałe (5). Źródła ciepła.

W przybliżeniu wystarczającym dla naszych rozważań kocioł możemy wyobrazić sobie jako źródło strumienia ciepła o stałej temperaturze początkowej równej Tpł. Ten strumień to spaliny oraz rozgrzane powietrze unoszące się znad paleniska. Strumień ciepła w ustalonych warunkach jest definiowany jako ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu i wyrażamy go w dżulach na sekundę [J/s], czyli w watach. Definiowana jest także gęstość strumienia ciepła jako strumień ciepła przepływający przez jednostkę powierzchni izotermicznej, np. ścianę budynku. Gęstość strumienia ciepła oznaczamy literą q i wyrażamy w watach na metr kwadratowy [W/m2]. Jedną ze zmiennych regulowanych jest strumień paliwa podawany do kotła uw wyrażony w kilogramach na godzinę. Zmieniając strumień paliwa, zmieniamy jednocześnie strumień ciepła wytwarzany przez kocioł, czyli aktualną moc kotła wyrażoną w watach. Zmiany mocy kotła nie mają istotnego wpływu na temperaturę spalania Tpł, która pozostaje w przybliżeniu stała.

Wymiana ciepła Rozważmy budynek o temperaturze wewnętrznej Tin większej od temperatury zewnętrznej Tout. Załóżmy, że ściana płaska posiada grubość znacznie mniejszą od wymiarów pola jej powierzchni. W przypadku ustalonej wymiany ciepła, gęstość strumienia ciepła przenikającego przez ścianę jest określona wzorem: q = lz * (Tin – Tout), gdzie lz to współczynnik przenikania ciepła w [J/(m2*h*K)], a jego odwrotność r = 1/lz jest nazywana oporem przepływy ciepła. Jak widać, gęstość strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur. W przypadku budynku efektywna powierzchnia ścian (okna, drzwi, dach) A oddająca ciepło do otoczenia jest stała, dlatego rozważać będziemy strumień ciepła oddawanego do otoczenia, który oznaczymy qout = A * q.

Obiekt regulacji Obiektem regulacji jest kocioł z automatycznym podawaniem paliwa wraz z instalacją c.o. i ogrzewanym budynkiem, jak przedstawiono na rysunku: Tpł to temperatura płomienia, temperatura spalin, Tin, Tout temperatury wewnętrzna/zewnętrzna, qout strumień ciepła tracony do otoczenia [W], strumień ciepła dostarczany do ogrzewanego budynku [W], qsp strata kominowa [W]. Wielkości sterujące to: uw strumień dostarczanego paliwa, węgla [kg/h], up strumień powietrza z wentylatora [m3/h]. Celem regulacji jest utrzymywanie temperatury wewnętrznej Tin równej wartości zadanej Tin = Tzad. Strumień ciepła rozpraszanego przez budynek zależy od różnicy Tin – Tout, gdzie Tout jest mierzonym zakłóceniem (temperaturę zewnętrzną możemy mierzyć, ale nie możemy jej zmieniać). Temperatura regulowana Tin będzie stała, gdy zrównają się strumienie ciepła qin = qout. Oczywiście gdy qin > qout, to Tin rośnie, oraz gdy qin < qout, to Tin maleje. Zadanie regulatora polega na określeniu zapotrzebowania na moc (moc zamówiona), czyli wyliczeniu wartości qin, przy której w ustalonym stanie nastąpi Tin = Tzad. Wyliczenie qin odbywa się na podstawie wartości temperatury zadanej Tzad, zmierzonej temperatury zewnętrznej Tout oraz modelu matematycznego budynku. Na tej podstawie regulator określa właściwy strumień paliwa uw. Płynna regulacja mocy kotła odbywa się w zamkniętej pętli regulacji, a wielkością regulowaną jest strumień paliwa uw. Jest to nadrzędna pętla regulacji, czyli liczona jest w pierwszej kolejności. Płynna regulacja mocy kotła jest wykonywana w zakresie od około 25 do 100% mocy nominalnej. Zwiększenie mocy kotła następuje w czasie grzania c.w.u. Jeżeli sumaryczne zapotrzebowanie na moc jest poniżej 25%, kocioł przechodzi w podtrzymanie. Regulacja procesu spalania Kolejną wielkością wymagającą regulacji jest strumień nadmuchiwanego powietrza up [m3/h]. Pozwala to regulować proces spalania w kotle. Przyjętym kryterium jakości spalania jest minimalizacja emisji tlenku węgla. W regulatorze przyjęto technikę Fuzzy Logic, czyli logiki rozmytej. Rozwój teorii zbiorów rozmytych zapoczątkowany został w 1965 roku przez amerykańskiego profesora Lofti Zadeha.
Głównym działem teorii zbiorów rozmytych jest logika rozmyta, którą stosuje się do modelowania i sterowania systemami. Tymczasem w latach sześćdziesiątych rozpoczął się okres gwałtownego rozwoju komputerów i techniki cyfrowej opartej na technice binarnej (0/1). Powszechnie uważano, że logika ta umożliwi rozwiązanie większości problemów. Z tego względu powstanie logiki rozmytej przeszło prawie niezauważone, mimo że jej idea może być bez wątpienia określona mianem przełomowej. Podobnie, jak w przypadku robotyki, przełom dokonał się w Japonii. Najgłośniejszym japońskim zastosowaniem logiki rozmytej był układ sterowania metra Sendai opracowany przez koncern Hitachi. Sukces metra Sendai był tak ogromny i głośny, że już po 12 miesiącach 50 dużych koncernów japońskich pracowało nad rozwojem zastosowań logiki rozmytej. Zasada regulacji procesu spalania jest następująca: w laboratorium zdejmowana jest charakterystyka emisyjna, indywidualnie dla każdego typu kotła. Ta charakterystyka opisuje zależność emisji tlenku węgla (oś pionowa w ppm) od strumienia paliwa i strumienia powietrza (osie poziome). Przykład takiej charakterystyki pokazany jest na rys. 1. Pracą wentylatora nadmuchowego steruje druga pętla regulacji, która „chodzi” po umieszczonej w pamięci regulatora charakterystyce emisyjnej. Obroty wentylatora są dobierane w taki sposób, aby dla strumienia paliwa określonego w pierwszej pętli regulacji uzyskać minimum emisji CO. Efekty są nadspodziewanie dobre, rysunek poniżej przedstawia emisję tlenku węgla kotła sterowanego standardowo – czerwona linia i kotła z regulacją Fuzzy Logic – zielona linia.

Temperatura spalin Ważnym parametrem określającym pracę kotła jest temperatura spalin. Temperatura początkowa strugi spalin Tpł jest w przybliżeniu stała. Wewnątrz kotła odbywa się wymiana ciepła pomiędzy strumieniem spalin a czynnikiem grzewczym (woda) instalacji centralnego ogrzewania. Wskaźnikiem sprawności tej wymiany jest temperatura spalin. Zbyt wysoka świadczy o złej wymianie ciepła wewnątrz kotła, co może być spowodowane zabrudzeniem wymiennika. Częste czyszczenie kotła pozwala na utrzymanie jego sprawności. Pamiętajmy, że w laboratoriach badane są czyste kotły i sprawność podana przez producenta dotyczy wyłącznie czystego kotła. Powstaje pytanie, czy mierząc temperaturę spalin, można precyzyjnie regulować procesem spalania. W opinii autora, nie. Poniżej pokazano wynik eksperymentu: przy ustalonym strumieniu paliwa zmieniano moc nadmuchu w zakresie od 20 do 55% mocy nominalnej wentylatora. Stwierdzono wcześniej, że w tym przypadku najlepsze spalanie jest przy mocy 36,2%, co jest zaznaczone na rysunku.
Zauważmy, że przede wszystkim temperatura spalin zależy od stopnia zabrudzenia kotła. Jeśli natomiast chodzi o trendy, to pamiętając o fakcie, że temperatura początkowa spalin jest w przybliżeniu stała, temperatura wylotowa spalin zależy od wymiany ciepła wewnątrz kotła. Ta wymiana określa, ile energii kocioł oddał, co jest równe energii odebranej przez instalację grzewczą. Strumień ciepła zależy od różnicy temperatury spalin i czynnika grzewczego (wody) wewnątrz wymiennika, czyli temperatura spalin zależy od ilości obieranej energii przez ogrzewany budynek i zmienia się np. w momencie załączenia ogrzewania c.w.u. W związku z powyższym, w opinii autora, nie charakteryzuje wystarczająco dobrze procesu spalania.
Maciej Szumski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij