PL203711B1

PL203711B1 - Sposób i urządzenie do regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym, odprowadzanego z wymiennika ciepła

Info

Publication number: PL203711B1
Application number: PL366393A
Authority: PL
Inventors: Matts Lindgren
Original assignee: Matts Lindgren
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2009-11-30
Also published as: DE60135582D1; ATE406547T1; US20040153280A1; WO2002090832A1; EP1393004B1; CN1520502A; EP1393004A1; US7069976B2; PL366393A1; CN1265137C

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób oraz urządzenie o regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym, odprowadzanego z wymiennika ciepła, zwłaszcza w lokalnych stacjach grzewczych.

W procesie doprowadzania ciepł ej wody w lokalnej stacji grzewczej do wymiennika ciepł a doprowadzany jest przepływ pierwotny wody ogrzewanej centralnie, zaś w wymienniku ciepła odgrzewany jest przepływ wtórny ciepłej wody do uzyskania stałej temperatury konsumpcyjnej. Regulację stałej temperatury konsumpcyjnej w obwodzie wtórnym zapewniono w lokalnej stacji grzewczej albo z wykorzystaniem automatycznych urządzeń mechanicznych, albo z pomocą elektronicznych urządzeń regulacyjnych, które ustawiają temperaturę na pożądanym poziomie poprzez dokonywanie korekty na podstawie różnicy między pożądaną a faktyczną temperaturą przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym z wykorzystaniem informacji zwrotnej na temat temperatury w obwodzie wtórnym. W przypadku elektronicznych urządzeń regulacyjnych szerokie zastosowanie znajdują regulatory PI lub PID, które regulują przepływ w obwodzie pierwotnym poprzez otwieranie lub zamykanie zaworu w obwodzie pierwotnym w zależności od panującej w danym momencie temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym. W ten sposób regulowany jest efekt grzewczy w obwodzie pierwotnym, co pozwala uzyskać pożądaną temperaturę przepływu wylotowego ciepłej wody.

Zarówno mechaniczne, jak i elektroniczne układy wiążą się z pewnymi ograniczeniami, jako że w obu przypadkach układ regulacji jest nie dość szybki, przy czym przed uzyskaniem pożądanej temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym dochodzić może do opóźnień. Oznacza to zwłokę przed uzyskaniem pożądanej temperatury w miejscu, gdzie znajduje się kran w obwodzie wtórnym, zaś w najgorszym przypadku ryzyko oparzeń.

Kolejną słabą stroną rozwiązań tego rodzaju jest to, że łatwo dochodzi tu do wzrostu wahań w układzie regulacji, jako że w praktyce nie sposób zoptymalizować działania sprzętu regulacyjnego z uwzględnieniem wszystkich warunków roboczych. Temperatura przenoszenia wody oraz różnica ciśnień w lokalnym obwodzie grzewczym, to jest w obwodzie pierwotnym, zmieniają się w zależności od pory roku oraz wzdłuż lokalnej linii grzewczej.

Zmiany ciśnienia zachodzące w lokalnym układzie grzewczym uzależnione są częściowo od rzeczywistej odległości od źródła ciepła, zaś częściowo od położenia układu centralnego oraz lokalnego ogrzewania względem siebie w całym układzie. Parametrów regulatorów zaprogramowanych w sposób statyczny nie można zoptymalizować w oparciu o wszystkie możliwe scenariusze działania, co pociąga za sobą między innymi wahania temperatury przepływu wylotowego dla określonych warunków działania. Wahania temperatury oznaczają przykładowo potencjalne słabe strony rozwiązań znanych ze stanu techniki. Należy do nich między innymi ograniczona wygoda w miejscu, gdzie znajduje się kran, oraz niewielka możliwość złagodzenia niekorzystnych zjawisk w obrębie rurociągu, co szczególnie da się odczuć w pojedynczym gospodarstwie domowym, intensywne wapnienie wymienników ciepła w temperaturze powyżej 60°C. Zwiększone zużycie elementów regulacyjnych oraz ograniczony układ chłodzenia w lokalnym układzie grzewczym, co może za sobą pociągać wysokie koszty produkcji.

W publikacji US 5,363,905 przedstawiono ukł ad, w przypadku którego informacja zwrotna na temat temperatury panującej w obwodzie wtórnym wykorzystywana jest do sterowania działaniem zaworu regulacyjnego w obwodzie pierwotnym. Rozwiązanie tego rodzaju koryguje zmienne ciśnienie w obwodzie pierwotnym, lecz nie zapewnia pożądanej szybkiej korekty temperatury w razie zmian zachodzących w przepływie ciepłej wody w obwodzie wtórnym. W takim wypadku wykorzystywany jest pomiar spadku ciśnienia powyżej zwężki w obwodzie pierwotnym, pomiar ciśnienia w obwodzie pierwotnym, a także pomiar temperatury dokonany przed i za wymiennikiem ciepła w obwodzie pierwotnym. Układ tego rodzaju jest stosunkowo drogi, jako że w obwodzie pierwotnym wymagane są dwa mierniki ciśnienia, a przy tym nie pozwala on na szybką regulację temperatury w obwodzie wtórnym w następstwie nagłych zmian przepływu w tym obwodzie. Regulacja zostanie przeprowadzona dopiero wówczas, gdy w obwodzie wtórnym spadnie temperatura, czemu towarzyszyć będą typowe zmiany temperatury ciepłej wody w kranie.

Publikacja EP 0,526,884 ujawnia z kolei układ regulacji stosowany w termokopiarkach, w przypadku których głowica zapisująca utrzymywana jest w stałej temperaturze po pierwsze z wykorzystaniem układu regulacji energii elektrycznej doprowadzanej do głowicy drukującej, a po drugie poprzez wyrównywanie strumienia chłodziwa. Temperatura głowicy termicznej mierzona jest przez pierwszy

PL 203 711 B1 czujnik temperatury, zaś temperatura usuwanego płynu chłodzącego mierzona jest przez drugi czujnik temperatury. Układ oblicza wydajność usuwanego ciepła dla przepływu chłodziwa poprzez pomiar oraz regulację strumienia chłodziwa, jak również dokonuje pomiaru temperatury wlotowego oraz wylotowego (podgrzanego) przepływu chłodziwa.

Z opisu WO 96/17210 znany jest układ regulacji lokalnego zakładu grzewczego, przewidujący pomiary temperatury oraz pomiar przepływu w obwodzie pierwotnym w celu regulacji oraz wyliczenia mocy zużytej i sporządzenia należnego rachunku dla klienta. W tym wypadku pomiaru przepływu również nie przeprowadzono w obwodzie wtórnym, co oznacza że w układzie tym łatwo dochodzić może do zmian temperatury wody w obrębie przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym.

Publikacja DE U 1 296,17,756 opisuje układ, w przypadku którego w obwodzie pierwotnym przeprowadzana jest regulacja upustowa, przy czym w obwodzie pierwotnym przepływ wylotowy z wymiennika ciepł a powraca do przepł ywu wlotowego kierowanego do wymiennika ciepł a. Przyjmuje się tu założenie, że wówczas, gdy w obwodzie pierwotnym temperatura przepływu wylotowego z wymiennika ciepła utrzymywana jest na stałym poziomie, uzyskać można stałą temperaturę ciepłej wody w obwodzie wtórnym. Zał o ż enie to w sposób bezwarunkowy przyjmuje, ż e w obwodzie wtórnym dochodzi do wahań temperatury, jako że powierzchnie wymiennika ciepła najpierw należy schłodzić ciepłą wodą wodociągową. Co więcej, układ ten nie pozwala na szybką odpowiedź na gwałtowny wzrost przepływu ciepłej wody, jako że do regulacji dochodzi dopiero wówczas, gdy w obwodzie pierwotnym spadnie temperatura.

W rozwiązaniach znanych ze stanu techniki nie uwzględniono konieczności szybkiego działania w sytuacji gwał townej zmiany zuż ycia ciepł a w obwodzie wtórnym, to jest wówczas, gdy przepł yw się zwiększy. Oznacza to, że układy regulacyjne często pracują w zmiennych warunkach dotyczących temperatury w obwodzie wtórnym. Pomimo zastosowania wielu odrębnych rozwiązań dla poszczególnych problemów, żaden z opracowanych układów nie pozwolił na stabilne działanie niezależnie od lokalizacji w lokalnym układzie grzewczym. Większość układów, w przypadku których konieczna jest staranna regulacja w obwodzie wtórnym, obejmowała pętle regulacyjne z uwzględnieniem układu informacji zwrotnych dotyczących aktualnej wartości temperatury, przy czym uwzględniały one zarazem środki mające przeciwdziałać odchyleniom zmierzonej wartości temperatury przepływu wylotowego od wartości pożądanej. Tym samym, układ tego rodzaju przewidywał działanie w oparciu o zaobserwowane niewłaściwe wartości temperatury przepływu wylotowego. Układ taki wymaga zatem odczekania do chwili, gdy stwierdzić można błędną wartość, po czym można dopiero przedsięwziąć odpowiednie środki zaradcze. Oznacza to opóźnienie chwili zmiany wartości zużywanego ciepła.

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym odprowadzanego z wymiennika ciepła. Regulację tę przeprowadza się za pomocą przepływu pierwotnego w obwodzie pierwotnym, gdzie jednostka regulacyjna reguluje element regulacyjny, który reguluje przepływ pierwotny. Ponadto ustala się układ parametrów charakterystyczny dla różnicy entalpii między pierwotnym przepływem wlotowym, prowadzącym do wymiennika ciepła a pierwotnym przepływem wylotowym, odprowadzanym z wymiennika ciepła i przekazuje się do jednostki regulacyjnej dla regulowania elementu regulacyjnego.

Istota wynalazku polega na tym, że ustala się układ parametrów charakterystyczny dla przepływu masy w obwodzie wtórnym i ustala się układ parametrów charakterystyczny dla przepływu masy w obwodzie pierwotnym, przy czym parametry ustalone w powyż szych etapach sposobu również przekazuje się do jednostki regulacyjnej na potrzeby regulacji elementu regulacyjnego. Przepływ pierwotny reguluje się w zależności od przepływu wtórnego w taki sposób, by moc przekazywana między wymiennikiem ciepła i przepływem pierwotnym odpowiadała zasadniczo sumie: mocy wymaganej do podwyższenia temperatury środka wtórnego od obecnej wartości temperatury przepływu wlotowego do pożądanej wartości temperatury przepływu wylotowego, przewidywanego zapotrzebowania na moc w celu wyrównania ilości energii przechowywanej w wymienniku ciepł a i przewidywanej utraty mocy z wymiennika ciepł a.

Korzystnie, regulacja elementu regulacyjnego odbywa się poprzez równoważenie przepływu pierwotnego oraz przepływu wtórnego w taki sposób, że między przepływem pierwotnym a przepływem wtórnym utrzymuje się równowaga mocy, przy czym moc doprowadzaną oraz zużywaną w każdym z obwodów opisuje równanie: Q = ρ·^·ς·ΔΤ, skąd wynika, że w efekcie zjawiska równowagi mocy, przepływ w obwodzie pierwotnym uzyskiwany jest w wyniku regulacji za pomocą elementu regulacyjnego w taki sposób, że:

PL 203 711 B1 ^q prim ^qsek ' ^ρ· ^CPsek ' ^^Tsek _v ^P P^rm ^cp_prim ’ ^ΔΤρί·!Π1 gdzie p_sec/prim = ustalona z góry gęstość środka odpowiednio w obwodzie wtórnym oraz pierwotnym,

Cpsec/prim = ustalona z góry, specyficzna wartość ciepła środka odpowiednio w obwodzie wtórnym oraz pierwotnym,

Qprim = wartość przepływu w obwodzie pierwotnym uzyskana z elementu regulacyjnego, qsec = rzeczywisty zmierzony przepływ w obwodzie wtórnym,

AT_prim = rzeczywista zmierzona różnica temperatur między środkiem wprowadzanym a wyprowadzanym w obwodzie pierwotnym,

ΔΤ^₀ oznacza pożądaną różnicę temperatur między środkiem wprowadzanym a wyprowadzanym w obwodzie wtórnym, przy czym wartość temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym stanowi jedynie wartość pożądaną, zaś regulacja elementu regulacyjnego odbywa się bez zastosowania bezpośrednich informacji zwrotnych na temat temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym.

Według wynalazku, jako element regulacyjny stosuje się zawór regulacyjny o znanej charakterystyce przepływowej oraz manometr różnicowy na potrzeby pomiarów różnicy ciśnienia (spadku ciśnienia) dla zaworu regulacyjnego.

Stopień otwarcia zaworu stanowi funkcję właściwości przepływu zwrotnego dla zaworu, korzystnie ustalonych empirycznie, zgodnie z równaniem:

a= ^fcv ^(q prim ^/4^Δρ valve ) gdzie Δp_vaι_ve stanowi zmierzoną różnicę ciśnienia dla zaworu regulacyjnego, q_prim__se_{t p}o_int oznacza przepływ przez zawór, zaś a stanowi stopień otwarcia zaworu.

Jako element regulacyjny stosuje się pompę, przy czym ustala się stosunek przepływu przez pompę jako funkcja prędkości obrotowej do różnicy ciśnień w obrębie pompy, przy czym jednostka regulacyjna reguluje prędkość obrotową pompy.

Sposób według polega też na tym, że mierzy się temperaturę wtórnego przepływu wlotowego doprowadzanego do wymiennika ciepła, przy czym wartość ta wykorzystywana jest na potrzeby obliczeń.

Korzystnie, wartości przepływu oraz temperatury w obwodzie pierwotnym oraz wtórnym wykorzystuje się na potrzeby diagnozy oraz wykrywania blokady w wymiennikach ciepła i/lub niewłaściwego transferu ciepła dla wymiennika ciepła.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego odprowadzanego z wymiennika ciepła w obwodzie wtórnym, przeprowadzanej z pomocą przepływu pierwotnego w obwodzie pierwotnym przekazywanym przez wymiennik ciepła. Jednostka regulacyjna reguluje element regulacyjny, odpowiedzialny za regulację przepływu pierwotnego, w którym zastosowano mierniki temperatury do pomiaru temperatury pierwotnego przepływu wlotowego oraz wylotowego z wymiennika ciepła na potrzeby oszacowania różnicy entalpii między przepływami tego rodzaju. Sygnały wyjściowe dla wspomnianych wyżej mierników są porządkowane w celu przekazania do jednostki regulacyjnej dla regulacji elementów regulacyjnych.

Istota wynalazku polega na tym, że zastosowano miernik na potrzeby pomiaru przepływu środka wtórnego i manometry różnicowe do pomiaru różnicy ciśnienia w środku pierwotnym w obrębie elementu regulacyjnego i/lub miernik przepływu na potrzeby pomiaru przepływu środka pierwotnego, a sygnały wyjściowe z mierników przepływu i manometrów przesyłane są również do jednostki regulacyjnej na potrzeby regulacji elementu regulacyjnego. Przepływ pierwotny regulowany jest w zależności od przepływu wtórnego w taki sposób, by moc przekazywana do wymiennika ciepła wraz z przepływem pierwotnym odpowiadała zasadniczo sumie: mocy wymaganej do podwyższenia temperatury środka wtórnego od obecnej wartości temperatury przepływu wlotowego do pożądanej wartości temperatury przepływu wylotowego, przewidywanego zapotrzebowania na moc w celu wyrównania ilości energii przechowywanej w wymienniku ciepła (1), przewidywanej utraty mocy z wymiennika ciepła.

Korzystnie, element regulacyjny stanowi zawór regulacyjny o znanej charakterystyce przepływowej, przy czym wykorzystywany jest manometr różnicowy na potrzeby pomiarów różnicy ciśnienia

PL 203 711 B1 dla zaworu, przy czym znana charakterystyka przepływowa dla zaworu przechowywana jest w pamięci jednostki regulacyjnej.

Według wynalazku, element regulacyjny stanowi pompa, przy czym ustalony jest stosunek przepływu przez pompę jako funkcja prędkości obrotowej do różnicy ciśnień w obrębie pompy, przy czym jednostka regulacyjna odpowiada za regulację prędkości obrotowej pompy.

Urządzenie zawiera zawór zintegrowany jest z jednostką hydrauliczną, w skład której wchodzi element zaworu wraz z przyporządkowanym doń elementem regulacyjnym, połączenia rurowe połączone z zaworem, urządzenie do ustalania różnicy ciśnień w elemencie zaworu które połączone jest przed i za elementem zaworu, patrząc w kierunku przepływu, oraz miernik temperatury odpowiadający za pomiar temperatury przepływu przez zawór.

Jednostka regulacyjna obejmuje przynajmniej jeden układ pamięci na potrzeby przechowywania danych dotyczących stopnia otwarcia zaworu jako funkcji przepływu w obwodzie wtórnym, różnicy temperatur w obwodzie wtórnym, różnicy temperatur w obwodzie pierwotnym oraz różnicy ciśnienia w obrębie zaworu.

Kanały do przenoszenia środka do i z wymiennika ciepła są zintegrowane w jednostce hydraulicznej, przy czym kanały na końcach wyposażono w połączenia rurowe na potrzeby połączeń z przepływem pierwotnym oraz wtórnym, przy czym kanały boczne odchodzą od przynajmniej części z kanałów, przy czym kanały boczne również wyposażono na ich końcach w połączenia rurowe na potrzeby połączeń linii łączących kolejne jednostki hydrauliczne, przy czym w jednostce hydraulicznej rozmieszczone są fragmenty kanału z umieszczonymi w nich licznikami przepływu, różnicy ciśnienia oraz temperatury pozostające w komunikacji z kanałami oraz przynajmniej jednym zaworem regulacyjnym.

Przedmiot wynalazku stanowi też sposób, w którym ustala się różnicę entalpii między pierwotnym przepływem wlotowym oraz wylotowym z wymiennika ciepła, ustalana jest różnica ciśnienia w obrębie elementu regulacyjnego oraz temperatura środka w jego wnętrzu. Znaną charakterystykę przepływu przechowuje się w pamięci jednostki regulacyjnej, i dane na temat gęstości środka pierwotnego przechowuje się w pamięci jednostki regulacyjnej, rejestruje się dane na temat różnicy entalpii, różnicy ciśnienia, temperatury oraz stopnia otwarcia elementu regulacyjnego, które to parametry wraz z danymi dotyczącymi charakterystyki przepływowej oraz gęstości przechowywanymi w pamięci jednostki regulacyjnej dostarczają informacji na temat mocy oraz ciepła uzyskiwanych w obwodzie pierwotnym.

Istota tego wynalazku polega na tym, że ustalone wartości mocy oraz ciepła uzyskiwanych w obwodzie pierwotnym sprawdza się pod kątem zgodności z uzyskiwanymi jednocześnie danymi na temat mocy oraz ciepła pochłanianych przez obwód wtórny, które oblicza się na podstawie różnicy entalpii między wtórnym przepływem wlotowym i wylotowym oraz przepływu które to dane przechowuje się lub ustala w jednostce regulacyjnej, przy czym aktywuje się alarm z pomocą środków komunikacyjnych wówczas, gdy wartości mocy oraz ciepła uzyskiwanych oraz pochłanianych odpowiednio w pierwotnym oraz wtórnym obwodzie odbiegają od siebie o więcej niż o przewidzianą wartość dopuszczalną.

W oparciu o niniejsze rozwiązanie wyeliminowano ryzyko wahań temperatury w obwodzie wtórnym, co w przypadku lokalnych zakładów grzewczych odpowiada obwodowi wody ciepłej. Często lokalny zakład grzewczy dysponuje również obwodami wymiany ciepła na potrzeby układów grzejników oraz wentylacji, w przypadku których wynalazek ten również znajduje zastosowanie. Dla układów tego typu dynamika zmian obciążenia jest często niższa.

Niniejszy wynalazek zapewnia wyższą zdolność dostosowania do rzeczywistego obciążenia, niezależnie od wielkości zużycia po stronie konsumenta. Co więcej, w znaczącym stopniu ogranicza on ryzyko zwapnienia w wymienniku ciepła, jako że stosowane tu szybsze układy regulacyjne z wyższą precyzją potrafią przeciwdziałać skokom temperatury powyżej 60°C.

Stałą temperaturę ciepłej wody w instalacji konsumenta utrzymać można dzięki określeniu mocy grzewczej wymaganej do zwiększenia (alternatywnie, w przypadku układów chłodzenia, do zmniejszenia) temperatury przepływu wtórnego do pożądanej wartości. Niniejszy wynalazek nie opiera się na dynamicznej korekcji błędu między wartością pożądaną a wartością rzeczywistą temperatury wtórnego środka wylotowego, co oznacza, że regulację przeprowadzać można bez wykorzystania informacji zwrotnych na temat rzeczywistej wartości temperatury w obwodzie wtórnym.

W przypadku większości lokalnych układów grzewczych niniejszy wynalazek przewiduje, że układ regulacji można zainstalować bez dokonywania zmian parametrów regulacji, co znacznie ogranicza czas wymagany do przeprowadzenia instalacji oraz obsługi/precyzyjnego dostrojenia.

PL 203 711 B1

Sposób oraz urządzenie według wynalazku umożliwiają właściwe postępowanie w razie zmian w obwodzie wtórnym, a dotyczących wahań temperatury wody w przepływie wlotowym podgrzewanym w wymienniku ciepł a. Rozwią zanie to stosowane jest wówczas, gdy temperatura zimnej wody wlotowej ulega zmianom. (W normalnym wypadku przyjmuje się, że woda charakteryzuje się zasadniczo stałą temperaturą.) Zgodnie z tym rozwiązaniem ten sam układ stosować można na większym obszarze geograficznym, zaś w przypadku innego obszaru korekcji dokonywać można drogą prostych modyfikacji - w szczególności w przypadku ewentualnych wahań temperatury świeżej wody wlotowej.

Niniejszy wynalazek znajduje również zastosowanie do pomiaru przekazywanej mocy oraz ilości ciepła, przykładowo dla celów sporządzania rachunków lub prognoz dotyczących zużycia energii, a ponadto znajduje on zastosowanie w instalacjach chłodzących, przy czym w instalacjach tego rodzaju zmianie ulega jedynie kierunek przekazywania ciepła.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schematycznie schemat połączeń układu według wynalazku; fig. 1b-d przedstawiają przykłady różnych sposobów wykonania układu widocznego na fig. 1; fig. 2 przedstawia przykładowy sposób wykonania układu z uwzględnieniem cyrkulacji wody ciepłej oraz ciepłej wody użytkowej (HSWC); fig. 3 przedstawia przykład schematu połączeń w lokalnym zakładzie grzewczym z uwzględnieniem funkcji regulacji ciepłej wody oraz regulacji wody w grzejnikach, pomiaru ilości ciepła, detekcji błędów, alarmu oraz środków komunikacji z układem nadrzędnym; fig. 4 przedstawia schematycznie zintegrowaną jednostkę hydrauliczną na potrzeby regulacji oraz pomiaru przepływu pierwotnego według wynalazku, obejmującą element zaworowy, różnicowy czujnik ciśnienia oraz czujnik temperatury, jak również element regulacyjny elementu zaworowego, jaki może być zintegrowany z jednostką hydrauliczną lub, alternatywnie, być na niej ulokowany; fig. 5 przedstawia przekrój przez zintegrowaną jednostkę hydrauliczną obejmującą pewną liczbę funkcji według wynalazku, a która znajduje zastosowanie w obwodzie wymiany ciepła; fig. 6 przedstawia trzy wymienniki ciepła, z których każdy przyłączono do zintegrowanej jednostki hydraulicznej i które połączone są wzajemnie, będąc wspólnie połączone z obwodem pierwotnym, a ponadto dysponują trzema odrę bnymi połączeniami z obwodami wtórnymi, a ponadto wspólną jednostkę regulacyjną .

Fig. 1a przedstawia zastosowanie niniejszego wynalazku w lokalnej stacji grzewczej konsumenta. Stacja ta obejmuje wymiennik ciepła 1, w którym wyróżnić można obwód pierwotny 3 oraz obwód wtórny 2. Pierwotny przepływ wlotowy 3 do obwodu pierwotnego 3 stanowi ciepła woda z układu centralnego ogrzewania, zaś pierwotny przepływ wylotowy 3u stanowi woda przywracana do obiegu. Wtórny przepływ 2i obwodu wtórnego 2 stanowi wlotowy strumień świeżej wody podgrzewanej w wymienniku ciepła 1, zaś wtórny przepływ 2u stanowi podgrzana ciepła woda, doprowadzana do kranów użytkownika końcowego lub użytkownika. Gdy temperatury wtórnego przepływu wlotowego 2i nie można uznać za znaną (choćby z tego względu, że temperatura ta utrzymywałaby się na stałym poziomie, znanym z góry), w przepływie wlotowym 2i (zaznaczonym linią przerywaną na rysunku) rozmieszczany jest miernik temperatury.

Miernik przepływu 4 rozmieszczono w obwodzie wtórnym 2i-2u, korzystnie po stronie wlotowej, zaś sygnały z miernika kierowane są do jednostki regulacyjnej 7. W obwodzie pierwotnym pierwszy miernik temperatury 8 rozmieszczono na wysokości przepływu wlotowego 3], zaś drugi miernik temperatury 9 rozmieszczono na wysokości przepływu powrotnego 3u. Sygnały wylotowe z mierników przekazywane są do jednostki regulacyjnej 7.

Na potrzeby regulacji przepływu 3 rozmieszczono w obwodzie pierwotnym zawór regulacyjny 5, korzystnie na wysokości przepływu powrotnego 3u, co pozwala uzyskać niższe obciążenie temperaturowe oraz kawitacyjne w zaworze. Stopień otwarcia a zaworu regulowany jest z pomocą elementu regulacyjnego 25, który odbiera z kolei sygnały regulacji z jednostki regulacyjnej 7.

Zgodnie z zaprezentowanym rozwiązaniem manometr różnicowy 6 stosowany jest w celu ustalenia wielkości przepływu w obwodzie pierwotnym 3i-3u, przy czym miernik taki znajduje się między wlotem a wylotem zaworu regulacyjnego 5.

Na fig. 1b przedstawiono rozwiązanie podobne do przedstawionego na fig. 1 z tą różnicą, że tu element regulacyjny stosowany w obwodzie pierwotnym stanowi pompa 11, przy czym ustalony jest stosunek między przepływem 3, będącym funkcją prędkości obrotowej, a różnicą ciśnień w pompie. Różnica ciśnień ΔΡ w pompie mierzona jest z pomocą manometru różnicowego 6. Jednostka regulacyjna 7 odpowiada za regulację prędkości obrotowej pompy odpowiednio dla pożądanego przepływu pierwotnego 3.

PL 203 711 B1

Kolejny sposób wykonania przedstawiono na fig. 1c, zgodnie z którym regulacja pożądanego przepływu odbywa się poprzez pomiar strumienia pierwotnego 3 z pomocą miernika przepływu 12 oraz poprzez regulację stopnia otwarcia zaworu a zgodnie z pożądaną wielkością przepływu pierwotnego (lokalna pętla regulacyjna z zastosowaniem informacji zwrotnej na temat aktualnej wartości przepływu).

Na fig. 1d przedstawiono czwarty sposób wykonania, zgodnie z którym pomiar przepływu odbywa się z wykorzystaniem nieruchomej zwężki 13 oraz miernika 6 rozmieszczonego w poprzek w celu dokonania pomiaru różnicy ciśnień w obrębie zwężki.

Fig. 2 przedstawia rozwiązanie, zgodnie z którym przepływ wlotowy świeżej wody 2i w obwodzie wtórnym stanowi mieszanina wody zimnej oraz wody przywracanej do obiegu, tak zwany przepływ HSWC wody ciepłej. W tym wypadku uzyskiwana jest zmienna temperatura wtórnego przepływu wlotowego 2, przy czym zastosować należy miernik temperatury 10 na potrzeby pomiarów temperatury T_sin.

Fig. 3 przedstawia rozwiązanie niniejszego wynalazku, znajdujące zastosowanie w lokalnej stacji grzewczej, przy uwzględnieniu pewnej liczby funkcji. Funkcje te obejmują przykładowo regulację ciepłej wody oraz regulację wody w grzejnikach, pomiar ogólnej ilości ciepła przekazywanego w każdym z obwodów, jak również przekazywanie tych informacji z pomocą łącza komunikacyjnego (com) do zewnętrznego nadrzędnego układu. Funkcje diagnostyczne wymiennika ciepła oraz innych elementów stacji, wdrażane z wykorzystaniem wartości pomiarowych rejestrowanych w układzie oraz komunikacji z nadrzędną jednostką centralną za pośrednictwem (com), stanowią część funkcji wykonywanych przez jednostkę regulacyjną 7. Czujniki temperatury dla wtórnych przepływów wylotowych stosowane są na potrzeby regulacji i/lub emisji sygnału alarmowego po zarejestrowaniu błędu działania układu regulacji i/lub pomiaru ilości ciepła (przy czym wartość podana przez czujnik nie jest wykorzystywana na potrzeby dynamicznej regulacji temperatury).

Niniejszy wynalazek bazuje na rozwiązaniu, zgodnie z którym uzyskiwana/pochłaniana moc obwodu pierwotnego regulowana jest z uwzględnieniem wartości mocy, jaką należy w danej chwili dostarczyć/wydatkować do/ze środka wtórnego w celu dokonania zmiany temperatury między obecną wartością temperatury we wtórnym przepływie wlotowym a wartością pożądaną we wtórnym przepływie wylotowym. Odbywa się to poprzez regulację przepływu w obwodzie pierwotnym w zależności od różnicy między temperaturą pierwotnego przepływu wlotowego i wylotowego.

Zasadniczo w przypadku obwodów pierwotnych i wtórnych wymienników ciepła:

Q' = m * (h(Tin) - h(Tout)) (A) gdzie Q' oznacza moc przekazywaną w obwodzie do wymiennika ciepła, m oznacza przepływ masy w obwodzie, h(T) oznacza entalpię środka (energia przypadająca na jednostkę masy) w temperaturze T, Tout oznacza temperaturę przepływu wylotowego, zaś Tin oznacza temperaturę przepływu wlotowego.

Równanie (A) można zapisać alternatywnie w następujący sposób:

Q' = m * Cp * ΔT (A2) gdzie C_p oznacza wydajność ciepła środka, zaś ΔT = T_out - T_in.

Pożądana moc dostarczana do środka wtórnego, -Q'sec_set point, w celu uzyskania pożądanej temperatury wtórnego przepływu wylotowego opisywany jest przez następujące równanie:

^{- Q'}sec_desired ^{= m}sec ^{* (h}sec^(Tsec_out_desired^)-hsec^(Tsec_in⁾⁾ (A3) gdzie msec odpowiada przepływowi masy w obwodzie wtórnym, hsec(T) odpowiada entalpii środka wtórnego w temperaturze T, Tsec_out_set point odpowiada pożądanej temperaturze wtórnego przepływu wylotowego, zaś Tsec_in odpowiada aktualnej temperaturze wtórnego przepływu wlotowego.

W trakcie wymiany ciepła zachodzi równowaga mocy, gdzie suma mocy doprowadzanej w obwodzie pierwotnym Q'prim, w obwodzie wtórnym Q'sec oraz za pośrednictwem nieszczelności Q'leak do wymiennika ciepła równa jest wzrostowi energii gromadzonej w wymienniku ciepła w jednostce czasu Q'vx, to jest:

Q'vx = Q'prim + Q'sec + Qleak (B)

Niniejszy wynalazek obejmuje układ regulacji mocy uzyskiwanej z obwodu pierwotnego Q'prim, przy czym:

^Q'prim ^{= Q'}sec_desired ^{- Q'}leak ^{+ Q'}vx (B2)

Gdy efekt nieszczelności można pominąć, wartość Q'leak ustalana jest na poziomie zera i równanie przyjmuje postać:

PL 203 711 B1 ^Q'prim ^{= Q'}sec_desired ^{+ Q'}v (B3)

W przypadku zmian obciążenia uwzglę dnić należ y Q'vx, to jest dynamiczny efekt zmian energii gromadzonej w wymienniku ciepła. Przykładowo układ regulować można za pomocą zaworu regulacyjnego z zachowaniem stosunkowo niewielkiej prędkości regulacji. W razie gwałtownego obniżenia ładunku oznacza to, że obwód pierwotny dostarcza więcej energii, niż jest to pożądane, do chwili, gdy element regulacyjny znajdzie się w pożądanym położeniu. Dostarczony „nadmiar energii przechowywany jest częściowo w wymienniku ciepła, pociągając za sobą tymczasowy wzrost temperatury wtórnego przepływu wylotowego. Wzrost temperatury można ograniczyć do minimum w taki sposób, że nadmiar energii w zbiorniku ciepła wyrównać można poprzez czasowe ograniczenie doprowadzanej mocy pierwotnej do chwili, gdy nadmiar energii zostanie usunięty wraz z przepływem wtórnym.

W warunkach stałych energia zgromadzona w wymienniku ciepła nie ulega zmianom, to jest Q'vx = 0, co po uwzględnieniu w równaniu (B3) daje:

^Q'prim ^{= Q'}sec_desired (B4)

Po uwzględnieniu równania (A) w obwodzie pierwotnym oraz (A3) w równaniu (B4) uzyskiwane jest równanie o następującej postaci:

^mprim-desired ^{* (h}prim^(Tprim-in^)-hprim^(Tprim-out^))=msec^*(hsec^(Tsec-out-desired^)-h(Tsec-in )) (C)

Wyeliminowanie mprim_set point z równania (C) oznacza podstawową zasadę regulacji według wynalazku:

TH — TH prim _ desired sec ^hsec^(Ts __ )^-)sec_in ) prim _ in } )prim ⁽prim _ out ) sec sec out desired h

prim \ prim (D)

Tę podstawową zasadę regulacji ocenić można w różnej postaci oraz z uwzględnieniem różnych stopni uproszczeń, z których część zaprezentowano poniżej. Wielkość przepływu oceniana jest na podstawie ich objętości, a tym samym nie jest konieczne przeliczanie równania (D) dla przepływu objętości. W przypadku przepływu masy, m:

m = q * ρ (E) gdzie q oznacza przepływ objętości, zaś p oznacza gęstość. Jako że wartość p uzależniona jest od temperatury, często należy wziąć pod uwagę temperaturę, w jakiej ustalana jest wielkość przepływu objętości. Przyjęto, że przepływ pojemności w obwodzie wtórnym qsec określany jest dla przepływu wlotowego, zaś przepływ pożądany w obwodzie pierwotnym qprim_set point ustalany jest dla przepływu wylotowego. Po uwzględnieniu równania (E) w równaniu (D) można uzyskać wartość qprim_set point:

q q * ^Psec ^(Tsec_in ) * ^hsec ^(Tsec_out _ desired ) ^hsec ^(Tsec_in ) ^q prim _ desired = ^qsec (T ) ) (T ) h (T ) ^pprim\^Tprim _ out/ ^h prim ^T prim _ in / ^hprim V prim _ out/ (F)

W sytuacji, gdy przepł yw obję toś ci ustalany jest dla innego miejsca, równanie (E) należ y rozwiązać dla temperatury środka dla miejsca pomiaru objętości. Dla entalpii h(T):

H(T) = Cp * T gdzie Cp oznacza wydajność ciepła (energia przypadająca na jednostkę ciężaru oraz stopień). Po uwzględnieniu równania (G) w równaniu (F) uzyskać można:

_ρ C Δ T _q = _q _Pse^*_p(^sec⁾^_^sec_d^esr^ (F2) “prim _ desired “sec* .rp v ^-) ^ρprim ^Cp(primy^^T prim gdzie ΔΤ sec_set point = ΔΤ.

sec_out_set point ^{- T}sec_in oraz ΔΤρ_Γ^ = T ¹ prim_in ^{- T}prim_out

Poprzez zastosowanie tego samego środka w obwodzie pierwotnym oraz w obwodzie wtórnym pominąć można zależność temperatury od P i Cp (Psec = Pprim; Cp(sec) = Cp(prim)), a równanie (F2) uprościć można do postaci:

ΔΤ ^q prim _ bo&&r ^{= q}s sec bo&&r

ΔΤ (F3) prim

PL 203 711 B1

Tym samym, niniejszy wynalazek ocenić można z wykorzystaniem wielu mniej lub bardziej przybliżonych sposobów (przykładowo z zastosowaniem regulacji zgodnie z równaniem D, F, F2 lub

F3). Łączy je to, że opierają się one na układzie parametrów, charakterystycznym dla różnicy entalpii (Δ^ między pierwotnym przepływem wlotowym (3i) prowadzącym do wymiennika ciepła (1) a wtórnym przepływem wylotowym (3u) z wymiennika ciepła (1), przykładowo liczbie punktów dla funkcji h(T) w środku pierwotnym w zakresie temperatura właściwym dla danego zastosowania oraz Tprim_out, Tprim_in. Przykładowy alternatywny układ parametrów dla danej różnicy entalpii stanowi wydajność ciepła Cp dla środka pierwotnego w zakresie temperatur właściwym dla danego zastosowania oraz różnicy temperatur AT_pri_m.

Podobnie stosować można różne układy parametrów dla przepływu masy (msec) w obwodzie wtórnym (2) oraz dla przepływu masy (m_prim) w obwodzie pierwotnym (3).

Zawór 5 charakteryzować się może różną budową, przy czym dla każdej konstrukcji znana jest charakterystyka przepływu. Przykładowe zawory obejmują zawory gniazdowe, przesuwne, kulkowe oraz grzybkowe. W przypadku zastosowania zaworu przesuwnego, którego działanie sterowane jest z pomocą otwierającej/zamykającej śruby regulacyjnej, stopień otwarcia jest zasadniczo proporcjonalny do skoku a.

Dla każdego typu zaworu charakterystykę przepływu kv(a) ustalić można w oparciu o aktualną wartość ciśnienia w zaworze ΔP_vaι_ve, przepływu przez zawór Q_valve oraz stopnia otwarcia zaworu. Tym samym przepływ przez zawór ustalany jest w następujący sposób:

qventil = ^kv ^{(a) (H)} skąd obliczyć można:

kv (a) = q ' (I) yAPyentil oraz a = fcv i A ^qventil

P^pventil (J), gdzie fcv(x) stanowi funkcję odwrotną Kv(x).

W trakcie zastosowania zaworu jego położenie regulowane jest w celu uzyskania właściwego przepływu. Dla każdego typu zaworu ustalić można empirycznie przepływ dla aktualnego położenia zaworu oraz różnicy ciśnień dla zaworu.

Położenie zaworu a na potrzeby regulacji wyrazić można jako funkcję stwierdzonego przepływu w obwodzie wtórnym, wykrytej różnicy temperatur w obwodzie pierwotnym, wykrytej różnicy ciśnień dla zaworu regulacyjnego oraz pożądanej różnicy temperatur w obwodzie wtórnym.

Dla każdej pożądanej wartości przepływu w obwodzie pierwotnym regulację położenia zaworu a można przeprowadzić zgodnie z równaniem:

^adesired ^{= f}cv / A ^q prim desired

7^Δρ (J2) valve a po uwzględnieniu równania (F) w równaniu (J2) uzyskano postać zasady regulacji według wynalazku:

^adesired ^{= f}cv q ρ (T )h (T )- h(T ) ^qsec ^psec Vsec_inf ^hsec ^Tsec_ut _ desired/ ^hv sec_in / ^ΔΡνάΐΜ ^P prim ⁽prim _ut) ) prim ⁽prim _ in ) ) prim ⁽prim _out ) (K)

PL 203 711 B1 lub po wprowadzeniu (F3) do (J2):

bo&&r = fcv ^qsek

ΔTs sek bo&&r ventil

ΔΤ.

prim (K2) jako że ten sam nośnik ciepła stosowany jest w obwodzie pierwotnym oraz w obwodzie wtórnym oraz z uwagi na pomijanie zależności temperatury od ρ oraz pc. Dla każdego zaworu aktualną charakterystykę odwróconego przepływu fcv(x) (i/lub charakterystykę przepływu kv(x)) można ustalić empirycznie.

Różnicę ciśnienia ΔΡ_να1νε ustalić można w dowolny sposób, przykładowo z zastosowaniem manometru różnicowego przyłączonego przed i za zaworem lub z pomocą pierwszego miernika ciśnienia bezwzględnego na potrzeby pomiarów ciśnienia P1 przed zaworem oraz kolejnego miernika ciśnienia bezwzględnego na potrzeby pomiarów ciśnienia P2 za zaworem.

Pomiar doprowadzanej mocy oraz ilości ciepła może być przeprowadzany w obwodzie pierwotnym i/lub obwodzie wtórnym wymiennika ciepła zgodnie z równaniem (A). Po uwzględnieniu w równaniu (A) równań (H) oraz (E), mających zastosowanie w przypadku środka zawartego w zaworze, uzyskano następujące równanie:

Q' = _P TT )*) * ΓΔΡ * (hpT )_- hT )) prim rprimy- prim _ valve / ^v valv^ \^l\-prim _ out/ ^,l\- prim _ out/J (L) gdzie Tprim_valve oznacza temperaturę środka pierwotnego w zaworze. W sytuacji, gdy zawór umieszczany jest w pierwotnym przepływie wylotowym (3u) wyprowadzanym z wymiennika ciepła, Tprim_valve = Tprim_out, oraz odpowiednio wówczas, gdy zawór umieszczany jest w pierwotnym przepływie wlotowym (3i) prowadzącym do wymiennika ciepła, T_prim__valve = Tp_rim__in.

Po wprowadzeniu równania (G) do równania (L) uzyskano równanie alternatywne:

Q'prim = P prim ⁽prim_valve )* )v ^(a4 , * c * \t valve P prim (L2)

Zgodnie z preferowanym rozwiązaniem niniejszego wynalazku moc doprowadzana w obwodzie pierwotnym ustalana jest częściowo poprzez określenie temperatur Tprim_in, Tprim_out oraz różnicy ciśnień ΔP_valve dla zaworu regulacyjnego położonego za wylotem w obwodzie pierwotnym, a częściowo na podstawia znajomości charakterystyki zaworu kv(a) oraz stopnia otwarcia a, jak również gęstości oraz entalpii środka pierwotnego, które to wartości stosowane są do wyliczania Q'prim zgodnie z równaniem (L) lub (L2).

Poprzez zintegrowanie efektu uzyskanego w okresie t1-t2 uzyskiwana jest ilość ciepła dostarczanego przez obwód pierwotny w trakcie tego okresu.

^Qprim = prim Y^{1 (M)}

Po uwzględnieniu równania (L) w równaniu (M) uzyskano:

^Q prim t1 ^(Pprim ^(Tprim _ valve )* )v (aP , * (pnm-ou_t)) (M2)

Zintegrowanie, o którym tu mowa, przeprowadzić można przykładowo poprzez ustalenie oraz podsumowanie energii cząstkowych, które to energie stanowią produkty okresowych średnich wartości mocy Q_prim__i oraz odpowiednich okresów dla ustalenia średniej wartości Δ^:

Q prim =Σ⁽™ _ i * ^Ati ) (^M3) i=1

PL 203 711 B1

Zgodnie z korzystnym sposobem wykonania wynalazku, ilość uzyskiwanej mocy oraz ciepła ustalana jest również w obwodzie wtórnym. Ustalenie to opiera się przy tym na wartościach temperatur T_sec__in oraz T_sec__out (zmierzonych z pomocą czwartego miernika temperatury) oraz przepływu q_sec(zmierzonego z pomocą miernika przepływu lub w inny sposób; przykładowo z zastosowaniem pompy z regulacją prędkości obrotowej o znanej charakterystyce działania), jak również na równaniu (A).

Przy założeniu stanu niezmiennego oraz przy pominięciu wycieku ciepła z wymiennika ciepła wartość uzyskiwanej mocy oraz ilości ciepła w obwodzie pierwotnym stanowi pierwszą miarę, zaś wartość uzyskanej mocy oraz ilości ciepła w obwodzie wtórnym stanowi drugą miarę mocy Q' oraz ilości ciepła Q przekazanego w wymienniku ciepła. Dowolną z tych dwóch, ustalonych niezależnie, miar uzyskanej mocy oraz ilości ciepła wykorzystać można na potrzeby sporządzania rachunków lub prognoz zużycia energii.

Poprzez zestawienie tych dwóch, ustalonych niezależnie miar, wzrosnąć może bezpieczeństwo układu. Przykładowo, redundantne wartości Q' wykorzystać można, by generować alarm wówczas, gdy miary nie są pewne, to jest w sytuacji, gdy miary te odbiegają od siebie o wartość przekraczającą wartość dopuszczalną, przykładowo ± 10%, a korzystnie ± 2% wyższej wartości.

Drugi obszar zastosowania w oparciu o ustalenia wartości Q' jedną z metod przewiduje możliwość przełączania układu do trybu rezerwy, o ile błąd sygnału pomiarowego, jaki wystąpił podczas ustalania Q' inną metodą, wykryto też w odmienny sposób. Przykładowo w razie stwierdzenia, że miernik temperatury w obwodzie pierwotnym nie działa, istnieje możliwość ustalenia wartości rezerwowej dla uszkodzonego miernika z pomocą wartości Q' ustalonej w obwodzie wtórnym. W podobny sposób wartości rezerwowe obliczyć można dla dowolnego miernika, w przypadku którego wykryto błąd z wykorzystaniem niezależnej metody.

Trzecie zastosowanie przewiduje autokalibrację miernika lub, przykładowo, zaworu, w sposób wykorzystywany do obliczeń wartości rezerwowych w przypadku błędu miernika.

Aby uprościć sposób wytwarzania oraz montażu układów według wynalazku, pewną liczbę funkcji scalić można zgodnie z korzystnym rozwiązaniem w zintegrowanej jednostce zaworu, którą można wytwarzać w postaci półproduktu na potrzeby późniejszego montażu w kompletnym układzie. Na fig. 4 przedstawiono schematycznie zintegrowaną jednostkę hydrauliczną na potrzeby regulacji oraz pomiaru przepływu pierwotnego według wynalazku, obejmującą element zaworu, różnicowy czujnik ciśnienia oraz czujnik temperatury, jak również element regulacyjny obsługujący element zaworu, który może być zintegrowany z jednostką hydrauliczną lub na niej ulokowany. Korzystnie, jednostka hydrauliczna tego rodzaju stosowana być może do regulacji przepływu pierwotnego oraz pomiaru różnic ciśnienia w elementach zaworu, jak również temperatury przepływu pierwotnego na wysokości zaworu.

Z jednostką hydrauliczną 40, zaprezentowaną na fig. 5, zintegrować można pewną liczbę funkcji / komponentów. Obejmuje ona pierwszy kanał 56 między połączeniami rurowymi 41 i 42, zapewniającymi połączenie odpowiednio z lokalną stacją grzewczą oraz z wymiennikiem ciepła, jak również odgałęzienia 43 i 44 do sąsiednich jednostek hydraulicznych; patrz: fig. 6.

W kanale 56 rozmieszczono element zaworu 53, którego działanie regulowane jest z pomocą elementu regulacyjnego 54. Po obu stronach elementu zaworu 53 rozmieszczono mierniki 61 i 62 do pomiaru różnicy ciśnienia przed i za elementem zaworu. W kanale 56 ulokowano również mierniki 8, pozwalające ustalić temperaturę środka w kanale 56. W jednostce hydraulicznej 40 umieszczono drugi kanał 57, który to kanał może być połączony za pośrednictwem połączeń rurowych 45 i 46 odpowiednio ze środkiem wlotowym lokalnego układu grzewczego oraz z wymiennikiem ciepła. Odgałęzienia 47, 48 od drugiego kanału 57 wykorzystywane być mogą ewentualnie do połączeń z sąsiednimi jednostkami hydraulicznymi. W kanale 57 zlokalizowano również mierniki 9, pozwalające ustalić temperaturę środka w tym kanale. W skład jednostki hydraulicznej 40 wchodzi również trzeci i czwarty kanał 58 i 59 oraz połączenia rurowe 49 i 51 na potrzeby połączeń z użytkownikiem układu ogrzewania/chłodzenia, jak również połączenia rurowe 50 i 52 prowadzące do wymiennika ciepła. W celu ustalenia temperatury środka w kanałach 58 i 59 rozmieszczono w nich mierniki 55 i 10. W celu ustalenia przepływu środka w kanale 59 zastosowano miernik 70.

Uwzględniono również elementy stykowe (nie pokazane na rysunku) do poprowadzenia linii energetycznych do i od jednostki hydraulicznej 40, przy czym elementy te transmitują sygnały pomiarowe i/lub regulacyjne.

Zgodnie z korzystnym rozwiązaniem zintegrowaną jednostkę hydrauliczną przedstawioną na fig. 4 wytwarzać można w postaci półproduktu na potrzeby późniejszego montażu kompletnego ukła12

PL 203 711 B1 du, przykładowo w sposób przedstawiony na fig. 6. Jednostki hydrauliczne charakteryzują się innymi korzystnymi właściwościami oprócz wymienionych do tej pory dzięki znaczącym uproszczeniom w zakresie instalacji oraz połączeń obwodów pierwotnych z wtórnymi.

Zgodnie z najbardziej typowym rozwiązaniem temperatura przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym 2, prowadzącego z wymiennika ciepła 1, jest stała i wynosi przykładowo 55°C. Oczywiście wartość tę można dostosować ręcznie lub automatycznie z uzyskaniem pożądanej wartości. Jednostka regulacyjna 1 pozwala na regulację pożądanej wartości, przykładowo z wykorzystaniem potencjometru. Regulację ręczną przeprowadzić można w zależności od potrzeb użytkowników ciepłej wody lub dostosować do aktualnej pory roku. Przykładowo zimą istnieć może zapotrzebowanie na nieznacznie cieplejszą wodę, by tym samym wyrównać straty ciepła między wymiennikiem ciepła a najbardziej odległymi użytkownikami. Korekcję temperatury przepływu wychodzącego w zależności od pory roku można również przeprowadzić automatycznie w jednostce regulacyjnej zgodnie z ustaloną krzywą kompensacyjną i/lub sygnałem z miernika temperatury przepływu wylotowego.

Zgodnie z jednym sposobem wykonania wynalazku w przypadku układu, gdzie wymiennik ciepła podgrzewać ma obwód grzejników, w większości wypadków wymagana jest korekcja temperatury w zależności od jej wartości na zewnątrz, jak również korekcja temperatury wtórnego przepływu wlotowego. Zgodnie z tym sposobem wykonania również nie jest konieczne wykorzystanie informacji zwrotnej na temat temperatury przepływu wylotowego w obwodzie pierwotnym.

Element regulacyjny zaworu regulacyjnego charakteryzować się może różnymi postaciami, przy czym może wykorzystywać sygnał regulacyjny odpowiadający danemu elementowi regulacyjnemu. Przykładowo zastosować można zawory z serwomotorem z modulacją szerokości impulsu (PWM, pulse width modulation) lub z układem regulacji przepływu proporcjonalnie do natężenia prądu lub napięcia w układzie regulacji.

Korzystnie sposób według wynalazku można połączyć z układem diagnostyki wymiennika ciepła. W przypadku tych rozwiązań, gdzie dokonywany jest pomiar różnicy ciśnienia dla zaworu, na drodze analizy spadku ciśnienia w miarę upływu czasu dla danego stopnia otwarcia zaworu stwierdzić można blokadę wstępną w obwodzie pierwotnym (spowodowaną złogami wapiennymi, zanieczyszczeniami i tym podobnymi). W razie blokady wstępnej ciśnienie dla zaworu regulacyjnego spada z zachowaniem stałego przepływu, jako że stale rosnący spadek ciśnienia absorbowany jest przez wymiennik ciepła. Diagnostyka opierać się może również na ocenie zmian transferu ciepła w wymienniku ciepła. Przykładowo przeprowadzić można następujące działania: wszystkie zmierzone sygnały (przynajmniej różnica temperatury w obwodzie pierwotnym, przepływ pierwotny, przepływ wtórny oraz pożądana różnica temperatur w obwodzie wtórnym) zapisywane są dla pewnej liczby warunków obciążenia (przekazywana moc) oraz warunków panujących w układzie (temperatura oraz ciśnienie pierwotnego przepływu wlotowego). Po zaistnieniu blokady w wymienniku ciepła pogorszeniu ulegają parametry właściwości transferu, co oznacza zapotrzebowanie na zwiększony przepływ pierwotny.

Pożądaną różnicę temperatur AT_prim obliczyć można na podstawie T_prim(in) oraz T_prim(out) lub zmierzyć bezpośrednio, przykładowo z zastosowaniem termoelementu.

Jako że układ przewiduje pomiar przepływu oraz różnicy temperatur, bez trudu przeprowadzić można wyliczenia zużywanej ilości ciepła na potrzeby sporządzania rachunków dla użytkowników końcowych.

Układ według wynalazku pozwala ponadto na odczyt (obliczanie transferu ciepła), diagnozę (blokowanie), regulację klimatyczną (centralny układ regulacji pożądanych wartości) oraz ewentualne wyłączanie. Połączenie komunikacyjne wymaga tylko jednego złącza, które to złącze podłączone jest do jednostki regulacyjnej lub regulacyjnej.

Niniejszy wynalazek nie ogranicza się do zastosowania w lokalnych stacjach grzewczych; znajduje on również zastosowanie we wszystkich rozwiązaniach, których część stanowią wymienniki ciepła, przykładowo w przemyśle petrochemicznym lub innych układach regulacji przepływu ciepła.

Claims

1. Sposób regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym, odprowadzanego z wymiennika ciepła, przeprowadzanej z pomocą przepływu pierwotnego w obwodzie pierwotnym, gdzie jednostka regulacyjna reguluje element regulacyjny, który reguluje przepływ pierwotny, i w którym ustala się układ parametrów charakterystyczny dla różnicy

PL 203 711 B1 entalpii między pierwotnym przepływem wlotowym, prowadzącym do wymiennika ciepła a pierwotnym przepływem wylotowym, odprowadzanym z wymiennika ciepła i przekazuje się do jednostki regulacyjnej dla regulowania elementu regulacyjnego, znamienny tym, że ustala się układ parametrów charakterystyczny dla przepływu masy (m_sec) w obwodzie wtórnym (2) i ustala się układ parametrów charakterystyczny dla przepływu masy (m_prim) w obwodzie pierwotnym, przy czym parametry ustalone w powyższych etapach sposobu również przekazuje się do jednostki regulacyjnej (7) na potrzeby regulacji elementu regulacyjnego (5, 11), przy czym przepływ pierwotny (3) reguluje się w zależności od przepływu wtórnego (2) w taki sposób, by moc przekazywana między wymiennikiem ciepła i przepływem pierwotnym (3) odpowiadała zasadniczo sumie: mocy wymaganej do podwyższenia temperatury środka wtórnego od obecnej wartości temperatury przepływu wlotowego Tsec_in do pożądanej wartości temperatury przepływu wylotowego Tsec_out_setpoint, przewidywanego zapotrzebowania na moc w celu wyrównania ilości energii przechowywanej w wymienniku ciepła (1), i przewidywanej utraty mocy z wymiennika ciepła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że regulacja elementu regulacyjnego odbywa się poprzez równoważenie przepływu pierwotnego (3) oraz przepływu wtórnego (2) w taki sposób, że między przepływem pierwotnym (3) a przepływem wtórnym (2) utrzymuje się równowaga mocy, przy czym moc doprowadzaną oraz zużywaną w każdym z obwodów opisuje równanie:

Q = p-C_p-q-AT, skąd wynika, że w efekcie zjawiska równowagi mocy, przepływ w obwodzie pierwotnym qprim uzyskiwany jest w wyniku regulacji za pomocą elementu regulacyjnego w taki sposób, że:

^q prim ^qsek * ^P' ^CPsek '^^Tsek _v ^PP^rim ’ ^CPprim ' ^ΔΤί»ΊΠ1 gdzie psec/prim = ustalona z góry gęstość środka odpowiednio w obwodzie wtórnym oraz pierwotnym,

ATpnm, = rzeczywista zmierzona różnica temperatur między środkiem wprowadzanym a wyprowadzanym w obwodzie pierwotnym,

ΔΤ^ oznacza pożądaną różnicę temperatur między środkiem wprowadzanym a wyprowadzanym w obwodzie wtórnym, przy czym wartość temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym stanowi jedynie wartość pożądaną, zaś regulacja elementu regulacyjnego odbywa się bez zastosowania bezpośrednich informacji zwrotnych na temat temperatury przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako element regulacyjny (5) stosuje się zawór regulacyjny o znanej charakterystyce przepływowej oraz manometr różnicowy (9) na potrzeby pomiarów różnicy ciśnienia (spadku ciśnienia) dla zaworu regulacyjnego.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stopień otwarcia (a) zaworu stanowi funkcję właściwości przepływu zwrotnego f_cv(x) dla zaworu, korzystnie ustalonych empirycznie, zgodnie z równaniem:

a= ^f cv ^(q prim /f^Pvóive ) gdzie Δp_vaι_ve stanowi zmierzoną różnicę ciśnienia dla zaworu regulacyjnego, q_prim__se_t po_int oznacza przepływ przez zawór, zaś a stanowi stopień otwarcia zaworu.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako element regulacyjny stosuje się pompę (11), przy czym ustala się stosunek przepływu przez pompę jako funkcja prędkości obrotowej do różnicy ciśnień w obrębie pompy, przy czym jednostka regulacyjna (7) reguluje prędkość obrotową pompy.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że mierzy się temperaturę (Tsec_in) wtórnego przepływu wlotowego (2i) doprowadzanego do wymiennika ciepła (10), przy czym wartość ta wykorzystywana jest na potrzeby obliczeń qprim_set point.

PL 203 711 B1

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 4, znamienny tym, że wartości przepływu oraz temperatury w obwodzie pierwotnym oraz wtórnym wykorzystuje się na potrzeby diagnozy oraz wykrywania blokady w wymiennikach ciepła i/lub niewłaściwego transferu ciepła dla wymiennika ciepła.

8. Urządzenie do regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym, odprowadzanego z wymiennika ciepła, przeprowadzanej z pomocą przepływu pierwotnego w obwodzie pierwotnym przekazywanym przez wymiennik ciepła, przy czym jednostka regulacyjna reguluje element regulacyjny, odpowiedzialny za regulację przepływu pierwotnego, w którym zastosowano mierniki temperatury do pomiaru temperatury pierwotnego przepływu wlotowego oraz wylotowego z wymiennika ciepła na potrzeby oszacowania różnicy entalpii między przepływami tego rodzaju przy czym sygnały wyjściowe dla wspomnianych wyżej mierników są porządkowane w celu przekazania do jednostki regulacyjnej dla regulacji elementów regulacyjnych, znamienne tym, że zastosowano miernik (4) na potrzeby pomiaru przepływu (q_sec) środka wtórnego (2) i manometry różnicowe (6) do pomiaru różnicy ciśnienia (ΔΡ) w środku pierwotnym (3) w obrębie elementu regulacyjnego (5) i/lub miernik przepływu (12) na potrzeby pomiaru przepływu (qprim) środka pierwotnego (3), a sygnały wyjściowe z mierników przepływu i manometrów (4, 8, 9, 12) przesyłane są również do jednostki regulacyjnej (7) na potrzeby regulacji elementu regulacyjnego (5, 11), przy czym przepływ pierwotny (3) regulowany jest w zależności od przepływu wtórnego (2) w taki sposób, by moc przekazywana do wymiennika ciepła wraz z przepływem pierwotnym (3) odpowiadała zasadniczo sumie: mocy wymaganej do podwyższenia temperatury środka wtórnego od obecnej wartości temperatury przepływu wlotowego Tsec_in do pożądanej wartości temperatury przepływu wylotowego Tsec_out_set point, przewidywanego zapotrzebowania na moc w celu wyrównania ilości energii przechowywanej w wymienniku ciepła (1), przewidywanej utraty mocy z wymiennika ciepła.

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że element regulacyjny (5) stanowi zawór regulacyjny o znanej charakterystyce przepływowej, przy czym wykorzystywany jest manometr różnicowy (6) na potrzeby pomiarów różnicy ciśnienia dla zaworu, przy czym znana charakterystyka przepływowa dla zaworu (5) przechowywana jest w pamięci jednostki regulacyjnej (7).

10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że element regulacyjny stanowi pompa (11) przy czym ustalony jest stosunek przepływu przez pompę jako funkcja prędkości obrotowej do różnicy ciśnień w obrębie pompy, przy czym jednostka regulacyjna (7) odpowiada za regulację prędkości obrotowej pompy.

11. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zawiera zawór (5) zintegrowany jest z jednostką hydrauliczną (20), w skład której wchodzi element zaworu (24) wraz z przyporządkowanym doń elementem regulacyjnym (25), połączenia rurowe (22, 23) połączone z zaworem (5), urządzenie do ustalania różnicy ciśnień (6) w elemencie zaworu, które połączone jest przed i za elementem zaworu (24), patrząc w kierunku przepływu, oraz miernik temperatury (8) odpowiadający za pomiar temperatury przepływu przez zawór.

12. Urządzenie według zastrz. 8 albo 11, znamienne tym, że jednostka regulacyjna (7) obejmuje przynajmniej jeden układ pamięci (30) na potrzeby przechowywania danych dotyczących stopnia otwarcia (a) zaworu (5) jako funkcji przepływu q_sec w obwodzie wtórnym (2), różnicy temperatur ΔΤ^ w obwodzie wtórnym (2), różnicy temperatur ΔΤρ_ΠΠ w obwodzie pierwotnym (3) oraz różnicy ciśnienia ΔΡ_ν3ι_νε w obrębie zaworu (5).

13. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że kanały (56-59) do przenoszenia środka (31, 3u, 21, 2u) do i z wymiennika ciepła (1) są zintegrowane w jednostce hydraulicznej, przy czym kanały na końcach wyposażono w połączenia rurowe (41, 42, 45. 46, 49, 50, 51, 52) na potrzeby połączeń z przepływem pierwotnym oraz wtórnym (3, 2), przy czym kanały boczne (43, 44, 47, 48) odchodzą od przynajmniej części z kanałów, przy czym kanały boczne również wyposażono na ich końcach w połączenia rurowe na potrzeby połączeń linii łączących kolejne jednostki hydrauliczne, przy czym w jednostce hydraulicznej rozmieszczone są fragmenty kanału z umieszczonymi w nich licznikami przepływu, różnicy ciśnienia oraz temperatury (8, 9, 10, 55, 61, 62) pozostające w komunikacji z kanałami oraz przynajmniej jednym zaworem regulacyjnym.

14. Sposób regulacji temperatury przynajmniej jednego wtórnego przepływu wylotowego w obwodzie wtórnym odprowadzanego z wymiennika ciepła w którym ustala się różnicę entalpii między pierwotnym przepływem wlotowym oraz wylotowym z wymiennika ciepła, ustalana jest różnica ciśnienia w obrębie elementu regulacyjnego oraz temperatura środka w jego wnętrzu, przy czym znaną charakterystykę przepływu przechowuje się w pamięci jednostki regulacyjnej, i dane na temat gęstości środka pierwotnego przechowuje się w pamięci jednostki regulacyjnej, rejestruje się dane na temat

PL 203 711 B1 różnicy entalpii różnicy ciśnienia, temperatury oraz stopnia otwarcia elementu regulacyjnego, które to parametry wraz z danymi, dotyczącymi charakterystyki przepływowej oraz gęstości, przechowywanymi w pamięci jednostki regulacyjnej dostarczają informacji na temat mocy oraz ciepła uzyskiwanych w obwodzie pierwotnym, znamienny tym, że ustalone wartości mocy oraz ciepła uzyskiwanych w obwodzie pierwotnym sprawdza się pod kątem zgodności z uzyskiwanymi jednocześnie danymi na temat mocy oraz ciepła pochłanianych przez obwód wtórny, które oblicza się na podstawie różnicy entalpii Δ^_εο między wtórnym przepływem wlotowym i wylotowym oraz przepływu m_sec, które to dane przechowuje się lub ustala w jednostce regulacyjnej, przy czym aktywuje się alarm z pomocą środków komunikacyjnych wówczas, gdy wartości mocy oraz ciepła uzyskiwanych oraz pochłanianych odpowiednio w pierwotnym oraz wtórnym obwodzie odbiegają od siebie o więcej niż o przewidzianą wartość dopuszczalną.