Потребление тепловой энергии.

В системах централизованного теплоснабжения тепло расходуется на отопление зданий, нагревание приточного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования, горячее водоснабжение, а также технологические процессы промышленных предприятий.

Тепловые нагрузки на отопление и вентиляцию зависят от температуры наружного воздуха и других климатических условий района теплоснабжения (солнечной радиации, скорости ветра, влажности воздуха). Если температура наружного воздуха равна или выше нормируемой температуры воздуха в отапливаемом помещении, то тепловая энергия для отопления и вентиляции не требуется.

Таким образом, в системах отопления и вентиляции тепло расходуется не непрерывно в течение года, а только при сравнительно низких температурах наружного воздуха. Поэтому таких потребителей тепловой энергии принято называть сезонными, а их тепловые нагрузки – сезонными тепловыми нагрузками.

В системах вентиляции с двухступенчатым подогревом воздуха расходы тепла в калориферах первого и второго подогревов отличаются не только количественно, но и качественно. Если расход тепла в калориферах первой ступени изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, то потребление тепла второй ступени подогрева часто не зависит от температуры наружного воздуха и по характеру приближается к технологической тепловой нагрузке.

Для сезонного теплового потребления характерны следующие особенности: 1) в течение года тепловые нагрузки изменяются в зависимости от температуры наружного воздуха; 2) годовые расходы тепла, определяемые метеорологическими особенностями текущего года в районе теплоснабжения (холодная или теплая зима), имеют значительные колебания; 3) из-менения тепловой нагрузки на отопление в течение суток в основном за счет теплоустойчивости наружных ограждений зданий незначительны; 4) расходы тепловой энергии для вентиляции по часам суток могут отличаться большим разнообразием в зависимости от сменности и режимов работы предприятий.

Расчетную тепловую мощность (Вт) систем отопления жилых и общественных зданий определяют по формуле

         

где = q₀ F – расчетная мощность систем отопления жилых зданий, Вт; q₀ – укрупненный показатель мощности системы отопления, приходящийся на 1 м² жилой площади, Вт/м²; F – жилая площадь, м²; k – коэффициент, учитывающий расход тепла на отопление общественных зданий (k @ 0,25).

Если объемы зданий известны, то расчетные тепловые нагрузки (Вт) систем отопления определяют по укрупненным измерителям по формуле

                                      

где m - коэффициент инфильтрации, учитывающий долю расхода тепла на подогрев наружного воздуха, поступающего в помещение через неплотности ограждений; x₀ – удельная тепловая характеристика здания на отопление, Вт/м³ ×°C; V – объем здания по наружному обмеру, м³; t_в – температура воздуха в помещении, °С; t_{р. о} – расчетная температура наружного воздуха для проектирования системы отопления, °С.

укрупненные показатели максимального теплового потока на отопление жилых зданий на 1 м² общей площади q₀, Вт

 

Этажность жилой постройки	Характеристика зданий	Расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления t0 °С
		минус 5	минус 10	минус 15	минус 20	минус 25	минус 30	минус 35	минус 40	минус 45	минус 50	минус 55
Для постройки до 1985 г.
1-2	Без учета внедрения энергосберегающих мероприятий	148	154	160	205	213	230	234	237	242	255	271
3-4		95	102	109	117	126	134	144	150	160	169	179
5 и более		65	70	77	79	86	88	98	102	109	115	122
1-2	С учетом внедрения энергосберегающих мероприятий	147	153	160	194	201	218	222	225	230	242	257
3-4		90	97	103	111	119	128	137	140	152	160	171
5 и более		65	69	73	75	82	88	92	96	103	109	116
Для постройки после 1985 г.
1-2	По новым типовым проектам	145	152	159	166	173	177	180	187	194	200	208
3-4		74	80	86	91	97	101	103	109	116	123	130
5 и более		65	67	70	73	81	87	87	95	100	102	108
Примечания. 1. Энергосберегающие мероприятия обеспечиваются проведением работ по утеплению зданий при капитальном и текущем ремонтах, направленных на снижение тепловых потерь. 2.Укрупненные показатели зданий по новым типовым проектам приведены с учетом внедрения прогрессивных архитектурно-планировочных решений и применения строительных конструкций с улучшенными теплофизическими свойствами, обеспечивающими снижение тепловых потерь.

 

Удельная тепловая характеристика здания x₀ равна средним потерям тепла 1 м³ здания при разности температур внутреннего и наружного воздуха в 1°С. За расчетную температуру наружного воздуха при проектировании систем отопления принимают среднюю температуру самой холодной пятидневки, определенную из восьми наиболее холодных зим за 50 лет наблюдений.

Для определения коэффициента инфильтрации можно пользоваться формулой

где b – постоянная инфильтрации, учитывающая коэффициент остекления наружных стен и конструкцию оконных проемов, с/м; для отдельно стоящих промышленных зданий с большими световыми проемами b – (35¸40)10^-3, для жилых и общественных зданий с двойным остеклением b = (8¸10)10^-3; g – ускорение силы тяжести, м/с²; H – высота помещения, м; v - расчетная скорость ветра в холодный период года, м/с.

При расчетной температуре наружного воздуха, равной - 30°С, величины удельных тепловых характеристик х₀  определяются по таблице:

 

Этажность застройки	1	2-3	4-5	6 и более
х0, вт/м3, °С	0,7-0,81	0,46-0,58	0,4-0,47	0,35-0,47

Так как коэффициенты теплопередачи наружных ограждений принимаются в зависимости от климатических условий, то значение удельных тепловых характеристик при расчетных температурах наружного воздуха, отличающихся от - 30°С, должны корректироваться коэффициентом b.

.

Значения коэффициента b приведены ниже.

 

tр.о, °С	-10	-20	-30	-40
b	1,2	1,1	1,0	0,9

 

Для нетиповых зданий удельную тепловую характеристику на отопление с учетом теплотехнических свойств ограждений и конфигурации здания можно достаточно точно определить по формуле проф. Н. С. Ермолаева

,

где k_с, k₀, k_пл, k_пт – коэффициенты теплопередачи соответственно стен, окон, полов, потолков, Вт/м²×°С; d₀ – коэффициент остекления наружных стен; n_пл, n_пт – поправочные коэффициенты к расчетной разности температур для пола и потолка; Р,Н – периметр и высота здания, м; S – площадь здания в плане, м².

Габаритные размеры здания принимают по наружному обмеру.

Расчетную тепловую нагрузку на вентиляцию общественных зданий определяют по формуле

где k – коэффициент, учитывающий расход тепла на вентиляцию, принимают k₁= 0,4 для построек до 1985 года, после – 0,6.

Расчетная тепловая нагрузка на вентиляцию отдельных зданий может быть найдена по укрупненным измерителям

 ,

где х_в – удельный расход тепла на вентиляцию здания, Вт/м³×°С; t_р.в – расчетная температура наружного воздуха для проектирования вентиляции, °С.

За расчетную температуру наружного воздуха для проектирования общеобменной вентиляции принимают среднюю температуру наиболее холодного периода, составляющего 15% от продолжительности отопительного сезона.

 В системах кондиционирования воздуха, а также в системах вентиляции, предназначенных для борьбы с вредными веществами или при компенсации приточным воздухом вытяжки от местных отсосов, расчетную температуру наружного воздуха для проектирования вентиляции принимают равной расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления.

Сельскохозяйственные населенные районы отличаются малой плотностью застройки и небольшими объемами зданий. Поэтому тепловое потребление сельских объектов характеризуется небольшими масштабами, рассредоточенностью и малыми единичными мощностями. При проектировании крупных сельскохозяйственных комплексов тепловое потребление следует определять по типовым проектам и ведомственным нормам.

Текущие сезонные тепловые нагрузки при любых температурах наружного воздуха t_н, отличающихся от расчетных t_в.р, определяют по формуле

.

Средние тепловые нагрузки за отопительный период рассчитывают по формулам:

 

 

для отопления

                                            ,

для вентиляции

                                         ,

где t_ср.о – средняя температура наружного воздуха за отопительный период, °С.

Годовые расходы тепла (в кВт×ч) для жилых и общественных зданий определяют по формулам:

на отопление

 ,

на вентиляцию

,

где n_о – продолжительность отопительного периода, сут.; z – усредненное за отопительный период число часов работы вентиляции в течение суток (при отсутствии данных рекомендуется z = 16 ч). Продолжительность отопительного сезона для жилых и общественных зданий определяют числом дней с устойчивой температурой наружного воздуха ниже +8°С.

 

       

 

    Рис. 1.3.1. График расхода тепла на отопление и вентиляцию

 

Графики часового расхода тепла на отопление и вентиляцию приведены на рис. 1.3.1. Минимальный расход тепла определяют при t_н=+8°С. Участок прямой соответствует тому случаю, когда максимальный расход тепла на вентиляцию определяется по расчетной температуре наружного воздуха для проектирования систем отопления.

Тепловое потребление для целей горячего водоснабжения в течение года изменяется сравнительно мало, но отличается большой неравномерностью по часам суток. Летом расход тепла в системах горячего водоснабжения жилых зданий по сравнению с зимой уменьшается на 30 – 35%. Это объясняется тем, что в летнее время температура воды в холодном водопроводе на 10 – 12 °С выше, чем в зимний период. Кроме того, значительная часть городского населения летом в субботние и воскресные дни выезжает в загородные зоны, т.е. в те дни, когда в жилом секторе зимой наблюдается максимальные разборы горячей воды.

На рис. 1.3.2. приведен ориентировочный график расхода тепла на горячее водоснабжение жилого района, из которого следует, что тепловые нагрузки на горячее водоснабжение имеют не только резкие колебания внутри суток, но и в течение недели. В жилых домах, оборудованных ваннами, максимальные расходы тепла зимой наблюдаются в предвыходные и предпраздничные дни.

 

 

Рис. 1.3.2. Примерный суточный график расхода тепла на горячее водоснабжение для жилого района

 

Большое разнообразие тепловых нагрузок различных промышленных предприятий,

 жилых и общественных зданий, несовпадение по времени их максимумов приводит к необходимости построения графиков теплового потребления как для отдельных зданий, так и для района теплоснабжения в целом. Графики теплового потребления характеризуют изменение тепловых нагрузок по времени. На рис. 1.3.3. представлен график изменения тепловой нагрузки Q от времени n за некоторый период n_о. Площадь oabcd ограниченная линией изменения тепловой нагрузки и осями координат, представляет собой расход тепла за весь период времени n_о:

 .

 

Если данную площадь заменить равновеликой площадью прямоугольника с основанием n_о, то высота прямоугольника (ордината Q_ср) будет соответствовать средней тепловой нагрузке в течение n_о:

 

.

 

Замена площади oabcd равновеликим прямоугольником с высотой равной Q^макс, позволит определить число часов n_m использования максимума тепловой нагрузки

 .

 

 

Рис. 1.3.3 График изменения тепловой нагрузки по времени

 

Числом часов использования максимума нагрузки называется такое время, в течение которого суммарное количество тепловой энергии будет израсходовано при максимальной нагрузке.

Отношение Q^макс/Q_ср=k_ч – коэффициент часовой неравномерности расхода тепла за период времени n_o. При этом

k_ч = n_o/n_m.

Параметры n_m и k_ч характеризуют неравномерность потребления тепла за некоторый период времени n_o, определяются для отдельных зданий и населенных пунктов на основании практического опыта и позволяют производить расчеты, не прибегая к построению графиков. Например, максимальную тепловую нагрузку на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий определяют по формуле

,

где k_ч – коэффициент часовой неравномерности расхода тепла в течение суток, k_ч  = 2¸2,4.

Среднюю за отопительный период тепловую нагрузку на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий определяют по формулам

,                                            (1.3.1)

или

                                                       Q_ср.г = q_гm,

где с – удельная теплоемкость воды, кДж/кг×°С; m – количество жителей в районе; g_н – норма горячей воды для жилых зданий на 1 жителя, л/сут; b – норма расхода воды для общественных зданий района, b = 20 л/чел×сут; t_г , t_x –температуры горячей и холодной водопроводной воды, °С; r - плотность воды, кг/м³; q_г – укрупненный показатель среднечасовой тепловой нагрузки на горячее водоснабжение, приходящийся на 1 чел., Вт/чел.

Нормы расхода воды зависят от благоустроенности жилых домов, гостиниц и приводятся в соответствующих указаниях на проектирование горячего водоснабжения. Для отдельных жилых домов, общежитий, гостиниц и больниц расчетные тепловые нагрузки на горячее водоснабжение можно определять по формуле (1.3.1), полагая b = 0.

       В летнее время тепловые нагрузки на горячее водоснабжение определяют по формуле

                                           ,

где t_х.л = 15°С – температура водопроводной воды в летний период времени, °С; b₁ – коэффициент, учитывающий снижение расхода горячей воды летом по сравнению с зимой, принимается равным 0,8; для курортных, южных городов и для промпредприятий b₁ = 1.

       Годовой расход тепла на горячее водоснабжение следует определять по формуле

                               .

       Исследование характера изменения тепловых нагрузок в течение года крайне важно для определения расходов топлива, рационального использования станционного оборудования, а также для технико-экономических расчетов при проектировании и эксплуатации системы теплоснабжения.

                а)                                                                б)

      Q

      

         I II III IV V VIVIIVIIIIXX XI XII

                                                           

Рис.1.3.4. Годовые графики расхода тепла

а – по месяцам; б – по продолжительности

 

На рис.1.3.4 приведены два годовых графика потребления тепла одного и того же района. На графике рис.1.3.4, а расхода тепла по месяцам года изменение тепловых нагрузок представлено в той хронологической последовательности, в которой оно имеет место в действительности. На рис. 1.3.4,б тепловые нагрузки расположены в порядке убывания. В этом случае время n приобретает особый смысл. Здесь n такое время, в течение которого тепловые нагрузки района не меньше (больше или равны) данной тепловой нагрузки. Если на рис. 1.3.4,б в начале и в середине выделить одинаковые отрезки DQ, то соответствующие им промежутки времени в общем случае будут различны - Dn₁¹Dn₂. Это значит, что продолжительность тепловых нагрузок Q₁+DQ, соответствующих интервалу Dn₁, больше или меньше продолжительности тепловых нагрузок Q₂+DQ. Поэтому рис. 1.3.4,б принято называть графиком расхода тепла по продолжительности. Здесь DQ₁=DQ₂=DQ.

При построении графика расхода тепла по продолжительности сезонных тепловых нагрузок на оси абсцисс откладывают время n, в течение которого температура наружного воздуха не бывает выше данной t_н. На рисунке 1.3.5 иллюстрируется графический метод построения графика продолжительности тепловой нагрузки. В левой части строится вспомогательный график, отражающий линейную зависимость расхода тепла от температуры наружного воздуха.

Точки графика расхода тепла по продолжительности (точка с) определяют следующим образом. По t_н  (точка а) находят величину тепловой нагрузки (отрезок аб), которую переносят на правую часть графика (линия переноса вс). На оси абсцисс n находят точку d, соответствующую данной температуре наружного воздуха t_н. Из точки d к оси абсцисс проводят перпендикуляр до пересечения с линией bc. Точка с и является точкой на кривой графика продолжительности тепловой нагрузки, так как ав = dc. Расположение точек d на оси n зависит от климатических условий местности.

 

Рис. 1.3.5. Суммарный график расхода тепла по продолжительности для района

 

При отсутствии данных по продолжительности температур наружного воздуха график продолжительности отопительной нагрузки можно с достаточной для практики точностью построить по методике проф. Б.Л. Шифринсона и проф. В.Я. Хасилева. В этом случае исходными данными являются: расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления t _р.о; средняя температура за отопительный период t_ср.о; продолжительность отопительного периода n_о.

Кривая расхода тепла по продолжительности, выраженная в относительных величинах, характеризуется следующей зависимостью:

R = 1-BN^q,

где R – отношение тепловой нагрузки при данной температуре наружного воздуха t_н к расчетной тепловой нагрузке на отопление; N – относительное число часов (суток), при котором относительный расход тепла не бывает меньше R; B, q - постоянные коэффициенты, зависящие от климатических условий.

Здесь

;     ;       .

В графике расхода тепла по продолжительности важны не столько абсолютные значения тепловых нагрузок, сколько конфигурация кривой Q как функция от n. Поэтому данный график целесообразно строить в относительных величинах, долях от единицы или процентах.

На рис. 3.3.5 пунктирной линией приведена кривая изменения расхода тепла на отопление по продолжительности, построенная по методике Шифринсона-Хасилева. Хорошая сходимость результатов подтверждает возможность использования аналитического метода построения графика продолжительности сезонных тепловых нагрузок.

 

 

IV Возмущающие факторы

4.1 Сигналы. Их виды.

Наиболее часто в теории автоматического управления используются следующие сигналы.

1 Единичный скачок (рис. 4.1): 

 

 

1(t) называется также функцией Хевисайда. Строго говоря, функция Хевисайда физически нереализуема, однако, если, к примеру, на исследуемом объекте резко открыть вентиль, в результате чего расход подаваемого вещества изменится скачком с F1 до F2, то говорят, что на входе объекта реализован скачкообразный сигнал величиной F2 – F1, и если последняя разность равна единице, то на входе реализуется единичный скачок.

Спектральная характеристика для единичного скачка:

2 Единичная импульсная функция – дельта-функция – это функция, удовлетворяющая следующим условиям:

Дельта-функцию называют также функцией Дирака, она относится к классу сингулярных функций.

Эту физически также нереализуемую функцию можно представить как импульс бесконечно малой длительности и бесконечно большой амплитуды, т.е. как предел, к которому стремится прямоугольный импульс с основанием Δt и площадью, равной единице, если Δt → 0 так, чтобы площадь импульса сохранялась равной единице. Также δ-функцию можно представить как предел некоторой функции:

К основным свойствам дельта-функции можно отнести следующие равенства:

 

 

Рис. 4.2 Представление дельта-функции:

а – прямоугольный импульс; б – δ(β, t)-функция

δ-функция является четной функцией:

 

т.е. из непрерывной функции можно "вырезать" одну ординату.

Последнее соотношение, используя рассмотренные уже свойства δ-функции, доказывается следующим образом:

Спектральная характеристика дельта-функции: F(iω) = 1.

Между функцией Хевисайда и функцией Дирака существует связь, выражаемая соотношением:

δ(t)dt = 1(τ), или δ(t) = 1′[t].

На практике считается, что на вход объекта подана δ-функция, если время действия прямоугольного импульса намного меньше времени переходного процесса.

3 Гармонический сигнал

x(t) = A sinωt

используется при исследовании систем автоматического регулирования частотными методами.

Синусоидальный гармонический сигнал можно представить как вращение вектора длиной А вокруг начала координат с некоторой угловой скоростью ω, рад/с.

Гармонический сигнал характеризуется такими параметрами, как амплитуда – А; период – Т; фаза – φ

Рис. 4.3 Гармонический сигнал:

а – обычный сигнал; б – представление гармонического сигнала

вращением вектора; в – гармонический сигнал со сдвигом фазы

Между периодом и угловой скоростью справедливы соотношения

Если колебания начинаются не из нуля, то они характеризуются фазой колебаний, которая во временной области характеризуется отрезком Δt, но обычно фазу выражают в радианах – φ. Перевод осуществляется по формуле

На практике для получения гармонического сигнала используется генератор синусоидальных колебаний.

Сдвинутые элементарные функции.

К этим функциям относятся функции Хевисайда и Дирака с запаздыванием, т.е. 1(t – τ) и δ(t – τ),причем

Все свойства δ-функции сохраняются, но записываются в виде:

Рис. 4.4 Сдвинутые элементарные функции

 

Рис. 2.10 Сигнал произвольной формы:

а – входной непрерывный сигнал; б – импульс x(i);

в – суперпозиция импульсов, определяющих сигнал x(t)

Сигнал произвольной формы – x(t).

Любой сигнал произвольной формы можно представить с помощью δ-функции. С этой целью выделяется произвольный момент времени t, и строится столбик высотой x(t), соответствующий значению сигнала в момент времени t = ti, и основанием Δti.

Этот импульс можно выразить через приближенную дельта-функцию – δ

т.е. xi (t) = x(ti)Δti~δ(t − ti).

Заменяя функцию x(t) набором импульсов, можно записать:

Если теперь

Сигнал произвольной формы можно представить и через единичные функции, для чего выражение

(2.26) следует проинтегрировать по частям, используя соотношение δ(t − τ) =1′(t − τ), в результате чего

получают следующее соотношение

 

4.2 Ступени автоматизации.

Функции, выполняемые элементами автоматики, разнообразны. С помощью отдельных элементов осуществляются измерительные, усилительные, управляющие и исполнительные функции автоматических устройств.

       В общем виде автоматическое регулирующее устройство состоит из звеньев, представленных на рис. 3.2.1.

       Таким образом перечисленные функции автоматическое регулирующее устройство воспринимает отклонение заданного параметра (регулируемой величины) от установленного значения и преобразует это отклонение в соответствующее перемещение регулирующего органа. В результате последнего изменяется значение стока, либо притока вещества или энергии и регулируемый параметр восстанавливается в пределах установленных значений. Это измененное значение притока или стока называют регулирующим воздействием, которое направлено в сторону, противоположную тем воздействиям, которые вызвали отклонение регулируемого параметра. Воздействие на объект регулирования, которое вызывает отклонения регулируемого параметра, называют возмущающим воздействием или просто возмущением. Оно получается из-за разности между притоком и стоком вещества или энергии в объекте регулирования. Регулирующее воздействие приводит к равенству между притоком и стоком, а регулируемый параметр при таком равенстве не изменяется, т.е. приобретает постоянное значение.

 

 

звено контроля параметров

 

 

 

 

 

   

 

 

Рис. 3.2.1. Элементная схема автоматического регулирующего устройства.

 

           Автоматическим регулятором называют автоматически действующее устройство, предназначенное для выполнения задачи поддержания заданной величины регулируемого параметра.

       Регулируемый объект вместе с автоматическим регулятором составляют в целом так называемую систему автоматического регулирования (САР).

       Автоматический регулятор для выполнения перечисленных функций включает в себя следующие основные элементы:

1. Датчик или измерительный орган, воспринимающий отклонение от заданного значения регулируемого параметра и преобразующий это отклонение в определенный сигнал (Сигнал ошибки), величина которого обычно зависит от величины отклонения регулируемого параметра. Само отклонение называют ошибкой или рассогласованием.

2. Усилитель, или управляющий орган, который воспринимает сигнал, выработанный датчиком, усиливает его, а в необходимых случаях и преобразует. Сигнал, который поступает от усилителя, называют командным сигналом, так как его мощность такова, что способна заставить перемещаться регулирующий орган. Однако для воздействия на регулирующий орган необходимо обычно еще одно преобразование сигнала, которое производит последующий элемент – исполнительный орган.

3. Исполнительный механизм или исполнительный орган, преобразующий полученный от усилителя командный сигнал и воздействующий уже на последующий элемент – регулирующий орган.

4. Регулирующий орган преобразует сигнал, полученный от исполнительного механизма (обычно этот сигнал представляет собой прямолинейное возвратно-поступательное движение штока), и изменяет величину притока либо стока вещества или энергии. Этот орган связывает автоматический регулятор с регулируемым объектом, так как он одновременно принадлежит к регулируемому объекту, являясь составной частью технологической системы.

САР представляет собой замкнутую цепь, в которой процесс регулирования характеризуется передачей воздействий от одного звена к другому по замкнутому контуру. Воздействие одного звена на другое называют сигналом. Сигнал, получаемый звеном, называется входом или величиной на входе. Сигнал, передаваемый звеном, называется выходом или величиной на выходе.

Таким образом, величина на выходе из звена является величиной на входе для последующего звена. Если передача сигнала идет по прямой цепи, т.е. от датчика к усилителю, затем к исполнительному механизму и регулирующему органу, то это прямая связь. Передача сигнала в обратном направлении – это обратная связь. Обычно обратная связь отрицательна. Она ослабляет действие прямой связи.

Можно весьма наглядно представить себе САР в виде элементной схемы, изображенной на рис. 3.2.2. Объект регулирования, получив возмущающее воздействие как результат изменения нагрузки на объект, преобразует его в отклонение регулируемого параметра. Сам объект регулирования можно представить себе как звено, в котором входом является возмущающее воздействие, а выходом – отклонение регулируемого параметра. Датчик – последующее звено в прямой цепи, воспринимает это отклонение как сигнал, преобразует его и передает в усилитель. Последний усиливает полученный сигнал и передает его на исполнительный механизм (ИМ), заставляющий перемещаться регулирующий орган и вырабатывать регулирующее воздействие.

                                   

 

                                           Автоматический регулятор

 

Рис. 3.2.2. Элементная схема системы автоматического регулирования (САР)

 

По элементной структурной схеме видно, что сигнал, идущий от датчика, может быть записан или показан специальными устройствами – программное или следящее устройства могут корректировать сигнал, полученный от датчика, изменяя его в нужную сторону в определенное время. Для усиления сигнала служит источник внешней энергии, подающий эту энергию непосредственно усилителю, управляющему ее притоком по мере необходимости.

Конструктивно автоматические регуляторы в подавляющем большинстве случаев целесообразно выполнять по следующей схеме. Датчик и усилитель необходимо объединять в одном аппарате, который устанавливается в точке измерения регулируемого параметра. Такая компоновка вызывается тем, что сигнал, идущий от датчика, весьма незначителен по мощности, а следовательно, он подвержен искажениям при передаче его на значительные расстояния. Поэтому более целесообразно сначала усилить этот сигнал, а затем передавать его на исполнительный механизм.

Исполнительный механизм, как правило, объединяется в один агрегат (Аппарат) с регулирующим органом. Сигнал, который получает от исполнительного механизма регулирующий орган, можно представить себе наглядно в виде возвратно-поступательного прямолинейного перемещения штока. Поэтому отделять исполнительный механизм от регулирующего обычно не представляется возможным.

Таким образом, весь комплекс устройств, состоящий из датчика, усилителя, исполнительного и регулирующего органов, объединенных в единую цепь передающими частями и линиями, называют автоматическим регулятором, или просто регулятором.

В сложных автоматических регуляторах все вышеуказанные устройства могут состоять в свою очередь, из нескольких деталей, узлов и отдельных аппаратов, последовательно соединенных между собой в общую цепь, каждое звено которой получает от предыдущего некоторый сигнал, преобразовывает его и передает последующему звену.

САР разделяют в зависимости от требуемого закона измерения регулируемого параметра на:

1. Системы стабилизации, задача которых заключается в том, чтобы поддерживать регулируемый параметр с заданной точностью постоянным во времени.

2. Системы программного регулирования, которые должны изменять значения регулируемого параметра во времени по заданной программе.

3. Системы следящие, в которых величина регулируемого параметра находится в зависимости от некоторой переменной, меняющей свое значение произвольно.

В установках и устройствах САР системы стабилизации получили широкое распространение. Однако более прогрессивным направлением является применение систем программного регулирования, которые позволяют вести процессы при меньших энергетических расходах. Например, в ночное время в жилых помещениях можно поддерживать температуру порядка 12° С. Это дает экономию тепла, а, по данным гигиенистов, такая температура во время сна позволяет человеку лучше отдохнуть, так как наблюдается более крепкий сон. Нужно иметь в виду, что на промышленных предприятиях в большинстве случаев работают в две смены, а в различного рода учреждениях – в одну смену и т.п. Отсюда применение программного регулирования, очевидно, весьма перспективно.

Следящие системы автоматического регулирования часто используются в установках кондиционирования воздуха и при выработке тепла на отопление. В летнее время года из гигиенических соображений желательно при комфортном кондиционировании поддерживать внутри помещений такую температуру, которая являлась бы функцией от температуры наружного воздуха. Обычно чем выше температура наружного воздуха, тем выше должна быть и температура внутри помещения. А это позволяет экономить на расходовании холода.

В котельных установках или на ТЭЦ температура подаваемой воды должна зависеть от наружных условий. Имеет значение в этом случае не только температура наружного воздуха, но и скорость движения его, а также продолжительность стояния низких температур. При увеличении скорости ветра за счет инфильтрации наружного воздуха возрастают потери тепла, для компенсации которых требуется повысить температуру отпускаемой воды. При продолжительном стоянии низких температур наружного воздуха может снизиться температура на внутренней поверхности наружных ограждений, что из гигиенических соображений нежелательно. Тогда необходимо несколько увеличить температуру подаваемой горячей воды в тепловую сеть. Следовательно, температура подаваемой горячей воды на отопление должна являться функцией температуры, скорости движения наружного воздуха и продолжительности стояния низких наружных температур. Применениездесь следящих систем автоматического регулирования весьма желательно.