Najprostszy możliwy dynamiczny model skupiony obiegu chłodniczego wraz z systemem sterowania pozwala oszacować bezwładność instalacji chłodniczej jak i pomp ciepła z systemem odzysku ciepła z pary przegrzanej. W przedstawionej analizie model instalacji chłodniczej powiązany został z modelem komory i obciążenia cieplnego o parametrach rozłożonych.

Modele dynamiczne typu ciągłego urządzeń energetycznych sporządza się w celu przewidzenia czasu reakcji na wprowadzone zakłócenia oraz doboru systemów sterowania [1, 2, 3, 4]. Urządzenia chłodnicze, oprócz pozyskiwania niskich wartości temperatury w komorach przechowalniczych lub systemach klimatyzacyjnych, umożliwiają transport ciepła od źródła dolnego (o ujemnych wartościach temperatury) do górnego (o wysokich wartościach) jak to ma miejsce w pompach ciepła. Pompy ciepła pozwalają na podgrzanie pomieszczenia na skutek odbioru ciepła w skraplaczu. Proces skraplania zachodzi przy stałej temperaturze w zakresie od 20 do 40°C. Z reguły nie wykorzystuje się wówczas wysokotemperaturowego ciepła przegrzania pary na tłoczeniu sprężarki. Odzysk ciepła skraplania pary przegrzanej w instalacjach chłodniczych i pompach ciepła ma sens przy dużych obiektach np. w fabrykach przemysłu spożywczego i chemicznego, układach energetycznych trigeneracyjnych, basenach i lodowiskach. Na rysunku 1 przedstawiono możliwe źródła pozyskiwania ciepła z obiegu chłodniczego dwustopniowego.

Pozyskiwanie ciepła ze sprężarek jest procesem bardzo trudnym do zrealizowania i zakłada się w większości przypadków, iż sprężarki są źródłem ciepła odpadowego. W przeciwieństwie do sprężarek, układy skraplające obiegów lewobieżnych dają możliwość pozyskania dosyć dużej ilości ciepła. Chcąc uzyskać wyższą wartość temperatury, należy wykorzystać proces przegrzania pary do odzysku ciepła. Można zrealizować to poprzez wykorzystanie dodatkowego wymiennika ciepła (nr 6 z rysunku 1). Proces odzysku ciepła z obszaru pary przegrzanej może być sterowany. Na rysunku 2 przedstawiono propozycję układu sterowania wydajnością procesu skraplania dla instalacji odzysku ciepła z pary przegrzanej.

Instalacje tego typu powinny pracować w miarę możliwości przy warunkach stabilnego poboru wody ciepłej lub, w przypadku jej braku, w systemie recyrkulacyjnym w ten sposób, aby zapewnić odbiór ciepła i jego magazynowanie. Instalacje takie umożliwiają pozyskanie ciepłej wody technologicznej o wyższej temperaturze niż temperatura skraplania czynnika chłodniczego.

Rys. 1. Możliwe źródła odzysku ciepła w instalacji chłodniczej dwustopniowej: 1 – ciepło pozyskiwane z oleju sprężarki niskiego stopnia, 2 – ciepło z głowicy sprężarki niskiego stopnia, 3 – ciepło z ochładzacza pary niskiego stopnia, 4 – ciepło pozyskiwane z oleju sprężarki wysokiego stopnia, 5 – ciepło z głowicy sprężarki wysokiego stopnia, 6 – ciepło z ochładzacza pary wysokiego stopnia, 7 – ciepło pozyskiwane ze skraplacza

Rys. 2. Przykład sterowania temperaturą ciepłej wody poprzez zmianę wydajności procesu skraplania: 1 – układ sterowania procesem skraplania i temperaturą pozyskiwanej ciepłej wody, 2 – ochładzacz pary, 3 – skraplacz, 4 – sprężarka

Rys. 3. Sterowanie MIMO-PID układem chłodniczym

Regulacja parametrów procesu odzysku ciepła (...)

Wyniki obliczeń (...)

Rys. 4. Struktura systemu sterowania układem odzysku ciepła z instalacji chłodniczej (Matlab-Simulink)

Podsumowanie

Wyniki badań prezentują wpływ sterowania parametrami odzysku ciepła pary przegrzanej na pozostałe wielkości związane z obciążeniem cieplnym komory chłodniczej, czyli temperaturę skraplania i wrzenia w obiegu chłodniczym. Wzajemne powiązanie pomiędzy parametrami sterowanymi może doprowadzić do braku stabilności obiegu chłodniczego oraz pogorszyć jakość chłodzenia przy zbyt małej mocy zadanej na sterowniku odbioru ciepła z obszaru pary przegrzanej. Dla zastosowanego systemu regulacji PID w sterowaniu odzyskiem ciepła przegrzania zaobserwowano, że:

„„ - wartość uchybu temperatury pary przegrzanej maleje wraz ze wzrostem wartości współczynnika wzmocnienia członu proporcjonalnego,
„„ - uzyskanie mniejszych wartości współczynnika wzmocnienia członu proporcjonalnego przywraca stabilność parametrów sterowanych,
„„ - działanie członu całkującego pozwala na osiągnięcie większej dokładności statycznej układu regulacji (zmniejszenie uchybu regulacji),
„„ - działanie członu różniczkującego pozwala na poszerzenie pasma roboczego układu z zachowaniem stabilności przy zmianie nastawy na odbiorniku ciepła.

LITERATURA

[1] UNDERWOOD C. P.: Analysis multivariable control of refrigeration plant using MATLAB/SIMULINK. Seventh international IBPSA Conference. Rio de Janeiro, Brazil, 2001.
[2] FU L., DING G., ZHANG C.: Dynamic simulation of air-to-water dual-mode heat pump with screw compressor. Applied Thermal Engineering 23 (2003). pp. 1629–1645.
[3] KIM T. S., PARK H. J., RO S. T.: Charakteristics of transient operations of a dual-pressure bottoming system for the combined cycle power plant. Energy, 26 (2001). pp. 905–918.
[4] CHAIBAKHSH A., GHAFFARI A.: Steam turbine model Simulation. Modelling Practice and Theory 16 (2008). pp.1145–1162.
[5] MATYSKO R., BUTRYMOWICZ D.: Sterowanie pracą komory przechowalniczej z pośrednim chłodzenia. Chłodnictwo&Klimatyzacja 7/2009. ss. 18–24.
[6] KARWACKI J., MATYSKO R.: Sterowanie MIMO w układzie chłodniczym pośrednim. Chłodnictwo& klimatyzacja 9/2009. ss. 68–72.

***

Praca powstała w ramach projektu PB 4190/B/T02/2008/34.

Tabela. Spis symboli użytych w artykule M - masa czynnika, m · - masowe natężenie czynnika chłodniczego, T - temperatura, Cp - ciepło właściwe, K - współczynnik k zaworu rozprężnego, k - współczynnik przenikania ciepła, A - powierzchnia wymiany ciepła, h - entalpia czynnika chłodniczego, V - objętość, ρ - gęstość, P - ciśnienie, in - dolot, out - wylot, sk - skraplanie, b - wrzenie, v - para czynnika chłodniczego, objętość końcowa sprężania, l - ciecz czynnika chłodniczego, izol - izolacja, pow - powietrze, wall - ścianka, woda - woda chłodząca, ol - czynnik pośredniczący pomiędzy komorą a układem chłodniczym, s - objętość początkowa sprężania,