Reglarea automată a presiunii 8.1

Lucrarea 8

REGLAREA AUTOMATĂ A PRESIUNII

1. SCOPUL LUCRĂRII

Lucrarea are ca obiectiv cunoaşterea structurii şi funcţionării unor sisteme mult utilizate de reglare automată a presiunii la gaze.

2. PREZENTAREA LUCRĂRII 2.1 Aspecte generale

Presiunea este o mărime de stare importantă care caracterizează starea sistemelor fluidice, gazoase sau lichide. Cazul cel mai des întîlnit este cel al reglării automate a presiunii unui gaz pentru un consumator sau o reţea de alimentare cu: aer comprimat industrial, aer instrumental (1,4 bar), oxigen, CO2, azot, gaz metan, gaz petrolier lichefiat etc. În acest scop se utilizează regulatoare de presiune mecanice, cu caracteristică de reglare P, cu una sau două trepte de amplificare.

A doua aplicaţie, ca răspândire este reglarea automată a presiunii în instalaţiile de producere a aerului comprimat cu debite de la unu la mii de m3/h.

2.2 Regulator de presiune mecanic proporţionalÎn figura 8.1 este prezentată schema unui regulator de presiune mecanic, cu

membrană utilizat în reţelele de aer comprimat, gaz metan, oxigen etc.

Fig. 8.1. Schema regulatorului de presiune mecanic

8.2 Îndrumar de laborator CONTROLUL AUTOMAT al PROCESELOR

Pe corpul cilindric 1 este fixată etanş membrana fexibilă 2, strînsă cu capacul 3. Pe centrul membranei este fixată o piesă rigidă 4, care asigură forma şi rigiditatea părţii centrale a membranei 3. Membrana este apăsată de arcul elicoidal 5, a cărui forţă de comprimare este reglată prin deplasarea reazemului 6, cu şurubul de reglaj 7 fixat în capacul 3. Centrul rigid 4 este legat la o bieletă 8 care acţionează pîrghia 9, care are la braţul scurt un ventil de reglare 10 cu care se modifică secţiunea de intrare a gazului, deci o rezistenţa hidraulică serie.

Când presiunea reglată este zero sau prea mică cursa părţii mobile este limitată de opritorul 11, asigurându-se o cursă “z” maximă a ventilului de reglare, deci secţiunea maximă de trecere pentru alimentarea cu gaz.

În figura 8.2 este prezentată (a) reprezentarea simbolică a regulatorului de presiune proporţional (direct) şi (b) schema fluidică echivalentă .

Fig. 8.2 Schema convenţională a regulatorului de presiune (a) şi schema fluidică

echivalentă (b)

În sistemele automate integral mecanice, pneumatice sau hidraulice, unele elemente (piese) constituente realizează mai multe funcţii în cadrul funcţionării ca sistem automat, ceea ce de multe ori face dificilă separarea netă a funcţiunilor realizate.

În cazul analizat procesul este caracterizat printr-un consum Qcons, care este perturbaţia principală. Comportarea dinamică a procesului este determinată de rezistenţa pneumatică a consumatorilor, cât şi de capacităţile (volumele) existente în instalaţia alimentată, ceea ce face se poate asimila cu comportarea dinamică a unui element de ordinul 1.

O altă perturbaţie care acţioneză asupra sistemului de reglare este presiunea de alimentare pal care este compensată prin variaţia rezistenţei organului de execuţie, deschiderea “z” a ventilului, pentru asigurarea debitului de consum Qcons

necesar procesului.Din principiul continuităţii rezultă că în regim staţionar de funcţionare Qal =

Qcons, ceea ce impune condiţiile: pal>preg şi Qalmax>Qconsmax.Funcţia traductorului este realizată de membrana flexibilă, gofrată, care

transformă presiunea pm = preg într-o forţa Fm, aplicată centrului rigid 4, care are funcţia de element de comparaţie dintre mărimea de reacţie Fm, şi cea de referinţă Fr, forţa de prestrîngere a arcului 5. Forţa de reacţie Fm, se calculează cu relaţia:

(8.1)

Reglarea automată a presiunii 8.3

unde: Dme (m) este diametrul mediu activ echivalent al membranei; Sme – suprafaţa activă a membranei (m2).

Forţa de referinţa Fr, se obţine prin deformarea arcului cu şurubul de reglaj 7 cu valoare rarc (mm) când z = 0 : (8.2)unde; karc este constanta elastică a arcului (N/mm).Din comparaţia forţelor Fr si Fm pe centrul rigid (EC) rezultă o eroare de reglare : (8.3)care este aplicată regulatorului (REG), a cărui funcţie este realizată de arcul5, bieleta 8 şi pîrghia 9, rezultând o lege de reglare de tip proporţional P.

Mărimea de comandă este cursa z a ventilului de reglare cu care se asigură modificarea reacţiunii de trecere în vederea egalizării debitului de alimentare Qal cu cel necesar Qcons la consumator, la presiunea necesară preg.

Dacă Fm=Fr rezultă că F=0 şi deci z=0, adică ventilul este închis. Aceasta este poziţia pentru care se realizează prescrierea valorii de referinţă pentru presiunea reglată. Practic se reduce debitul de consum la zero, Qcons0, şi se modifică prestrîngerea arcului până se obţine, măsurată cu un manometru, valoarea dorită a referinţei de reglare. Caracteristica proporţională a regulatorului este dată de valoarea factorului de transfer KR care depinde numai de caracteristicile constructive ale regulatorului.

(8.4)

Cursa z a ventilului depinde de deplasarea membranei 2 şi a centrului rigid 4 sub acţiunea arcului 5. Considerînd că în cazul z=0, Fm=Fr rezultă: (8.5)

În regim staţionar când z > 0 şi preg<pref rezultă că eroarea de reglare ∆F este: (8.6)unde harc (mm) este deformare arcului la variaţia presiunii

Cursa z (mm) a ventilului este :

(8.7)

unde ip este raportul de transmitere al pârghiei de acţionare a ventilului.Rezultă că:

(8.8)

Caracteristica statică a regulatorului direct de presiune este prezentată în figura 8.3.

8.4 Îndrumar de laborator CONTROLUL AUTOMAT al PROCESELOR

z

max

p reg

prefpmin

z A B

C0

Fig. 8.3. Caracteristica statică a regulatorului direct de presiune

Utilizarea regulatoarelor automate proporţionale este caracterizată de o eroare staţionară de reglare st, care depinde de perturbaţiile care acţionează asupra sistemului. În cazul analizat eroarea staţionară depinde de pal şi Qcons şi aceasta se poate calcula cu relaţia:

(8.9)

Eroarea staţionară pst, deci şi precizia de reglare, depinde în primul rînd de factorul de transfer al căii directe Kd care este egal cu: (8.10)

Rezultă că eroarea staţionară pst maximă va fi:

(8.11)

şi:

(8.12)

2.3 Reglarea automată a presiunii în rezervoarele instalaţiilor de aer comprimat

În cazul reţelelor de distribuţie a aerului comprimat sau de alte gaze nu este necesară menţinerea unei presiuni constante în rezevoarele de acumulare deoarece la consumator presiunea se reglează local cu regulatoare mecanice cu membrană. Ca urmare se acceptă un domeniu de variaţie al presiunii prez (pmin, pmax). Schema funcţională, tipică, a unei instalaţii de aer comprimat este prezentată în figura 8.4.

Elementul de execuţie este un compresor COMP acţionat de un motor electric trifazic M care se cuplează la reţeaua electrică prin releul REL. Instalaţia automatizată se compune din rezervorul de acumulare REZ şi conductele reţelei de distribuţie.

Reglarea automată a presiunii 8.5

Fig. 8.4 Reglarea presiunii în instalaţia de alimentare cu aer comprimat

Compresorul introduce aerul comprimat prin supapa de reţinere SR în rezervorul de acumulare REZ, cu volum suficient pentru a asigura debitul Dcons

necesar în intervalul de presiuni (pmax, pmin ) cu variaţii lente ale presiunii din reţea. Pentru evitarea creşterilor periculoase de presiune rezervorul este legat la o supapă limitatoare de presiune SS. Evacuarea condensului se face periodic cu robinetul dispus la partea inferioară a rezervorului.

u

1

0 p p p pmin ref max

retea

p

Fig. 8.5 Caracteristica regulatorului de presiune bipoziţional

Deoarece presiunea trebuie menţinută în intervalul (pmin, pmax) se utilizează un regulator de presiune RP neliniar de tip bipoziţional, a cărui caracteristică statică este prezentată în figura 8.5. Regulatorul comandă pornirea compresorului când preţea pmin şi îl opreşte când preţea pmax . Pentru a se realiza această cerinţă de reglare referinţa pref se setează la o valoare medie pref = 0,5(pmin + pmax), iar histeresisul va avea valoarea absolută ∆p = pmax - pmin . Pentru ca instalaţia să fie controlabilă, este necesar ca compresorul să realizeze un debit Dcomp > Dconsmed

pentru a se asigura periodic reumplerea REZ până la pmax. Funcţionarea unei staţii de aer comprimat simulată în programul

REGPRES02, este prezentată în figura 8.6. Referinţa este pref = 5 bar iar zona de histeresis p = 2 bar, ceea ce asigură pentru utilizatori o presiune între 4 şi 6 bar.

Curba 1 este referinţa pref, curba 2 reprezintă variaţia debitului de Dcons consum în dm3/s, curba 3 reprezintă debitul de alimentare produs de compresor în dm3/s, curba 4 este variaţia presiunii pr în rezervor şi reţea. Simularea s-a făcut pentru o staţie de aer comprimat echipată cu un compresor cu cilindreea de 1,4 dm3/rot

8.6 Îndrumar de laborator CONTROLUL AUTOMAT al PROCESELOR

antrenat de un motor electric asincron de 23 kW cu turaţia de 920 rot/min, un rezervor de 1m3 şi o reţea de distribuţie cu capacitatea de circa 0,4 m3.

Fig. 8.6 Graficul funcţionării instalaţiei de aer comprimat

3. APARATURA FOLOSITĂ ÎN LABORATOR

3.1. Descriere standPentru studiul regulatoarelor de presiune mecanice cu membrană se utilzează

un stand format dintr-o instalaţie de producere aer comprimat, conform figurii 8.4 şi un regulator mecanic de presiune montat pe reţea la ieşire, care are ca sarcină un robinet de reglare RR. 3.2. Aparatură anexă 1 – Calculator PC 2 – Program regresie liniară REGLIN 3 – Subler 0-100 mm.

4. MOD DE LUCRU

4.1. Pregătire stand şi aparaturăSe cuplează cablul de alimentare al instalaţiei de producere aer comprimat la

priza trifazată din tabloul de alimentare, cu contactorul de alimentare deconectat.Se închide robinetul de legătură al rezervorului de aer la consumatori.Se cuplează contactorul din tabloul de alimentare şi apoi contactorul de

alimentare a motorului compresorului şi se aşteaptă să se ajungă la presiunea pmax

când se opreşte motorul compresorului.Se porneşte PC-ul şi se activează programul REGLIN.

4.2. Determinări experimentale4.2.1 Determinarea caracteristicii regulatorului de presiune bipoziţionalSe citeşte pe manometrul montat pe rezervor valoarea presiunii pmax când s-a

oprit compresorul şi se notează în tabelul 8.1.

Reglarea automată a presiunii 8.7

Se deschide robinetul de la ieşirea rezervorului de aer şi se aşteaptă să scadă presiunea până când regulatorul de presiune comandă pornirea motorului compresorului. Valoarea minimă a presiunii în rezervor pmin se notează în tabelul 8.1. Se repetă determinările de trei ori.

Tabelul 8.1 Date măsurători presiune în rezervorul de aerU.M. 1 2 3 ∑ Media pref ∆p

pmin barpmax bar

4.2.2 Determinarea datelor constructive ale instalaţiei de producere aer comprimat

De pe etichetele de identificare ale motorului, compresorului şi rezervorului de aer se citesc următoarele date:

- putere motor acţionare compresor (kW);- turaţie motor acţionare compresor (rot/min);- cilindree compresor (cm3/rot) sau (dm3/rot);- volum rezervor aer (m3).

4.2.3 Determinarea parametrilor constructivi ai regulatorului mecanic de presiune

Se măsoară următoarele dimensiuni:- diametru exterior membrană Dmex =............(m);- diametru exterior centru rigid DCR =............(m);- lungimile braţelor pârghiei 9 : l1 =........(mm) şi l2 =.......(mm);- pasul al şurubului de prescriere referinţă psb =.......(mm);

Se deschide robinetul de la rezervorul de aer. Se închide robinetul de ieşire din regulator. Se prescrie pref la 2 bar. Se notează în tabelul 8.2. Se deschide robinetul de sarcină şi se închide. Se înşurubează şurubul de reglaj cu un pas. Se deschide şi se închide robinetul de sarcină. Se citeşte p ref. Se reiau determinările şi se completează tabelul 11.2 până la pref ≈ 4 bar.

Tabelul 8.2 Date măsurători variaţie presiune de referinţăpoziţie [k] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10∆harc (mm) 0 1∙psb 2∙psb 3∙psb 4∙psb 5∙psb 6∙psb 7∙psb 8∙psb 9∙psb

pref (bar) 2,0∆pref (bar) ----

4.3 Prelucrarea datelor experimentale 4.3.1 Regulatorul de presiune al instalaţiei de producere aer comprimat

Cu datele din tabelul 8.1 se calculează:- valoarea medie pmax med =.......(bar) ;- valoarea medie pmin med = .......(bar);- valoare histeresisului ∆p = pmax med - pmin med =.......(bar);- valoarea presiunii de referinţă pref = 0.5(pmax med + pmin med ) =.......(bar).

8.8 Îndrumar de laborator CONTROLUL AUTOMAT al PROCESELOR

4.3.2 Regulatorul de presiune mecanic cu membranăCu datele măsurate se calculează:

- diametrul efectiv mediu al membranei Dme (m) ≈ 0,5(Dmex +DCR) =.......(m);- se calculează suprafaţa medie efectivă a membranei Sme =.......(m2);- raportul de transmitere ip = l2/l1 = ;

Cu datele din tabelul 8.2 se calculează diferenţele de presiune de referinţă ∆pref cu relaţia (8.13) şi se introduc în tabel: (8.13)

Se utilizează programul de regresie liniară REGLIN în care se introduc datele din tabelul 8.2 şi se determină coeficienţii dreptei :

(8.14)unde : C0 = pref [1] ≈ 2( bar) şi karc = 105∙C1∙Sme =.......(N/mm)

Cu relaţia (8.8) se calculează constanta KR1 = .......(mm/N); Se calculează valoarea medie ∆pref med = .......(bar)Se calculează constanta elastică a arcului cu relaţia (8.15):

(8.15)

Cu relaţia (8.8) se calculează constanta KR2 =.......(mm/N); Se compară KR1 cu KR2.

5. REFERATUL LUCRARII

5.1 Descrierea obiectivelor lucrării şi schema instalaţiei utilizate. 5.2 Tabelul 8.1 completat cu date din măsurători şi calculate 5.3 Datele calculate pentru regulatorul bipoziţional al instalaţiei de aer comprimat 5.4 Tabelul 8.2 completat cu date din măsurători şi calculate 5.5 Datele constructive şi funcţionale ale regulatorului de presiune proporţional 5.6 Concluzii