Variabele snelheden zijn essentieel voor de hittewielen van RainForest

Achter de schermen wordt veel werktuigbouwkunde gebruikt om een ​​tropisch regenwoud te creëren en te onderhouden in de buurt van Lake Erie, op slechts 65 kilometer van de Canadese grens. Het is een prestatie van Cleveland (Ohio) Metroparks, een recreatieve autoriteit die zorgt voor een "smaragdgroene ketting" van bossen, golfbanen, wandelpaden en andere attracties rond deze stad in het Midwesten - zowel bekend om zijn sportteams als om zijn wereldklasse orkest en Rock 'n Roll Hall of Fame. Zonder de modernste HVAC-technologie is het twijfelachtig of deze unieke tropische habitat - gelegen in het Cleveland Metroparks Zoo-complex - zou kunnen bestaan; en het blijft profiteren van verbeteringen aan de apparatuur, zoals een geavanceerd motor- en aandrijfontwerp.

Voor het eerst geopend in 1992, is The RainForest in de Cleveland Metroparks Zoo een koepelvormige, gesimuleerde biosfeer die ongeveer twee hectare planten en dieren in het wild bevat, vergelijkbaar met die in tropische regenwouden en oerwouden. Het luchtbehandelingssysteem, dat warmtewielen van een halve ton en ABB-motoren en -aandrijvingen omvat, bespaart 18.000 pond water per dag uit de faciliteit door het vocht elke 2,5 uur over te brengen naar de droge, binnenkomende frisse lucht.

Het RainForest in Cleveland Metroparks Zoo bevat twee hectare aan planten en dieren in het wild die vergelijkbaar zijn met die in regenwouden over de hele wereld. Elk jaar komen meer dan een miljoen bezoekers naar deze twee verdiepingen tellende, koepelvormige, gesimuleerde biosfeer om te ervaren hoe het is om door tropische gebieden van Midden-Amerika, Afrika of Azië te wandelen - en om zo'n 600 dieren in een natuurlijke omgeving te zien, waaronder vogels, apen, reptielen en kleurrijke vissen die spelen in lagunes, moerassen en warme rivieren.

Een kwetsbare omgeving in een ruig klimaat
Ondanks grote schommelingen in temperatuur en vochtigheid op de Grote Meren, waar "Alberta Clipper"-stormen in de winter snel temperaturen onder het vriespunt kunnen opleveren, en zonovergoten zomerdagen van meer dan 90 graden Fahrenheit, genieten bezoekers en inwoners van The RainForest van een bijna constante temperatuur van 76 graden Celsius. graden F en 76 procent luchtvochtigheid. Dit is te danken aan een robuust HVAC-systeem dat in de loop der jaren is geëvolueerd met componenten die de betrouwbaarheid van het systeem met 100 procent hebben verbeterd.

The RainForest, een investering van $ 30 miljoen, omhult bezoekers niet alleen in een exotische omgeving, maar het dient ook als een herinnering aan wat er verloren gaat - tenzij meer regenwoud en jungle-areaal kan worden beschermd tegen overontwikkeling.

Warmtewieltoepassing van cruciaal belang voor constante temperatuur- en vochtigheidsregeling

Direct Air Systems Inc., met vestigingen in Cleveland en Columbus, Ohio, werkt samen met Zesco Inc., specialisten in elektrisch-mechanische bewegingsregeling en gevestigd in Cleveland, en levert HVAC-service aan The RainForest, evenals aan andere opmerkelijke lokale locaties, waaronder de Rock 'n Roll Hall of Fame.

De RainForest heeft twee luchtbehandelingsunits die voor 100 procent buitenlucht zijn. Om optimale omgevingsomstandigheden voor de faciliteit te bieden en te behouden, installeerde Direct Air Systems SEMCO-energiewielsystemen voor de units, waarvan er één een totale capaciteit van 60.000 kubieke voet per minuut heeft, voornamelijk gebruikt voor koeling; terwijl de andere unit, met een nominaal vermogen van 40.000 cfm, is uitgerust met een voorverwarmer en een luchtbevochtigerrek. Beide units hebben zij-aan-zij, 10 voet diameter, 1.000 pond droge droogmiddel warmtewielen, die nodig zijn om elke dag 18.000 pond water te besparen, vocht over te brengen van de muffe uitlaatlucht van het RainForest en het aan de droge buitenlucht af te geven luchtstroom eenmaal per 2,5 uur.

Getoond zijn twee warmtewielen met een diameter van 3 meter, die het middel zijn om vocht en warmte van de RainForest-faciliteit te verplaatsen en frisse lucht terug te voeren. Ze worden met een snelheid van zeven tot 18 keer per minuut gedraaid, met behulp van ABB motor/drive Direct Torque Control, waarvoor geen versnellingsbak nodig is. Het elimineren van de versnellingsbak verbeterde de betrouwbaarheid van het luchtbehandelingssysteem aanzienlijk.

De term "droogmiddel" verwijst naar materiaal dat aan het oppervlak van de warmtewielen is gebonden en dat zowel vocht als geuren verzamelt, die vervolgens via het bovenste gedeelte van de wielen uit het gebouw worden afgevoerd.

De wielen draaien zeven tot achttien keer per minuut, afhankelijk van de luchtvochtigheid. Frisse lucht, ook wel 'proceslucht' genoemd, wordt via het onderste deel van de luchtbehandelingskasten aangezogen en wordt door de wielen gefilterd.

De temperatuur en vochtigheid van de frisse lucht worden gematigd door de langzame omwenteling van de wielen en het feit dat de massa en het droogmiddeloppervlak van de wielen een deel van de warmte en het vocht uit het interieur overdragen. Indien nodig verwarmen kachels de lucht voordat deze naar het ruime interieur van The RainForest gaat, dat meer dan 60 temperatuurzones heeft, waaronder die voor kantoren, cafetaria en cadeauwinkels.

Luchtbehandelingsunits ingebouwd in faciliteit
In plaats van op het dak te worden gemonteerd en blootgesteld aan de elementen, zoals vaak wordt gedaan met luchtbehandelingskasten, zijn degenen die The RainForest bedienen in de faciliteit ingebouwd om de efficiëntie van de unit te behouden die anders verloren zou gaan in de warme zomers en koude winters van Cleveland.

Efficiëntie en eenvoud onderscheiden het systeem
Het droogmiddelproces werd gekozen vanwege zowel efficiëntie als eenvoud. Er werd geconcludeerd dat boilers, z-ducts, heatpipes of andere methoden niet te vergelijken waren met het rendement van 85 procent dat de warmtewielen bieden. Bovendien zijn warmtewielen uiterst eenvoudig te bedienen. De gedachte was dat hoe eenvoudiger de fundamentele mechanische uitrusting, hoe groter de betrouwbaarheid en het onderhoudsgemak. Dat bleek tot op zekere hoogte het geval te zijn. Hoewel de technologie vlekkeloos had moeten werken, ontstond er een zeurend probleem.

Elk wiel draait met een op maat gemaakte 31-voet lange riem en was, toen het voor het eerst werd geïnstalleerd, uitgerust met een AC-elektromotor van 1 pk met een vermogen van 1.750 tpm en een mechanische versnellingsbak om een ​​​​versnellingsreductie van 5:1 te bieden.

Op het moment van installatie was dit een vrij algemene apparatuurconfiguratie. Er werd echter ontdekt dat mechanische versnellingsbakken die voor The RainForest werden gebruikt in een alarmerend tempo faalden. Eén keer per jaar moest een van de versnellingsbakken worden vervangen. Er was geen waarneembaar patroon dat wees op een bepaald wiel-en-versnellingsbak-arrangement. Het was willekeurig. Het enige constante element in het probleem was de routinematige storing van een versnellingsbak.

De moeilijkheid werd eindelijk geïdentificeerd. Het ging over de omwentelingen per minuut. Het tempo was te laag om de spatsmeersystemen van de versnellingsbakken goed te laten werken. Hierdoor werden onderdelen niet goed geolied en waren ze voortijdig versleten.

Pad naar een oplossing
Aangezien het gebruik van een versnellingsbak de gebruikelijke aanpak was toen de warmtewielen werden geïnstalleerd, werd het probleem aanvankelijk niet gezien als een kwestie van apparatuurselectie, maar als een toepassingsprobleem. Elke warmtewielinstallatie is maatwerk en kent zijn eigen dynamiek.

Oplossingen voor het probleem waren onder meer doorgaan met het simpelweg vervangen van versnellingsbakken als ze faalden; het werd echter al snel duidelijk dat dit duur en enigszins onvoorspelbaar was.

Ook werd overwogen om versnellingsbakken te gebruiken die anders smeren, evenals het maken van aangepaste versnellingsbakken specifiek voor The RainForest-toepassing. Naarmate er meer werd nagedacht over het bedenken van manieren om het smeerprobleem aan te pakken, werd geconcludeerd dat deze mogelijkheden grensden aan experimenteren. Het RainForest, met zijn 600 dierlijke bewoners, was geen goede kandidaat om dergelijke risico's te nemen, zeker niet wanneer er een meer up-to-date oplossing voorhanden was.

Met aandrijvingen, geen versnellingsbakken nodig
Direct Air Systems dacht na over hun ervaringen met andere HVAC-toepassingen en noemde het onderhoudsteam van Cleveland Metroparks Zoo een oplossing voor AC-aandrijving/AC-motor waarvoor geen versnellingsbakken nodig waren. Dit werd een steeds vaker voorkomende regeling en had een goede staat van dienst. Het was ook state-of-the-art technologie, die afstand nam van de problemen en complexiteiten die mechanismen met bewegende onderdelen met zich meebrachten.

"Toen we zagen dat we niet te ver kwamen met het probleem van de versnellingsbaksmering, wendden we ons tot apparatuur die voor ons beschikbaar was - nu", legt Steve Snyder, president van Direct Air Systems, uit. “De directe koppelaanpak die we aanraadden was iets dat kosteneffectief, gemakkelijk te onderhouden en eenvoudig te bedienen zou zijn. Tandwielsmering zou geen probleem zijn. Bovendien is direct koppel bewezen techniek. De Cleveland Metroparks zochten naar biedingen voor het project, aangezien het een openbare instantie is, en ons bod werd geselecteerd.”

De retrofit omvatte ABB's Direct Torque Control-oplossing, die het koppel van de AC-motor als het primaire regelelement gebruikt.

Compacte ABB ACS 800-aandrijvingen, onderdeel van de ABB Direct Torque Control-oplossing, hebben een veel kleinere voetafdruk nodig dan eerdere aandrijfmodellen. Dit is vooral handig in gebieden waar de ruimte beperkt is.

De originele AC-motor en versnellingsbak van 1 pk in elk van de energiewielsystemen werd verwijderd en vervangen door een ABB-combinatie van inductiemotor en AC-laagspanningsaandrijving van 5 pk. Door deze opstelling kan de motor rechtstreeks op de motor/belasting worden aangesloten zonder dat een versnellingsbak of pulsgever nodig is. De ABB-oplossing maakt het volledige motorkoppel mogelijk tot nul toeren.

Door het gebruik van een algoritme kunnen de ABB-aandrijvingen, in dit geval ACS-modellen met variabele snelheid, draaien zonder een encoder om snelheidsfeedback te geven. Het algoritme stelt de omvormer in staat om de toestand van het koppel en de flux van de motor 40.000 keer per seconde te berekenen. Het elimineren van de encoder vermindert het onderhoud en vermindert de uitvaltijd.

Hoewel elk energiewielsysteem wordt bestuurd door individuele Johnson Controls-systemen, wordt de status van de motoren en aandrijvingen bewaakt door het uitgebreide Johnson Controls-gebouwbeheersysteem van RainForest.

In het geval van een storing in de regeling, zijn de ABB ACS-aandrijvingen ontworpen om automatisch naar een vooraf ingesteld toerental te gaan, om ervoor te zorgen dat de warmteoverdracht behouden blijft. Reservemotoren worden geïnventariseerd bij The RainForest en aandrijvingen worden bewaard op de kantoorlocatie van Direct Air Systems, op enkele minuten afstand van de faciliteit.

Sinds de installatie van de ABB motor/aandrijvingen combinatie meer dan vier jaar geleden is er geen onderbreking meer geweest in de dienstverlening. Direct Air Systems ziet steeds meer gebruik van directe koppelregeling.

"Het is absoluut een van de benaderingen die we aanbevelen", legt Snyder uit. “Vaak is er meer dan één manier om een ​​probleem op te lossen. Op basis van de omstandigheden in dit geval bleek de directe koppelregeling een goede oplossing. We hebben het ook op andere projecten toegepast. Het heeft drie kenmerken die we leuk vinden. Het is kosteneffectief, eenvoudig en betrouwbaar.”

Een model voor het redden van de regenwouden van de wereld
Door bijdragen van bezoekers aan The RainForest, en de inspanningen van andere organisaties en overheden, worden beperkte hoeveelheden schaars areaal regenwouden en oerwouden nu beschermd tegen overontwikkeling. Voortdurende steun zal nog meer van dit waardevolle land opzij zetten dat niet alleen dient als een toevluchtsoord voor inheemse planten en dieren, maar ook het milieu op aarde verbetert door koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen. Bovendien blijken deze beschermde gebieden belangrijke bronnen te zijn voor de wondermedicijnen van morgen.

Meer dan een miljoen mensen per jaar bezoeken The RainForest en genieten van een bijna constante 76 graden F/76 procent luchtvochtigheid die wordt gehandhaafd door het luchtbehandelingssysteem. Naast het bieden van entertainment en educatie over biologie, is de andere missie van de faciliteit om bezoekers te herinneren aan de noodzaak om inheemse regenwouden te beschermen, die naar schatting met een snelheid van 1,5 hectare per seconde verloren gaan door ontbossing.

The RainForest, dat te zien is op Animal Planet, is een van de vele attracties in de Cleveland Metroparks Zoo, die 168 hectare beslaat en de grootste verzameling primatensoorten in Noord-Amerika biedt tussen de 3.000 dieren.

Over de auteur:

ABB, Automation Products, Low-Voltage Drives, is 's werelds grootste fabrikant van elektromotoren en aandrijvingen. In de VS stelt een geïntegreerd kanaal van verkoopvertegenwoordigers, distributeurs en systeemintegrators ABB, New Berlin, Wis. klanten. Tot de gefabriceerde producten behoren AC- en DC-aandrijvingen met variabele snelheid voor elektromotoren van 1/8 tot 135.000 pk, en toepassingsspecifieke aandrijfsysteemoplossingen om aan uiteenlopende klantbehoeften te voldoen. Ga voor meer informatie naar www.abb.us/drives.com.