Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacji i grzewczych cz. 4.

Transkrypt

1 Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacji i grzewczych cz. 4. Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element instalacji klimatyzacji i grzewczych. Na poprawny ich dobór składa się procedura wyliczenia określonych wielkości, ale także wybór konkretnego modelu spełniającego poszczególne parametry jakim m.in. jest rozdzielczość regulacyjna. O AUTORZE Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI pracownicy działu technicznego TA Hydronics A rzeczywista ch-ka u Definicja rozdzielczości regulacyjnej oraz jej krótkie objaśnienie pojawiły się w pierwszej części artykułu [1]. Zakres w jakim parametr ten został opisany nie wyczerpuje jednak tematu. Obecny artykuł ma na celu rozwinąć zagadnienie rozdzielczości oraz przedstawić jej wpływ na jakość regulacji mocy odbiorników. Rozdzielczość regulacyjna R Przy procedurze doboru zaworów regulacyjnych duże znaczenie odgrywa rozdzielczość regulacyjna R, zwana także stosunkiem regulacji. Parametr ten jest istotny z uwagi na konieczność zmiany wydajności urządzeń w sposób płynny w przedziale od 0 do. Rozdzielczość regulacyjna określa relację pomiędzy współczynnikiem kvs a współczynnikiem kvmin. Współczynnik kvmin to najmniejsza wartość kv, czyli najmniejsze otwarcie zaworu, przy którym zachowana jest jeszcze tolerancja nachylenia charakterystyki zaworu. R = kvs/kv min Rozdzielczość regulacyjna zaworu ma duży wpływ na płynność procesu zmiany mocy odbiornika, zwłaszcza przy niewielkich obciążeniach. Gdy zawór jest bliski zamknięcia, teoretyczna charakterystyka zaworu nie jest możliwa do uzyskania. Poniżej pewnej wartości otwarcia zaworu wody nie może być teoretyczna ch-ka u otwarcie przeciek Kvmin - punkt w którym ch-ka wychodzi poza zakres tolerancji otwarcie Rys. 1. A) teoretyczna i rzeczywista liniowa charakterystyka zaworu; B) obraz powiększonej części charakterystyki tuż nad pozycją zamknięcia B dłużej kontrolowany, w skutek czego w szybkim tempie spada do zera. Regulacja odbiornika w tym przedziale działa w trybie dwustawnym ON/OFF. Rysunek 1 A przedstawia teoretyczną i rzeczywistą liniową charakterystykę u, a także zakres dopuszczalnych odchyleń. Z kolei na ryunku 1 B pokazana została w powiększeniu część charakterystyki liniowej przy niskich ach tuż nad pozycją zamknięcia strefa pracy w trybie ON/OFF Rozdzielczość regulacyjną możemy tym samym określić jako relacja pomiędzy maksymalnym em przy w pełni otwartym zaworze a em minimalnym, dającym się jeszcze kontrolować przy takim samym ciśnieniu różnicowym: R = maksymalny przy w pełni otwartym zaworze minimalny kontrolowany Minimalny regulowany wyznaczamy zatem z zależności: V min = V nom /R Rozdzielczość regulacyjna a autorytet zaworu Rozdzielczość regulacyjna jest parametrem zależnym od charakterystyki zaworu oraz tolerancji fabrycznej. Dla zaworów o charakterystyce stało procentowej, rozdzielczość regulacyjna może znajdować się przykładowo w zakresie 1:25. Oznacza to, że minimalny regulowany stanowi dwudziestą piątą część, tj. 4% u maksymalnego (nominalnego) na jaki dobrano zawór. Chcąc określić jak z kolei rozdzielczość objawia się w procesie zmiany mocy, należy minimalną regulowaną moc określić na podstawie wyliczonego u korzystając z charakterystyki odbiornika. Dla przykładu w przypadku chłodnicy o parametrach 7/12/24 (T z /T p /T i ) minimalna regulowana wartość mocy dla 4% u wynosi około 15% (rys. 2). Rozdzielczość regulacyjna jest parametrem, który w rzeczywistych warunkach pracy zaworu może ulegać modyfikacjom. Jej zmiany głównie zależą od autorytetu zaworu. Termin autorytetu szerzej został opisany w drugiej [2]oraz trzeciej części artykułu [3]. Im niższa jest wartość autorytetu, tym większe zachodzą 36 6/2012

2 moc Q 120% 80% 60% 20% charakterystyka odbiornika 19% mocy 5,7% u 15% mocy 4% u 0% 0% 20% 60% 80% 120% V Rys. 2. Charakterystyka chłodnicy dla parametrów 7/12/24 (T z /T p /T i ) odkształcenia charakterystyki zaworu, co oczywiście objawia się podwyższeniem dolnej granicy u znajdującej się poza zakresem kontrolowanym. Dla określenia minimalnego rzeczywistego u który można jeszcze kontrolować należy skorzystać ze wzoru: Kontynuując analizę pracy chłodnicy (rys. 2) załóżmy, że zainstalowany przy niej zawór regulacyjny posiada autorytet 0,5. Minimalny rzeczywisty regulowany wynosi 100/ (25 0,5) = 5,7%. Osiągana przy tym ie moc, jaką odczytujemy z wykresu, to około 19% (rys. 2). Reasumując regulacja chłodnicy z zaworem o rozdzielczości regulacyjnej 1:25 i autorytecie 0,5 w przedziale od 0 do 19% będzie zachodzić w trybie dwustawnym ON/OFF. Przy klimatyzacji komfortu sytuacja taka wykracza poza akceptowany poziom. Obciążenie chłodnicze w przedziale do 19% występuje bowiem średnio przez 25% sezonu chłodniczego dla przeciętnego budynku w naszej szerokości geograficznej. W przytoczonym przykładzie zatem przez ¼ czasu użytkowania, klimatyzacja będzie regulowana w trybie ON/OFF, mimo zastosowanych układów dla regulacji płynnej. Dodając do tego np. brak zrównoważenia instalacji na obiekcie, efekt ten zachodzi z jeszcze większą skalą. Brak zrównoważenia instalacji dający 50% nadu (Vrzecz =1,5 Vnom) doprowadziłby do podniesienia minimalnej mocy chłodnicy, nie podlegającej regulacji do poziomu 28,5%! (rys. 3) Zawory regulacyjne o szerokiej rozdzielczości regulacyjnej Wymienniki stosowane w instalacjach HVAC pełniące rolę nagrzewnic lub chłodnic w urządzeniach wentylatorowych, takich jak centrale wentylacyjne, wymagają najczęściej zaworów regulacyjnych o rozdzielczości wyższej niż 25. Wielokrotnie akceptowalnym poziomem jest przedział w zakresie np. 1:40. Oczywiście jeśli wartość ta jest wyższa, wpływa to korzystnie na dokładność regulacji odbiornika. Producenci niejednokrotnie dla tego samego typoszeregu zaworów różnicują wartość R zależnie od średnicy. Im większy zawór czyli im większy nominalny, tym lepszą oferują rozdzielczość regulacyjną (rys. 4) Vmin rzeczyw = 100/(R a z) Typ Średnica Rozdzielczość regulacyjna Gdzie: R rozdzielczość regulacyjna a Z autorytet zaworu Vnom= R=25 az=0.5 Regulacja w trybie ON/OFF Vmin= 5.7% nad x1.5 sezonu Pmin = 28.5% Rys. 3. Zależności w procesie regulacji wynikające z rozdzielczości regulacyjnej, autorytetu oraz braku równoważenia. Vmin= 8.5% chłodnica 7/12/24 CV 216/316 RGA DN 15 1 : 50 CV 216/316 RGA DN : 100 CV 216/316 GG DN : 100 Rys. 4. Przykład zaworów regulacyjnych o wysokiej zróżnicowanej rozdzielczości regulacyjnej CV216/316 RGA prod. TA Hydronics Rozdzielczość regulacyjna w kontekście zaworu o charakterystyce liniowej Dla omówienia przypadku, poddany analizie zostanie wariant regulacji odbiornika o prawie liniowej charakterystyce, pracujący z parametrami np. 17/22/24 (rys. 5). Warunki takie możliwe są w przypadku np. chłodzenia płaszczyznowego (sufity chłodzące lub posadzki chłodzące), gdzie parametry zasilania muszą być relatywnie bliskie temperaturze obliczeniowej w pomieszczeniu z uwagi na ryzyko wykroplenia się pary wodnej. Gdy odbiornik posiada całkowicie liniową charakterystykę, zawór także z liniową charakterystyką regulacji jest akceptowalny, pod warunkiem, że jego autorytet wynosi co najmniej 0,5. W takim przypadku moc odbiornika wprost proporcjonalnie zależy od u, a wystarczająca rozdzielczość regulacyjna zaworu to 50. Przy autorytecie 0,5 minimalny regulowany wynosi bowiem blisko 3% i niewiele większą część stanowi minimalna regulowana moc. 37

3 120% charakterystyka odbiornika W przypadku braku absolutnie liniowej charakterystyki odbiornika, teoretycznie można próbować zastosować zawór o lepszej rozdzielczości regulacyjnej. Warto podkreślić jednak, iż przy zaworze o charakterystyce regulacyjnej w postaci prostej linii pojawia się bardzo istotny warunek. Wysoka wartość R może być jedynie wykorzystana w przypadku, gdy każdy z elementów w układzie: regulator-siłownik-zawór posiada co najmniej taką samą rozdzielczość. Dla przykładu załóżmy, że zawór posiada rozdzielczość regulacyjną 300. W takiej konfiguracji siłownik także musi posiadać zdolność podziału na 300 pozycji przestrzeni pracy, która to wielokrotnie wynosi zaledwie kilka milimetrów wynikających ze skoku zaworu. Dla zobrazowania procesu, weźmy zawór, który posiada 3 mm skoku. Siłownik współpracujący z takim zaworem, aby wykorzystać jego rozdzielczość musi uzyskać precyzję zmiany pozycji o 0,01 mm (3 mm / 300). Jeśli dysponujemy tak precyzyjnym siłownikiem musimy także posiadać regulator, który poda sygnał z równie dokładną wielkością. Jeśli regulacja jest 0-10V zmiana wartości napięcia musi zachodzić o 0,03V. Rozdzielczość regulacyjna dla układu z zaworem o charakterystyce liniowej jest zatem zależna od kombinacji zawór siłownik regulator i jest tak dobra jak najgorsza rozdzielczość z pośród tych trzech elementów. Jeśli rozdzielczość regulacyjna siłownika wynikająca np. z histerezy mechanicznej, budowy itp. wynosi dla przykładu 20 to znaczy, iż układ siłownik-zawór posiada rozdzielczość równą 20 mimo, że rozdzielczość samego zaworu jest dużo wyższa. moc Q 80% 60% 20% 0% 0% 20% 60% 80% 120% V Rys. 5. Charakterystyka wymiennika dla parametrów 17/22/24 (T z /T p /Ti) Rozdzielczość regulacyjna w kontekście zaworu o charakterystyce stałoprocentowej Zdecydowanie częstszym przypadkiem jest regulacja odbiornika o nieliniowej charakterystyce. Dla tego układu, przy niskiej mocy odbiornika, nieznaczny wzrost u wyraźnie podnosi wydajność odbiornika. W rezultacie zawór koniecznie powinien posiadać charakterystykę stałoprocentową (rys. 6), a wysoka rozdzielczość regulacyjna ma w tym przypadku duży wpływ na jakość regulacji. Kombinacja elementów siłownik + regulator nie przekłada się w tym przypadku bezpośrednio na rzeczywisty zakres rozdzielczości całego układu. Dla przykładu, przy rozdzielczości regulacyjnej równej 1:100, minimalny regulowany wynoszący 1% uzyskany zostanie przy około 5 procentowym otwarciu zaworu. Tym samym skok sygnału z regulatora oraz siłownika może ulegać zmianie w zakresie dokładności nawet co 5%, bez wpływu na rozdzielczość regulacyjną zaworu, a finalnie całego układu. Zawory o charakterystyce stałoprocentowej o dobrej rozdzielczości, pozwalają w rezultacie na wykorzystanie swoich walorów bez obaw pogorszenia regulacji z powodu mniejszej precyzji siłownika lub regulatora. Minimalna regulowana moc a rozdzielczość regulacyjna Jeśli odbiornik posiada regulację ilościową (rys. 7), jego minimalna regulowana moc zależy m.in. od rozdzielczości regula- C kv/kvs, [%] 100 CV 216 RGA CV 316 RGA KTM 512 CV 216 RGA C otwarcie h, [%] Rys. 6. Charakterystyka stałoprocentowa zaworu, np.: CV 216/316 RGA; KTM512 Rys. 7. Regulacja ilościowa odbiornika w instalacji: a-stałoowej, b-zmiennoowej 38 6/2012

4 Teraz masz narzędzia do jeszcze lepszego zrównoważenia systemu i obniżenia zużycia energii przez... 35% Unikalna metoda TA Diagnostic pozwala na łatwiejsze, bardziej dokładne pomiary i rozwiązywanie problemów. Zeskanuj kod aby dowiedzieć się więcej Utrzymanie ciśnienia i odgazowanie Równoważenie i regulacja Termostatyka TA-SCOPE jest teraz jeszcze lepszy TA SCOPE umożliwia zrównoważenie hydrauliczne systemów HVAC w prosty, szybki i bardziej precyzyjny sposób, dzięki czemu możliwe jest obniżenie zużycia energii aż o 35 % i w konsekwencji zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. Dzięki specjalnym bezprzewodowym przekaźnikom dalekiego zasięgu równoważenie bardzo rozległych obiektów jest teraz znacznie łatwiejsze, a rozwiązywanie problemów jeszcze prostsze. Odwiedź aby dowiedzieć się więcej ENGINEERING ADVANTAGE

5 Tabela 1. Przykład minimalnych wartości u i prędkości dla tej samej wężownicy w zależności od temperatury, przy której ruch cieczy przechodzi w laminarny Wężownica d i =20mm w funkcji Temperatura czynnika [ C] Przepływ nominalny [l/h] Prędkość minimalna [m/s] Przepływ minimalny [l/h] chłodnica , nagrzewnica ,08 90 cyjnej zaworu, ale także od warunków u, a dokładniej rzecz ujmując od jego rodzaju. Moc odbiornika spada bowiem znacząco w momencie przejścia u turbulentnego w laminarny. Moment zmiany charakteru ruchu cieczy zależy m.in. od prędkości u w wężownicy oraz temperatury czynnika. Tabela 1 obrazuje minimalne y dla tej samej wężownicy w funkcji grzania i chłodzenia. Wartości w tabeli odnoszą się do wody. Należy pamiętać, że dla roztworów glikolu sytuacja jest bardziej niekorzystna. Zawsze zatem należy indywidualnie sprawdzać parametry prędkości i u, uwzględniając projektowane wartości temperatury zasilania oraz rodzaj czynnika. Narzędziem pomocnym przy tego typu analizie może być program TA Select 4 firmy TA Hydronics (rys. 8). Jeśli pozostaje jednak w przedziale ruchu turbulentnego wówczas minimalną moc możemy wyznaczyć z charakterystyki odbiornika lub określić za pomocą poniższego wzoru: Pmin = 100 S p / [1 φ (1 R a z)] Rys. 8. Okno kalkulacyjne dla rur (opór, prędkość, rodzaj u) w programie TA Select 4 gdzie: Pmin wartość mocy minimalnej wyrażona jako procent mocy projektowanej, S p poziom przewymiarowania mocy odbiornika, Φ=(Tz-Tp)/(Tz-Ti). Przykład: Dla: R=1:50, a z =0,5, SP=1, Φ =25/70 Pmin = 7,5% Podsumowanie Rozdzielczość regulacyjna jest istotnym parametrem pod kątem jakości regulacji odbiorników. Mimo że podczas projektowania, dobierana jest armatura na maksymalne moce grzewcze lub chłodnicze to należy pamiętać, że te same elementy mają zagwarantować płynną regulację także przy minimalnych zapotrzebowaniach. Artykuł miał za zadanie pokazać w jaki sposób odnieść informacje z kart katalogowych na temat rozdzielczości do konkretnego wymiennika i jak przekłada się to na rzeczywistą minimalną regulowaną moc. Przedstawiona została także relacją pomiędzy rozdzielczością a autorytetem oraz charakterystyką zaworu. Po raz kolejny ukazana została wyższość zaworów o charakterystyce stałoprocentowej nad liniową. Zwrócona została także uwaga na efekt zmiany mocy w konsekwencji zaniku u turbulentnego. Na zakończenie warto przypomnieć, iż przy doborze elementów regulacji płynnej należy zwrócić uwagę na wszystkie istotne parametry t.j. rozdzielczość, ale także charakterystykę zaworu, bliskość kvs rzeczywistego względem wyliczonego i minimalny autorytet. Zapewnienie każdego z tych elementów gwarantuje wysoką jakość regulacji odbiornika. REKLAMA LITERATURA [1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1 Ck&K [2] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 2 Ck&K [3] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 3 Ck&K [4] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3, TA Hydronics [5] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics [6] Hydronic balancing, Karoly Vinkler, Miklos Javori, TA Hydronics [7] Materiały szkoleniowe TA Hydronics 40 6/2012