Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych cz. 3

Transkrypt

1 Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych cz. 3 Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element instalacji klimatyzacyjnych i grzewczych. Ich zbyt ogólnikowy dobór może wpłynąć na pogorszenie jakości regulacji mocy odbiornika, a tym samym całego układu. O AUTORZE Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI pracownicy działu technicznego TA Hydronics W poprzednim artykule ( Ch&K 1-2/2012 str. 34) przybliżona została definicja autorytetu zaworów regulacyjnych. Artykuł miał wyjaśnić sposób jego wyznaczania i obliczania. Aby jednak dobór zaworów regulacyjnych spełniał parametry właściwego poziomu autorytetu, konieczna jest znajomość sposobów poprawy tej wielkości. Celem artykułu będzie pokazanie takich metod, a więc kontynuacja obszernej tematyki doboru zaworów regulacyjnych. Rys. 3. Trzy kluczowe warunki, niezbędne do idealnej regulacji hydraulicznej Podział instalacji ze względu na sposób dystrybucji czynnika Mówiąc o sposobach poprawy autorytetu, koniecznie należy zacząć od przybliżenia bądź przypomnienia informacji na temat podziału instalacji ze względu na sposób dystrybucji czynnika, zależnie od chwilowego zapotrzebowania na moc chłodniczą lub cieplną. Podział ten klasyfikuje instalacje jako stałoprzepływowe, w których przepływ wody nie zmienia się podczas pracy instalacji (rys. 1.) oraz zmiennoprzepływowe, w których strumień czynnika w instalacji jest zależny od zapotrzebowania odbiorników (rys. 2.). Podczas doboru zaworów regulacyjnych z uwzględnieniem autorytetu, świadomość rodzaju instalacji jest istotna głównie ze względu na występujący rozkład ciśnienia, co jest oczywiście ściśle powiązane z pojęciem autorytetu. W poprzednim artykule został omówiony sposób obliczenia autorytetu oraz wpływ ciśnień różnicowych na jego wielkość, a także zależność jakości regulacji od wielkości autorytetu. Dla przypomnienia, autorytetem zaworu określamy stosunek spadku ciśnienia dla nominalnego (obliczeniowego) przepływu, przy pełnym otwarciu zaworu i możliwej różnicy ciśnienia, w miejscu instalacji zaworu dla tego samego przepływu. Im wyższy autorytet, tym lepsza regulacja to swego rodzaju synonim treści tzw. drugiego warunku kluczowego dla instalacji HVAC, brzmiącego: ciśnienie różnicowe na zaworach regulacyjnych nie może się zbyt mocno zmieniać (rys. 3.). Rozkład ciśnienia różnicowego W kontekście podziału instalacji należy przyjrzeć się rozkładowi ciśnienia różnicowego, a zwłaszcza dynamice tego rozkładu Rys. 1. Schemat instalacji stałoprzepływowej Rys. 2. Schemat instalacji zmiennoprzepływowej 50 4/2012

2 Optymalizacja systemu hydraulicznego może średnio zwiększyć efektywność systemu do 30%. +30% Średnia redukcja energii Barometr efektywności energetycznej 0% +60% Optymalny system hydrauliczny System niewydajny Wiię W ęc cej ej przzyk ykładó łła ad dó ów os oszc szc zczę czę ędn dności ośśc cii ene erg giiii zzna na na ajd jjd dzi zies esz na na w ww w w.ttah hyd ydro oni nics cs.p pl Utrzymanie ciśnienia i odgazowanie Równoważenie i regulacja Termostatyka Systemy HVAC odpowiadają za 50% zużycia energii przez budynek. Istnieje wiele możliwości optymalizacji wydajności instalacji grzewczych i chłodniczych. TA Hydronics dostarcza systemowe rozwiązania hydrauliczne dla zwiększenia efektywności systemów HVAC i redukcji kosztów eksploatacyjnych w budynkach każdej wielkości. Odwiedź aby dowiedzieć się więcej i zapisać na jedno z naszych seminariów Energy Insights. ENGINEERING ADVANTAGE

3 a) b) Rys. 4. Rozkład ciśnienia różnicowego przy różnym obciążeniu instalacji: a) układ stałoprzepływowy, b) układ zmiennoprzepływowy w zależności od chwilowej wymaganej mocy odbiorników. W instalacjach stałoprzepływowych rozkład ciśnienia jest niezmienny. Działanie zaworów regulacyjnych nie powoduje modyfikacji wielkości ciśnienia dyspozycyjnego przed odbiornikami (rys. 4 a). Układ zachowuje się w sposób statyczny. W przypadku instalacji zmiennoprzepływowych, gdy zawory regulacyjne pracują, powodują zmianę sumarycznego strumienia czynnika, czego konsekwencją jest zmienne ciśnienie dyspozycyjne przed odbiornikami (rys. 4 b). Układ zachowuje się w sposób dynamiczny. Wpływ autorytetu na proces regulacji Autorytet zaworów regulacyjnych ma znaczący wpływ na jakość regulacji przy założeniu systemu regulacji płynnej. Uwzględniając charakterystykę wymiennika [1] oraz zaworu regulacyjnego, można w prosty sposób przeanalizować dokładność regulacji odbiornika przy różnych autorytetach zaworu (rys. 5.). Regulacja chłodnicy lub nagrzewnicy przy niskim autorytecie powoduje: gwałtowny przyrost mocy przy niewielkim otwarciu zaworu (9 proc. otwarcia 50 proc. mocy rys. 5.), brak stabilnej regulacji, zwłaszcza w skrajnych zakresach mocy obornika, nadmierne zużycie zaworu i siłownika z powodu częstego zamykania się i otwierania, wahania temperatury uzdatnianego powietrza, degradację regulacji płynnej do regulacji ON/OFF. Rys. 5. Wpływ autorytetu na jakość regulacji Zdecydowana większość instalacji w Polsce zarówno grzewczych, jak i chłodniczych nie przekracza 50 proc. swojej wydajności przez proc. sezonu, co powoduje, że mimo poniesionych kosztów inwestycyjnych, odbiorniki przez większość czasu regulowane są dwustawnie, a komfort użytkowników jest daleki od zakładanego. Konieczność dbałości o odpowiedni autorytet zaworów nie podlega tym samym najmniejszej wątpliwości. Co więcej, należy pamiętać nie tylko o tzw. autorytecie projektowym, który występuje dla warunków nominalnych, ale przede wszystkim należy zapewnić autorytet minimalny [1]. Ten bowiem określa jakość regulacji przy zmiennych obciążeniach instalacji, a jak podano wyżej, jest to większość czasu pracy systemów. Sposoby poprawy autorytetu zaworów trójdrogowych Zawory trójdrogowe w przeważającej mierze pracują w instalacjach stałoprzepływowych, czyli tych, w których rozkład ciśnienia różnicowego jest niezmienny. Schemat (rys. 6.) przedstawia układ podłączenia odbiornika ze stałym przepływem po stronie pierwotnej. Należy podkreślić, że zgodnie z ww. treścią wszystkie parametry tj. Δp V100%, Δp VAR i ΔH są niezmienne w całym okresie pracy instalacji. Tym samym wyznaczony autorytet projektowy jest jednocześnie autorytetem minimalnym. Autorytet zaworu trójdrgowego opisany jest wzorem [1]: a = Δp V100% /( Δp V100% + Δp VAR ) Rys. 6. Schemat z zastosowanym zaworem trójdrogowym Rys. 7. Zawory trójdrogowe CV 316 RGA/MZ o zagęszczonej skali współczynników kvs 52 4/2012

4 Sposoby poprawy autorytetu zaworów dwudrogowych Zawory dwudrogowe to zawory pracujące w instalacjach zmiennoprzepływowych, a więc w warunkach zmiennego ciśnienia różnicowego. W tym przypadku przy doborze zaworów regulacyjnych, poza autorytetem projektowym, koniecznie należy zadbać o autorytet minimalny, który wyznaczony jest dla maksymalnego ΔH max, jakie może pojawić się na zaworze. Schemat (rys. 8.) obrazuje podłączenie odbiornika w systemie zmiennoprzepływowym, w którym autorytet projektowy zaworów opisuje wzór: a proj = Δp V100% /ΔH Ze względu na zmienne ciśnienie różnicowe przed odbiornikiem, bezwzględnie należy sprawdzić oraz zapewnić autorytet minimalny: Rys. 8. Schemat z zastosowanym zaworem dwudrogowym gdzie: Δp V100% spadek ciśnienia na zaworze w pełni otwartym przy przepływie obliczeniowym, Δp VAR spadek ciśnienia przy przepływie obliczeniowym w obiegu po stronie zmiennego przepływu. Aby poprawić autorytet, możemy zmienić dwa parametry: zwiększyć Δp V100% lub zmniejszyć Δp VAR. Spadek ciśnienia na zaworze można zwiększyć poprzez dobranie zaworu o mniejszym współczynniku kvs. Zmiana ta spowoduje wzrost wymaganego ΔH, co może skutkować koniecznością zwiększenia wysokości podnoszenia pompy lub dobraniem urządzenia większego typu. Aby tego uniknąć, należy stosować zawory o jak najgęstszym zakresie współczynników kvs (rys. 7.), co pozwoli optymalnie wykorzystać dostępne ΔH. Obniżenie wartości Δp VAR, którą głównie stanowią opory na odbiorniku, można uzyskać poprzez zmniejszenie strat ciśnienia na wymienniku. To jednak niejednokrotnie wiąże się ze zmianą wielkości urządzenia na model wyżej (np. centrali). a min = Δp V100% /ΔH max Odmienność autorytetu projektowego od minimalnego obrazuje rys. 9. Spadek ciśnienia dla wszystkich zaworów regulacyjnych jest identyczny i wynosi 10 kpa. Dostępne ciśnienie różnicowe ΔH przed odbiornikami jest uzależnione od lokalizacji względem pompy, co ma wpływ na autorytet projektowy. Dla określenia autorytetu minimalnego należy przyjąć skrajnie niekorzystne warunki dla zaworu regulacyjnego. Takim skrajnym momentem jest całkowity brak przepływu w instalacji. Wówczas ciśnienie dyspozycyjne ΔH przyjmuje wartości maksymalne ΔH max, które w tym przypadku są równe wysokości podnoszenia pompy 50 kpa. Poprawiając autorytet zaworów dwudrogowych, należy jedynie rozważać autorytet minimalny. Jest on najważniejszym z punktu widzenia regulacji, poza tym poprawna wartość a min gwarantuje dobry autorytet projektowy. Aby poprawić autorytet, możemy zmienić dwa parametry: zwiększyć Δp V100% lub zmniejszyć ΔH max. a min = Δp V100% /ΔH max Spadek ciśnienia na zaworze można zwiększyć poprzez dobranie zaworu o mniejszym współczynniku kvs. Zmiana ta spowoduje wzrost wymaganego ΔH, co może skutkować koniecznością zwiększenia wysokości podnoszenia pompy lub dobraniem urządzenia większego typu. Aby tego uniknąć, należy stosować zawory o jak najgęstszym zakresie współ- Rys. 9. Autorytet projektowy i minimalny zaworów dwudrogowych Rys. 10. Autorytet projektowany i minimalny przy stabilizacji ciśnienia różnicowego na moduł hydrauliczny 53

5 Rys. 11. Stabilizacja ciśnienia różnicowego bezpośrednio na zaworze regulacyjnym Rys. 12. Przykład zaworu z serii PIBCV o charakterystyce stałoprocentowej, z możliwością pomiaru przepływu rzeczywistego (TBV-CMP / TA Hydronics) LITERATURA [1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych. Cz. 2. Ch&K. [2] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3. TA Hydronics. [3] Robert PETITJEAN: Total Hydronics Balancing. TA Hydronics. [4] Karoly VINKLER, Miklos JAVORI: Hydronic balancing. TA Hydronics. [5] Materiały szkoleniowe. TA Hydronics. Wielkość autorytetu jest bardzo istotnym parametrem, o który należy zadbać podczas wyboru regulacji płynnej. W poprawnie zaprojektowanej instalacji wartość ta jest znana, a jej minimalna wielkość nie przekracza dopuszczalnych poziomów czynników kvs (rys. 7.), co pozwoli optymalnie wykorzystać dostępne ΔH. W zdecydowanej większości przypadków zmniejszenie kvs zaworu nie daje zadowalających efektów. Należy wówczas próbować ograniczyć ΔH max, czyli zmniejszyć wysokość podnoszenia pompy, co jest możliwe przez zwiększenie średnic rur w instalacji lub zmniejszenie oporów na wymiennikach (dobór większych urządzeń). Oba zabiegi są kosztowne, a przy rozległych instalacjach i tak nie przynoszą znacznej poprawy. Innym bardziej skutecznym sposobem jest stosowanie na instalacji regulatorów różnicy ciśnienia, które pozwalają stabilizować ciśnienie różnicowe w dowolnym miejscu na instalacji (rys. 10.). Montaż regulatora dp powoduje, że na zaworach regulacyjnych maksymalną wartością ΔH max nie jest już wysokość podnoszenia pompy, a wartość nastawy zaworu, dp L ciśnienie stabilizowane. Maksymalnie wysoki autorytet Aby uzyskać możliwie wysoki autorytet zaworów dwudrogowych, wartość maksymalna, jaka może wystąpić na zaworze, musiałaby być możliwie bliska spadkowi ciśnienia na zaworze w pełni otwartym, przy przepływie obliczeniowym. Efekt ten jest możliwy do uzyskania, gdy stabilizacją ciśnienia objęty zostanie nie fragment instalacji, zwany modułem hydraulicznym, ale jedynie sam zawór regulacyjny (rys. 11.). Wartość stabilizowana jest wówczas równa nominalnemu oporowi zaworu. Autorytet projektowany wynosi wówczas jeden, natomiast minimalny jest pomniejszony o odchyłkę rzeczywistego ciśnienia stabilizowanego w stosunku do nastawy regulatora dp. Odchyłka ta wg nomenklatury obcojęzycznej to tzw. P-band regulatora dp. Istotne jest zatem, aby w ślad za decyzją dotyczącą dbałości o bardzo wysoki autorytet, zadbać o wysokiej jakości regulator dp, który cechuje się małym zakresem odchyłki (P-band). Powyższe rozwiązania spotykane są bardzo często w sieciach cieplnych w zakresie wymienników, gdzie poprzez pracę jednego zaworu dwudrogowego regulowana jest temperatura na wyjściu z wymiennika. W instalacjach rozwiązanie takie jest rzadsze m.in. z uwagi na ograniczenia miejsca w przestrzeni przy odbiornikach końcowych. Najczęściej regulowane w ten sposób odbiorniki na instalacji to chłodnice i nagrzewnice w centrali wentylacyjnej, gdzie przestrzeń, przeznaczona dla armatury, to niejednokrotnie pusta sekcja centrali lub ograniczona strefa ponad sufitem podwieszonym. Alternatywą wobec powyższych trudności jest zastosowanie wielofunkcyjnych zaworów z serii PIBCV. Zawory takie łączą w sobie funkcję zaworu regulacyjnego, równoważącego oraz regulatora dp w jednym urządzeniu (rys. 12.). Dają bardzo wysoką jakość regulacji odbiornika. Autorytet projektowany zaworu wynosi jeden, natomiast autorytet rzeczywisty jest zawsze pomniejszony o zakres proporcjonalności zaworu, który z uwagi na obecność modułu dp także tutaj występuje. W momencie wyboru zaworów serii PIBCV ważne jest zatem, aby zawór, łącząc trzy zawory w jednym, miał trzy ich najważniejsze cechy, istotne przy regulacji i równoważeniu: króćce pomiarowe oraz skalę wartości kv dla pomiaru rzeczywistego przepływu cecha zaworu równoważącego, charakterystykę stałoprocentową dla płynnej regulacji odbiornika cecha zaworu regulacyjnego, mały zakres odchyłki (P-band) dla wysokiego autorytetu minimalnego cecha regulatora dp. Podsumowanie Wielkość autorytetu jest bardzo istotnym parametrem, o który należy zadbać podczas wyboru regulacji płynnej. W poprawnie zaprojektowanej instalacji wartość ta jest znana, a jej minimalna wielkość nie przekracza dopuszczalnych poziomów. Artykuł miał przybliżyć sposoby poprawy autorytetu w instalacjach zarówno stało- jak i zmiennoprzepływowych. Przedstawił metody bazujące na świadomym doborze zaworu regulacyjnego, pokazując wpływ jego współczynnika kvs na autorytet. Podany został także sposób poprawy jakości regulacji odbiorników przy użyciu regulatorów różnicy ciśnienia oraz zaworów PIBCV. Na zakończenie warto dodać, iż przy doborze elementów regulacji płynnej należy zwrócić uwagę na wszystkie istotne parametry tj. autorytet, ale także charakterystykę zaworu, bliskość kvs rzeczywistego względem wyliczonego, rozdzielczość regulacyjną. Zapewnienie każdego z tych elementów gwarantuje wysoką jakość regulacji odbiornika. 54 4/2012