Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych cz. 2.

Transkrypt

1 Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych cz. 2. Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI* ) Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych. Ich zbyt ogólnikowy dobór może wpłynąć na pogorszenie jakości regulacji mocy odbiornika, a tym samym całego układu. * ) Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI pracownicy działu technicznego TA Hydronics W poprzednim artykule (Ch&k 11/2011 str. 16) przedstawiono procedurę doboru zaworów regulacyjnych. Artykuł omawiał sposoby wyliczeń wybranych parametrów, ale nie wyczerpał tematyki w pełni. Ta publikacja stanowi kontynuację tematu, a jej głównym celem będzie przybliżenie definicji autorytetu zaworów regulacyjnych. Definicja obwodu regulowanego Uzyskanie nominalnej wydajności odbiornika odbywa się w wyniku przepływu czynnika o wymaganej ilości oraz temperaturze. Ilość przepływającego medium jest zależna od ciśnienia dyspozycyjnego oraz oporów poszczególnych elementów stanowiących tzw. obwód. Typowe elementy stanowiące obwód to: odbiornik, zawór regulacyjny, zawór równoważący oraz rurociąg. Gdy tylko pojawia się w obwodzie zawór regulacyjny, przyjmuje on miano obwodu regulowanego. Dobór zaworu regulacyjnego odbywa się głównie w oparciu o współczynnik Kvs (omówiony w poprzedniej części artykułu). Odpowiedni dobór współczynnika przepustowości zaworu regulacyjnego oraz dobór zaworu równoważącego gwarantuje uzyskanie przepływu w obwodzie regulowanym na założonym poziomie, czego efektem jest osiągniecie nominalnej mocy odbiornika. Gdy warunki w pomieszczaniu ulegają zmianie np. poprzez obniżenie poziomu zysków ciepła zadziałanie zaworu regulacyjnego ma na celu skorygowanie mocy wymiennika. Zmiana poziomu otwarcia zaworu regulacyjnego powoduje zmianę ilości przepływającego czynnika. Proporcje, w jakich to następuje obrazują charakterystyki zaworów regulacyjnych podawanych przez producenta (liniowa, stałoprocentowa, szybkiego otwarcia [1]). Charakterystyki podawane przez producenta są definiowane dla stałej różnicy ciśnienia na zaworze tzw. charakterystyki statyczne. Pojawia się zatem pytanie, czy charakterystyka statyczna zaworu będąca charakterystyką teoretyczną pokrywa się z rzeczywistą charakterystyką, jaką posiada zawór podczas pracy w realnej instalacji? Aby tak było ciśnienie różnicowe podczas zamykania się zaworu w warunkach rzeczywistych musiałoby pozostawać na stałym poziomie tj. Δp min. Zależność pomiędzy przepływem a oporami w instalacji można opisać równaniem: Δp = V 2 gdzie: Δp spadek ciśnienia, V przepływ. Zgodnie z powyższym podczas zamykania się zaworu, przepływ na pozostałych elementach obwodu spada, a ich opory spadają w kwadracie. Tym samym rozkład ciśnienia w obwodzie regulowanym ulega tzw. redystrybucji pomiędzy elementami, czego efektem jest odkładanie się coraz większej części ciśnienia dyspozycyjnego na zamykającym się zaworze regulacyjnym. Ciśnienie to wzrasta od wartości Δp min aż do ciśnienia dyspozycyjnego Δp max, co powoduje, że dla stanów pośrednich zaworu przepływ rzeczywisty jest większy niż przepływ teoretyczny. Charakterystyka rzeczywista przyjmuje odmienną postać względem teoretycznej, a jej stopień zniekształcenia zależy od stosunku Δp min / Δp max. Ogólna definicja autorytetu Stosunek Δp min / Δp max nazywamy autorytetem zaworu regulacyjnego: a z = Δp min / Δp max Rys. 1. Schemat oraz rozkład ciśnienia w obwodzie regulowanym Autorytet zaworu jest to stosunek spadku ciśnienia dla nominalnego (obliczeniowego) przepływu przy pełnym otwarciu zaworu i możliwej różnicy ciśnienia w miejscu instalacji zaworu dla tego samego przepływu [2]. Im mniejszy jest autorytet zaworu, tym większe jest zniekształcenie jego charakterystyki w porównaniu do charakterystyki teoretycznej. Odkształcenie to opisywane jest liczbą, która może przyjmować wartość w przedziale od 0 do 1. Charakterystyka teoretyczna zaworów regulacyjnych to krzywa wykreślona przy autorytecie równym 1 (Rys. 2) /2011

2 Odkształcenie charakterystyki zaworu jest niczym innym jak odchyłką od zakładanego, teoretycznego poziomu regulacji. W warunkach teoretycznych, a więc przy autorytecie zaworu równym 1, krzywa obrazująca charakter działania pętli regulacyjnej ma postać linii prostej o nachyleniu około 45 stopni, natomiast w warunkach rzeczywistych z uwagi na tzw. efekt autorytetu wynikowa charakterystyka regulacji może przyjmować postać funkcji wykładniczej. Powoduje to wówczas problem regulacji odbiornika w całym przedziale mocy. W dolnych zakresach wydajności regulacja może zachodzić bowiem w trybie ON/ OFF, natomiast przy zbliżaniu się do maksymalnych mocy układ uzyskują znacznie większą bezwładność (Rys. 3). Chcąc przedstawić definicję autorytetu w sposób opisowy, można powiedzieć, że autorytet lub też liczba go opisująca to swego rodzaju miara jakości regulacji zaworu regulacyjnego, pracującego w konkretnych warunkach tj. w konkretnej instalacji w określonych warunkach ciśnienia różnicowego. Rys. 2. Charakterystyki zaworów przy różnych autorytetach (zawór o charakterystyce liniowej po lewej, zawór o charakterystyce stałoprocentowej po prawej Autorytet zaworów dwudrogowych Definicję autorytetu przedstawioną powyżej można zapisach w postaci: a z = Δp V100% / Δp max Dla stałej różnicy ciśnienia na zaworze definicję możemy uprościć i autorytetem zaworu nazwać stosunek spadku ciśnienia na zaworze przy przepływie obliczeniowym, gdy zawór jest całkowicie otwarty (Δp V100% ), do spadku ciśnienia przy pełnym zamknięciu (Δp max ). Dla określonego przypadku (rys. 4.) możemy zatem zapisać: a z = Δp V100% / ΔH Wyznaczona w ten sposób wartość autorytetu jest prawdziwa dla warunku, gdy ΔH jest niezmienne. Gdy regulacja odbywa się za pomocą dwudrogowych zaworów regulacyjnych, instalacja ta w zdecydowanej większości przypadków jest instalacją tzw. zmiennoprzepływową. Oznacza to, że zależnie od zmieniającego się zapotrzebowania na moc chłodniczą lub cieplną w układzie krąży zmienna ilość czynnika. Zmiany strumienia objętościowego medium powodują zmiany w rozkładzie ciśnienia różnicowego, co pociąga za sobą wahania ciśnienia dyspozycyjnego ΔH przed odbiornikami w trakcie eksploatacji systemu. Zatem wartość autorytetu wyznaczona z powyższego wzoru jest poprawna tylko dla warunków pełnego obciążenia, a więc warunków projektowych. Rys. 3. Wykresy deformacji charakterystyki pętli regulacyjnej z zaworem o charakterystyce stałoprocentowej przy różnym autorytecie Toteż autorytet określany poprzez odniesienie do ciśnienia dyspozycyjnego regulowanego obwodu często nosi miano autorytetu projektowego. Chcąc wyznaczyć tzw. rzeczywisty autorytet, należy spadek ciśnienia na zaworze w pełni otwartym odnieść do maksymalnego ciśnienia, jakie może kiedykolwiek pojawić się na zaworze. Ciśnienie takie to nic innego jak wysokość podnoszenia pompy przy zerowym przepływie, a gdy w instalacji zastosowane są stabilizatory różnicy ciśnienia (np. STAP) jest to wartość ciśnienia stabilizowanego. a z = Δp V100% / ΔH max(pompy/stap) Autorytet zaworów trójdrogowych Aby w prosty sposób objaśnić metodę wyznaczania autorytetu dla zaworów trójdrogowych należy przedstawić pracę zaworu trójdrogowego w postaci dwóch zaworów dwudrogowych pracujących w opozycji (zamykanie zaworu VE powoduje otwieranie zaworu VL w dokładnie takim samym stopniu) (Rys. 5). Rys. 4. Obwód regulowany z zaworem dwudrogowym Rys. 5. Obraz analogii zaworu trójdrogowego i dwóch zaworów dwudrogowych 27

3 Zawór VE reprezentuje port kontrolny, a jego opór dla przepływu nominalnego wynosi Δp VE100%. Z uwagi, że zawór VE i VL pracują w opozycji przepływ q p się nie zmienia, wysokość podnoszenia pompy H jest stała, a tym samym ciśnienie różnicowe pomiędzy punktem M i N też pozostaje na stałym poziomie. Δp MN jest sumą oporów zaworu VE (Δp VE100% ) oraz wymiennika C (Δp C ). Gdy następuje zamknięcie zaworu VE, całe ciśnienie Δp MN odkłada się na zaworze. Zgodnie z definicją autorytetu, który jest stosunkiem Δp min / Δp max należy zatem zapisać: a z = Δp VE100% / Δp MN = Δp VE100% / (Δp VE100% + Δp C ) Aby zapis przyjął postać bardziej uniwersalną, wzór na określenie autorytetu zaworów trójdrogowych można przedstawić w postaci: a z = Δp V100% / Δp V100% + Δp VAR ) 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. Minimalna wartość autorytetu W powyższej części artykułu padło stwierdzenie, że wartość autorytetu jest swego rodzaju miarą jakości regulacji, jaką zapewnia zawór. Pojawia się wobec tego pytanie, jaka wartość autorytetu jest akceptowalna. Wytyczne spotykane w literaturze mówią przykładowo o wartościach 0,3 jako minimalna np. dla zaworów termostatycznych, minimum 0,5 dla zaworów trójdrogowych. Należy postawić także pytanie, czy jest możliwy przypadek zbyt wysokiego autorytetu? Odpowiedzi na powyższe pytania należy szukać ponownie we wspomnianej wyżej charakterystyce pętli regulacyjnej, a dokładniej rzecz ujmując w jej składowych (Rys. 6). Charakterystyka ta musi być możliwie prostoliniowa, aby w każdym przedziale procentowy przyrost mocy odpowiadał tej samej wartości sygnału. Linia obrazująca charakterystykę regulacji powstaje jako wypadkowa charakterystyki odbiornika oraz zaworu. Charakterystyka zaworu, jak wiemy, może zmieniać kształt w uwagi na autorytet. Różna może też być charakterystyka odbiornika. Na jej kształt mają wpływ: rodzaj przepływu, sposób podłączenia wymiennika, a zwłaszcza różnica temperatury. Współczynnik pozwalający opisać charakterystykę odbiornika to tzw. współczynnik sprawności termicznej Ф [3]: Rys. 7. Charakterystyki odbiorników o różnym współczynniku Φ = (T zasil T powr ) / (T zasil T wewn ) Wartość współczynnika znajduje się w przedziale 0 1. Dla wartości 1 charakterystyka odbiornika posiada linię prostą (przypadek praktycznie niewystępujący), natomiast wraz ze zmniejszaniem się Ф dysproporcja pomiędzy przepływem a mocą oddaną rośnie (rys. 7.). Odnosząc się do charakterystyki zaworu oraz autorytetu, widać, że im mniejszy jest współczynnik Ф, tym wyższy powinien być autorytet zaworu regulacyjnego. Minimalną akceptowalną wartość autorytetu zależnie od współczynnika Ф przedstawia wykres (rys. 8.). Chłodnica zasilana wodą o parametrach 7/12 C przy temperaturze w pomieszczeniu 24 C posiada współczynnik Ф = 0,29. Zatem minimalny autorytet, jaki powinien posiadać zawór regulacyjny to około 0,45. W praktyce większość wymienników stosowanych w instalacjach posiada współczynnik sprawności termicznej w przedziale 0,3 0,4. Z tego względu jako najmniejszy akceptowalny autorytet dla instalacji chłodniczych oraz ciepła technologicznego przyjmuje się wartość 0,4. Wykres (rys. 8.) pokazuje także jeszcze jedną bardzo istotną informację. Każdy wymiennik możemy regulować zaworem o charakterystyce stałoprocentowej. Wystarczy jedynie przy odbiornikach o współczynniku sprawności termicznej Ф >0,5 dobrać zawór tak, aby autorytet nie przekroczył także górnej wartości. Pomijalność autorytetu Przy projektowaniu instalacji oraz doborze zaworów regulacyjnych są przypadki, w których wartość osiąganego autorytetu nie ma znaczenia i może być całkowicie pominięta. Możliwość Rys. 6. Składowe charakterystyki pętli regulacyjnej /2011

4 klimatyzacja Rys. 8. Wykres do doboru zakresu autorytetu zaworu regulacyjnego taka zachodzi przy wyborze sposobu regulacji w trybie ON/OFF. Przy regulacji dwustawnej zawór pracuje w dwóch stanach: pełnego zamknięcia i pełnego otwarcia. Przyczynia się to do tego, że charakterystyka zaworu, na którą wpływa autorytet, a która obrazuje przepustowość zaworu zależnie od poziomu otwarcia jest nie istotna. Pośrednie stany otwarcia zaworu są bowiem momentem przejściowym, całkowicie pomijalnym z punktu widzenia regulacji mocy odbiornika. Podsumowanie Autorytet zaworów regulacyjnych jest istotnym parametrem określającym jakość procesu regulacji. Brak odpowied- Rys. 9. Charakterystyka chłodnicy o parametrach 7/12/24 niej kalkulacji i analizy tej wielkości może przyczynić się do problemu z poprawnym działaniem odbiorników w instalacjach HVAC, a tym samym z uzyskaniem komfortu w pomieszczeniach. Należy pamiętać o różnicach, jakie występują w procedurze wyznaczania autorytetu zaworów trójdrogowych i dwudrogowych oraz warunkach, w których parametr ten zupełnie można pominąć. Warto także mieć na uwadze uniwersalność zaworów o charakterystyce stałoprocentowej w odniesieniu do zaworów z charakterystyką liniową. Świadoma kalkulacja autorytetu pozwala bowiem regulować zaworem o charakterystyce stałoprocentowej praktycznie każdy odbiornik. LITERATURA [1.] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1 Ck&k 11/2011 [2.] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3, TA Hydronics [3.] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics [4.] Hydronic balancing, Karoly Vinkler, Miklos Javori, TA Hydronics [5.] Kompendium wiedzy, Ogrzewnictwo Klimatyzacja Ciepła Woda Chłodnictwo, Recknagel, Sprenger, Schramek 29

5 Ciśnienie Temperatura PRZEPŁYW Moc Pobierz aplikację, która ma wszystko HyTools zapewnia wszystko, czego potrzebujesz do obliczeń hydraulicznych systemów HVAC. Utrzymanie ciśnienia i odgazowanie Równoważenie i regulacja Przedstawiamy HyTools, nową aplikację od TA Hydronics, która zapewnia wszystko czego potrzebujesz do obliczeń hydraulicznych systemów HVAC. HyTools umożliwia szeroki zakres obliczeń na urządzeniach: iphone, ipad oraz system Android. Obliczenia hydrauliczne nigdy nie były prostsze, bardziej intuicyjne i wygodne. Pobierz HyTools za darmo z Apple App Store oraz z Google play - potencjał Twojego systemu jest teraz dostępny na wyciągnięcie ręki! Dowiedz się więcej na Termostatyka ENGINEERING ADVANTAGE