Kompas TA czyli jak w praktyce krok po kroku dobrać zawór regulacyjny

Transkrypt

1 Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacji i grzewczych Cz. 7. Kompas TA czyli jak w praktyce krok po kroku dobrać zawór regulacyjny Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI Znajomość teoretyczna defi nicji współczynnika przepustowości, autorytetu regulacyjnego oraz pozostałych pojęć związanych z zaworem regulacyjnym jest bardzo istotna. Codzienność pokazuje jednak, że od torii do praktyki wiedzie czasem długa i trudna droga. O AUTORACH Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI pracownicy działu technicznego TA Hydronics Poniższy artykuł ma na celu, niczym kompas, poprowadzić krok po kroku przez drogę doboru zaworu regulacyjnego, pokazując jak teorię selekcji armatury regulacyjnej przełożyć na praktykę. Badania pokazują, że ponad 50% zaworów regulacyjnych jest błędnie dobrane [1]. Dowodzi to, że tematyka doboru zaworów regulacyjnych nie należy do najprostszych. W ramach szeroko pojętego wsparcia oraz doradztwa technicznego, firma inżynierska jaką jest TA Hydronics, opublikowała szereg poradników oraz książek odnoszących się do zagadnienia regulacji, mających na celu poprawę w/w stanu rzeczy. Jedną z form edukacji jest także cykl 6 artykułów zamieszczony na łamach pisma Chłodnictwo & Klimatyzacja. Aby w jeszcze większym stopniu przybliżyć zasadę doboru armatury regulacyjnej, postanowiono zobrazować ją na konkretnym przykładzie, co ma miejsce w niniejszym artykule. Powtórka z teorii We wspomnianym wyżej cyklu artykułów oraz literaturze branżowej opisane są dokładnie parametry, wielkości i wzory związane z procedurą doboru zaworu regulacyjnego. W celu przypomnienia ich treści autor zachęca do zajrzenia do poszczególnych numerów. Na potrzeby obecnego materiału w ramach skompensowanej ściągawki utworzona zastała tabela (tabela 1.), która zbiera najistotniejsze wielkości oraz wzory wraz z krótkim opisem. Kompas grafi czny Dobór zaworów regulacyjnych to sekwencja kolejnych działań w postaci obliczeń, bądź wyboru określonej cechy produktu, wynikających z przyjętych założeń. Procedurę tę można w prosty sposób przedstawić w postaci graficznego schematu. Przykład diagramu, umownie nazwanego w artykule kompasem, przedstawia rysunek 1. Dobór zaworu prowadzony w ślad za wskazanymi na grafice krokami nie powinien stwarzać większych kłopotów, a co najważniejsze przyczyni się do poprawnego doboru armatury, optymalnej w stosunku do stawianych w danym projekcie oczekiwań. Założenia przykładu obliczeniowego Jak zostało wspomniane na wstępie, sednem artykułu jest prezentacja doboru na konkretnym przykładzie obliczeniowym. Przedstawiony przykład bazuje na określonej mocy chłodnicy o znanych oporach dla przepływu obliczeniowego. Wybór zaworu obejmować będzie trzy różne typoszeregi zaworów regulacyjnych: 1. Pierwszy z nich to zawory regulacyjne o standardowych wielkościach współczynników kvs uszeregowanych wg ciągu Reynarda Tabela 1. Najważniejsze wielkości związane z doborem zaworów regulacyjnych PARAMETR WZÓR / WYKRES WIELKOŚCI OBJAŚNIENIE współczynnik przepływu kvs autorytet zaworu 2-drogowego autorytet zaworu 3-drogowego charakterystyka liniowa zaworu regulacyjnego charakterystyka stałoprocentowego zaworu regulacyjnego Kvs = V/ ΔPz az proj = ΔPz/ΔPd az min = ΔPz/H az proj = az min = ΔPz/(ΔPz +ΔPvar ) V-przepływ [m 3 /h] ΔPz spadek ciśnienia na zaworze [bar] ΔPz spadek ciśnienia na zaworze [kpa] ΔPd ciśnienie dyspozycyjne [kpa] H ciśnienie całkowite mogące pojawić się na zaworze zamkniętym [kpa] ΔPz spadek ciśnienia na zaworze [kpa] ΔPvar opory obiegu po stronie zmiennego przepływu [kpa] V procentowa wartość przepływu % stopień otwarcia zaworu V procentowa wartość przepływu % stopień otwarcia zaworu Parametr określający jaka ilość czynnika przepłynie przez zawór w wyniku danego ciśnienia różnicowego. Parametr określający jakość procesu regulacji. Wartości w zakresie 0-1. Im wyższa wartość autorytetu zaworu tym precyzyjniej zachodzi proces regulacji mocy odbiornika. Parametr określający jakość procesu regulacji. Wartości w zakresie 0-1. Im wyższa wartość autorytetu zaworu tym precyzyjniej zachodzi proces regulacji mocy odbiornika. Relacja pomiędzy przepływem oraz stopniem otwarcia zaworu. Liniowa charakterystyka jest poprawna tylko przy regulacji ON/OFF. Relacja pomiędzy przepływem oraz stopniem otwarcia zaworu. Stało% charakterystyka jest poprawna dla wszystkich sposobów regulacji. 47

2 wy, jak i obliczenia dla systemu stałoprzepływowego. Warto w tym miejscu nadmienić, że obecne uwarunkowania prawne (dyrektywa ErP) oraz wyraźny trend w branży HVAC dążący do obniżania kosztów eksploatacji, sugeruje, a wręcz determinuje rozwiązanie pierwsze tzn. projekty realizujące zmienną dystrybucję czynnika. Oznacza to, że dobierany zawór regulacyjny to dziś w znacznej mierze zawór dwudrogowy, jako ten, który kształtuje dystrybucję zmienno przepływową. To w konsekwencji prowadzi do pożądanych następstw typu: wykorzystanie potencjału oszczędnościowego pomp elektronicznych; optymalizacja temperatury powrotu czynnika eliminując syndrom niskiego T; spadek strat energii na przesyle czynnika. Rys. 1. Kompas diagram sekwencji kroków przy doborze zaworu regulacyjnego (rys. 2A.). Zawory tego typu spotykane są w katalogach bardzo wielu producentów. Przyrost każdej kolejnej wartości współczynnika przepływu kvs wynosi o około 60%; 2. Kolejną grupę stanowić będą zawory o zagęszczonej skali Kvs. (rys. 2B.). Seria tego typu produktów poza ogólnie przyjętym ciągiem, oferuje dodatkowe wartości pośrednie, pozwalające poprawić precyzję doboru oraz regulacji; 3. Ostatnią grupę reprezentują zawory o całkowicie dowolnym, nastawialnym współczynniku kvs. Tego typu zestaw unikalnych zaworów regulacyjnych jest dostępny w ofercie firmy TA Hydronics pod nazwą TA-Fusion (rys. 2C.). Istotnym punktem wyjścia przy doborze armatury jest rodzaj dystrybucji czynnika w instalacji. W niniejszym artykule przykład obejmować będzie zarówno układ zmienno przepływo- Powyższe cechy stanowią silną argumentację dla promowania oraz stosowania instalacji zmiennoprzepływowych. Bywają jednak układy, w których koszty eksploatacji muszą zejść na drugi plan, ustępując wymaganiom technicznym. Przykładem może być instalacja chłodnicza, w której przepływ uzyskiwany jest na skutek pracy pompy zabudowanej w agregacie chłodniczym (brak rozdzielnia hydraulicznego). Rozwiązanie narzuca stały przepływ na instalacji, ponieważ tego wymaga parowacz w obiegu chłodniczym agregatu. Skutkiem jest konieczność wyboru i montażu przy odbiornikach zaworów regulacyjnych 3-drogowych, których dobór także został zobrazowany, w niżej zamieszonych przykładach. Schematy regulacyjne Poza realizacją żądanego rodzaju dystrybucji wybrany schemat regulacyjny powinien spełniać także wymagania podyktowane przyjętym procesem regulacji odbiornika końcowego. Regulację mocy wymiennika jakim jest m.in. chłodnica można podzielić na dwa podstawowe rodzaje: regulacja ilościowa oraz jakościowa. Pierwsza postać jest uzyskiwana poprzez zmianę ilości czynnika przepływającego przez odbiornik jest to najczęściej stosowana forma dla chłodnic. Regulacja jakościowa bazuje na utrzymaniu stałego przepływu przez wymiennik, a modyfikowana jest temperatura czynnika. Taka postać regulacji jest typowa dla nagrzewnic, natomiast przy chłodnicach stosowana jest w sytuacji konieczności chłodzenia przy minimalizowaniu procesu osuszania powietrza. Niezależnie od wybranego rodzaju regulacji, algorytm doboru zaworu regulacyjnego 2- i 3-drogowego jest identyczny. Budowę układów Rys. 2. Skala Kvs trzech różnych typoszeregów zaworów regulacyjnych: A ciąg Reynarda, B ciąg zagęszczony, C zawory z nastawialnym Kvs 48 5/2013

3

4 Przykłady obliczeniowe: Dane wyjściowe Instalacja chłodnicza o parametrach 7/12. Odbiornik końcowy o mocy 50 kw (przepływ V=8,6 m 3 /h) oraz oporze przepływu Pc = 15 kpa. Wysokość podnoszenia pompy H = 60 kpa. Ciśnienie dyspozycyjne w miejscu montażu chłodnicy Pd = 40kPa. Przykład 1: Układ zmiennoprzepływowy; regulacja ilościowa (rys. 3.) Przykład 2: Układ zmiennoprzepływowy; regulacja jakościowa (rys. 4.) a) b) a) b) Rys. 3. Schemat ilościowej regulacji mocy, system zmienno przepływowy: A schemat ze standardowym zaworem 2-drogowym; B schemat z zaworem TA-Fusion-C Obliczenie nadwyżki ciśnienia różnicowego jakie może być odłożone na zaworze regulacyjnym Pz = Pd - Pc Pz = = 25 kpa Obliczenie współczynnika przepływu kvs (kvs teoretyczne) Kvs = 10 (V/ Pz) 10 (8,6/ 25) = 17,2 (liczba 10 we wzorze jest efektem zmiany jednostki z bar na kpa) Wybór kvs rzeczywistego. Podczas wyboru konkretnego współczynnika kvs należy wybrać równy obliczonemu lub najbliższy wyższy (patrz rys. 2). Kvs = 25 Kvs =20 (dn40) Pz = (10 8,6/25) 2 = 11,8 ΔPz = 11,8 kpa Pz = (10 8,6/20) 2 = 18,5 ΔPz = 18,5 kpa az proj = 11,8/40 az proj = 0,29 az proj = 18,5/40 az proj = 0,46 krok 6 Obliczenia autorytetu minimalnego az min = 11,8/60 az min = 0,22 az min = 18,5/60 az min = 0,31 Kvs =17,2 (dn40) Pz = (10V/Kvs) Pz = (10 8,6/20) 2 = 25 ΔPz = 25 kpa az proj = 25/40 az proj = 0,62 az min = 25/60 az min = 0,42 Rys. 4. Schemat jakościowej regulacji mocy, system zmiennoprzepływowy. A-schemat ze standardowym zaworem 2-drogowym; B-schemat z zaworem TA-Fusion-C Obliczenie nadwyżki ciśnienia różnicowego w tym przypadku nie jest konieczne ponieważ cała dyspozycja może być odłożona na zaworze regulacyjnym Obliczenie współczynnika przepływu kvs (kvs teoretyczne) Kvs = 10(V/ Pz) 10 (8,6/ 40) = 13,6 Wybór kvs rzeczywistego. Podczas wyboru konkretnego współczynnika kvs należy wybrać równy obliczonemu lub najbliższy wyższy (patrz rys. 2): Kvs = 16 Kvs =16 (dn32) Pz = (10 8,6/16) 2 = 28,8 ΔPz = 28,8 kpa az proj = 28,8/40 az proj = 0,72 Pz = (10 8,6/16) 2 = 28,8 ΔPz = 28,8 kpa az proj = 28,8/40 az proj = 0,72 krok 6 Obliczenia autorytetu minimalnego az min = 28,8/60 az min = 0,48 az min = 28,8/60 az min = 0,48 Kvs =13,6 (dn40) Pz = (10V/Kvs) Pz = (10 8,6/13,6) 2 = 40 ΔPz = 40 kpa az proj = 40/40 az proj 1 az min = 40/60 az min = 0, /2013

5 Przykład 3: Układ stałoprzepływowy; regulacja ilościowa (rys. 5.) Rys. 5. Schemat ilościowej regulacji mocy, system stałoprzepływowy Obliczenie nadwyżki ciśnienia różnicowego jakie może być odłożone na zaworze regulacyjnym Pz = Pd - Pc Pz = = 25 kpa Obliczenie optymalnego współczynnika przepływu kvs (kvs teoretyczne) Kvs = 10(V/ Pz) 10 (8,6/ 25) = 17,2 Wybór kvs rzeczywistego. Podczas wyboru konkretnego współczynnika kvs należy wybrać równy obliczonemu lub najbliższy wyższy (patrz rys. 2). Kvs = 25 Kvs =20 (dn40) Pz = (10 8,6/25) 2 = 11,8 ΔPz = 11,8 kpa az proj = Pz/( Pz+ Pc) az proj = 11,8/(11,8+15) az proj = 0,44 Pz = (10 8,6/20) 2 = 18,5 ΔPz = 18,5 kpa az proj = Pz/( Pz+ Pc) az proj = 18,5/(18,5+15) az proj = 0,55 pozwalających uzyskać konkretny sposób regulacji oraz dystrybucji czynnika, przedstawiają grafiki (rys. 3, 4, 5) odnoszące się do poniższych przykładów. Dobór siłownika W każdym z trzech wyżej zamieszczonych przykładów sterowanie zaworem regulacyjnym odbywa się za pośrednictwem automatyki centrali wentylacyjnej. Należy zatem wybrać siłownik o napięciu zasilającym 24 VDC i sygnale sterującym 0-10V. Dla zaworów TA Hydronics odpowiedni model to siłownik TA MC 55Y Analiza obliczeń Główną miarą jakości pracy zaworu regulacyjnego jest wartość autorytetu. Im wyższa jego liczba tym proces regulacji zachodzi bardziej precyzyjnie. Obliczenia wprost obrazują ścisły związek pomiędzy autorytetem zaworu a wartością kvs. Im bliższa okazuje się wartość kvs rzeczywistego względem obliczonego, tym a z jest lepszy. Tłumaczy to obecność na rynku zaworów regulacyjnych o zagęszczonym kvs oraz bezpośrednio uzmysławia przełomowość idei regulowanego kvs zaworów TA-Fusion. Nieodłącznym towarzyszem zaworu regulacyjnego jest zawór równoważący, którego funkcją jest redukcja nadwyżki ciśnienia oraz pomiar przepływu rzeczywistego. Miejsce montażu elementu równoważącego obrazują schematy. Dokładny dobór natomiast wykracza poza przyjęty zakres artykułu. Zawór równoważący traci natomiast rację bytu w sytuacji użycia TA-Fusion-C, co również można zaobserwować na grafikach układów regulacyjnych. W przypadku TA-Fusion-C, z uwagi na precyzyjny, regulowany kvs, nie występuje nadwyżka ciśnienia konieczna do zdławienia, a wszelkie pomiary umożliwia sam TA-Fusion. Podsumowanie Stare przysłowie głosi, iż trening czyni mistrza. Dobór zaworów regulacyjnych z każdym kolejnym projektem staje się łatwiejszy. Sama kalkulacja po pewnym czasie nie powinna przysparzać większych kłopotów. Istotne jest, aby tylko wybrać właściwy tok postępowania, zależny od stawianych oczekiwań i założeń projektowych. Bardzo ważną lekcją jest świadomość wielkiej wagi współczynnika przepływu kvs ten parametr jest bowiem fundamentem dla późniejszych zadawalających efektów procesu regulacji. LITERATURA [1] Badanie klientów w latach [2] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics. [3] Hans Roos: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. [4] Seria artykułów na temat doboru zaworów regulacyjnych: Chłodnictwo&Klimatyzacja [5] Materiały szkoleniowe TA Hydronics. REKLAMA 51