Zawory regulacyjne w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych Konrad KRGU, Sławomir ŚWIĄECKI* ) Każda z projektowanych i wykonanych instalacji klimatyzacyjnych lub grzewczych powinna spełniać z góry przyjęte cele. Jednym z nich jest zapewnienie właściwego poziomu temperatury w pomieszczeniach. Zawory trójdrogowe dostępne na rynku stosowane są w większości w funkcji mieszającej * ) Konrad KRGU, Sławomir ŚWIĄECKI - pracownicy działu technicznego Hydronics Wartość temperatury w pomieszczeniu powinna pozostawać na relatywnie stałym, zadanym poziomie. by tak było, wydajność instalacji musi zmieniać się w czasie. Jest to związane z dynamiką warunków wewnętrznych i zewnętrznych, pociągających za sobą dynamikę reakcji instalacji. Sposoby regulacji Reakcja instalacji nadążająca za zmieniającym się obciążeniem chłodniczym lub cieplnym odbywa się poprzez dostosowanie ilości lub temperatury czynnika. Elementami, które pozwalają realizować powyższą funkcję, są zawory regulacyjne. W sytuacji, gdy zmiana mocy urządzenia następuje poprzez korektę ilości czynnika, mamy do czynienia z tzw. regulacją ilościową (rys..). Jeśli wydajność odbiornika jest regulowana poprzez zmianę temperatury przepływającego przez niego medium, wówczas regulacja określana jest jako jakościowa (rys..). nalizując schematy, można zauważyć, że każdy z nich jest inaczej skonfigurowany. Żądany proces regulacji może być bowiem uzyskany przy zastosowaniu zaworów regulacyjnych o różnej konstrukcji, zarówno dwudrogowych, jak i trójdrogowych. Rodzaje zaworów regulacyjnych Zawory regulacyjne, dostępne obecnie na rynku, można podzielić na grupy pod kątem różnych kryteriów (rys..). W artykule uwaga poświęcona będzie jedynie tzw. jednofunkcyjnym zaworom regulacyjnym, tzn. zaworom, których jedyną funkcją jest regulacja (w odróżnieniu do zaworów wielofunkcyjnych, które poza regulacją pozwalają np. na równoważenie lub ograniczenie przepływu). Funkcja rozdzielająca i mieszająca Zawory trójdrogowe dzielą się na zawory: mieszające dwa wejścia i jedno wyjście, rozdzielające dwa wyjścia przy jednym wejściu. Schematy na rysunku 4. przedstawiają swoistą elastyczność zaworów trójdrogowych. Niezależnie od tego, czy dysponujemy zaworem rozdzielającym czy mieszającym, jest możliwe uzyskanie zarówno obiegu rozdzielającego, jak i mieszającego czynnik. Zawory trójdrogowe dostępne na rynku stosowane są w większości w funkcji mieszającej. Stosowanie tych zaworów dla rozdziału przepływów powoduje cyrkulację wody przez zawór w kierunku przeciwnym do planowanego. Przepływy odwrotne mogą czasami prowadzić do nadmiernego hałasu i drgania zaworu. ym samym, dla uniknięcia pomyłek i wadliwej pracy układu, wskazane jest stosowanie zaworów w funkcji mieszającej. Żądany rodzaj dystrybucji czynnika względem odbiornika uzyskuje się jedynie poprzez właściwą lokalizację zaworu. Dobór zaworów regulacyjnych Dobór zaworów regulacyjnych polega głównie na określeniu tzw. współczynnika przepływu s. Jednak aby ten dobór był przeprowadzony w pełni poprawnie, należy także: Rys.. Regulacja ilościowa Rys.. Regulacja jakościowa 6 /0
-drogowy mieszający obieg mieszający obieg rozdzielający -drogowy rozdzielający Rys.. Rodzaje zaworów regulacyjnych Rys. 4. Elastyczność zaworów trójdrogowych określić autorytet zaworu, podać prędkość napływu na zawór, poprawnie określić charakterystykę zaworu, sprawdzić rozdzielczość regulacyjną. utorytet zaworu i kwestia prędkości napływu na zawór będą tematem kolejnego artykułu. Pozostałe parametry opisane zostały poniżej. Współczynnik Współczynnik jest wartością określającą, jaka ilość czynnika [m ] jest w stanie przepłynąć przez zawór w czasie godziny, przy różnicy ciśnienia równej bar (rys. 5.). Jeśli pomiar ten następuje przy pełnym otwarciu zaworu, wówczas wyznaczony zostaje maksymalny współczynnik, określany jako s. q ρ Δp gdzie: współczynnik przepływu, q przepływ [m /h], p spadek ciśnienia na zaworze [bar], ρ średnia gęstość przepływającego czynnika [kg/dm ]. ardzo często współczynnik jest opisywany jako miara przepustowości zaworu. Przepustowość zaworu to swego rodzaju wolna przestrzeń czy też powierzchnia w korpusie, która umożliwia przepływ czynnika. Potwierdzeniem słuszności powyższego określenia jest wyprowadzenie wielkości opisywanej przez współczynnik. Zgodnie z układem SI ( masa, długość, czas, F siła) wiemy, że: przepływ (objętość/czas) q ciśnienie (siła/powierzchnia) F P gdzie: F Rys. 5. Próba zobrazowania definicji współczynnika gęstość (masa/objętość) K ρ zatem: K K K K Zawory regulacyjne dobiera się tak, aby w warunkach obliczeniowych dla wartości s otrzymać wymagany przepływ przy dopuszczalnym spadku ciśnienia www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl 7
abela. Przykład wyliczenia Δp dla przepływu 000l/h przy różnych współczynnikach s s,0,6,5 4,0 6, 0 6 Δp dla 000 l/h [kpa] 400 56 64 5 0 4,5 Rys. 6. Zawory trójdrogowe o zagęszczonej skali współczynników s Jak wynika z powyższego wyprowadzenia, określa jednostkę długości podniesioną do kwadratu, czyli powierzchnię. Doskonałym przykładem, obrazującym ten stan, są kryzy, które określa się, podając s lub zamiennie wielkość otworu. Procedura doboru Zawory regulacyjne dobiera się tak, aby w warunkach obliczeniowych dla wartości s otrzymać wymagany przepływ przy dopuszczalnym spadku ciśnienia. Nie jest łatwo określić wartość s dla zaworu regulacyjnego, ponieważ dopuszczalne ciśnienie różnicowe dla zaworu zależy od takich czynników jak: rzeczywista wysokość podnoszenia pompy, straty ciśnienia w przewodach i armaturze, straty ciśnienia w odbiornikach. o wszystko powoduje, że wartość dostępnego ciśnienia różnicowego, jako jedna z dwóch głównych wielkości wymaganych do określenia współczynnika s, może odbiegać w warunkach rzeczywistych od wyliczeń projektowych. Ponadto, z uwagi na ograniczenie typoszeregu, już dla samych warunków projektowych, nie jesteśmy w stanie dobrać zaworu regulacyjnego, który miałby dokładnie wymagany spadek ciśnienia. o powoduje, że instalowane zawory regulacyjne są w mniejszym lub większym stopniu przewymiarowane. Dlatego tak istotne jest, aby zawsze doborowi zaworu regulacyjnego towarzyszył dobór zaworu równoważącego, którym zostaną skorygowane ewentualne odchyłki różnicy ciśnienia. Zawory regulacyjne są dostępne z wartościami s, które wzrastają w postępie geometrycznym, zwanym szeregiem Reynard a, znanym także z typoszeregu przewodów wentylacyjnych: s:,0;,6;,5; 4,0; 6,; 0; 6;... Każda następna wartość w ciągu jest o około 60 proc. większa od wartości poprzedniej. aki przeskok powoduje, że prawie niemożliwe jest dobranie zaworu regulacyjnego, który spowoduje powstanie dokładnie zadanej straty ciśnienia dla warunków obliczeniowych (tabela.). Z tego powodu niektórzy z producentów zagęszczają w swojej ofercie dostępność wartości s o skok np. co 0 proc. (rys. 6.). Korzystanie z szerszego typoszeregu mocno upraszcza proces doboru zaworu, a większa bliskość s do rzeczywistego poprawia jakość regulacji. W szczególnych przypadkach dla regulacji jednego odbiornika konieczne jest użycie, a tym samym dobór, dwóch lub więcej zaworów, umieszczonych względem siebie równolegle lub szeregowo. W takich przypadkach także należy określić współczynnik przepływu. W przypadku, gdy dwa lub więcej zaworów, połączono ze sobą równolegle (rys. 7.), całkowita wartość współczynnika jest sumą współczynników poszczególnych zaworów: + + + n W szczególnych przypadkach dla regulacji jednego odbiornika konieczne jest użycie dwóch lub więcej zaworów Rys. 7. Zawory połączone równolegle Rys. 8. Zawory połączone szeregowo Wzór podstawowy na współczynnik zawiera wartość przepływu, który jest podany w m /h oraz różnicy ciśnienia, podawanej w barach. Chcąc stosować inne jednostki, można skorzystać z tabeli poniżej. W tabeli nie została ujęta gęstość czynnika, gdyż pomiędzy 4 a 90 C, zmiana gęstości wody wynosi tylko,5 proc. i jej wpływ na wartość współczynnika w systemach HC jest marginalny. Δp [bar], q [m /h] Δp [kpa], q [l/s] Δp [mmh O], q [l/h] Δp [kpa], q [l/h] q Δp q Δp q0 Δp q00 Δp Δp(q/) Δp(6q/) Δp(0,q/) Δp(0,0q/) q/ Δp 6q/ Δp 0,q/ Δp 0,0q/ Δp W sytuacji, gdy dwa zawory, połączone są ze sobą szeregowo (rys. 8.), wyznaczenie całkowitej wartości współczynnika odbywa się w bardziej skomplikowany sposób: + + + n po przekształceniu powyższy wzór przyjmuje postać: + Charakterystyki zaworów regulacyjnych Charakterystyka zaworu regulacyjnego jest definiowana jako zależność pomiędzy przepływem wody a stopniem otwarcia zaworu przy stałym ciśnieniu różnicowym. e dwie wielkości są wyrażane jako udział procentowy wartości maksymalnych. 8 /0
Najkorzystniejszą konfiguracją zaworu trójdrogowego jest konfiguracja asymetryczna stałoprocentowa/ liniowa. Rys. 9. Charakterystyka zaworu regulacyjnego Rys. 0. Stałoprocentowa charakterystyka na przelocie, by-pass liniowa h Podstawowym zadaniem podczas doboru zaworów regulacyjnych jest wybór właściwego schematu regulacyjnego Wybór odpowiedniej charakterystyki sprowadza się do zastosowania zaworu, który ją posiada. Dobór ten powinien być przeprowadzony przede wszystkim z uwzględnieniem sposobu regulacji. Jeśli moc odbiornika zmieniana jest w trybie ON/OFF (pełny przepływ/zerowy przepływ), rodzaj charakterystyki jest bez znaczenia. Natomiast, gdy moc odbiornika zmieniana jest w sposób płynny, charakterystyka ma już kolosalne znaczenie i jedyną poprawną jest charakterystyka stałoprocentowa (rys. 9.). Zawory trójdrogowe są opisywane dwiema charakterystykami, ponieważ mają dwa możliwe kierunki przepływu czynnika. Jedna charakterystyka odnosi się do drogi regulacyjnej, którą jest port przelotowy, druga zaś to droga by-passu. Jeśli obie z tych charakterystyk są identyczne, zawór określa się mianem symetrycznego. Jeśli są odmienne, zawór jest asymetryczny. Zawory symetryczne są wygodne w montażu, ponieważ nie wymagają sprawdzania, który z otworów przelotowych jest regulacyjnym, a który by-passem, z uwagi na fakt, że obie charakterystyki są identyczne. Jednak taki zawór nigdy nie skompensuje nieliniowości charakterystyki odbiornika, w przeciwieństwie do zaworu asymetrycznego. Najkorzystniejszą konfiguracją zaworu trójdrogowego jest konfiguracja asymetryczna stałoprocentowa/liniowa. Zawór taki na porcie przelotowym regulacyjnym, wpływającym na moc odbiornika, ma charakterystykę stałoprocentową. Port by-passu natomiast, służący do skierowania czynnika w celu ominięcia odbiornika, ma charakterystykę liniową (rys. 0.). Oczywiście, charakterystyki ulegają zniekształceniu przez ciśnienie różnicowe, które działa na zawór, co jest określane mianem autorytetu zaworu. Rozdzielczość regulacyjna R Przy procedurze doboru zaworów regulacyjnych, oprócz charakterystyki zaworu, duże znaczenie ma także rozdzielczość regulacyjna, zwana też stosunkiem regulacji. Parametr ten jest istotny, z uwagi na konieczność zmiany wydajności urządzeń w sposób płynny w przedziale od 0 do 00 proc. Rozdzielczość regulacyjna określa relację pomiędzy współczynnikiem s (opisanym powyżej) a współczynnikiem min. Współczynnik min to najmniejsza wartość, czyli najmniejsze otwarcie zaworu, przy którym zachowana jest tolerancja nachylenia charakterystyki zaworu. R s min Z punktu widzenia zmiany mocy odbiornika, im większa jest rozdzielczość regulacyjna zaworu, tym dokładniejszy jest poziom regulacji odbiornika, zwłaszcza przy niewielkich obciążeniach, gdy zawór pracuje przy niewielkim otwarciu. Im większa rozdzielczość, tym mniejsze przepływy jesteśmy w stanie regulować. Dla zaworów regulacyjnych rozdzielczość regulacyjna nie powinna być mniejsza niż 40:. Podsumowanie Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych. Ich zbyt ogólnikowy dobór może wpłynąć na znaczne pogorszenie jakości regulacji mocy odbiornika, a tym samym całego układu. W artykule zostały pokazane sposoby wyliczeń wybranych parametrów i podane najistotniejsze cechy poprawności regulacji. Podstawowym zadaniem podczas doboru zaworów regulacyjnych jest wybór prawidłowego układu. Określony sposób regulacji tworzy kryteria zawężające zakres szukanego zaworu, takie jak: budowa: zawór dwudrogowy lub trójdrogowy, sposób regulacji: on/off, płynna, trójpunktowa, charakterystyka: stałoprocentowa lub dowolna. Fundamentalne przy doborze zaworów regulacyjnych jest określenie: współczynnika przepływu s, autorytetu zaworu (szerzej o tym zagadnieniu w kolejnym artykule), rozdzielczości regulacyjnej, prędkości przepływu. Już powyższe wyniki pozwolą dobrać konkretny typ. Pozostaje jedynie sprawdzić wybrany produkt pod kątem dopuszczalnych parametrów pracy w odniesieniu do projektowanej instalacji: zakres temperatury, klasę ciśnienia, nieszczelność, skok. Jeśli zawór spełni wszystkie powyższe kryteria można śmiało stwierdzić, że został dobrany właściwy produkt. 0 /0
Ciśnienie emperatura PRZEPŁYW oc Pobierz aplikację, która ma wszystko Hyools zapewnia wszystko, czego potrzebujesz do obliczeń hydraulicznych systemów HC. Utrzymanie ciśnienia i odgazowanie Równoważenie i regulacja Przedstawiamy Hyools, nową aplikację od Hydronics, która zapewnia wszystko czego potrzebujesz do obliczeń hydraulicznych systemów HC. Hyools umożliwia szeroki zakres obliczeń na urządzeniach: iphone, ipad oraz system ndroid. Obliczenia hydrauliczne nigdy nie były prostsze, bardziej intuicyjne i wygodne. Pobierz Hyools za darmo z pple pp Store oraz z Google play - potencjał wojego systemu jest teraz dostępny na wyciągnięcie ręki! Dowiedz się więcej na www.tahydronics.pl ermostatyka ENGINEERING DNGE