Oszczędność energii przy pełnej wygodzie i niskich kosztach instalacji to wymagania stawiane zarówno przy budowie nowych obiektów, jak i w przypadku modernizacji. Dobór odpowiednich zaworów dla całego systemu rurociągów oraz profesjonalna regulacja hydrauliczna wiążą się z kosztami. Standardowo zawory projektuje się tak, aby miały autorytet zaworu wynoszący powyżej 0,5 i instaluje przed każdym odbiornikiem (np. nagrzewnicą powietrza, wymiennikiem ciepła). Warunki ciśnieniowe zależą jednak od miejsca montażu odbiornika oraz obciążenia.

W przypadku odbiorników (# 1 na rys. 1.) znajdujących się w pobliżu głównej pompy, różnica ciśnienia między rurociągami zasilającym i powrotnym jest znacznie większa niż dla odbiorników podłączonych na końcu rurociągu (#n na rys. 1.). Przy nominalnym przepływie objętościowym wymagana wysokość pompowania pompy głównej zależy od wybranego rurociągu (średnicy nominalnej i długości rur) oraz minimalnej różnicy ciśnienia na ostatnim odbiorniku (spadku ciśnienia na odbiorniku i zaworze).

Rys. 1. Wielkokondygnacyjny budynek biurowy
Zmiany te powodują zakłócenia pracy układów regulacyjnych, których skorygowanie wymaga reakcji nadrzędnych układów sterowania elektronicznego. Zależności podstawowe

Rys. 2. Kulowy zawór regulacyjny o charakterystyce stałoprocentowej
Podczas pracy zaworu regulacyjnego warto pamiętać, iż ilość przepływającego czynnika nie zależy głównie od stopnia otwarcia zaworu. Bardzo istotnym czynnikiem jest występujący na nim spadek ciśnienia Δp (rys. 2.). Warto zauważyć, że zmiana spadku ciśnienia pociąga za sobą wprost proporcjonalną zmianę strumienia objętości (rys. 3). Jeżeli zmiany te mają charakter dynamiczny to należy liczyć się z konsekwencjami zakłóceń pracy układu do momentu, gdy poprzez reakcję automatyki siłownik elektryczny doprowadzi położenie elementu regulacyjnego zaworu do stanu równowagi. Aby zniwelować opisane zjawisko warto przeanalizować warunki, które należy spełnić dla uzyskania stałej wartości przepływu czynnika. Jednym z najprostszych rozwiązań jest wprowadzenie stałego spadku ciśnienia na elemencie regulacyjnym. Zależność tę wykorzystano w urządzeniu typu PICCV (seria zaworów R2... P).

Rys. 3. Strumień objętości czynnika przy stałym otwarciu zaworu regulacyjnego w zależności od spadku ciśnienia
Wykres rozkładu ciśnienia przy pełnym obciążeniu Różnica ciśnienia (p #1 na rys. 1. i rys. 4.) jest sumą spadków ciśnienia na odbiorniku T #1, zaworze V #1 oraz zaworze kompensującym D #1. W tym przypadku zawór V#1 jest całkowicie otwarty. Gdy zawór V#1 zostanie zamknięty, różnica ciśnienia może wzrosnąć do (p #1), a autorytet zaworu wyraźnie maleje, natomiast natężenie przepływu rośnie.

Rys. 4. Wykres rozkładu ciśnienia przy pełnym obciążeniu
Rozwiązanie - zawór regulacyjny z przepływem niezależnym od zmian ciśnienia w instalacji W wyniku konsekwentnie prowadzonych prac rozwojowych firma Belimo opracowała konstrukcję nowego zaworu regulacyjnego serii R2... P. Konstrukcję sprawdzonego już kulowego zaworu regulacyjnego wzbogacono dodatkowo o regulator różnicy ciśnienia bezpośredniego działania (rys. 5.). Podstawowym zadaniem tej konstrukcji jest utrzymanie stałego spadku ciśnienia Δpm na elemencie regulacyjnym zaworu. Warunek ten zapewnia stały, niezależny od wahań ciśnienia p0 lub p2, przepływ czynnika.

Rys. 5. Kulowy zawór regulacyjny o charakterystyce stałoprocentowej z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia
Czynnik o zmiennym ciśnieniu p0 wpływa do pierwszej z komór zaworu, którą zaprojektowano tak, aby wartości sił powstające na grzybie regulatora bezpośredniego działania nie wprowadzały zakłóceń w pracy urządzenia. Natomiast zakłócenia, które w standardowym zaworze regulacyjnym wprowadzałaby zmiana ciśnienia p2, kompensowane są za pomocą sprężyny. Warto tutaj zauważyć, że ciśnienie panujące na wylocie z zaworu przekazywane jest do komory sprężyny. Konfiguracja taka pozwala na sterowanie stopniem otwarcia grzyba regulatora bezpośredniego działania. W konsekwencji doprowadza to do sprzężenia ze sobą zmian ciśnienia p1 i p2. Dlatego też istotnym parametrem decydującym o pracy urządzeń typu PICCV jest fabryczne ustawienie wartości spadku ciśnienia Δpm, które zapewnia wyeliminowanie zmian przepływu czynnika spowodowane wahaniem ciśnienia w instalacji (rys. 6.).

Rys. 6. Wartości przepływu czynnika przy stałym otwarciu zaworu regulacyjnego ze stałym spadkiem ciśnienia w zależności od fabrycznie ustawionego spadku ciśnienia i różnicy ciśnienia na zaworze
Prędkość przepływu pozostaje stała, nawet przy domykaniu zaworu, gdy rośnie różnica ciśnienia. Autorytet zaworu wynosi 1, nawet w przypadku zaworów przewymiarowanych. Analizując wykres na rys. 6. można zauważyć, iż załamanie prostej następuje po przekroczeniu wartości fabrycznie nastawianego spadku ciśnienia i to właśnie od tego momentu zaczyna się praca urządzenia zgodnie z jego pierwotnym przeznaczeniem. Dobór zaworów regulacyjnych ze stałym spadkiem ciśnienia Jednym z najkorzystniejszych argumentów przemawiających za zastosowaniem zaworu regulacyjnego z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia jest jego dobór. Następuje on na podstawie wymaganego przepływu przez wymiennik ciepła. Dla każdego z urządzeń producent podaje wartość maksymalnego przepływu i właściwie bazując na tych danych określamy konkretną wielkość zaworu. Dodatkowo należy pamiętać, iż w celu uzyskania opisanej w artykule funkcji działania należy zapewnić minimalny wymagany spadek ciśnienia na zaworze Δpmin = 0,3 bar (30 kPa). Natomiast maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze to wartość 3,5 bar (350 kPa).

Rys. 7. Instalacja z zaworem 3-drogowym (przed modernizacją)
Przykładowe zastosowanie Na rys. 7 pokazano układ regulacji nagrzewnicy z zastosowaniem klasycznego zaworu regulacyjnego trzydrogowego oraz układ zamienny z zaworem typu R2...P (rys. 8).

Rys. 8. Instalacja z zaworem typu R...P (układ po modyfikacji)
Zalety Zastosowanie zaworu R2...P w znacznym stopniu ogranicza ilość zaworów regulacyjnych w danym systemie instalacyjnym. Ponadto nie są potrzebne obliczenia hydrauliczne poszczególnych obiegów grzewczych. Poprawiona też jest jakość regulacji przez stabilizację pracy zaworu regulacyjnego. Autor: mgr inż. Ryszard Buczek - Belimo Siłowniki S.A. Źródło: Belimo