Regulacja przepływu za pomocą zaworów z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia

Istotnym problemem podczas regulacji przepływu medium grzewczego lub chłodzącego za pomocą zaworów regulacyjnych sterowanych siłownikami elektrycznymi są wahania ciśnienia mające istotny wpływ na zmianę przepływu czynnika przez zawór. Zmiany te powodują zakłócenia pracy układów regulacyjnych, których skorygowanie wymaga reakcji nadrzędnych układów sterowania elektronicznego. Odpowiedzią na wyżej wymienione zjawiska jest wprowadzenie na rynek, przez firmę BELIMO, zaworów regulacyjnych typu PICCV, realizujących sterowanie przepływem niezależnie od wahań ciśnienia medium przepływającego przez zawór.

Zależności podstawowe
Podczas pracy zaworu regulacyjnego warto pamiętać, iż ilość przepływającego czynnika nie zależy głównie od stopnia otwarcia grzyba zaworu. Bardzo istotnym czynnikiem jest występujący na nim spadek ciśnienia ∆p (rys.1).

∆p = p1 - p2
Rys. 1 Kulowy zawór regulacyjny o charakterystyce stałoprocentowej
Warto zauważyć, że zmiana spadku ciśnienia pociąga za sobą wprost proporcjonalną zmianę przepływu (rys. 2). 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.

Rys. 2 Wartości przepływu czynnika przy stałym otwarciu zaworu regulacyjnego w zależności od spadku ciśnienia
Proces ten ograniczony jest przede wszystkim szybkością pracy siłownika. Jednak im szybszy siłownik tym droższy a jego żywotność może się zmniejszać. 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 regu-lacyjnym. Zależność tą wykorzysta no w urządzeniu typu PICCV.
Zawór regulacyjny ze stałym spadkiem ciśnienia typu PICCV
Konstrukcję sprawdzonego już kulowego zaworu regulacyjnego wzbogacono dodatkowo o regulator różnicy ciśnień bezpośredniego działania (rys. 3). Podstawowym zadaniem tej konfiguracji jest utrzymanie stałego spadku ciśnienia ∆pm na elemencie regulacyjnym zaworu. Warunek ten zapewnia stały, niezależny od wahań ciśnienia p0 lub p2, przepływ czynnika.

∆pm = p1 - p2 = const.
∆p = p0 - p2
Rys. 3 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 wprowa- dzałaby 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 mierniczego spadku ciśnienia ∆pm, które zapewnia wyeliminowanie zmian przepływu czynnika spowodowane wahaniem ciśnienia w instalacji (rys. 4).

Rys.4 Wartości przepływu czynnika przy stałym otwarciu zaworu regulacyjnego ze stałym spadkiem ciśnienia w zależności od mierniczego spadku ciśnienia i różnicy ciśnień na zaworze
Analizując powyższy wykres można zauważyć, iż załamanie prostej następuje po przekroczeniu wartości mierniczego 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 przemawiającym za zastosowaniem zaworu regulacyjnego z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia jest jego dobór. Dla każdego z urządzeń producent podaje zakres wartości przepływów 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 ∆pmin = 0,3 bar. Natomiast maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze to wartości 3,5 bar.

Zastosowanie
Podstawową konfiguracją wykorzystującą opisane zależności jest układ mający za zadanie kontrolę przepływającego medium (rys. 5).

Rys. 5 Regulacja przepływu za pomocą zaworu regulacyjnego z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia
Sterowanie oparto o system automatyki cyfrowej, który otrzymując sygnały z przepływomierza ma za zadanie dostarczenie wymaganej ilości czynnika. Dodatkowo układ posiada możliwość zmiany nastawy poprzez sygnał radiowy. Istotnym utrudnieniem dla zastosowania klasycznych zaworów są dynamiczne zmiany ciśnienia w instalacji. Zastosowanie urządzenia typu PICCV pozwala na natychmiastową odpowiedzi na zakłócenia, którą zapewnia zastosowanie w nim sprężyny regulacyjnej.
Bardziej rozbudowanym jest wymiennikowy układ regulacyjny zasilany bezpośrednio z sieci cieplnej (rys. 6). Rozpatrując takie rozwiązanie warto podkreślić, iż tradycyjnie do regulacji przepływającego medium stosuje się klasyczne zawory regulacyjne z siłownikami elektrycznymi. Jednak zmiany przepływu czynnika wymuszane stopniem ich otwarcia powodują zakłócenia. Dlatego też w celu wyeliminowania tego zjawiska wykorzystuje się regulatory różnicy ciśnień, których jednym z zadań jest utrzymanie stabilnych warunków pracy układu regulacyjnego sterowanego systemem automatykicyfrowej. Dodatkowo ustalenie odpowiedniej różnicy ciśnień pozwala na uzyskanie pożądanego wysokiego autorytetu zaworu regulacyjnego. Poprzez zastosowanie zaworów regulacyjnych z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia można wyeliminować zastosowanie regulatorów różnicy ciśnień bezpośredniego działania. Warto tutaj podkreślić, iż zapewniając minimalny wymagany spadek ciśnienia ∆p każda zmiana położenia kryzy regulacyjnej powoduje wprost proporcjonalną zmianę przepływu.

Wnioski
Analizując zasadę i sposób działania zaworu typu PICCV jak również opartych na nim rozwiązaniach warto zauważyć, iż dysponując wysokim ciśnieniem dyspozycyjnym można wyeliminować zakłócenia spowodowane dynamicznymi zmianami ciśnienia. Dodatkowo kryza zaworu zapewnia zmianę nastaw według charakterystyki stałoprocentowej, która zapewnia precyzyjną regulację przy małych rozbiorach i szybką zmianę dla górnych wartości przepływu.

BELIMO Siłowniki S.A.