Zawory regulacyjne dobór

W układach hydraulicznych elementami powodującymi zmianę wydajności odbiorników są zawory regulacyjne. Od ich właściwego doboru zależy prawidłowość działania instalacji.

Najprostszymi elementami zapewniającymi pewien ograniczony wpływ na parametry nośnika ciepła są kryzy dławiące o stałym otworze i tzw. ręczne zawory regulacyjne. Ich działanie polega na wprowadzeniu do układu elementu dławiącego o znanej charakterystyce dzięki któremu przy stabilnych parametrach zasilania można uzyskać określony spadek ciśnienia. Zmiana parametrów czynnika wymaga jednak w przypadku kryzy wymiany na inną, a dla ręcznego zaworu regulacyjnego ręcznego przestawienia. Elementy te najczęściej spełniają rolę nastawczą w instalacjach wodnych umożliwiając wyrównanie oporów hydraulicznych poszczególnych gałęzi zasilania. W sensie funkcjonalnym regulację zapewnia dopiero armatura której działanie inicjowane jest poprzez sygnał zwrotny z obiektu regulowanego. Do armatury takiej można zaliczyć: - zawory bezpośredniego działania (regulatory bezpośredniego działania),
- zawory stanowiące człony wykonawcze układów regulacyjnych.
Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym, że energię potrzebną do napędu elementu wykonawczego pobierają z obiektu regulacji poprzez element pomiarowy (czujnik). Ich wadą jest pewna niedokładność regulacji wynikająca z ich właściwości dynamicznych charakterystycznych dla regulatorów proporcjonalnych. Regulatory takie pośrednie stany otwarcia elementu wykonawczego uzyskują jedynie dla wąskiego pasma wartości mierzonej. Po przekroczeniu pewnego progu (zakresu proporcjonalności) regulator taki działa jak układ dwustanowy włącz / wyłącz. Regulatory bezpośredniego działania są regulatorami stałowartościowymi w związku z czym nie pozwalają na pracę według zadanego programu. Zawory regulacyjne stanowiące człony wykonawcze układów regulacyjnych aby mogły pracować potrzebują dostarczenia energii spoza układu bądź to w postaci energii elektrycznej bądź też energii ciśnienia sprężonego powietrza, cieczy hydraulicznej itp. Pozwala to na bardzo swobodne kształtowanie sposobu odpowiedzi elementu wykonawczego na zarejestrowane wymuszenie. Aby prawidłowo dobrać zawór do przewidywanej funkcji jaką ma pełnić w instalacji trzeba uwzględnić następujące cechy charakterystyczne zaworów: - Zakres temperaturowy i ciśnieniowy pracy zaworu. Wartości te podawane są przez producentów w katalogach armatury, trzeba jednak pamiętać aby parametry te rozpatrywać łącznie, gdyż najczęściej ze wzrostem temperatury maleje dopuszczalne ciśnienie robocze.
- Współczynnik przepływu Kvs. Współczynnik ten definiowany jest jako wielkość natężenia przepływu wody o temperaturze w granicach 5 - 30 K, które powoduje spadek ciśnienia na zaworze o jeden bar. Jest to wielkość konstrukcyjna zaworu.
- Charakterystyka pracy zaworu. Element dławiący zaworów regulacyjnych może mieć charakterystykę liniową, częściej stosowaną stałoprocentową lub też ich połączenie w zaworach trój i czterodrogowych. W zaworach z charakterystyką liniową zmiana położenia elementu dławiącego wywołuje wprost proporcjonalną zmianę współczynnika Kv. Charakterystyka stałoprocentowa oznacza, że zmiana położenia elementu dławiącego o jeden procent całkowitego skoku spowoduje zmianę współczynnika Kv o jeden procent w stosunku do jego wartości przed zmianą. Wybór rodzaju charakterystyki zaworu podyktowany jest kształtem charakterystyki cieplnej odbiornika. Najczęściej odbiorniki ciepła mają charakterystykę nieliniową, której nachylenie rośnie wraz ze wzrostem mocy cieplnej. Gdyby do regulacji parametrów pracy takiego odbiornika zastosować zawór z liniowa charakterystyką, w zakresie małych przepływów regulacja byłaby niedokładna. Małym zmianom stopnia otwarcia zaworu towarzyszyłaby duża zmiana wydajności odbiornika. W zakresie dużych wydajności układ charakteryzowałby się zwiększoną bezwładnością.

- Zastosowanie zaworu o charakterystyce nieliniowej pozwala na uzyskanie zbliżonej do liniowej charakterystyki wynikowej regulacji, co jest równoznaczne z uzyskaniem względnie jednakowej dokładności regulacji w całym zakresie obsługiwanych zmian wydajności odbiornika. Należy więc dążyć do tego, by wynikowa zależność mocy cieplnej odbiornika od zmiany położenia elementu dławiącego przepływ (charakterystyka pracy) była zbliżona do przebiegu liniowego.

Przykładowe charakterystyki zaworów dwudrogowych (rys. Spirax Sarco)

- Stopień regulacji zaworu (nastawienia zaworu). Jest to stosunek najwyższego do najniższego strumienia objętości, przy którym zawór zachowuje swoje zdolności regulacyjne. W układach o dużej skali zmienności przepływu należy dobierać zawory o jak największym stosunku regulacji. Jeśli do regulacji takiego układu zostanie dobrany zawór o małym stopniu nastawienia to w zakresie małych przepływów będzie działał dwustanowo. Efektem takiej niestabilnej pracy będzie przyspieszone zużycie zarówno zaworu jak i jego siłownika. W zależności od konstrukcji zaworu stosunek ten osiąga wartości od 25 do 100.
- Stopień w jakim charakterystyka zaworu jest w stanie zmienić charakterystykę pracy uzależniony jest od autorytetu zaworu. Wielkość ta określa udział oporu przepływu przez całkowicie otwarty zawór regulacyjny w sumie spadków ciśnienia powstałych w obiegu regulowanym i samym zaworze. Z punktu widzenia minimalizacji oporów autorytet powinien być jak najmniejszy, jednak tak dobrany zawór nie spełniałby swojej roli. Przy zbyt małym autorytecie charakterystyka odbiornika zostałaby zdeformowana w zakresie nie pozwalającym na uzyskanie charakterystyki regulacji zbliżonej do wykresu liniowego. Niski autorytet powoduje również przesunięcie stopnia nastawienia zaworu w górne wartości przepływu. Efektem jest poszerzenie strefy, w której zawór działa dwupołożeniowio. Producenci zaworów regulacyjnych zalecają przyjmowanie autorytetu zaworu w instalacjach ogrzewania wodnego z zakresu: - dla zaworów dwudrogowych A = 0,3 do 0,6

- dla zaworów trójdrogowych przy Δ pst / Δ pzm ≤ 3 ⇒ A = 0,7 do 0,8
Δ pst / Δ pzm > 3 ⇒ A = 0,3 do 0,5


Dobór zaworu regulacyjnego w instalacji wodnej polega na wyznaczeniu współczynnika Kv dla wymaganego spadku ciśnienia określonego według wzoru:
Poszukiwaną wartość Kv zaworu wyznaczyć można posługując się wzorem:
Jeśli spadek ciśnienia ma być większy od obliczonego, to z katalogu należy dobrać zawór o współczynniku Kv mniejszym od obliczonego.
- W przypadku montażu zaworu w instalacji, w której temperatura czynnika przekracza 100 °C należy jeszcze dokonać sprawdzenia czy podczas pracy zaworu nie wystąpi zjawisko kawitacji. Obliczeń lub zastępujących ich sprawdzeń w nomogramach dokonuje się według wskazówek producenta zaworu.
opracowanie: Redakcja