Zawory regulacyjne stanowią bardzo ważny element w instalacjach klimatyzacyjnych i grzewczych. Ich zbyt ogólnikowy dobór może wpłynąć na pogorszenie jakości regulacji mocy odbiornika, a tym samym całego układu.

Rys. 1. Schemat oraz rozkład ciśnienia w obwodzie regulowanym

W poprzednim artykule (Ch&k 11/2011 str. 16) przedstawiono procedurę doboru zaworów regulacyjnych. Artykuł omawiał sposoby wyliczeń wybranych parametrów, ale nie wyczerpał tematyki w pełni. Ta publikacja stanowi kontynuację tematu, a jej głównym celem będzie przybliżenie definicji autorytetu zaworów regulacyjnych.

Definicja obwodu regulowanego
Uzyskanie nominalnej wydajności odbiornika odbywa się w wyniku przepływu czynnika o wymaganej ilości oraz temperaturze. Ilość przepływającego medium jest zależna od ciśnienia dyspozycyjnego oraz oporów poszczególnych elementów stanowiących tzw. obwód.
Typowe elementy stanowiące obwód to: odbiornik, zawór regulacyjny, zawór równoważący oraz rurociąg. Gdy tylko pojawia się w obwodzie zawór regulacyjny, przyjmuje on miano obwodu regulowanego.
Dobór zaworu regulacyjnego odbywa się głównie w oparciu o współczynnik Kvs (omówiony w poprzedniej części artykułu). Odpowiedni dobór współczynnika przepustowości zaworu regulacyjnego oraz dobór zaworu równoważącego gwarantuje uzyskanie przepływu w obwodzie regulowanym na założonym poziomie, czego efektem jest osiągniecie nominalnej mocy odbiornika. Gdy warunki w pomieszczaniu ulegają zmianie np. poprzez obniżenie poziomu zysków ciepła zadziałanie zaworu regulacyjnego ma na celu skorygowanie mocy wymiennika.
Zmiana poziomu otwarcia zaworu regulacyjnego powoduje zmianę ilości przepływającego czynnika. Proporcje, w jakich to następuje obrazują charakterystyki zaworów regulacyjnych podawanych przez producenta (liniowa, stałoprocentowa, szybkiego otwarcia [1]).
Charakterystyki podawane przez producenta są definiowane dla stałej różnicy ciśnienia na zaworze – tzw. charakterystyki statyczne. Pojawia się zatem pytanie, czy charakterystyka statyczna zaworu będąca charakterystyką teoretyczną pokrywa się z rzeczywistą charakterystyką, jaką posiada zawór podczas pracy w realnej instalacji? Aby tak było ciśnienie różnicowe podczas zamykania się zaworu w warunkach rzeczywistych musiałoby pozostawać na stałym poziomie tj. Δp_min.
Zależność pomiędzy przepływem a oporami w instalacji można opisać równaniem:

Δp = V²

gdzie:
Δp – spadek ciśnienia,
V – przepływ.

Zgodnie z powyższym podczas zamykania się zaworu, przepływ na pozostałych elementach obwodu spada, a ich opory spadają w kwadracie. Tym samym rozkład ciśnienia w obwodzie regulowanym ulega tzw. redystrybucji pomiędzy elementami, czego efektem jest odkładanie się coraz większej części ciśnienia dyspozycyjnego na zamykającym się zaworze regulacyjnym. Ciśnienie to wzrasta od wartości Δp_min aż do ciśnienia dyspozycyjnego Δp_max, co powoduje, że dla stanów pośrednich zaworu przepływ rzeczywisty jest większy niż przepływ teoretyczny. Charakterystyka rzeczywista przyjmuje odmienną postać względem teoretycznej, a jej stopień zniekształcenia zależy od stosunku Δp_min / Δp_max.

Rys. 2. Charakterystyki zaworów przy różnych autorytetach
(zawór o charakterystyce liniowej – po lewej, zawór o charakterystyce stałoprocentowej – po prawej)

Ogólna definicja autorytetu
Stosunek Δp_min / Δp_max nazywamy autorytetem zaworu regulacyjnego:

a_z = Δp_min/Δp_max

Autorytet zaworu jest to stosunek spadku ciśnienia dla nominalnego (obliczeniowego) przepływu przy pełnym otwarciu zaworu i możliwej różnicy ciśnienia w miejscu instalacji zaworu dla tego samego przepływu [2].
Im mniejszy jest autorytet zaworu, tym większe jest zniekształcenie jego charakterystyki w porównaniu do charakterystyki teoretycznej. Odkształcenie to opisywane jest liczbą, która może przyjmować wartość w przedziale od 0 do 1. Charakterystyka teoretyczna zaworów regulacyjnych to krzywa wykreślona przy autorytecie równym 1 (rys. 2.).
Odkształcenie charakterystyki zaworu jest niczym innym jak odchyłką od zakładanego, teoretycznego poziomu regulacji. W warunkach teoretycznych, a więc przy autorytecie zaworu równym 1, krzywa obrazująca charakter działania pętli regulacyjnej ma postać linii prostej o nachyleniu około 45 stopni, natomiast w warunkach rzeczywistych z uwagi na tzw. efekt autorytetu wynikowa charakterystyka regulacji może przyjmować postać funkcji wykładniczej. Powoduje to wówczas problem regulacji odbiornika w całym przedziale mocy. W dolnych zakresach wydajności regulacja może zachodzić bowiem w trybie ON/ OFF, natomiast przy zbliżaniu się do maksymalnych mocy układ uzyskują znacznie większą bezwładność (rys. 3.).
Chcąc przedstawić definicję autorytetu w sposób opisowy, można powiedzieć, że autorytet lub też liczba go opisująca to swego rodzaju miara jakości regulacji zaworu regulacyjnego, pracującego w konkretnych warunkach tj. w konkretnej instalacji w określonych warunkach ciśnienia różnicowego.

Rys. 3. Wykresy deformacji charakterystyki pętli regulacyjnej
z zaworem o charakterystyce stałoprocentowej przy różnym autorytecie

Autorytet zaworów dwudrogowych (...)

Autorytet zaworów trójdrogowych (...)

Minimalna wartość autorytetu (...)

Pomijalność autorytetu (...)

Podsumowanie
Autorytet zaworów regulacyjnych jest istotnym parametrem określającym jakość procesu regulacji. Brak odpowiedniej kalkulacji i analizy tej wielkości może przyczynić się do problemu z poprawnym działaniem odbiorników w instalacjach HVAC, a tym samym z uzyskaniem komfortu w pomieszczeniach. Należy pamiętać o różnicach, jakie występują w procedurze wyznaczania autorytetu zaworów trójdrogowych i dwudrogowych oraz warunkach, w których parametr ten zupełnie można pominąć. Warto także mieć na uwadze uniwersalność zaworów o charakterystyce stałoprocentowej w odniesieniu do zaworów z charakterystyką liniową. Świadoma kalkulacja autorytetu pozwala bowiem regulować zaworem o charakterystyce stałoprocentowej praktycznie każdy odbiornik.

LITERATURA
[1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1 Ck&k 11/2011
[2] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3, TA Hydronics
[3] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics
[4] Hydronic balancing, Karoly Vinkler, Miklos Javori, TA Hydronics
[5] Kompendium wiedzy, Ogrzewnictwo Klimatyzacja Ciepła Woda Chłodnictwo, Recknagel, Sprenger, Schramek

AUTORZY:
Konrad KARGUL, Sławomir ŚWIĄTECKI
– pracownicy działu technicznego TA Hydronics