Zawory regulacyjne stanowią istotny element instalacji klimatyzacji i grzewczych. Ich właściwa praca zależy od poprawności doboru, ale także od skuteczności działania siłownika. Poprawnie skonfigurowany duet tych dwóch urządzeń jest podstawą dla skutecznego procesu regulacji.

W części piątej z cyklu o doborze zaworów regulacyjnych w numerze 8-2012 CH&K, uwaga została skupiona m.in. na kwestiach związanych z doborem siłowników. Obecny artykuł stanowi kontynuację wątku poprzez szersze opisanie wybranych cech tych urządzeń. Wybór konkretnych właściwości poddanych dokładnej analizie został dokonany bazując na często pojawiających się pytaniach podczas fazy projektowej jak i wykonawczej.

Podział siłowników elektrycznych

Siłowniki elektryczne z uwagi na rodzaj napędu można sklasyfikować jako siłowniki elektrotermiczne oraz elektromotoryczne (rys. 1.). Siłowniki elektrotermiczne wykorzystują zjawisko rozszerzalności temperaturowej substancji zamkniętej w mieszku. Podanie napięcia na grzałkę otaczającą zbiorniczek, np. z odpowiednim rodzajem wosku, powoduje czynny ruch siłownika. Odcięcie napięcia skutkuje wystudzeniem substancji, czego następstwem jest powrót siłownika do pozycji wyjściowej. Siłowniki elektromotoryczne zwykle posiadają silniki elektryczne o stałej prędkości obrotowej. Zależnie od podanego sygnału, silnik obraca się w lewo lub w prawo. Ruch silnika za pomocą przekładni zębatej lub dźwigni przenoszony jest na trzpień zmieniający pozycję zaworu. Obecnie stosowane siłowniki elektromotoryczne często wyposażone są w układ elektroniczny, który rozbudowuje urządzenie o dodatkowe funkcje jak np. autokalibracja, informacja o aktualnym położeniu, czy też wyłącznik krańcowy który odcina zasilanie z silnika w chwili uzyskania skrajnej pozycji przez siłownik (rys. 2.).

Rys. 1. Schemat ideowy siłownika: A) elektrotermicznego, B) elektromotorycznego

Czas przejścia siłownika

Obecność siłowników o zróżnicowanej konstrukcji i sposobie działania, to głównie efekt racjonalizacji kosztów inwestycyjnych. Siłowniki elektromotoryczne są bardzo precyzyjne, ale niestety stosunkowo drogie w produkcji. W branży HVAC wielokrotnie występuje rodzaj regulacji mocy urządzeń, który nie wymaga wysokiej dokładności uzyskiwanej przy użyciu siłownika o regulacji płynnej. Taką postacią regulacji jest układ ON/OFF, który stosowany jest w wielu odbiornikach końcowych jak np. aparaty grzewczo-wentylacyjne, kurtyny powietrzne, czy belki chłodnicze. Z myślą o regulacji dwustawnej skonstruowany został siłownik elektrotermiczny. Urządzenie prostsze w budowie, o niższych kosztach produkcji (rys. 3.).

Warto wiedzieć, że w obszarze parametrów, pomiędzy siłownikiem wyposażonym w mieszek oraz w silnik, poza precyzją jest jeszcze jedna istotna różnica – czas przejścia, który w uproszczeniu można określić jako prędkość. W tabeli 1 porównane zostały urządzenia o różnej konstrukcji. Wartości wyraźnie pokazują różnice w prędkości poszczególnych modeli. Wzrost szybkości siłownika obserwowany jest w pewnym sensie proporcjonalnie do jego zaawansowania technologicznego. Spośród siłowników elektromotorycznych, wybór pod kątem czasu przejścia jest relatywnie szeroki. Jednak próbując uszeregować w podobny sposób siłowniki elektrotermiczne, napotkamy kłopot w postaci bardzo zbliżonych parametrów, mimo różnych typów, a nawet producentów. Brak alternatywy rodzi problem, gdy potrzebne jest urządzenie, które w szybkim tempie pozwoli uzyskać pełny przepływ na odbiorniku, przy poprzestaniu na regulacji dwustawnej. Receptą na to może być dobór odpowiedniego zaworu, który na skutek kształtu grzybka regulacyjnego zbliżonego do dysku, pozwala uzyskać niemalże 100% przepływu przy niewielkim otwarciu (rys. 4). Zawór taki oczywiście jest nieodpowiedni do regulacji płynnej, ale skoro dobrany został siłownik ON/OFF, liczy się jedynie szybkość osiągania nominalnej wydajności strumienia wody. Przykładowym przypadkiem obrazującym powyższe jest dobór armatury dla kurtyny powietrznej w lokalu nie wyposażonym w wiatrołap. Montaż kurtyn jest obligatoryjny w myśl zapisu zawartego w Warunkach Technicznych: „Wejścia z zewnątrz do budynku i pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi należy chronić przed nadmiernym dopływem chłodnego powietrza przez zastosowanie przedsionka, kurtyny powietrznej lub innych rozwiązań nieutrudniających ruchu”. Poz. 690, roz. 3, § 63. Nawet jeśli przewidywana częstotliwość otwierania drzwi jest niska, należy spełnić wymagania określone przepisami. Warto jednak wówczas zastosować rozwiązanie racjonalizujące koszty eksploatacyjne oraz minimalizujące dokuczliwość potencjalnego hałasu generowanego przez urządzenie. Przykładowym wariantem jest zastosowanie jako elementu regulacyjnego zaworu o płaskim grzybku z charakterystyką szybkiego otwarcia lub ewentualnie zaworu elektromagnetycznego. Dla zrównoważenia przepływu konieczny jest zawór równoważący. Natomiast dla tzw. podtrzymania temperatury wymiennika w celu szybkiego startu - obejście z zaworem w funkcji kryzy regulacyjnej (patrz przykład).

Precyzja pracy siłownika

Dobierając siłownik do regulacji płynnej, sygnałem 0-10V w domyśle głównym zamiarem jest płynna regulacja o wysokiej jakości – dobierany jest w tym celu odpowiedni zawór o charakterystyce stałoprocentowej, Kvs liczony jest z dbałością o wysoki autorytet itd. W tym miejscu pojawia się pytanie, na co natomiast należy zwrócić uwagę przy doborze siłownika pod kątem dokładności regulacji?

Aby poprawnie wytypować urządzenie należy poznać parametry opisujące precyzję działania siłownika t.j. rozdzielczość elektryczna, rozdzielczość mechaniczna oraz histereza. Histereza jest różnicą wartości sygnału jaka musi zaistnieć pomiędzy sygnałem otwierającym i zamykającym, aby siłownik zmienił kierunek ruchu. Wartość histerezy uwarunkowana jest głównie typem zastosowanego silnika elektrycznego. Im parametr ten jest niższy tym bardziej czuły na zmianę sygnału na przeciwny jest siłownik. Jednak zbyt niska wartość histerezy może powodować ciągłe delikatne ruchy napędu góra/dół w momencie, gdy regulator szuka optymalnego stanu równo wagi. To z kolei mogłoby mieć konsekwencję w obniżeniu żywotności urządzenia.

Rys. 2. Przykład siłowników elektromotorycznych posiadających funkcję kalibracji, opcję sygnału zwrotnego na temat położenia, wyłącznik krańcowy (Seria MC, TA Hydronics)

Rys. 3. Obraz konstrukcji siłownika o różnej funkcji: A) siłownik do regulacji ON/OFF (EMOtec), B) siłownik do regulacji płynnej (EMO 1). (Seria EMO, TA Hydronics)

Rys. 4. Przykład zaworu z płaskim grzybkiem regulacyjnym – zawór umożliwia szybkie uzyskanie pełnego przepływu (zawór Grawitacyjny, TA Hydronics)

Rozdzielczość elektryczna jest natomiast czułością na zmianę napięcia sygnału przy kontynuacji ruchu siłownika w danym kierunku.

Rozdzielczość mechaniczna określa z kolei jaka jest najmniejsza możliwa zmiana pozycji trzpienia w siłowniku przy pojawieniu się minimalnej wartości sygnału. Obie rozdzielczości są tym samym informacją jak dokładnie przenoszony jest sygnał z regulatora na pozycje zaworu regulacyjnego. Poddając analizie siłownik MC 55Y (TA Hydronics) w karcie katalogowej widnieją wartości:

sygnał sterujący 0-10V; histereza 0,3V, rozdzielczość elektryczna 0,04V, mechaniczna 0,06 mm, skok 20 mm. Znając powyższe możemy określić ilość możliwych pozycji siłownika.

• · 10V÷0,04 = 250  → ilość pozycji wynikających z rozdzielczości elektrycznej

• · 20 mm÷0,06 = 333  → ilość pozycji wynikających z rozdzielczości mechanicznej

Jak pokazują wyliczenia, ilość możliwych pozycji jest różna. Efekt końcowy jest w takim przypadku wynikiem ograniczonym niższą rozdzielczością. Oznacza to, że siłownik pokonuje własny zakres w maksymalnie 250 krokach po 0,08 mm. Analizy takie są istotne, ponieważ bardzo często siłownik pracuje z zaworem o dużo mniejszym skoku. Dla przykładu typowa konfiguracja: zawór regulacyjny CV 216 RGA DN 15 (skok 12 mm) + siłownik MC55Y daje 200 pozycji, a więc zdolność ruchu w przeskoku o 0,5% całkowitego zakresu.

10V÷0, 04 = 250, 12 mm÷0,06=200   → 200 pozycji

Kalibracja

Ważną funkcją siłowników do regulacji płynnej jest proces kalibracji. Polega on na rozpoznaniu skoku zaworu poprzez przejście siłownika od całkowitego zamknięcia do pełnego otwarcia. Proces taki zapewnia przypisanie wartości 10V do maksymalnego otwarcia zaworu nawet, gdy zakres ruchu siłownika jest szerszy. Dzięki temu pośrednie wartości sygnału podawanego przez układ automatyki odpowiadają procentowemu otwarciu samego zaworu. Kalibracja jest cechą, która gdy tylko siłownik posiada znormalizowane podłączenie np. w postaci gwintu, czyni go uniwersalnym i może być stosowany z różnymi typami armatury (rys. 5.). Ważne jest tylko aby zakres ruchu siłownika nie był mniejszy niż skok zaworu regulacyjnego.

L_siłownika ≥ L_zaworu

gdzie:

L_siłownika – skok siłownika

L_zaworu – skok zaworu

Mając na uwadze proces kalibracji oraz pamiętając o rozdzielczości siłownika, podczas doboru zaworu należy dane te zestawić z jego skokiem. Nawet najbardziej precyzyjne siłowniki mają bowiem swoje graniczne możliwości. Jeśli tym samym na rynku dostępne są zawory do regulacji płynnej o skoku 2-3 mm należy zawsze postawić pytanie jakie parametry rozdzielczości oferuje ten sam producent dla siłownika przewidzianego do współpracy z daną armaturą.

Pozycja siłownika po zaniku napięcia (…)

Możliwe wersje sygnału sterującego (…)

Jak i gdzie wolno montować siłowniki (…)

Podsumowanie

W artykule stanowiącym część piątą omówiony został dobór siłownika, który powinien być sporządzony uwzględniając:

• · rodzaj przyjętej regulacji (płynna, 3-stawna, ON/OFF, PWM),

• · wartość napięcia sygnału z regulatora,

• · skok zaworu,

• · maksymalne ciśnienie różnicowe na zaworze regulacyjnym,

• · charakterystykę zaworu,

• · rozdzielczość regulacyjna,

• · stopień ochrony IP,

• · warunki otoczenia w których będzie montowany siłownik,

• · możliwość pracy w trybie ręcznym i automatycznym.

W niniejszej publikacji opisane zostały bliżej wybrane parametry z powyższej listy. Poprawne projektowanie oraz wykonawstwo bazuje wielokrotnie na świadomym wyborze optymalnego urządzenia. Znajomość pojęcia rozdzielczości mechanicznej i elektrycznej oraz jej wpływ na regulację to jeden z zasadniczych punktów przy wyborze siłownika do regulacji płynnej. Wiedza na temat współczynnika IP, pozycji montażu, to kolejne parametry wskazujące jak właściwie wyselekcjonować produkt z rynku. Znajomość znaczenia skrótu NC i NO oraz wartość napięcia to klucz do łatwego doboru siłowników ON/OFF.

Bardzo istotna jest pamięć, że dobór zaworu regulacyjnego nie gwarantuje poprawnej regulacji. Przypieczętowaniem kalkulacji jest wskazanie siłownika z jakim zawór powinien pracować. Warto mieć to na uwadze, zwłaszcza w przypadku, gdy wybór tych dwóch elementów dokonywany jest przez różne strony w procesie projektowym (np. projektanta instalacji wodnych oraz automatyka). Konieczna jest wówczas odpowiednia komunikacja w celu wymiany wzajemnych oczekiwań tak, aby duet zawór + siłownik był optymalnym dla przyjętego w projekcie rozwiązania procesu regulacji.

LITERATURA

[1] Zawory regulacyjne w instalacjach chłodniczych i grzewczych cz. 1, cz. 5.

[2] Hydrauliczne równoważenie obwodów regulacyjnych. Zeszyt nr 3,TA Hydronics.

[3] Total Hydronic Balancing, Robert Petitjean, TA Hydronics.

[4] RECKNAGEL, SPRENGER, SCHRAMEK: Kompendium wiedzy, Ogrzewnictwo Klimatyzacja Ciepła Woda Chłodnictwo.

[5] Hans ROOS: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego.

[6] PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP)

[7] Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690, Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

[8] Materiały szkoleniowe TA Hydronics.