"bezpłatny materiał szkoleniowy - wyłącznie do użytku wewnętrznego"

REGULACJA HYDRAULICZNA INSTALACJI Z ZASTOSOWANIEM ZAWORÓW REGULACYJNYCH BALLOREX

 

Motto: Znacznie mniej trudności sprawiło mi odkrycie ruchu ciał niebieskich, niezależnie od ich zdumiewającej odległości, niż badania nad ruchami płynącej wody (Galileusz).

Projektant instalacji ogrzewania lub obiegu wody lodowej w klimatyzacji dąży do tego, aby działała ona jak elektryczna sieć rozdzielcza. Należy jednak pamiętać o tym, że w przypadku sieci elektrycznej zakłada się milcząco, że w każdym gniazdku wtykowym występuje takie samo napięcie (różnica ciśnienia w węźle instalacji hydraulicznej) zarówno przy pełnym, jak i częściowym obciążeniu.
Jednak rozdział strumienia objętości wody grzejnej lub chłodzącej w sieci przewodów rozprowadzających wyposażonej w urządzenia automatycznej regulacji jest z zasady dystrybucją zmiennoprzepływową. Sieć rozdzielcza powinna być tak zaprojektowana i wyposażona w takie elementy regulacji, aby wszystkim zaworom regulacyjnym i odbiornikom (grzejniki / klimakonwektory wentylatorowe) zapewnić wymagany przepływ w zależności od warunków obciążenia. Gdy warunek ten nie jest spełniony, to pojawiają się trudności z utrzymaniem parame trów komfortu w ogrzewanych lub chłodzonych pomieszczeniach oraz wzrasta zużycie energii, a zatem i koszty eksploatacji instalacji.
Często zdarza się, że właściwie zaprojektowana instalacja obiegowa (c.o. lub wody lodowej) działa niewłaściwie, ponieważ nieprzewidziane problemy hydrauliczne utrudniają regulację układu. Automatyka zamontowana w instalacji (zawory regulacyjne i regulatory) będzie działać prawidłowo tylko wtedy, gdy różnica ciśnienia i przepływu w poszczególnych obiegach instalacji będą zbliżone do obliczeniowych. Gdy przepływy będą za duże, to zawory regulacyjne będą wpadać w oscylację w warunkach małego i średniego obciążenia, co z kolei będzie przyczyną zmian temperatury w ogrzewanych lub chłodzonych pomieszczeniach. Zjawiska te są spowodowane dwustronnym działaniem zaworów regulacyjnych w zakresie małego stopnia otwarcia. Natomiast, gdy przepływy będą za małe, to obieg nie dostarczy lub nie odbierze wymaganej mocy cieplnej, a zatem może to spowodować zmiany temperatury w pomieszczeniach wykraczając poza wartości dopuszczalne.
Podstawowym warunkiem prawidłowego, zgodnego z oczekiwaniami działania każdej instalacji jest właściwy rozkład ciśnienia, a zatem i przepływów, szczególnie w warunkach częściowego obciążenia. Oczekiwania te polegają przede wszystkim na uzyskaniu właściwych warunków mikroklimatu w ogrzewanych lub chłodzonych pomieszczeniach przy najmniejszym zużyciu energii i bez nadmiernego obciązenia urządzeń automatycznej regulacji oraz uciążliwych zjawisk akustycznych. Problem zapewnienia właściwego rozkładu przepływów nośnika ciepła w instalacjach obiegowych jest, jak już stwierdził Galileusz (patrz motto), trudny i złożony, a złożoność tę pogłębia superpozycja wielu różnych czynników, jak np. zmiana charakterystyki hydraulicznej rurociągów, przepływów itp. Ogólnie można stwierdzić, że warunkiem uzyskania właściwego instalacji obiegowej jest opanowanie występujących nieustalonych stanów hydraulicznych, co wymaga stosowania różnego rodzaju urządzeń regulacyjnych, produkowanych miedzy innymi przez duńską firmę BROEN VALVE Group. Tematem artykułu będzie hydrauliczna regulacja instalacji c.o. za pmocą zaworów regulacyjnych BALLOREX.

1. Zawory BALLOREX do dynamicznej regulacji instalacji.

 

 

Rys.1. Zawór regulacyjny Ballorex QP. 1- skala nastawy różnicy ciśnienia, 2-kołpak ochronny, 3-uchwyt do nastawy przepływu, 4-nakrętka zabezpieczająca, 5-przyłącze sygnału regulacyjnego (kapilary) od strony powrotu, 6-przepona, 7-gniazdo zaworu, 8-stożek zaworu, 9-przesłona do regulacji przepływu.

 

 

Rys.2. Zawór odcinająco-pomiarowy Ballorex M. 1-przyłącze kapilary, 2-zawór odcinający, 3-króciec odwodnienie/odpowietrzenie, 4-króciec do przyłączenia zestawu pomiarowego FLOWMETER.

 

 

Rys.3. Zawór regulacyjny Ballorex Q. 1-kapilara wewnętrzna, 2-strona niskiego ciśnienia przed przeponą, 3-przesłona do ograniczania przepływu, 4-uchwyt do nastawy przepływu, 5-nakrętka do zabezpieczania zadanej nastawy.

 

 

- korpus i inne elementy metalowe: - mosiądz MS 58
- sprężyna i stożek zaworu - stal nierdzewna
- przepona i pierścienie uszczelniające (o-ring) - EPDM
- przegrody i inne części tworzywowe - Noryl wzmocniony włóknem szklanym.
Hydrauliczną charakterystykę zaworów regulacyjnych Ballorex QP podano w tabeli.

Do dynamicznej regulacji instalacji c.o. oraz instalacji wody lodowej w klimatyzacji mogą być stosowane następujące urządzenia: - zawór regulacyjny BALLOREX QP (rys.1), - zawór odcinająco-pomiarowy BALLOREX M (rys.2), - zawór regulacyjny BALLOREX Q (rys.3), Ballorex QP jest to działający bez energii pomocniczej proporcjonalny regulator różnicy ciśnień z zaworem, napędem nastawczym ze sprężyną wartości zadanej i nadrzędnym zespołem nastawy wstępnej do ograniczenia maksymalnej wartości przepływu. Przy przepływach mniejszych niż projektowany (obliczeniowy) strumień objętości, zadana różnica ciśnienia jest utrzymywana w procesie samoczynnej regulacji, a przepływy większe niż projektowane nie są możliwe dzięki odpowiedniemu położeniu przesłony regulacyjnej. Projektowany strumień objętości przepływającego nośnika ciepła nastawiany jest za pomocą powtarzalnej nastawy wstępnej układu nastawczego (rys.1 i rys.6). Wymagane ciśnienie różnicowe (w zakresie od 10 do 40 kPa) ustala się za pomocą zmiany napięcia sprężyny dociskającej przeponę. Zawory Ballorex QP są przeznaczone przede wszystkim do montażu w rurociągach zasilających dwudrogowych instalacji c.o. oraz węzłów ciepłowniczych, przy czym zapewniają one: - ciągłe utrzymanie stałej różnicy ciśnienia, również wtedy, gdy wartość rzeczywistego przepływu spada poniżej wartości obliczeniowego strumienia objętości, - ograniczenie największego możliwego przepływu do wartości obliczeniowego strumienia objętości, A zatem, w instalacjach c.o. z termostatycznymi zaworami grzejnikowymi bez wstępnej nastawy lub zwykłymi zaworami grzejnikowymi, zawory Ballorex QP zapewniają optymalną ich eksploatację w przypadku -stosowania pomp obiegowych bez płynnej regulacji prędkości obrotowej w warunkach zmiennego obciążenia cieplnego (utrzymując żądane ciśnienie dyspozycyjne w obiegach). W przypadku, gdy zawory regulacyjne Ballorex QP są używane wyłącznie jako regulatory ciśnienia dyspozycyjnego, to przesłona ogranicznika przepływu ustawiona jest w pozycji pełnego przepływu. Zawory Ballorex QP mogą być również stosowane w obiegach wody lodowej. Zawór Ballorex M (rys.2) montowany jest w rurociągu powrotnym i stosowany jest na ogół w połączeniu z zaworem Ballorex QP (rys.4), przy czym sygnał sterujący niższego ciśnienia przekazywany jest za pośrednictwem kapilary do przestrzeni nad przeponą tego zaworu. Sygnał ciśnienia przekazywanego przez kapilarę jest odcięty, gdy kurek kulowy 2 (rys.2) jest w pozycji zamkniętej. Zawór Ballorex M może być również wykorzystywany do odwodnienia / odpowietrzenia obiegu, a także pozwala na podłączenie do obiegu specjalnego zestawu pomiarowego FLOWMETER (rys.5). zestaw ten umożliwia pomiar strumienia objętości i temperatury czynnika przepływającego przez zawór; wyniki pomiaru mogą być podstawą do regulacji hydraulicznej instalacji i poszczególnych obiegów. Warunkiem uzyskania wiarygodnych wyników pomiaru strumienia objętości za pomocą zestawu FLOWMETER jest właściwy montaż zaworu Ballorex M. Przed zaworem (w odniesieniu do kierunku przepływu) należy pozostawić prosty odcinek przewodu o długości 5 x DN, a także przewidzieć miejsce umożliwiające montaż i demontaż sond pomiarowych. Zawór regulacyjny Ballorex Q (rys.3) jest przeznaczony do regulacji przepływu w jednorurowych instalacjach c.o. oraz węzłach ciepłowniczych. Jest on skonstruowany jako ogranicznik przepływu. Zawór Ballorex Q jest wyposażony w wewnętrzną kapilarę 1, która przekazuje sygnał ciśnienia za przesłonę 3, po stronie niskiego ciśnienia przepony 2. Dzięki temu strata ciśnienia przy przepływie przez zawór (spowodowana przesłoną) jest stała, a maksymalny przepływ czynnika wynika z zadanej nastawy. A zatem zawór Ballorex Q może być montowany w instalacjach bez przyłącza do kapilary. W celu ochrony ruchomych części zaworu regulacyjnego Ballorex QP i Q, w instalacjach obiegowych powinny być montowane filtry do stałych zanieczyszczeń unoszonych w strumieniu nośnika ciepła.

Dane techniczne zaworów BALLOREX:  
- maksymalne ciśnienie robocze: 12 bar
- ciśnienie próbne: 16 bar
- maksymalne temp. wody: 130°C (praca ciągła)
- maksymalne temp. wody: 150°C (praca chwilowa)
- zakres regulowanej różnicy ciśnienia: 10 - 40 kPa,
- maksymalny spadek ciśnia na zaworze: 200-450 kPa, (przy największym i najmniejszym przepływie)
Materiały konstrukcyjne elementów zaworów stykających się czynnikiem grzejnym:

2. Przykłady doboru zaworów regulacyjnych Ballorex QP.

Metodyka doboru zaworu regulacyjnego BALLOREX zależy od wyposażenia instalacji c.o., w której ma być on zamontowany. W praktyce mogą wystąpić dwa przypadki:
a) instalacja jest wyposażona w termostatyczne zawory grzejnikowe z nastawą wstępną,
b) instalacja jest wyposażona w termostatyczne zawory grzejnikowe bez nastawy wstępnej.
W przypadku a) zawór regulacyjny spełnia zadanie regulatora różnicy ciśnienia, a zatem przesłona regulacyjna przepływu znajdować się będzie w położeniu całkowitego otwarcia. W tych warunkach podstawą do doboru nastawy zaworu będzie zadany, maksymalny przepływ obliczeniowy oraz wymagane ciśnienie różnicowe (dyspozycyjne) DPc w obwodzie (rys.6). Wymaganą nastawę zaworu wyznaczyć można za pomocą charakterystyki hydraulicznej zaworu; przykład takiej charakterystyki zaworu Ballorex QP DN15/20 pokazano na rys.7.


Rys. 4. Schemat dwururowej instalacji c.o. z zaworemi BALLOREX QP+M

TABELA: Hydrauliczna charakterystyka zaworów regulacyjnych BALLOREX QP.
Średnica nominalna DN, mm Zakres strumienia objętości dm3/h Kvs m3/h
15
0,014-0,278
2,8
20
0,014-0,333
3,0
25
0,069-0,694
7,3
32
0,069-0,778
7,5

Rys.5. Zestaw pomiaru BALLOREX FLOWMETER: 1- obudowa przyrządu z ciekło krystalicznym wyświetlaczem, 2- sonda do pomiaru strumienia objętości, 3- sonda z czujnikiem temperatury PT 1000

Rys.6. Zawór BALLOREX QP jako regulator ciśnienia różnicowego (dyspozycyjnego) Dp w obwodzie instalacji.

Rys.7. Hydrauliczna charakterystyka zaworu regulacyjnego BALLOREX QP DN15/20; 1,5:2:3:4:5...9 - oznaczenia kolejnych pozycji nastawy ciśnienia dyspozycyjnego.

Przykład 1.

Dobrać wielkość zaworu regulacyjnego do regulacji różnicy ciśnień w obwodzie wodnej instalacji c.o. o następujących parametrach:
- maksymalny przepływ obliczeniowy: qmax=0,14dm3/s
- wymagane ciśnienie różnicowe (dyspozycyjne) DPc=20 kPa

Rozwiązanie:

Za pomocą tabeli dobiera się, dla wartości qmax , zawór o średnicy DN15. Na podstawie rys.7 dobiera się zawór Ballorex Dn15 z nastawą wstępną poz.4. W przypadku b) zawór regulacyjny powinien spełniać dwie funkcje: regulatora różnicy ciśnienia oraz ogranicznika przepływu. A zatem w celu umożliwienia doboru nastawy przesłony ogranicznika przepływu, charakterystyka hydrauliczna zaworu musi zawierać dodatkową wielkość - spadek ciśnienia na przesłonie w zależności od jej położenia (rys.8).
Dobór nastaw zaworu przebiega wtedy w dwóch fazach:

  • wyznaczenie nastawy sprężyny regulacyjnej przepony; jak w przykładzie 1, wielkościami zadanymi są: maksymalny przepływ qmax , i wymagane ciśnienie różnicowe (dyspozycyjne) w obwodzie DPc,
  • wyznaczenie nastawy przesłony regulacyjnej ogranicznika przepływu.

Wymagana nastawa przesłony ogranicznika przepływu może być wyznaczona dwoma sposobami:

  • za pomocą zestawu pomiarowego FLOWMETER; przyrząd pomiarowy należy przyłączyć do zaworu Ballorex M i zmieniając położenie przesłony regulacyjnej ogranicznika przepływu zaworu Ballorex QP ustawić wymagany przepływ maksymalny, przy czym wartości tego przepływu będzie wyświetlona na wskaźniku przyrządu. Rys.8. Hydrauliczna charakterystyka zaworu regulacyjnego BALLOREX QP DN15/20 z funkcją ogranicznika przepływu: W czasie tej czynności wszystkie zawory termostatyczne w obwodzie muszą być całkowicie otwarte,
  • korzystając z pełnej charakterystyki hydraulicznej zaworu, tzn. uwzględniając spadek ciśnienia na przesłonie regulacyjnej, zgodnie z zależnością (rys.9).

    DPo=DPv+DPc=DPv+DPg+DPA(1)

    gdzie:
    DPo- całkowity spadek ciśnienia (ciśnienie dyspozycyjne),
    DPv- spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym,
    DPg- spadek ciśnienia na przesłonie ogranicznika przepływu,
    DPA- strata ciśnienia w regulowanym obwodzie.

A więc strata ciśnienia na przesłonie ogranicznika przepływu została w tym przypadku uwzględniona w przeciwieństwie do przypadku 1, w którym przesłona znajduje się w pozycji całkowitego otwarcia. 1,5:2..9 - oznaczenia kolejnych pozycji nastawy ciśnienia różnicowego (dyspozycyjnego), W praktyce mogą wystąpić dwa przypadki determinujące sposób doboru nastawy przesłony:

  • gdy: DPA / DPA+ DPp <0,2 to nastawa może być wyznaczona bezpośrednio z charakterystyki (rys.8)
  • gdy: DPA / DPA+ DPp > 0,2 to nastawa musi być skorygowana o wartość DPA (linia przerywana na rys.8)

Rys.8. Hydrauliczna charakterystyka zaworu regulacyjnego BALLOREX QP DN 15/20 z funkcją ograniczenia przepływu: 1,5:2-9- oznaczenia kolejnych pozycji nastawy ciśnienia różnicowego (dyspozycyjnego), I, II, -VII- oznaczenia kolejnych pozycji nastawy przesłony regulacyjnej przepływu

Przykład 2.

- maksymalny przepływ obliczeniowy qmax=0,14dm3/s
- wymagane ciśnienie różnicowe (dyspozycyjne) DPc=20 kPa
- strata ciśnienia w regulowanym obwodzie DPA=10 kPa

Rozwiązanie

- gdy DPA / DPA+ DPp < 0,2 to z rys.8 otrzymuje się bezpośrednio nastawę sprężyny przepony regulacyjnej różnicy ciśnienia (poz.4) i nastawę przesłony ogranicznika przepływu (poz.III).
- gdy DPA / DPA+ DPp > 0,2 to sposób wyznaczenia skorygowanej nastawy przesłony ogranicznika przepływu pokazano na rys.8 linią przerywaną (poz.IV).
Dobierając nastawy zaworu regulacyjnego Ballorex Q działającego jako ogranicznik przepływu, należy pamiętać o tym, że wprowadza się do obiegu dodatkowy opór hydrauliczny DPv (rys.10). W rezultacie, ciśnienie dyspozycyjne DPO , powinno skompensować stratę ciśnienia w regulowanym obwodzie DPA i stratę ciśnienia na zaworze DPV.

I:II:III ... VII - oznaczenia kolejnych pozycji nastawy przesłony regulacyjnej przepływu.

Odpowiednie nastawy organów regulacyjnych zaworów Ballorex Q wyznacza się przy zadanych parametrach za pomocą nomogramów stanowiących dokumentację technicznoruchową tych -urządzeń.

Rys.9. Zawór regulacyjny BALLOREX QP jako regulator ciśnienia różnicowego (dyspozycyjnego) z funkcją ogranicznika przepływu.

Rys.10. Zawór regulacyjny BALLOREX Q w regulowanym obwodzie instalacji.

3. Wnioski.

Instalacje obiegowe w urządzeniach ogrzewania i klimatyzacji są układami dynamicznymi, w których rozkład ciśnienia, przepływy i temperatura nośników ciepła ulegają ciągłym zmianom, gdyż urządzenia te działają w warunkach zmiennego obciążenia cieplnego. Zawory regulacyjne Ballorex zapewniają automatyczną kompensację zmian ciśnienia, a tym samym stwarzają optymalne warunki rozdziału strumienia masy nośników ciepła. Dzięki temu utrzymuje się warunki komfortu cieplnego w ogrzewanych lub klimatyzowanych obiektach przy ograniczonym zużyciu energii. Konstrukcja i zasada działania zaworów Ballorex upraszcza projektowanie i regulację instalacji obiegowych, ponieważ wartości ciśnienia różnicowego (dyspozycyjnego) i strumienia objętości nośnika ciepła w danym obwodzie, wyznacza się i nastawia w wyjątkowo prosty sposób. Na podstawie analizy dokumentacji technicznej i wieloletnich doświadczeń eksploatacyjnych można stwierdzić, że zawory regulacyjne Ballorex wyróżniają się następującymi cechami:
- zapewniają szybką, dokładną i ekonomiczną regulację instalacji,
- są łatwe w montażu i demontażu (w celu ewentualnego czyszczenia),
- ułatwiają konserwację pozostałych elementów instalacji,
- stwarzają możliwość pomiaru rzeczywistych strumieni objętości nośników ciepła w obwodach za pomocą zestawu pomiarowego FLOWMETER. Jest to zaleta szczególnie przydatna w przypadku modernizacji i regulacji starych instalacji o nieznanej charakterystyce hydraulicznej.

Dr inż. MARIAN RUBIK
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji
Politechniki Warszawskiej
Przedsiębiorstwo Consultingowo-Handlowe "AS"
82-300 Elbląg
ul. Skrzydlata 28
tel. (55) 2325172
fax (55) 2326595
BROEN VALVE Group
BALLOREX®