Wstęp

Zawór regulacyjny jest jednym z tych elementów instalacji, które zazwyczaj dobiera się na samym końcu. Gdy dobierzemy chłodnice i znamy średnicę jej króćców, najbardziej naturalne wydaje się, żeby np. do rurociągu DN25 trafił zawór DN25.

Tylko że średnica przyłącza nie mówi jeszcze, czy zawór będzie prawidłowo regulował przepływ.

Zawory o tej samej średnicy mogą mieć zupełnie różne wartości Kvs. Jeden będzie dobrze współpracował z chłodnicą, drugi okaże się zbyt mały i wprowadzi niepotrzebnie duży opór, a trzeci będzie przewymiarowany i przez większość czasu będzie pracował przy minimalnym otwarciu.

Dlatego zaworu trójdrogowego nie powinno się dobierać wyłącznie na podstawie średnicy rurociągu. Podstawą doboru są:

  • wymagany przepływ czynnika,
  • spadek ciśnienia na chłodnicy lub nagrzewnicy,
  • spadek ciśnienia na zaworze,
  • współczynnik Kvs,
  • autorytet zaworu,
  • rodzaj czynnika oraz warunki pracy instalacji.

W tym artykule uporządkujemy te pojęcia i pokażemy na konkretnym przykładzie, w jaki sposób dobrać zawór trójdrogowy do wymiennika w centrali wentylacyjnej.

Jaką funkcję pełni zawór 3-drogowy?

Zawór trójdrogowy w centrali wentylacyjnej odpowiada za płynną regulację temperatury powietrza nawiewanego do budynku. Realizuje to poprzez sterowanie ilością gorącej (lub zimnej) wody dopływającej do nagrzewnicy/chłodnicy.

Posiada trzy króćce i może pracować jako zawór mieszający albo rozdzielający. Nie oznacza to jednak, że każdy zawór można dowolnie zamontować w obu konfiguracjach.

W układzie mieszającym dwa strumienie wpływają do zaworu, a jeden z niego wypływa. W układzie rozdzielającym jeden strumień wpływa, a następnie jest rozdzielany na dwie drogi.

W centralach wentylacyjnych zazwyczaj stosowany jest układ mieszający. Część czynnika przepływa wtedy przez wymiennik, a część przez obejście. Zmiana położenia zaworu decyduje, jaka część strumienia przepłynie przez chłodnicę lub nagrzewnicę.

Bardzo ważne jest zachowanie kierunku przepływu podanego przez producenta zaworu. Zawór zamontowany odwrotnie może pracować głośno i niestabilnie, a w skrajnym przypadku może dojść do uszkodzenia jego elementów lub siłownika. Nie każdy zawór trójdrogowy dopuszcza pracę rozdzielającą.

Czym różni się zawór 3-drogowy chłodnicy i nagrzewnicy?

Od strony hydraulicznej dobór zaworu do chłodnicy wodnej i nagrzewnicy wodnej przebiega według tych samych zasad. W obu przypadkach mamy określony przepływ czynnika, opór wymiennika oraz wymaganą moc.

Różnice dotyczą przede wszystkim temperatury czynnika, jego właściwości, wymaganych materiałów zaworu oraz sposobu zabezpieczenia instalacji.

Przy nagrzewnicy szczególne znaczenie może mieć funkcja bezpieczeństwa siłownika. W przypadku zaniku napięcia zawór powinien ustawić się w pozycji chroniącej nagrzewnicę przed zamarznięciem. Przy chłodnicy ważniejsze mogą być szczelność zamknięcia, możliwość wykraplania wilgoci oraz stabilna regulacja przy niewielkim zapotrzebowaniu na chłód.

Sam sposób obliczania Kvs i autorytetu pozostaje jednak taki sam.

Jakie dane są potrzebne do doboru zaworu?

Podstawowe dane otrzymujemy z doboru chłodnicy lub nagrzewnicy. Są to przede wszystkim:

  • przepływ wody albo roztworu glikolu,
  • spadek ciśnienia na wymienniku,
  • temperatura zasilania i powrotu,
  • rodzaj oraz stężenie glikolu,
  • moc wymiennika,
  • średnica króćców.

Najważniejsze dla doboru zaworu są przepływ czynnika i opór wymiennika.

Sama moc chłodnicy nie wystarcza. Dwie chłodnice o podobnej mocy mogą pracować przy różnych temperaturach czynnika, różnych przepływach i zupełnie innych oporach hydraulicznych.

Czym są współczynniki Kv i Kvs

Współczynnik Kv określa przepustowość zaworu przy konkretnym położeniu jego elementu regulacyjnego. Wartość Kv zmienia się więc podczas otwierania i zamykania zaworu.

Kvs jest natomiast nominalną przepustowością zaworu przy jego pełnym otwarciu. Określa, ile metrów sześciennych wody przepłynie przez całkowicie otwarty zawór w ciągu godziny przy spadku ciśnienia wynoszącym 100 kPa, czyli 1 bar.

Przykładowo Kvs równy 4 oznacza, że przy spadku ciśnienia 1 bar przez całkowicie otwarty zawór przepłyną około 4 m³/h wody.

Nie oznacza to jednak, że przy każdym ciśnieniu przepływ będzie wynosił 4 m³/h. Przepływ zależy zarówno od Kvs, jak i od rzeczywistej różnicy ciśnień na zaworze.

Dla wody możemy zastosować wzór:

Kvs = Q × √(100 / Δpᵥ)

gdzie:

  • Q – przepływ czynnika w m³/h,
  • Δpᵥ – wymagany spadek ciśnienia na całkowicie otwartym zaworze w kPa.

Jeżeli znamy Kvs zaworu, jego spadek ciśnienia możemy obliczyć z zależności:

Δpᵥ = 100 × (Q / Kvs)²

Dla roztworów glikolu należy uwzględnić właściwości czynnika. Znaczenie ma jego gęstość, a przy niskich temperaturach również lepkość. Dlatego ostatecznego sprawdzenia zaworu warto dokonać w programie doborowym producenta, podając rodzaj glikolu, jego stężenie i temperaturę pracy.

Czym jest autorytet zaworu?

Autorytet mówi, jak duży wpływ na przepływ w regulowanej gałęzi ma sam zawór.

W najprostszym układzie można go obliczyć ze wzoru:

a = Δpᵥ / (Δpᵥ + Δpᵣ)

gdzie:

  • Δpᵥ – spadek ciśnienia na całkowicie otwartym zaworze,
  • Δpᵣ – spadek ciśnienia w pozostałej części regulowanej gałęzi.

Do pozostałej części gałęzi zaliczamy przede wszystkim wymiennik, ale również rurociągi, kształtki, filtr, zawór równoważący i inne elementy, których przepływ zmienia się razem z przepływem przez zawór.

W uproszczonych doborach central za opór regulowanej gałęzi często przyjmuje się przede wszystkim spadek ciśnienia na chłodnicy lub nagrzewnicy.

Najczęściej dąży się do uzyskania autorytetu około 0,5. Oznacza to, że spadek ciśnienia na całkowicie otwartym zaworze jest zbliżony do spadku ciśnienia w pozostałej części regulowanego obiegu.

Co się dzieje, gdy zawór ma za mały autorytet?

Niski autorytet oznacza, że zawór ma niewielki opór w porównaniu z resztą instalacji. Najczęściej jest to skutek zastosowania zaworu o zbyt dużym Kvs.

Taki zawór przepuszcza bardzo dużo czynnika już przy niewielkim otwarciu. W praktyce może to wyglądać tak, że przez większość czasu siłownik pracuje w zakresie od kilku do kilkunastu procent skoku, natomiast dalsze otwieranie zaworu niewiele już zmienia.

Efektem mogą być:

  • skoki temperatury,
  • częste ruchy siłownika,
  • oscylacje układu regulacji,
  • trudność w utrzymaniu stabilnej temperatury nawiewu,
  • niewykorzystanie pełnego zakresu sygnału 0-10 V.

Mamy więc zawór, który teoretycznie jest duży i bezpieczny, ale praktycznie źle reguluje.

Czy wysoki autorytet zawsze jest korzystny?

Nie należy również przesadzać w drugą stronę.

Zawór o bardzo małym Kvs będzie miał duży spadek ciśnienia. Poprawi to jego wpływ na regulację, ale jednocześnie zwiększy wymagany spręż pompy.

Zbyt duży spadek ciśnienia może powodować:

  • większe zużycie energii przez pompę,
  • szumy w instalacji,
  • nadmierną prędkość przepływu w zaworze,
  • erozję elementów regulacyjnych,
  • ryzyko kawitacji,
  • przekroczenie dopuszczalnej różnicy ciśnień zaworu.

Dobór zaworu jest więc kompromisem. Zawór powinien mieć wystarczająco duży opór, aby dobrze regulować przepływ, ale nie tak duży, aby niepotrzebnie zwiększać opory instalacji.

Przykład obliczeniowy

Przyjmijmy dane z rzeczywistego typowej chłodnicy wodnej zawartej w przykładowej karcie doboru centrali:

Możemy odczytać następujące dane chłodnicy:

  • moc chłodnicza: 56,44 kW, parametry wody: 6/12°C,
  • przepływ czynnika: 2,24 l/s,
  • spadek ciśnienia na chłodnicy: 13,08 kPa,

Założony autorytet zaworu: 0,50.

Najpierw przeliczamy przepływ z litrów na sekundę na metry sześcienne na godzinę:

2,24 l/s × 3,6 = 8,06 m³/h

Jeżeli autorytet ma wynosić 0,5, spadek ciśnienia na zaworze powinien być zbliżony do spadku na regulowanej gałęzi. W uproszczeniu przyjmujemy więc:

Δpᵥ = 13,08 kPa

Obliczamy Kvs:

Kvs = 8,06 × √(100 / 13,08) = 22,3

Jest to jednak wartość obliczeniowa. W katalogu producenta nie zawsze znajdziemy zawór o Kvs dokładnie 22,31. Najbliższą wyższą wartością katalogową może być na przykład Kvs 25.

Sprawdźmy więc rzeczywisty spadek ciśnienia dla zaworu Kvs 25:

Δpᵥ = 100 × (8,06 / 25)² ≈ 10,4 kPa

Autorytet wyniesie:

a = 10,4 / (10,4 + 13,08) ≈ 0,44

To nadal dobry wynik, chociaż nieco niższy od założonego autorytetu 0,50.

Załóżmy teraz, że ktoś dobierze większy zawór o Kvs 40, kierując się przede wszystkim średnicą przyłącza chłodnicy wynoszącą 1 1/2 cala.

Δpᵥ = 100 × (8,06 / 40)² ≈ 4,1 kPa

Autorytet spadnie do:

a = 4,1 / (4,1 + 13,08) ≈ 0,24

Zawór nadal bez problemu przepuści wymagany strumień. Problem polega na tym, że będzie miał znacznie mniejszy wpływ na regulację i większość użytecznej zmiany przepływu może odbywać się na niewielkiej części skoku siłownika.

Kiedy dobór wykonany przez producenta centrali może nie być optymalny, a nawet może być błędny?

Program doborowy producenta centrali zna zazwyczaj przepływ czynnika, spadek ciśnienia na chłodnicy lub nagrzewnicy oraz zakładany autorytet zaworu. Na tej podstawie może poprawnie dobrać zawór do samego wymiennika. Nie zawsze oznacza to jednak, że zawór będzie prawidłowo pracował w całej instalacji.

Producent centrali najczęściej nie zna rzeczywistych oporów rurociągów, filtrów, armatury, zaworów równoważących ani charakterystyki pompy. Nie wie również, jaka różnica ciśnień będzie faktycznie występowała na zaworze podczas pracy instalacji. W efekcie rzeczywisty autorytet zaworu może być znacznie niższy od przyjętego w programie doborowym.

Przy zbyt małym autorytecie zawór wykorzystuje tylko niewielką część swojego skoku. Niewielka zmiana jego położenia może wtedy powodować dużą zmianę przepływu przez chłodnicę lub nagrzewnicę. Sterownik zaczyna często korygować położenie siłownika, a temperatura nawiewu może raz spadać poniżej wartości zadanej, a po chwili ją przekraczać. Regulacja staje się mniej dokładna, bardziej podatna na wahania i trudniejsza do prawidłowego ustawienia.

Problem może pojawić się również wtedy, gdy opór obejścia nie zostanie dopasowany do oporu gałęzi z wymiennikiem albo gdy do doboru podano inne parametry czynnika niż te, które wystąpią w rzeczywistej instalacji, na przykład wodę zamiast roztworu glikolu.

Dlatego dobór producenta należy traktować jako dobór zaworu do konkretnej chłodnicy lub nagrzewnicy. Za sprawdzenie jego współpracy z całą instalacją hydrauliczną odpowiada projektant.

Na co jeszcze zwrócić uwagę dobierając zawór 3-drogowy?

Kvs i autorytet są podstawą doboru, ale nie wyczerpują całego tematu.

Charakterystyka zaworu

Zawór może mieć charakterystykę liniową, stałoprocentową albo specjalnie ukształtowaną przez producenta. Charakterystyka określa, jak zmienia się przepływ w stosunku do skoku lub kąta otwarcia zaworu.

Trzeba przy tym pamiętać, że charakterystyka katalogowa dotyczy samego zaworu. Po zamontowaniu w instalacji zostaje ona zniekształcona przez pozostałe opory hydrauliczne. Im niższy autorytet, tym większa różnica pomiędzy charakterystyką katalogową a rzeczywistym działaniem zaworu.

Zakresowość

Zakresowość określa stosunek największego Kv do najmniejszego Kv, przy którym zawór nadal zachowuje deklarowaną charakterystykę regulacji.

Im większa zakresowość, tym lepiej zawór może regulować niewielkie przepływy przy małym obciążeniu chłodnicy lub nagrzewnicy.

Dopuszczalna różnica ciśnień

Należy sprawdzić dopuszczalne Δpmax oraz różnicę ciśnień, przy której siłownik jest jeszcze w stanie zamknąć zawór.

Nie wystarczy więc dobrać korpus zaworu. Trzeba również upewnić się, że siłownik ma odpowiednią siłę lub moment obrotowy.

Rodzaj siłownika

Do regulacji temperatury najczęściej stosuje się siłowniki płynne 0-10 V albo siłowniki trzypunktowe. Siłownik dwustanowy nadaje się przede wszystkim do prostego otwierania i zamykania przepływu, a nie do dokładnej regulacji temperatury.

Przy nagrzewnicy warto rozważyć siłownik ze sprężyną powrotną, który po zaniku zasilania ustawi zawór w pozycji bezpiecznej.

Opór obejścia

W zaworze trójdrogowym trzeba również zwrócić uwagę na gałąź obejściową.

Jeżeli obejście będzie miało bardzo mały opór w porównaniu z wymiennikiem, całkowity przepływ w obiegu może zmieniać się podczas pracy zaworu. Dlatego obejście może wymagać równoważenia albo zastosowania zaworu, którego droga obejściowa ma mniejszy Kvs niż droga przez wymiennik. W niektórych zaworach Kvs obejścia wynosi około 70% Kvs drogi głównej właśnie po to, aby częściowo skompensować opór chłodnicy lub nagrzewnicy i ograniczyć zmiany całkowitego przepływu.

Czynnik, temperatura i ciśnienie

Trzeba sprawdzić:

  • dopuszczalną temperaturę czynnika,
  • ciśnienie nominalne zaworu,
  • odporność materiałów i uszczelnień na glikol,
  • maksymalne dopuszczalne stężenie glikolu,
  • możliwość pracy przy minimalnej temperaturze czynnika.

Zawór przeznaczony do standardowej instalacji grzewczej nie zawsze będzie właściwy dla roztworu glikolu o temperaturze ujemnej.

Dobór zaworu krok po kroku

  1. Odczytujemy z doboru wymiennika przepływ czynnika i spadek ciśnienia.
  2. Ustalamy rzeczywisty schemat hydrauliczny i sposób pracy zaworu.
  3. Określamy opór pozostałej części regulowanej gałęzi.
  4. Przyjmujemy wymagany autorytet, najczęściej około 0,5.
  5. Obliczamy wymagany spadek ciśnienia na zaworze.
  6. Obliczamy teoretyczne Kvs.
  7. Wybieramy najbliższą wartość katalogową.
  8. Ponownie obliczamy rzeczywisty spadek ciśnienia i autorytet.
  9. Sprawdzamy Δpmax, wymagania siłownika, charakterystykę, szczelność i zgodność z czynnikiem.
  10. Weryfikujemy opór obejścia oraz dostępny spręż pompy.
  11. Podczas montażu sprawdzamy kierunek przepływu i oznaczenia króćców.
  12. Przy uruchomieniu kontrolujemy temperatury, przepływ, położenie zaworu i stabilność regulacji.

Podsumowanie

Najważniejsze jest rozróżnienie trzech rzeczy.

Chłodnica lub nagrzewnica określa wymagany przepływ czynnika oraz opór hydrauliczny.

Kvs określa przepustowość całkowicie otwartego zaworu.

Autorytet pokazuje natomiast, czy zawór będzie miał wystarczająco duży wpływ na przepływ w stosunku do pozostałych elementów instalacji.

Można więc dobrać zawór o właściwej średnicy, który bez problemu przepuści wymagany strumień, a mimo to nie uzyskać stabilnej regulacji.