Drukuj
Nadrzędna kategoria: Artykuły tematyczne

2012 02 19Energia jest podstawą funkcjonowania cywilizacji człowieka. Szczególnie dotyczy to energii cieplnej, która konieczna jest do prowadzenia różnych procesów technologicznych oraz zapewnienia komfortu cieplnego w strefi e przebywania ludzi. Budownictwo mieszkaniowe jest jednym z jej największych odbiorców.

Stopniowy wzrost zużycia ciepła oraz kurczące się zasoby paliw nieodnawialnych powodują wzrost ceny energii cieplnej. Taki stan rzeczy wymusza racjonalizację w zakresie zużycia ciepła. Może ona polegać na zmniejszeniu ogólnej konsumpcji oraz zmniejszenie energochłonności procesów. Oba kierunki wzajemnie się uzupełniają. W tym artykule zajmiemy się zmniejszeniem ogólnej konsumpcji w zakresie instalacji grzewczych oraz systemów regulacji termostatycznej.

Rozwiązanie lokalne
Takie wymagania spełniają zawory termostatyczne z głowicami termostatycznymi lub wkładki zaworowe w grzejnikach z zabudowanymi głowicami termostatycznymi.
Zawór termostatyczny z głowicą termostatyczną (rys. 1) stanowi regulator proporcjonalny bezpośredniego działania, ponieważ ma zadajnik temperatury (pokrętło głowicy), element wykonawczy oraz czujnik temperatury wbudowany w pokrętło głowicy. Sercem układu regulacji jest głowica termostatyczna, która oprócz możliwości zadawania temperatury (zadajnik) ma element wykonawczy w postaci siłownika termicznego. W przypadku typowych głowic termostatycznych siłownik głowicy jest zintegrowany z czujnikiem temperatury. Rozwiązania konstrukcyjne elementów wykonawczych są różne. Spośród siłowników, które możemy spotkać na rynku, najczęściej występują dwa rozwiązania. Pierwszym rozwiązaniem jest siłownik termiczny typu tłok-cylinder, drugim jest siłownik termiczny typu mieszek. Zasada działania w przypadku siłowników termicznych jest taka sama – czynnik roboczy znajdujący się wewnątrz siłownika rozszerza się pod wpływem temperatury. Na skutek rozszerzającego się czynnika roboczego powstaje ciśnienie wewnątrz elementu wykonawczego, co powoduje parcie na tłok lub mieszek. Powstałe parcie przenoszone jest na element wykonawczy zawieradła, powodując zazwyczaj zamykanie zaworu termostatycznego. Istnieją rozwiązania w instalacjach klimatyzacyjnych działania odwrotnego, te jednak należą do rzadkości. W przypadku obniżania się temperatury, następuje kurczenie się czynnika roboczego i cofanie się tłoka lub mieszka, dzięki działaniu sprężyny zwrotnej w zawieradle zaworu. Analizując rozwiązanie z siłownikiem typu tłok-cylinder lub typu mieszek można powiedzieć, iż zasada działania w obu przypadkach jest identyczna, różnica polega jedynie na rodzaju zastosowanego uszczelnienia. W przypadku rozwiązania typu tłok-cylinder mamy uszczelnienie dynamiczne z wykorzystaniem o-ringu, w którym ślizga się tłoczek, a przy siłowniku typu mieszek jest uszczelnienie statyczne kształtu mieszka wewnętrznego. Czynnikiem roboczym może być ciało stałe, ciecz lub gaz. Najczęściej stosuje się jako czynnik roboczy ciecz, która jest mieszaniną wieloskładnikową, zawierającą np. alkohol. W przypadku ciała stałego czynnikiem roboczym jest substancja zbliżona do wosku. Gdy czynnikiem roboczym jest gaz, najczęściej jest to mieszanina czynników ziębniczych, których temperatura przemiany fazowej jest zbliżona do temperatury pracy głowicy termostatycznej. Ustawione ciśnienie odpowiada temperaturze przejścia międzyfazowego pary nasyconej. Przy wzroście temperatury rośnie ciśnienie pary, przy spadku temperatury ciśnienie pary maleje.
2012 02 20Zaletą cieczy jako czynnika roboczego jest stosunkowo dobra dynamika (szybkość) działania, przy stosunkowo dużej sile nacisku na element wykonawczy. Wynika to z tego, iż ciecz praktycznie nie ulega sprężeniu, czyli każde termiczne zwiększenie objętości przekłada się na pracę. Podobna sytuacja występuje w przypadku ciała stałego jako czynnika roboczego, za wyjątkiem dynamiki. Niestety przekazywanie i wymiana ciepła w ciele stałym jest znacznie gorsza niż w cieczy (dotyczy czynników roboczych). Głowice termostatyczne z siłownikami z ciałem stałym mają dużą bezwładność. Woskowe siłowniki termiczne były popularne w początkowej fazie rozwoju techniki regulacji termostatycznej.
Siłowniki termiczne gazowe mają największą dynamikę (prędkość) działania za sprawą małej pojemności cieplnej oraz dobrych warunków wymiany i przekazywania ciepła w stosunku do siłowników cieczowych i woskowych. Niestety ich wadą jest stosunkowo mała siła działania z powodu prężności gazu oraz większa podatność na wyciek czynnika roboczego w stosunku do siłowników cieczowych lub woskowych. W praktyce stosuje się siłowniki z ciekłym czynnikiem roboczym, gazowe i woskowe siłowniki stanowią rozwiązania niszowe.
Elementy składowe czynników roboczych oraz ich skład procentowy są chronionymi tajemnicami producentów siłowników termicznych. Ważne jest, aby przyrost objętości lub ciśnienia w przypadku głowic gazowych był proporcjonalny do przyrostu temperatury przy odpowiednio dużej sile działania. Na świecie jest zaledwie kilku producentów produkujących siłowniki termiczne do głowic termostatycznych.
Systemy lokalne regulacji termostatycznej charakteryzują się prostotą rozwiązania, niezawodnością i stosunkowo dużą dokładnością regulacji termostatycznej. Dokładność regulacji uzależniona jest od wariantu wykonania głowicy termostatycznej np. 1K, 2K lub 3K. Najczęściej oferowane na rynku są głowice termostatyczne o zakresie proporcjonalności 2K. Przy poprawnie zaprojektowanej, wykonanej i wyregulowanej instalacji grzewczej z grzejnikami z zaworami termostatycznymi (lub wkładkami termostatycznymi), na których zabudowane są głowice termostatyczne 2K, różnica pomiędzy wartością zadaną na głowicy a zmierzoną w pomieszczeniu nie powinna przekraczać 2°C.
Aby taki regulator dopływu energii cieplnej regulował temperaturę w pomieszczeniu ogrzewanym, musi być spełniony warunek podstawowy, czyli pomiar temperatury w miejscu reprezentatywnym. W przypadku małych pomieszczeń, w których znajdują się grzejniki z zaworami termostatycznymi (wkładkami termostatycznymi) wraz z głowicami oraz gdy grzejniki nie są zasłonięte, warunek ten jest spełniony. Przekazywanie informacji na temat uśrednionej temperatury w pomieszczeniu do regulatora temperatury odbywa się na zasadzie swobodnej konwekcji z pewnym opóźnieniem w czasie. W przypadku pomieszczeń dużych, o dużej powierzchni lub dużej wysokości, ta wymiana informacji jest utrudniona i regulator temperatury działający automatycznie, reguluje temperaturę tylko w swoim bezpośrednim sąsiedztwie. Wynika to z prostego faktu, iż czujnik temperatury jest zintegrowany z elementem nastawczym i regulacyjnym.

...pełna wersja artykułu w PI 2/12