Automatyczne stabilizatory przepływu to kolejne urządzenia regulacyjne do wodnych instalacji ogrzewczych, które prezentujemy w ramach naszego cyklu „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort”. W artykule omówimy w tym zakresie zawory działania bezpośredniego i pośredniego, rozwiązania podstawowe oraz te najbardziej zaawansowane, które tworzą zespoły urządzeń i współpracują z systemami sterowania i automatyki budynkowej.

Zajmiemy się także tzw. ogranicznikami przepływu. Na koniec pokażemy swojego rodzaju hybrydy, czyli kombinowane stabilizatory różnicy ciśnienia i przepływu bądź kombinowane stabilizatory różnicy ciśnienia i ograniczniki przepływu.

Stabilizatory grzybkowe lub kulowe
Automatyczne stabilizatory przepływu, co do zasady działania, są stabilizatorami różnicy ciśnień, bowiem wartość przepływu jest bezpośrednio zależna od wartości różnicy ciśnień. Działają na zasadzie identycznej jak omówione poprzednio („Polski Instalator” 6/2020) stabilizatory różnicy ciśnienia włączone szeregowo w układ i pobierające sygnały ciśnienia z elementu o zadanym oporze hydraulicznym, np. zaworu ręcznego lub kryzy. Różnica polega na tym, że w tym przypadku element ten jest wbudowany w zawór i sygnał różnicy ciśnienia z niego jest dostarczany na membranę zaworu w obrębie jego konstrukcji (wewnętrzny pomiar różnicy ciśnienia). Stabilizacja różnicy ciśnień na elemencie regulacyjnym pozwala zapobiec wahaniom ustawionego, z użyciem zaworu, strumienia czynnika przy wahaniach ciśnienia w sieci przewodów.

Schemat typowego grzybkowego stabilizatora przepływu i jego przekrój pokazano na rys. 1. Na rys. 2 zaprezentowano natomiast kulowy stabilizator przepływu. Jest to zawór przeznaczony do współpracy z siłownikiem, który ustala stopień otwarcia elementu regulacyjnego (kuli) i tym samym przepływ czynnika. Pomiar stabilizowanej różnicy ciśnienia jest tutaj całkowicie wewnętrzny, tzn. pobór obu sygnałów ciśnienia, z obu stron elementu regulacyjnego zaworu (kuli), następuje wewnątrz korpusu zaworu, bez użycia rurek kapilarnych. Wewnętrzny układ pomiarowo-wykonawczy (membrana pomiarowa ze sprężyną nastawczą) jest tak zaprojektowany, aby utrzymywać stabilizowaną wartość różnicy ciśnienia na stałym poziomie 30 kPa. Taka więc musi być też minimalna wartość ciśnienia w pierwotnej części danej instalacji.

Konstrukcyjnie tego typu zawór (kulowy stabilizator przepływu) oraz termostatyczny zawór grzejnikowy z „autobalansingiem”, zaprezentowany w jednej z poprzednich części naszego cyklu „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort”, są podobne i opierają się na tej samej idei integracji w jednym urządzeniu dwóch urządzeń często współpracujących ze sobą w instalacji.

Możliwość regulacji wartości parametru
Automatyczne stabilizatory przepływu, podobnie jak automatyczne stabilizatory różnicy ciśnień, wykonywane są w wersji:

• z możliwością bieżącej regulacji wartości stabilizowanego parametru (przepływu lub różnicy ciśnienia) albo
• z jedną wartością tego parametru ustaloną konstrukcyjnie. W drugim przypadku wartości stabilizowanego parametru nie można nastawiać, a zmiana tej wartości wymaga zamiany zaworu na inny w typoszeregu. Rozwiązanie takie jest mniej uniwersalne, ale jest tańsze i może być alternatywą wówczas, gdy nie jest potrzebna możliwość doboru różnych wartości stabilizowanej wielkości albo montowania kilku zaworów o różnej wartości tego parametru. 

! Jednak w sytuacji zmiany warunków pracy instalacji, np. jej rozbudowy, trwałego wyłączenia niektórych części, zmiany obciążenia cieplnego obsługiwanego obiektu budowlanego, znacznego zwiększenia oporów hydraulicznych przewodów z uwagi na odkładanie się zanieczyszczeń w rurach itp., które to zjawiska najczęściej w praktyce mają miejsce, możliwość bieżącej korekty wartości początkowo określonych parametrów jest użyteczna.

Zaawansowane rozwiązania do dużych instalacji
W przypadku dużych instalacji ogrzewczych najczęściej wykorzystuje się również rozbudowane systemy sterowania i automatyki, odpowiadające za bieżącą kontrolę i korektę parametrów pracy. W tym celu stosowane są zawory regulacyjne/równoważące wyposażone w siłowniki, np. omawiane automatyczne stabilizatory przepływu z siłownikami (rys. 2). Istnieją jednak jeszcze bardziej zaawansowane rozwiązania tych zaworów, które we współpracy z systemem sterowania pozwalają na dalszą poprawę warunków pracy instalacji, lepszą stabilizację temperatury w ogrzewanym obiekcie (przede wszystkim zapobieganie wzrostowi ponad wartości zadane) i redukcję kosztów eksploatacyjnych. Przedstawia je rys. 3.

Zespół: zawór regulacyjny/siłownik/przepływomierz. Przykładem takiego zaawansowanego rozwiązania może być zawór (a zasadniczo: zespół połączonych urządzeń) zaprezentowany na rys. 3a. Jest to regulacyjny zawór kulowy przeznaczony do współpracy z siłownikiem i połączony z przepływomierzem. W takim zestawieniu pełni rolę automatycznego stabilizatora przepływu. Przepływomierz, zamontowany tu w miejsce membranowego stabilizatora różnicy ciśnienia, współpracując ze sterownikiem i siłownikiem, odpowiada za stabilizację przepływu, odpowiednio zmieniając stopień otwarcia elementu regulacyjnego. Pomiar przepływu i sterowanie elektroniczne w oparciu o ten parametr pozwala na sprzęgnięcie urządzenia z globalnym systemem regulacji i zapewnia lepszą jego współpracę z pozostałymi urządzeniami instalacji niż w przypadku działania indywidualnego, jak to ma miejsce przy regulacji przepływu w oparciu o wbudowany stabilizator różnicy ciśnień, np. w zaworze R2...P (rys. 2). Ponadto urządzenie umożliwia takie ustawienie sterownika, w którym wartość przepływu ograniczana jest zarówno od dołu (naturalnie w granicach wynikających z minimalnego ciśnienia dyspozycyjnego w układzie), jak i od góry.

Zespół: zawór regulacyjny/siłownik/przepływomierz plus elementy do pomiaru różnicy temperatury. Dalszym udoskonaleniem jest wyposażenie omówionego zespołu w elementy służące do pomiaru różnicy temperatury, jak pokazano na rys. 3b. Czujniki temperatury (zamocowane w śrubunkach montowanych między odcinkami rurowymi) mocuje się na przewodzie zasilającym i powrotnym obsługiwanej części instalacji. Zawór natomiast, oprócz stabilizacji przepływu, zabezpiecza przed zbytnim jego wzrostem i pracą grzejnika w tym zakresie jego statycznej charakterystyki cieplnej (patrz pierwsza część cyklu), w której przyrosty strumienia czynnika nie mają znaczącego wpływu na wzrost oddawanej mocy cieplnej. Pozwala to zredukować koszty eksploatacyjne związane z pompowaniem czynnika przez pompy obiegowe.

Zawór dokonuje pomiaru różnicy temperatury fragmentu instalacji, na którym jest zainstalowany, porównując zmiany strumienia czynnika z odpowiadającymi im zmianami jego wychłodzenia, a więc zmianami oddawanej przez grzejniki mocy cieplnej. Im mniejsza zmiana różnicy temperatury przy wzroście strumienia masowego, tym mniejsze przyrosty mocy. Na podstawie zebranych danych i założonych wejściowych parametrów kryterialnych układ obróbki danych jest w stanie określić wartość strumienia czynnika, powyżej którego nie jest opłacalne jego zwiększanie. Niezależnie więc od zmian oporu hydraulicznego części wtórnej sieci przewodów, np. z uwagi na niekontrolowane albo niepożądane otwarcie się termoregulatorów grzejnikowych, nie dopuści on do wzrostu strumienia czynnika. W praktyce punkt odpowiadający temu strumieniowi czynnika nazywa się czasem „punktem nasycenia mocą wymiennika ciepła”. ! Zaznaczyć należy, że wartość strumienia czynnika powinna być określona nie tylko w oparciu o pomiary danej części instalacji i tym samym analizę charakterystyk cieplnych zastosowanych w niej grzejników, ale także w oparciu o ceny nośnika energii, w tym przypadku prądu elektrycznego. Te dwa parametry kryterialne decydują bowiem w praktyce o optymalnej granicznej wartości strumienia czynnika.

Łatwo uzmysłowić sobie, że w przypadku niskich cen energii wspomniany punkt nasycenia mocą wymiennika ciepła będzie leżał dalej na charakterystyce cieplnej grzejnika niż w przypadku wysokich cen energii. Na przykład w granicznym przypadku, w którym użytkownik nie płaciłby za energię, opisany układ sterowania i regulacji nie miałby uzasadnienia ekonomicznego, gdyż dowolne przyrosty strumienia czynnika i poboru energii elektrycznej nie wiązałyby się ze wzrostem poniesionych nakładów eksploatacyjnych. W przypadku relatywnie wysokich kosztów energii elektrycznej obowiązujących w Polsce system taki ma natomiast duże uzasadnienie.

Pomiary i określanie granicznego punktu pracy. Graniczny punkt pracy określony może być tym dokładniej, w im szerszym zakresie obciążenia cieplnego dokonany został cykl pomiarów. Dopiero bowiem podczas pracy instalacji przy obciążeniach nominalnych, przewidzianych dla tej instalacji, uzyskuje się dane do określenia parametrów (strumienia czynnika) tego punktu. W praktyce parametry takie osiągane są w szczycie sezonu ogrzewczego, przy najniższych temperaturach zewnętrznych. Baza danych układu sterowania musi jednak dysponować również parametrami dla pozostałych warunków, aby móc je ze sobą porównać i określić graniczną wartość. Z tego powodu wspomniany wcześniej system sterowania i regulacji (zespół: zawór regulacyjny/siłownik/ przepływomierz plus elementy do pomiaru różnicy temperatury) powinien zbierać dane co najmniej przez jeden sezon ogrzewczy.
Dane zebrane przez układ akwizycji mogą być w dogodny sposób, z użyciem dedykowanego oprogramowania i interfejsu graficznego, analizowane z użyciem komputera osobistego. Dzięki temu można poznać faktyczny kształt cieplnej charakterystyki statycznej konkretnej części sieci, dowolne parametry jej pracy, a także zadawać własne wartości wybranych parametrów kryterialnych.

Automatyczne ograniczniki przepływu
Automatyczne ograniczniki przepływu to w istocie stabilizatory przepływu pełniące rolę ograniczników przepływu. Mogą być to zarówno elementy bezpośredniego działania, jak i pośredniego działania, tzn. wyposażone w dodatkowe napędy w postaci np. siłowników (jak omówione wyżej zawory, pokazane na rys. 3). 

Przekrój przykładowego automatycznego ogranicznika przepływu zaprezentowano na rys. 4.

Zasada działania. Stabilizacja strumienia czynnika oznacza, że zawór, w przypadku urządzenia o działaniu bezpośrednim, utrzymuje zadaną jego wartość w określonym zakresie proporcjonalności. Tym samym nie dopuszcza do nadmiernego wzrostu. Jeśli ciśnienie w pierwotnej części sieci wzrasta, to wzrasta przepływ, a tym samym również spadek ciśnienia na dodatkowym elemencie dławiącym. Ciśnienie za nim jest więc coraz niższe w stosunku do ciśnienia przed nim. Z uwagi na to, że ciśnienie o niższej wartości przenoszone jest pod membranę pomiarową, a ciśnienie o wyższej wartości nad nią, przy wzroście ciśnienia po stronie pierwotnej następuje przymykanie się zaworu i ograniczanie wzrostu przepływu.
Analogiczna sytuacja ma miejsce, gdy opór hydrauliczny części wtórnej maleje (np. otwierające się termoregulatory). Powoduje to, przy danym ciśnieniu po stronie pierwotnej, wzrost przepływu, a więc wzrost spadku ciśnienia na elemencie dławiącym przenoszonego na membranę, przymknięcie zaworu i ograniczenie wzrostu przepływu. Zatem zakres przyrostu strumienia czynnika jest warunkowany oporem hydraulicznym nastawnego elementu dławiącego.

Uwaga na opisy w kartach katalogowych! Bardzo często w kartach katalogowych producentów spotkać można nieco mylący opis zasady działania automatycznych ograniczników przepływu, który mówi, że zawór taki w pełni zamyka się, gdy osiągnięta zostanie nastawiona, dopuszczalna wartość przepływu. Nie jest to jednak opis prawidłowy, bo przez zamknięty zawór nie może płynąć jakikolwiek, a tym bardziej maksymalny strumień czynnika. Zamknięty zawór całkowicie zatrzymuje przepływ (jeśli oczywiście zamknięcie jest szczelne).
Opis taki i zasadę działania należy rozumieć następująco: w układzie bez ogranicznika przepływu, wraz ze wzrostem ciśnienia czynnego bądź wraz ze spadkiem oporu hydraulicznego sieci przewodów, w naturalny sposób rośnie strumień czynnika. W pewnym momencie osiąga wartość dopuszczalną i przy dalszym nasileniu się czynników powodujących jego wzrost rośnie dalej. Jeśli zamontuje się do takiego układu ogranicznik przepływu, to wraz z nasilaniem się wymienionych czynników będzie się on coraz bardziej zamykał, ograniczając przyrost przepływu. W pełni zamknie się wtedy, gdy czynniki te osiągną wartość, która skutkowałaby osiągnięciem dopuszczalnego przepływu w sieci przewodów bez ogranicznika przepływu.
Jest to naturalnie także pewne uproszczenie, gdyż zamontowanie zaworu, nawet nie nastawionego i bez uruchamiania go, skutkuje pojawieniem się dodatkowego oporu hydraulicznego, już na wstępie nieco ograniczającego przepływ do wartości mniejszej niż maksymalna przed montażem zaworu.
! Oznacza to, że wartość ciśnienia w sieci lub wartość oporu hydraulicznego przy zamontowanym zaworze, powodująca pełne jego zamknięcie, musi być skorygowana o zmianę powodowaną tym zaworem. Należy przez to rozumieć ciśnienie odpowiednio większe o spadek ciśnienia na w pełni otwartym zaworze dla maksymalnego dopuszczalnego przepływu albo opór hydrauliczny sieci mniejszy o dodany opór hydrauliczny zaworu.

Stabilizatory kombinowane
Kombinowane stabilizatory różnicy ciśnienia i przepływu. Łączą one funkcje obu pojedynczych urządzeń. Zasadniczo skonstruowane są w postaci dwóch zintegrowanych mechanizmów, z jednym grzybkiem regulacyjnym. Mają więc dwie membrany pomiarowe i wbudowany nastawczy element dławiący, z którego pobierany jest sygnał straty/ różnicy ciśnienia do stabilizacji przepływu. Również w tym przypadku spotkać można zawory z zewnętrznym lub wewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia.
Kombinowany stabilizator różnicy ciśnienia i przepływu należy montować szeregowo w układzie. Aby możliwa była jego stabilna i prawidłowa praca, konieczne jest – podobnie jak w przypadku wszystkich opisanych w artykule urządzeń stabilizacyjnych – zapewnienie pewnej minimalnej wartości spadku ciśnienia i/lub strumienia przepływającego czynnika. Producenci najczęściej podają te wartości.
Schematy kombinowanych stabilizatorów ciśnienia i przepływu prezentuje rys. 5.

Kombinowane stabilizatory różnicy ciśnienia i ograniczniki przepływu. Urządzenia tego typu łączą funkcję stabilizacji różnicy ciśnienia i ograniczania przepływu na takiej samej zasadzie jak kombinowane stabilizatory ciśnienia i przepływu. Widok i przekrój takiego urządzenia, w wersji przemysłowej (wysokociśnieniowej), zaprezentowano na rys. 6.
Dotychczas w ramach cyklu „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort” omówiliśmy w kolejnych wydaniach „Polskiego Instalatora”: zawory przy grzejnikach („PI” 1-2/2020), ręczne zawory równoważące i zawory mieszające oraz zawory rozdzielające („PI” 3/2020), automatyczne zawory nadmiarowe i nadmiarowo-upustowe („PI” 4-5/2020), automatyczne stabilizatory różnicy ciśnień („PI” 6/2020).

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017