Omawiając tematykę zaworów n-drogowych, przyjrzyjmy się ich budowie, typom, zastosowaniu i faktycznemu znaczeniu używanych w praktyce określeń tego typu zaworów. Artykuł jest jednocześnie świetnym przykładem na zobrazowanie tego, jak potoczne nazewnictwo zagadnień technicznych może czasem nie tylko nie pomagać, ale nawet utrudniać rozumienie problematyki.

Zapewne większość czytelników zna określenia typu: zawór 3-drogowy, zawór 4-drogowy, zawór mieszający, zawór rozdzielający. Niektórzy najpewniej słyszeli też o zaworach 6-drogowych. Nawet jeśli nie jest się hydraulikiem, projektantem czy instalatorem, to w naturalny sposób można się domyślić, że mowa tu o zaworach, które mają więcej niż jeden wlot i jeden wylot. A jeśli tak, i jeśli mamy zawory 3-drogowe, 4-drogowe i inne, to czemu w praktyce nie spotykamy się z zaworami 2-drogowymi albo 1-drogowymi i czy takie w ogóle istnieją? Ponadto, co na tle tych rozwiązań oznaczają pojęcia „mieszający” i „rozdzielający”? Ile tak faktycznie jest typów tych zaworów i do czego służą? Na te pytania odpowiemy sobie poniżej.

Liczba króćców a liczba dróg przepływu – co się liczy?
Zawory z dwoma króćcami. W pierwszej kolejności przyjrzyjmy się liczbie dróg zaworów. Dobrym przykładem i fundamentem zrozumienia nazewnictwa będzie tu zwykły przelotowy zawór kulowy pokazany na rys. 1. Czynnik może do niego wpłynąć z jednej strony i wypłynąć (musi) z drugiej strony. Oczywiście, czynnik może płynąć w przeciwną stronę, ale dalej jest to ta sama droga przepływu – zawór jest więc zaworem 1-drogowym.

Zawory z trzema króćcami. Teraz przyjrzyjmy się zaworowi pokazanemu na rys. 2 i przeanalizujmy go pod takim samym kątem. Jeśli czynnik wpłynie do zaworu króćcem A, to wypłynąć może maksymalnie dwoma pozostałymi króćcami – B i C. Są tu więc dwie drogi przepływu. A co, jeśli czynnik wpłynie dwoma króćcami, np. króćcami B i C?

Wtedy wypłynąć musi króćcem A, dalej mamy więc do czynienia z przepływem maksymalnie dwiema drogami. Jaki z tego wniosek? Zawór taki jest zaworem 2-drogowym, nie 3-drogowym. Czemu więc w praktyce zawory takie nazywa się zaworami 3-drogowymi, a nie 2-drogowymi? Powód jest prosty – zawór ma trzy króćce przyłączeniowe, a użytkownik, projektant, hydraulik czy instalator nie ma potrzeby analizować teorii pracy takiego urządzenia i użyje nazwy najbardziej intuicyjnej, zwłaszcza że obok ma zawór z czterema króćcami, który musi nazwać jakoś inaczej, dla odróżnienia go od zaworu z trzema króćcami, a który również jest zaworem 2-drogowym...

! Z praktycznego punktu widzenia takie nazewnictwo nie jest problemem, ale jeśli zechce się przeanalizować zasadę pracy takiego zaworu, to okaże się, że założenie jego 3-drożności w przypadku maksymalnie dwóch dróg przepływu zaprowadzi nas na manowce. Nie pozwoli bowiem wytłumaczyć głównego celu stosowania zaworu, czyli – co omówiono dalej – mieszania lub rozdzielania strumieni czynnika.

Zawory z czterema króćcami. Idźmy dalej, w kolejne rozdroża (dosłownie i w przenośni). Na rys. 3 pokazano zawór z czterema króćcami. Jak już zasygnalizowano, liczba króćców zaworu nie jest równoważna z liczbą dróg, jakimi może płynąć wewnątrz niego czynnik, aczkolwiek sytuacja jest tutaj nieco bardziej skomplikowana niż w przypadku zaworu z trzema króćcami. Jeśli użyje się takiego zaworu zgodnie z jego typowym przeznaczeniem, czyli do spięcia i odprzęgnięcia dwóch obiegów/części instalacji – pierwotnej i wtórnej – to z części pierwotnej czynnik wpływa np. króćcem A, a z części wtórnej np. króćcem B. Skoro tak, to – niezależnie od tego, jak w środku zaworu następuje podział tych strumieni, czynnik wypłynąć musi maksymalnie dwoma pozostałymi króćcami – króćcami C i D. Ponownie więc mamy do czynienia z dwiema drogami przepływu czynnika. Jest to więc również zawór 2-drogowy.

Można sobie jednak wyobrazić sytuację, że używamy takiego zaworu nie do spięcia dwóch obiegów hydraulicznych, ale do zmieszania trzech strumieni czynnika z sieci, przy czym nie krąży on w nich, a tylko dostarczany jest do zaworu i wypływa z niego do otoczenia. Wtedy trzema króćcami strumienie czynnika wpływałyby do zaworu, a wypływałyby króćcem czwartym, tworząc trzy drogi przepływu. Wówczas zawór taki można by nazwać zaworem 3-drogowym. Teraz bliżej mu już do powszechnie używanej nazwy „zawór 4-drogowy”, ale jednak dalej takim nie jest.

Zawory n-króćcowe. Im dalej w las, tym więcej drzew. Tak więc i tutaj można sprawę skomplikować jeszcze bardziej, bo w praktyce spotykane są także zawory 6-drogowe i 8-drogowe. Ale już na tym etapie czytelnik wie, co w tej trawie (lesie) piszczy. Tego typu rozwiązania to nic innego, jak połączenie dwóch zaworów 3-króćcowych lub 4-króćcowych w jeden tandem. Przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 4.

Mieszać i dzielić – jak?
Wiemy już, że w zaworach z liczbą króćców większą niż dwa może następować podział strumienia czynnika na poszczególne króćce. Czy więc jest to mieszanie, czy rozdzielanie? W przypadku zaworu z trzema króćcami zależne jest to od tego, w jakiej konfiguracji z pompą zainstalowany jest on w instalacji. Ten sam zawór może bowiem pracować zarówno jako mieszający, jak i jako rozdzielający i jest to określenie funkcji zaworu, a nie jego rodzaju.

! Mówienie o zaworach z trzema króćcami: „zawory mieszające” lub „zawory rozdzielające”, bez odnoszenia się do ich aplikacji, nie jest prawidłowe z formalnego punktu widzenia, aczkolwiek jest powszechnie spotykane.

Zawór z trzema króćcami – mieszający, czy rozdzielający? Jak zatem określić, czy w danej instalacji zawór z trzema króćcami pracuje jako mieszający, czy jako rozdzielający? – Otóż, jeśli czynnik dopływa dwoma króćcami, łączy się w zaworze i wypływa trzecim, oznacza to, że następuje mieszanie – zawór pracuje jako mieszający. Jeśli zaś czynnik dopływa tylko jednym króćcem, to następuje jego rozdział na dwa strumienie do pozostałych króćców i zawór pracuje jako rozdzielający.

Odnosząc to do lokalizacji zaworu względem pompy – jeśli tłoczy ona czynnik na dany króciec zaworu, to wymusza w ten sposób jego rozdział na dwa pozostałe króćce i zawór pracuje jako rozdzielający. Jeśli pompa zasysa czynnik z danego króćca, to wymusza w ten sposób również zasysane go z dwóch pozostałych króćców i mieszanie się strumieni – zawór pracuje zatem jako mieszający. Każdorazowo króciec, który obsługuje pompa i którym płynie sumaryczny strumień czynnika, traktuje się jako króciec zbiorczy AB, a pozostałe króćce traktuje się jako króćce składowe A i B. W zaworze tym tylko przez jeden króciec może płynąc czynnik zmieszany, bądź rozdzielany.

Opisaną wyżej zasadę pokazano na rys. 5 dla kilku wybranych przypadków.

Zawór z czterema króćcami – mieszająco-rozdzielający. W przypadku zaworu z czterema króćcami sytuacja wygląda nieco inaczej. Skoro czynnik może do niego wpływać dwoma króćcami i wypływać również dwoma króćcami i z zasady odprzęga on dwie części instalacji, to każda z nich ma własną pompę. W związku z tym w zaworze zachodzić może równocześnie mieszanie się strumieni i ich rozdzielanie – zawór taki jest więc zaworem mieszająco-rozdzielającym.

Na rys. 6 zobrazowano tę zasadę pracy dla kilku głównych pozycji pośrednich zawieradła (pozycje 2, 3, 4) czynnik wpływa jednym króćcem, np. A, i rozdziela się na dwa pozostałe króćce, np. B i D. Jednak do tych dwóch króćców wpływa również rozdzielony czynnik z przeciwległego króćca C i miesza się w króćcach B i D z czynnikiem z króćca A.

Opisaną różnicę między zaworami z trzema a z czterema króćcami pokazano z kolei na rys. 7.

Mieszać i dzielić – po co?
Zawory wielokróćcowe służą do regulacji i stabilizacji zadanej wartości temperatury czynnika lub przepływu w danej części instalacji – w sytuacji łączenia więcej niż jednej regulowanej jej części. Najczęściej celem ich stosowania jest utrzymywanie zadanej, stałej wartości temperatury czynnika w regulowanej części instalacji, przy określonym jego strumieniu, bądź utrzymywanie stałej wartości strumienia czynnika. Dzięki mieszaniu strumieni dwóch czynników o różnych temperaturach możliwe jest osiąganie czynnika o wypadkowej temperaturze, zależnej od stopnia zmieszania obu strumieni.

Zawory z trzema i czterema króćcami różnią się przeznaczeniem. Zawory 2-drogowe z trzema króćcami, które pracują jako mieszające, mają najczęściej zastosowanie do regulacji temperatury czynnika zasilającego całą instalację lub jej część, np. gdy wraz z typowymi grzejnikami konwekcyjnymi użyte są grzejniki podłogowe, wymagające niższej temperatury zasilania (patrz cykl autora: płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe – armatura współpracująca, „PI” 1-2 oraz 4-5/2021 i następne). Wówczas strumień masy czynnika w obiegu przez odbiornik ciepła, gdzie zamontowana jest pompa, jest stały (wahania wynikać mogą z charakterystyki dławienia pompy). Regulowana jest natomiast, stopniem zmieszania w zaworze, temperatura czynnika wypływającego. Strumień masy czynnika w części źródła ciepła zmienia się od 0 do 100%.

Zawory 2-drogowe z trzema króćcami pracujące jako rozdzielające przydatne są natomiast w instalacjach z centralną ilościową regulacją eksploatacyjną, tj. przy zmiennej wartości strumienia i stałej temperaturze czynnika wychodzącego z zaworu rozdzielającego. W tym przypadku obieg źródła ciepła pracuje przy stałej wartości strumienia, a w obiegu odbiornika zmienia się on od 0 do 100%. Poglądowe schematy rozwiązań z omawianymi urządzeniami zobrazowano na rys. 5.

Praktyczne zastosowania zaworów 2-drogowych. Schematy b i c przedstawione na rys. 5 są do siebie podobne. Zawory w obu konfiguracjach mogą pełnić podobną funkcję w instalacji, tj. ilościowej (zmiana strumienia czynnika) regulacji mocy odbiornika, przy możliwości zachowania stałego strumienia w źródle ciepła. Mogą one być stosowane zastępczo, np. układ c może być użyty wówczas, gdy zawór nie jest konstrukcyjnie przystosowany do rozdzielania strumieni, a jedynie do mieszania i nie mógłby poprawnie pracować w układzie według wariantu b.

Typowym zastosowaniem zaworu 2-drogowego jest także zabezpieczenie temperatury czynnika powracającego do kotła, w celu uniknięcia nadmiernego wychłodzenia tego czynnika i tym samym wychłodzenia spalin – co powoduje wykraplanie z nich pary wodnej i ryzyko powstawania kwasu siarkowego (gdy paliwem jest np. węgiel, zawierający często znaczną ilość siarki). Zawór może wtedy pracować jako element rozdzielający, bądź mieszający. Przy rozruchu instalacji, gdy odbiorniki ciepła (grzejniki) są zimne, czynnik doprowadzany do odbiorników doznaje dużego wychłodzenia, wracając do kotła z temperaturą znacznie niższą niż założona dla warunków projektowych. Aby temu zapobiec, część czynnika wychodzącego z kotła jest zawracana z użyciem zaworu bezpośrednio do przewodu powrotnego, którym wraca również wychłodzony czynnik z instalacji. Oba strumienie mieszają się w punkcie łączenia przewodów {C} (w przypadku zaworu rozdzielającego – rys. 5 b), bądź w zaworze (w przypadku zaworu mieszającego – rys. 5 c), podwyższając wynikową temperaturę czynnika wpływającego do kotła. Naturalnie odbywa się to przy częściowym zmniejszeniu ilości czynnika i mocy przekazywanej przez przewód zasilający na instalację w etapie rozruchu, co w praktyce przekłada się na wydłużenie tego procesu. W początkowej fazie rozruchu występuje minimalne mieszanie, tzn. zawór kieruje do przewodu powrotnego kotła najmniejszą ilość czynnika powrotnego z instalacji i tym samym największą bezpośrednio z przewodu zasilającego kotła. Przez króciec {A} przepływa wówczas minimalna ilość czynnika, a przez króciec {B} maksymalna. W miarę upływu czasu, gdy odbiorniki ciepła osiągają coraz wyższą temperaturę i maleje wychłodzenie w nich czynnika, coraz większa ilość czynnika wracającego z instalacji kierowana jest przez zawór do przewodu powrotnego kotła. Tym samym zmniejsza się ilość czynnika zawracanego bezpośrednio z przewodu zasilającego. W pewnym momencie otrzymuje się maksymalny stopień zmieszania i oba strumienie – zawracany bezpośrednio z kotła i powrotny z instalacji – wyrównują się. W dalszej fazie stopień zmieszania zaczyna maleć, gdyż zawór zmniejsza ilość czynnika zawracanego z kotła i zwiększa ilość czynnika wracającego z instalacji, aż do zamknięcia (jeśli konstrukcja zaworu to umożliwia, zwykle występuje pewien przeciek) dopływu czynnika z kotła.

Ponadto, urządzenia tego typu, pełniąc podobne funkcje, stosowane są w instalacjach z kolektorami słonecznymi oraz w instalacjach ciepłej wody użytkowej. Praktyczne realizacje instalacji z zaworami 2-drogowymi zobrazowano na rys. 8

Zawory 2-drogowe z czterema króćcami stosowane są najczęściej w celu równoczesnego zapewnienia odpowiedniej temperatury wody wracającej do kotła i rozdzielenia hydraulicznego obiegów kotłowego i grzejnikowego instalacji tak, aby zmiana parametrów mieszania strumieni nie musiała wiązać się ze zmianami wartości strumienia w którymś z obiegów – są one niezależne od siebie. Tej ostatniej funkcji nie są w stanie zapewnić zawory z trzema króćcami. Układ z takim zaworem schematycznie przedstawiono na rys. 9.

Budowa i napęd 
Zawory wielokróćcowe napędzane mogą być przy użyciu napędów termostatycznych, siłowników elektrycznych lub ręcznie. W pierwszym przypadku zasada pracy jest podobna jak w termoregulatorach grzejnikowych. Główna różnica polega na tym, że w tej sytuacji mierzona i regulowana jest temperatura wody w króćcu, do którego podłączona jest rozpatrywana część instalacji, np. przewodów powrotnych kotła. Pomiar może odbywać się z użyciem głowicy termostatycznej z wyniesionym czujnikiem, który montowany jest w miejscu docelowym, bądź wewnątrz zaworu. W drugim przypadku konstrukcja grzybka i trzpienia zapewnia przewodzenie ciepła do głowicy o specjalnej konstrukcji, bądź element termostatyczny zamontowany jest wewnątrz zaworu. W takim przypadku spotkać można zarówno zawory z konstrukcyjnie ustaloną temperaturą zadaną (rys. 12 a), jak i z możliwością płynnej regulacji tej temperatury (rys. 13).

Na rys. 10 przedstawiono przekrój zaworu 2-drogowego przystosowanego do współpracy z głowicami termostatycznymi, wobec czego w łatwy sposób użyty może być w układzie ilościowej (przez zmianę strumienia czynnika) regulacji temperatury odbiornika, np. grzejnika podłogowego, w mieszanym układzie ogrzewczym. Zawór polecany jest przez producenta do pracy jako rozdzielający.

Wykonanie zaworów. Generalnie te same zawory 2-drogowe można stosować zamiennie jako mieszające lub jako rozdzielające, jednak czasem są one konstrukcyjnie różnicowane. Podobnie bowiem jak w przypadku 1-drogowych zaworów regulacyjnych korzystnie jest, aby napływ czynnika występował pod grzybek, co zapobiega generowaniu siły na grzybku, która dążyłaby do zamknięcia zaworu. W takim przypadku różnicuje się konstrukcję zawieradła (grzybka), jak pokazano przykładowo na rys. 11. Zwykle jednak zawory przystosowane do pracy jako mieszające wykonywane są w szerszym asortymencie przepustowości (współczynników przepływu kv) oraz mogą pracować przy większych różnicach ciśnienia. Ponadto tego typu zawory często wykonywane są tak, aby przy pełnym zamknięciu jednego króćca zapewnić pewien niewielki strumień czynnika w drugim króćcu.

Na rys. 12 a zaprezentowano zawór 2-drogowy Herz Teplomix, przeznaczony do pracy jako mieszający i do zabezpieczania temperatury powrotu czynnika do kotła. Ma on wbudowany mechanizm termostatyczny, który uruchamia się przy temperaturze 55-61°C, w zależności od wybranej wersji. Zawór ten nazywany też jest czasem „zaworem termicznym kotła”. Na rys. 12 b zobrazowano zawór 2-drogowy tego producenta, mogący pracować zarówno jako mieszający, jak i rozdzielający, będąc napędzanym przez siłownik.

Zaprezentowane na rys. 4 podwójne zawory 2-drogowe znajdują zastosowanie w przypadku zespolonych urządzeń grzewczo-chłodniczych, np. tzw. fancoili, do których doprowadzana jest osobno sieć przewodów systemu ogrzewczego i chłodniczego. W tym przypadku stosowane są również osobne zawory 2-drogowe dla każdej z sieci, a także osobne siłowniki. Zespolenie obu zaworów, chociaż zwykle droższe niż dwóch osobnych zaworów 2-drogowych, pozwala jednak ograniczyć koszty związane z słownikami, gdyż w tym przypadku może to być jeden element.

Podobnie jak w ofercie 1-drogowych zaworów regulacyjnych, tak i w ofercie zaworów 2-drogowych spotkać można zarówno zawory grzybkowe, jak i zawory kulowe, a także zawory z ruchem zawieradła posuwisto-zwrotnym i obrotowym (wówczas sterowanie odbywa się albo ręcznie, albo z użyciem siłownika obrotowego, jak pokazano na rys. 4).

! Wybór zaworu często dyktowany jest ceną – kulowe zawory 2-drogowe i siłowniki do nich są zwykle tańsze niż zawory grzybkowe. Jednak gdy zawór ma współpracować z głowicą termostatyczną, taka zamiana nie jest możliwa, ponieważ typowa głowica pracuje wykorzystując ruch posuwisto zwrotny, natomiast zawór kulowy wymaga do sterowania ruchu obrotowego.

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017
[2] https://desto.pl/, dostęp 15.02.2020
[3] https://www.ferro.pl/, dostęp 15.02.2020
[4] https://www.fuego.pl/, dostęp 15.02.2020
[5] https://kotly.com/pl/, dostęp 15.02.2020