Stabilizatory różnicy ciśnienia

dr hab. inż. Damian Piotr Muniak, prof. PK, Katedra Energetyki, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki

Stabilizatory różnicy ciśnienia, nazywane także regulatorami różnicy ciśnienia lub regulatorami ciśnienia, działają na podobnej zasadzie, jak omówione w poprzednie części zawory nadmiarowo-upustowe – mierzą wartość ciśnienia i odpowiednio się przymykają, lub otwierają. Zasadniczą różnicą jest to, że pomiar ciśnienia może być dokonywany na dwóch dowolnych punktach instalacji, dzięki zastosowaniu niezależnych doprowadzeń sygnału. Parametrem wyjściowym jest więc różnica ciśnienia. Co za tym idzie – zawory te mają możliwość stabilizacji różnicy ciśnienia po stronie wtórnej sieci przewodów, a nie tylko ograniczania ciśnienia od góry.

Sygnał podawany jest na membranę pomiarową, a sprężyna nastawcza ustawia wartość stabilizowanej różnicy ciśnienia. Konfiguracja podłączenia rurek w układzie ma wpływ na to, czy zawór pracuje jako zamykający się, czy też jako otwierający się przy wzroście ciśnienia po stronie pierwotnej sieci przewodów. Na rysunku 1 zaprezentowano schematy stabilizatora różnicy ciśnień z różnymi konfiguracjami podłączenia rurek impulsowych.
Sygnały na membranę mogą być dostarczane dwiema zewnętrznymi rurkami impulsowymi, jak pokazano na rysunku 1, ale może to być również rozwiązanie, w którym jeden z sygnałów jest pobierany wewnątrz zaworu, np. przez wydrążany grzybek. Mówi się wówczas odpowiednio o zaworze z zewnętrzny, lub z wewnętrznym pomiarem. Drugie rozwiązanie prezentuje rysunek 2.
Zawór może być podłączony szeregowo lub równolegle w układzie. Układ z połączeniem szeregowym dla stabilizatora z zewnętrznym pomiarem prezentuje rysunek 3. W zależności od konfiguracji połączeń rurek impulsowych, może on działać jako zamykający, bądź jako otwierający przy wzroście ciśnienia czynnego w części pierwotnej, lub przy spadku ciśnienia za obiektem stabilizowanym.

W przypadku zaworu z wewnętrznym pomiarem, jednym z sygnałów ciśnienia jest ciśnienie spod (sprzed) grzybka. Drugi sygnał ciśnienia doprowadzany jest rurką impulsową. Aby więc zawór mógł się zamykać przy wzroście ciśnienia po stronie pierwotnej, ograniczając jego przyrosty po stronie wtórnej (analogicznie – aby mógł się otwierać przy spadku ciśnienia), to drugi sygnał ciśnienia musi pochodzić z punktu, gdzie jego wartość jest wyższa, niż przed grzybkiem. W przeciwnym wypadku zawór byłby cały czas otwarty. Rurkę należy więc podłączyć we wcześniejszym punkcie instalacji, przed, a nie za zaworem. Dlatego zawór taki powinien być zamontowany na powrocie, a zewnętrzny sygnał ciśnienia powinien pochodzić z przewodu zasilającego, sprzed punktu określającego tę część instalacji, która ma być objęta stabilizacją, Pokazano to na rysunku 4a. Montując taki zawór na zasilaniu, jak pokazano na rysunku 4b, będzie on pracował odwrotnie, czyli nie będzie spełniał swojej funkcji. Ponadto taka lokalizacja sprawia, że obszarem stabilizacji objęta jest nie tylko wymagana część sieci przewodów/obiekt stabilizowany, ale także część samego zaworu, włączając w to połączenie gniazdo-grzybek zaworu. Z uwagi na to, że spadek ciśnienia na zaworze jest funkcją jego stopnia otwarcia, to ciśnienie na drugim końcu stabilizowanej części sieci przewodów będzie funkcją nie tylko zmian ciśnienia czynnego i zmian strat ciśnienia danego odcinka sieci/obiektu stabilizowanego, ale także zmian stopnia otwarcia zaworu. Takie działanie jest sprzeczne z ideą stosowania tego typu zaworów.
W przypadku połączenia równoległego w układzie, stabilizator różnicy ciśnienia może działać zarówno jako otwierający się, jak i zamykający się przy wzroście ciśnienia po stronie pierwotnej, analogicznie do zaworu nadmiarowo-upustowego. Wybór taki będzie jednak możliwy tylko dla zaworu z zewnętrznym pomiarem, gdzie oba sygnały ciśnienia mogą pochodzić z dowolnych punktów instalacji, niezależnych od lokalizacji samego urządzenia. Zobrazowano to na rysunku 5.

W przypadku zaworu z wewnętrznym pomiarem, przy montażu równoległym, jak pokazano na rysunku 6, mechanizm działania jest narzucony.
Wewnętrzny sygnał ciśnienia dostarczany jest ze strony pierwotnej sieci przewodów, tj. strony o wyższym ciśnieniu. Drugi sygnał pobierany jest ze strony wtórnej sieci, o niższym ciśnieniu.
Zawór pracuje więc jako otwierający się przy wzroście ciśnienia czynnego. Idąc dalej – jeśli rurka impulsowa nie zostanie podłączona, to górna strona membrany będzie pod ciśnieniem atmosferycznym i zawór ten będzie działał jak zawór nadmiarowo-upustowy, reagując tylko na przyrost ciśnienia po stronie pierwotnej.
Za pomocą stabilizatora różnicy ciśnienia można również skonstruować układ do utrzymywania (względnie) stałego przepływu w regulowanej części sieci przewodów. Prezentuje to rysunek 7.
Kryza pomiarowa daje określony spadek ciśnienia przy danej wartości strumienia czynnika. Wraz ze zmianą strumienia czynnika zmienia się spadek ciśnienia na niej. Jeśli więc element ten obejmie się pętlą stabilizacji ciśnienia, podłączając pod niego rurki impulsowe, to stabilizator różnicy ciśnienia, starając się utrzymać zadaną wartość, będzie w efekcie stabilizował przepływ czynnika. W miejscu kryzy użyć można ręcznego zaworu regulacyjnego, ustawionego na określoną wartość oporu hydraulicznego (współczynnika przepływu).
Istotna jest konfiguracja połączeń rurek impulsowych doprowadzających sygnały ciśnienia. Jeśli chcemy uzyskać stabilizację przepływu, to przy wzroście ciśnienia w układzie zawór musi się zamykać. Sygnał o wyższym ciśnieniu (+), przed elementem dławiącym patrząc w kierunku zgodnym z przepływem, musi być doprowadzony na „górną” stronę membrany. Sygnał o niższym ciśnieniu (-) musi być doprowadzony na stronę „dolną”. Podstawowe praktycznie stosowane schematy z regulatorami różnicy ciśnień przedstawia rysunek 8.

W przypadku tych zaworów dobór wartości stabilizowanej różnicy ciśnienia przeprowadzany jest przy uwzględnieniu wymaganej wartości strumienia czynnika, analogicznie jak dla zaworów nadmiarowo-upustowych. Z uwagi jednak na funkcję zaworu, tj. stabilizację różnicy ciśnienia, zawór od tego punktu pracy powinien mieć możliwość zarówno otwierania się, jak i zamykania się, w przeciwieństwie do zaworu nadmiarowo-upustowego, który tylko się otwiera. Zatem punkt pracy powinien być ustalony nie na początku, ani nie na końcu jego charakterystyki dla danej nastawy, ale pomiędzy tymi dwoma punktami.

Ustalenie go na którymś z krańców będzie oznaczało, że działać on będzie mógł tylko jako zamykający się, tj. jako redukujący ciśnienie, albo tylko jako otwierający się, tj. jako zwiększający ciśnienie po stronie wtórnej, nie zaś jako stabilizator różnicy ciśnienia, tj. jako zamykająco-otwierający. Charakterystyki hydrauliczne typowego stabilizatora różnicy ciśnienia, obrazujące to zjawisko, zaprezentowano na rysunku 9. Symbolem Xp oznaczono tzw. zakres proporcjonalności, w zakresie którego zawór pracuje. Sytuacja jest tutaj analogiczna do zaworów omówionych w poprzedniej części – proporcjonalny charakter działania uniemożliwia osiągnięcie idealnej stabilizacji różnicy ciśnienia po stronie wtórnej przy jego wahaniach po stronie pierwotnej – linie nie są poziomie, jak byłoby w idealnym przypadku.

Przykład doboru

Należy dobrać stabilizator różnicy ciśnienia i jego nastawę dla następujących danych:

• zawór ma mieć możliwość pracy zarówno jako zamykający się, jak i jako otwierający się w przedziale swojego użytecznego zakresu proporcjonalności Xp,
• wymagana wartość stabilizowanej różnicy ciśnienia: Δp = 250 mbar = 0,25 bar,
• projektowa wartość strumienia czynnika: V = 650 l/h = 0,65 m3/h,
• rozpatrzyć zastosowanie zaworów Herz 4007 o średnicy nominalnej DN15 i DN25.

Rozwiązanie
Zgodnie z nomogramem charakterystyk hydraulicznych zaworów, zamieszczonym na rysunku 10, widać, że punkt pracy znajduje się w zakresie, w którym pracować mogą oba zawory.

Nastawa różnicy ciśnień dla zaworu Herz 4007 DN15 powinna wynosić ok. Δp = 250 mbar, zaś dla zaworu Herz 4007 DN25 powinna wynosić ok. Δp = 212 mbar. Jednak dla zaworu Herz 4007 DN25 oznacza to punkt pracy niemal na początku jego charakterystyki, tj. przy niewielkim użytecznym zakresie proporcjonalności Xp i tym samym przy małym stopniu otwarcia, tj. małym wzniosie grzybka regulacyjnego nad gniazdem zaworu. Zatem zawór będzie miał możliwość zamykania się w niewielkim zakresie ruchu grzybka, potencjalnie wchodząc w obszar mniej niestabilnej pracy i gorszej jakości regulacji.
Dla zaworu Herz 4007 DN15 punkt pracy wypada mniej więcej w połowie użytecznego zakresu proporcjonalności Xp, a więc zakres ruchu grzybka przypadający na zamykanie się i obniżanie różnicy ciśnienia w sieci wtórnej oraz otwieranie się i zwiększanie różnicy ciśnienia w sieci wtórnej jest podobny. Dlatego powinno się wybrać ten zawór.

Wskazówki doboru

• Punkt pracy stabilizatora różnicy ciśnienia powinien być dobrany tak, aby miał on możliwość zarówno efektywnego otwierania się, jak i zamykania się, a tym samym aby miał możliwość stabilizacji różnicy ciśnienia w części wtórnej przy obustronnych wahaniach ciśnienia w części pierwotnej na podobnym poziomie. Nie musi to jednak oznaczać doboru dokładnie w połowie charakterystyki regulacyjnej. Szczegółowo opisano to w pracy [1].
• Należy unikać dobierania zbyt dużych zaworów. Jeżeli w trakcie doboru okaże się, że można zastosować dwa różne rozmiary danego zaworu, to należy wybrać ten mniejszy. Jest to korzystne z punktu widzenia jakości regulacji, a także jest to rozwiązanie tańsze.
• Najpopularniejszym obecnie rozwiązaniem są zawory z wewnętrznym pomiarem, tj. z jedną wolną rurką impulsową. Tego typu zawory należy montować na przewodzie powrotnym, a nie na zasilającym.
• Stabilizatory różnicy ciśnienia mogą być użyte do stabilizacji przepływu, a także jako zawory nadmiarowo-upustowe. Nie jest to jednak ich podstawowa rola i są w takim zastosowaniu wyborem droższym, niż dedykowane do tych celów zawory.

Literatura:
1. Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017
2. Materiały katalogowe i prasowe firmy Herz