Mi a különbség a statikus beszabályozó szelepek és a dinamikus szelepek között? – tudhatja meg a szakcikkből. Ezen kívül megismerkedhet a hőleadók tervezett térfogatáramának számításmódjával, a mérőperemekkel, valamint a partnerszelepekkel, és a PIBCV szelepekkel is.
Hőleadók térfogatáramának meghatározásáról
Mint ismeretes, egy adott hőleadó szükséges térfogatáramát a
képlettel tudjuk meghatározni. Egyes tervezők azonban nem a hőleadó hőteljesítményéből, hanem az adott helyiség hőigényéből számítják az adott hőleadó szükséges térfogatáramát, megtartva a tervezési hőfoklépcsőt. Ezzel kapcsolatban adódik egy kis probléma, amelyet egy személyes tapasztalattal kívánok ismertetni. Egy létesítmény hidraulikai beszabályozásával bíztak meg, amely munka elvégzéséhez szükséges tervdokumentációt a megrendelőtől megkaptam. Feltűnt, hogy a beszabályozási terven, táblázatos formában kétszer akkora térfogatáram szerepelt, mint a rajzokon. Mint kiderült, a hőleadók kétszeres biztonsági faktorral kerültek kiválasztásra, azonban a tervezett térfogatáram (és minden más) a hőszükséglet alapján. A szoftver azonban a beépített hőleadók hőteljesítményét vette alapul számításkor, helyesen. Nézzünk egy példát:
Helyiség hőszükséglete: 1 000 W
Beépített hőteljesítmény: 2 000 W (80/60/20°C – tervezési paraméterek mellett)
Tervezett hőfoklépcső: 80/60 °C
Hőleadó hatványkitevője: n=1,35
Méretezési belső léghőmérséklet: 20 °C
Tervezett térfogatáram a helyiség hőszükséglete alapján 80/60°C mellett: 44 l/h
Szükséges térfogatáram 80/60°C hőlépcső mellett: 88 l/h.
Az 1. ábrán láthatjuk ennek a hőleadónak a fojtási jelleggörbéjét.
Ábra
Térfogatáram ellenőrzése mérőperemekkel
A mérőperemek az egyik legegyszerűbb konstrukciójú térfogatáram mérésre szolgáló szerelvények. Egy ilyen szerelvényt ábrázoló sematikus metszetet láthatunk a 2. ábrán. Kialakításuk alapvetően igen sokféle lehet, amelyről a szakirodalomban részletesen olvashatunk, illetve fontos, hogy ezeknek a mérőszerelvényeknek a felépítését, az ezekkel történő mérést, stb. az MSZ EN ISO 5167-2:2003 szabvány tartalmazza. A térfogatáram mérés itt is nyomáskülönbség elvén történik, amelyet a 2. ábrán jelölt p1 és p2 nyomáskivezető furatoknál tudunk megmérni. Ezen nyomáskülönbség és az adott gyártó által megadott kvs- átfolyási tényező birtokában a csőben áramló közeg térfogatárama meghatározható. Fontos, hogy a mérőperemeknél is szükséges beépíteni egyenes csőszakaszokat a megbízható mérés érdekében. Ez az érték a mérőperem kialakításától, a helyi adottságoktól függően eltérő, de alapvetően a mérőperem beáramlási keresztmetszete előtt 10D, míg a kiáramlási keresztmetszet után 5D egyenes csőszakaszt kell biztosítani! Jellemzően ezeket a mérőszerelvényeket az adott rendszer összes térfogatáram mérésére igen jól lehet alkalmazni.
Hidraulikai beszabályozás statikus beszabályozó szelepekkel
A hidraulikai beszabályozás legrégebbi, a mai napig alkalmazott szerelvénytípusai az ún. statikus beszabályozó szelepek. Mint a nevéből is kiderül – statikus – a szelep nem tartalmaz olyan szerkezeti elemet, amely az adott rendszerben létrejövő áramlástechnikai változások hatására a szelep hidraulikai tulajdonságait (átfolyási tényező, áramlási ellenállás) változtatná, azaz adott szelepállás rögzítését követően a szelep rögzített átfolyási tulajdonságokkal bír. A 3. ábrán láthatjuk egy általános felépítésű, ún. egyenes ülésű beszabályozó szelep elvi metszetét. Az ilyen típusú beszabályozó szelepek esetében a nyomáskivezető furatoknál tudjuk mérni az adott szelepen létrejövő nyomáskülönbséget, így lehetőségünk adódik térfogatáram mérésre. Összenyomhatatlan közegek áramlásakor olyan pontokban, ahol az áramlási sebesség markánsan megnövekszik (pl. kicsi áramlási keresztmetszet a szeleptányér-és a szelepülés között), kavitáció fordulhat elő. A kavitáció jelensége az alábbi; nagy áramlási sebességből adódóan a kinetikus nyomás markánsan megnő, amely következtében a statikus nyomás a közeg adott hőmérsékletéhez tartozó telítési gőznyomás alá csökken, majd ennek hatására lokális forrás jön létre, gőzbuborékok keletkeznek. Ezek a gőzbuborékok az áramló közeggel tovább áramlanak, majd amikor olyan helyre érkeznek, ahol a statikus nyomás újra az adott hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomásnál nagyobb, összeroppannak. Ennek következtében a folyadék ütést mér a szilárd felületre, így felületi erózió jön létre, ezt nevezzük kavitációs eróziónak. Ilyen, a szelepekben létrejövő felületi erózió eredményét láthatjuk a 4. ábrán. Annak érdekében, hogy ezt megakadályozzuk, a szelepen csak akkora fojtást szabad alkalmaznunk, hogy a statikus nyomás mindig nagyobb legyen, mint a közeg adott hőmérsékletéhez tartozó telítési gőznyomás. Tehát a 3. ábrán lévő pg1 gőznyomás meglétéről kell gondoskodnunk, illetve arról, hogy a szelepen létrejövő statikus nyomás sehol ne essen ezen érték alá. pg2 esetében kavitáció alakul ki, míg pg3 esetében a folyadék forrásba jön, mivel a szeleptányér utáni teljes hossz mentén.
Bizonyos gyártmányok mérőperemmel (vagy Venturi- csővel) vannak kombinálva. Ilyen esetben a nyomáskivezető furatok a beépített mérőperemnél vannak elhelyezve, így ilyenkor gyakorlatilag a beépített mérőperem átfolyási tényezője és az azon létrejövő nyomáskülönbség birtokában határozható meg a rajta átáramló térfogatáram. Előnye az ilyen típusú beszabályozó szerelvényeknek, hogy a helyszíni műszeres beszabályozást meggyorsítja, tekintve, hogy a műszerben csak egyszer kell betáplálni az átfolyási tényezőt. Gyakorlatilag úgy is felfoghatjuk az ilyen szerelvényeket, hogy egy mérőperem után sorba van kötve egy beszabályozó szelep. Nagy hátrányuk viszont, hogy hibadiagnosztizálásra nem alkalmasak. A mérőperem nélküli mérőcsonkos beszabályozó szelepek esetében, ha a szelepet teljesen elzárjuk, akkor az adott helyen tudjuk mérni a rendelkezésre álló csomóponti nyomáskülönbséget, amely igen hasznos tud lenni, ha egy beszabályozási munkálatkor az adott mérőhelyen nincs megfelelő térfogatáram.
Partnerszelepek alkalmazása
A partnerszelepek szintén statikus beszabályozó szelepek, amelyek nagyobb kiterjedésű hidraulikai hálózatok csomóponti beszabályozására, ellenőrzésére szolgálnak.
A partnerszelep alkalmazása a mai korszerű vízszállítási technológiák mellett sem elhanyagolható. Alapvetően azért van szükség partnerszelepre, mert a folyadékszállító berendezések jellemzően nem fokozatmentesek, valamint a hidraulikai beszabályozás elvégzéséhez ez egy szükséges szerelvény, illetve szükséges, hogy tudjuk mérni a rendszer össztérfogatáramát. A partnerszelep kiváltható mérőperemmel (amennyiben a szivattyún a szállítómagasság közel fokozatmentesen állítható), amelynek oka általában a létesítési költség csökkentése. Fontos megemlítenem, hogy az esetleges szivattyú meghibásodást (pl. a szivattyú nem tudja produkálni a beállított alapjelet, azaz szállítómagasságot) partnerszelep esetében diagnosztizálni lehet, ha a szelepet teljesen elzárjuk és mérjük, hogy a szivattyúnak mekkora az üresjárási nyomáskülönbsége. Ezt mérőperemmel nem tudjuk megtenni. A szivattyú gyártók közel fokozatmentesen (a szállítómagasság 0,05 ÷ 0,1 m-enként módosítható) állítható szállítómagasságú szivattyúkat gyártanak és ezen belül, amelyek kijelzik a „becsült térfogatáram”-ot, azoknál javasolják a partnerszelep mellőzését, hivatkozva arra, hogy a szivattyú kijelzi a térfogatáramot, valamint a partnerszelep elhanyagolása esetén a rendszer áramlási ellenállása jelentősen csökken. Az egyik dolog, hogy a partnerszelepen mérési okokból legalább 3,0 kPa-t kell biztosítanunk (mint fojtást), de legfeljebb 5,0 kPa-t engedünk meg, ez a szelepgyártótól függ. A fűtési/hűtési rendszerek csőhidraulikájával foglalkozó szakemberek számára ismeretes, hogy egy csőhálózatban a ~3,0 kPa nyomásesés igen elenyésző érték, ami gyakorlati szempontból villamosenergia többletfogyasztást alig okoz. Problémát okozhat, ha a partnerszelepet (vagy mérőperemet) elhanyagoljuk olyan esetben, ha a tervezett térfogatáram kevesebb, mint az adott szivattyú által kijelzett minimális térfogatáram értéke. A szivattyúk által kijelzett becsült térfogatáram, azért becsült érték, mert a betáplált jelleggörbe alapján határozza meg, hogy hol van a munkapont. Amennyiben víz-etilénglikol vagy víz-propilénglikol valamilyen arányú keveréke a hőhordozó közeg, akkor a kijelzett becsült térfogatáram további pontatlanságot hordoz magában, tekintettel arra, hogy a szivattyúk jelleggörbéi vízre vannak megadva.
Hidraulikai beszabályozás dinamikus (membrános meghajtóval szerelt) szelepekkel
A dinamikus szelepek gyakorlatilag segédenergia nélküli arányos (proporcionális) szabályozók. A fűtés- és hűtéstechnikában alkalmazott dinamikus szelepek az 5. ábrán láthatók.
Nyomáskülönbség szabályozók:
A strangszabályozók fix nyomáskülönbség szabályozási értékkel készülnek, valamint olyan kivitelűek, amelyeken bizonyos tartományon belül a nyomáskülönbség-alapjel állítható (pl. 5÷30 kPa vagy 20÷80 kPa, stb.). Kiválasztásuk függ a szabályozott szakasz (strang) térfogatáramától és az ahhoz tartozó nyomásveszteségtől (szükséges nyomáskülönbségtől). Funkcióját tekintve nyomáskülönbség stabilizálást tesz lehetővé, de fontos megemlíteni, hogy ennek köszönhetően gyakorlatilag térfogatáram korlátozás funkciót is ellát.
Mennyiségszabályozók:
A mennyiségszabályozók készülhetnek mérőperemmel (5. ábrán lévő bal oldali szelep), vagy a szelepházba épített fojtóelemmel (5. ábrán lévő jobb oldali szelep). Ez utóbbi a jellemző a kereskedelmi forgalomban kapható térfogatáram korlátozó szelepekre, hiszen ezzel oldható meg, hogy a szerelvényen különböző beállítást alkalmazzunk. Ennek okául előszeretettel alkalmazzák végponti (hőfogyasztói) szelepként, de még régebben használják távfűtőhálózatok primer oldalának mennyiségszabályozására is.
Túláramszelep:
Túláramszelepek jellemzően régi típusú, fix fordulatszámú szivattyúknál kerültek alkalmazásra, változó tömegáramú rendszereknél. Ennek oka, hogy pl. a termosztatikus radiátorszelepek zárásakor a munkapont balra és felfelé tolódik el, így a szivattyú szállítómagasság nő, míg nem az összes hőfogyasztói szelep zárásával a folyadékszállító berendezés az ún. üresjárási nyomáskülönbséget hozza létre. Ez erősen kihatással van az ilyen típusú áramlástechnikai berendezések élettartamára, valamint ilyen esetben a termosztatikus radiátorszelepeknél a megnövekedett nyomáskülönbség hatására nem kívánatos áramlási zajok keletkeznek. A túláramszeleppel egy meghatározott alapjelet beállítva lehetőségünk van, hogy bizonyos mennyiségű fogyasztó kizárásával járó szállítómagasság-megnövekedéskor egy by-pass ágban beépített túláramszelep ezt érzékelve, kinyit, ezzel a szivattyú valamennyi térfogatáramot gyakorlatilag mindig szállít, ezzel megnövelve az élettartamát. A fordulatszám-szabályozott szivattyúk esetében a különböző szabályozási módok tekintetében ennek a szerelvénynek napjainkra gyakorlatilag megszűnt a létjogosultsága.
PIBCV (PICV) szelepek
Alapvetően ez a szelep is a dinamikus szelepek családjába tartozik, de megérdemel egy külön fejezetet. Bizonyos gyártók úgy „hirdetik” az ilyen típusú szelepeiket, hogy nincs szükség műszeres hidraulikai beszabályozásra. De mielőtt az ezzel kapcsolatos okfejtésemet levezetem, röviden nézzük meg a szelep tulajdonságait.
A PIBCV kifejezés angolul a Pressure Independence Balancing- and Control Valve- nek a rövidítése. Magyarul Nyomásfüggetlen Beszabályozó- és Szabályozó szelep. Az ilyen típusú szelepek – funkciójukat tekintve – 3 rész-szelepre bonthatók fel, amelyet a 6b. ábrán láthatunk. Tehát azon túlmenően, hogy egy kombinált szeleppel van dolgunk (szabályozó- és beszabályozó egyben), a szelepnek bizonyos pontjai között a nyomáskülönbség állandó. Ez két okból is kedvező:
Amikor a szelep teljesen nyitva van. Tekintve, hogy a 6b. ábrán jelölt két pont között a nyomáskülönbség, valamint az átfolyási-tényező is állandó, így a térfogatáram minden körülmények között változatlan (amikor a rendszer más pontján bizonyos fogyasztó szelepe zár, nem jön létre többlet térfogatáram), tehát egyszer térfogatáram korlátozó funkciót tölt be a szelep,
Amikor a szelep zár. Amikor a szelep motorja zárni kezd, akkor a 6b. ábrán jelölt két pont között a nyomáskülönbség a nyomáskülönbség-szabályozónak köszönhetően nem növekszik, mert a nyomáskülönbség-szabályozó membrán felső részére nagyobb nyomás terhelődik a motoros szelep zárásakor, így a szelepszár elmozdul, vagyis zárni kezd, így a motoros szelep autoritása is közel állandó marad.
A térfogatáram korlátozó funkciót tekintve a PIBCV szelepekkel szerelt hidraulikai hálózat műszeres hidraulikai beszabályozása egyszerűbb feladat, mint a statikus szelepekkel szerelt rendszereké. Egy ilyen rendszer műszeres hidraulikai beszabályozása során is a szivattyú szállítómagasságának beállítása is elvégzésre kell, hogy kerüljön, hiszen a tervezett térfogatáramok elérése mellett a szivattyú villamos-energia felhasználásának minimalizálása is cél. Amennyiben nem végzünk mérést a szelepek mindegyikén, akkor nem tudhatjuk, hogy melyik áramkör a mértékadó, ha pedig ezt nem tudjuk, úgy a szivattyú beállítása sem lehetséges. A különböző gyártmányok között van egy lényegi eltérés a mérést tekintve, miszerint:
Bizonyos gyártmányoknál a pontoknál történik a nyomáskülönbség mérése, így az ezen pontok között lévő eredő érték ismeretében mérhető a térfogatáram,
Bizonyos gyártmányoknál azonban a pontoknál történik a nyomáskülönbség mérése (vagyis a teljes szelepen mérjük a nyomáskülönbséget). Ilyen esetben a gyártók megadnak egy adott, minimálisan szükséges nyomáskülönbséget (indulási nyomáskülönbséget) , ami ha méréskor rendelkezésre áll, akkor a szelepen az adott előbeállításhoz tartozó térfogatáram is rendelkezésre áll. Persze azok a szelepgyártók, akik úgy alakítják ki a szelepük mérőcsonkjait, hogy azokkal a közötti nyomáskülönbséget lehessen mérni, szintén megadnak egy értéket, amelyet méretezéskor kell figyelembe venni, hiszen a rendszerellenállás számításakor a szelep dinamikus részét (nyomáskülönbség-szabályozó) is, vagyis a teljes szelep áramlási ellenállását szükséges figyelembe venni.
A 7. ábrán egy PIBCV szelep átfolyási diagramjai láthatóak a
nyomáskülönbség- és különböző szelepállások függvényében. Mint látható, amennyiben
azaz a nyomáskülönbség
az indulási nyomáskülönbség alatt van, úgy
Mindezek alapján beláthatjuk, hogy PIBCV szelepekkel szerelt hidraulikai hálózatnál úgy szükséges beszabályozni, hogy keressük azt a legkisebb szivattyú szállítómagasságot, amelynél minden egyes szelepnél a
(vagy
, ha olyan a szelepkonstrukció, hogy
pontok között történik a mérés) rendelkezésre áll. Bizonyos szelepgyártók ezt „szivattyú optimalizálásnak” hívják, ami véleményem szerint nem helytálló, sokkal inkább nevezhető ez szivattyú emelőmagasság minimalizálásnak.
Gergely Dániel Zoltán
Irodalomjegyzék a cikksorozat 1. részében található.
