Regulátory tlakového rozdílu jako nástroj k optimalizaci tepelných soustav

Jedna z podmínek dobře fungující regulace tepelné soustavy je správná volba regulátoru tlakového rozdílu pro regulaci tlakového rozdílu v celé tepelné soustavě. Nesprávnou volbou regulátoru tlakového rozdílu riskujete tyto problémy:

• funkce neplní svůj účel,
• špatná funkce regulovaného zařízení,
• oscilace tlaku v soustavě.

Regulátor tlakového rozdílu je možné zvolit v různých kombinacích, tedy s omezením průtoku nebo bez omezení a s regulací průtoku. Aby tento článek nebyl příliš obsáhlý, zabývám se zde pouze regulací tlakového rozdílu.

Regulátory tlakového rozdílu

Aplikace

Regulátory tlakového rozdílu se používají hlavně k zajištění konstantního tlakového rozdílu v soustavě nezávisle na změnách externího tlakového rozdílu v přívodní síti a na spotřebě v soustavě. Regulátory tlakového rozdílu se rovněž velmi často používají k vytvoření hydraulické rovnováhy v síti.

Nejpoužívanější aplikace regulátorů tlakového rozdílu:

• regulace v sekundárních soustavách,
• regulace tlakového rozdílu ve stanicích dálkového vytápění,
• regulace tlaku a tlakového rozdílu v sítích dálkového vytápění.

Všeobecné výhody

Jestliže se ve stanici účastníka používají regulátory tlakového rozdílu, je možné udržovat konstantní tlakový rozdíl ve stanici ve statickém vztahu bez ohledu na změny síťového tlakového rozdílu. To je přínosem pro koncové uživatele domácí stanice i pro společnost poskytující dané služby.

Obr.1 Regulace tepelné soustavy regulačním ventilem bez regulátoru tlakového rozdílu.

Výhody pro koncové uživatele

Regulátor tlakového rozdílu vybraný k regulaci tlakového rozdílu v dané stanici umožňuje přesné stanovení velikosti regulačního ventilu. To pak nabízí lepší možnosti ovládání regulačních ventilů, což poskytuje koncovému uživateli tyto výhody:

• stabilizace teplotní regulace (lepší autorita ventilu a nižší nárůst teplotyv soustavě),
• nízká úroveň hlučnosti a omezenírizika kavitace v regulačním ventilu,
• jednoduché nastavení uživatelské stanice,
• delší životnost regulačního zařízení.

Obr. 2 Regulace bytové tepelné soustavy s regulačním ventilem a regulátorem tlakového rozdílu.

Výhody pro společnost poskytující dané služby

Používání regulátorů tlakového rozdílu ve stanicích a v síti dálkového vytápění vytvoří v síti hydraulickou rovnováhu.

Ta pak znamená:

• dobrou distribuci vody v přívodní síti (spokojení spotřebitelé),
• je možné dosáhnout požadované úrovně tlaku v síti (snížené riziko oscilace tlaku v síti),
• množství cirkulující vody v síti může být omezeno (snížené náklady na cirkulaci vody).

Regulační faktory

Tento článek popisuje vliv regulátoru tlakového rozdílu na správné fungování domácí stanice dálkového vytápění. Tento vliv má významný dopad na výhody uvedené výše. Abychom dosáhli správně fungující soustavy, jsou důležité znalosti následujících regulačních faktorů:

1. Stanovení velikosti ventilu
   1. Stanovení velikosti regulačního ventilu
   2. Stanovení velikosti regulátoru tlakového rozdílu
   3. Regulační poměr
   4. Výkonnostní poměr
2. Nastavení soustavy
3. Hlučnost v regulačním ventilu
4. Hydraulická rovnováha v přívodní síti
   1. Omezení průtoku
   2. Přesnost omezení průtoku

1. Stanovení velikosti ventilu

Správně zvolená velikost ventilu je základem stabilní teplotní regulace vytápěcí soustavy a soustavy ohřevu vody.

1.1 Stanovení velikosti regulačního ventilu

Představte si, že máte stanovit velikost regulačního ventilu pro vytápěcí soustavu v rámci soustavy dálkového vytápění. Soustava není vybavena regulátorem tlakového rozdílu (obr. 1). Výkon soustavy je 220 kW. Jestliže je v soustavě teplotní rozdíl oběhové vody Δt = 50 K, je možné vypočítat průtok v soustavě Q = 3,78 m³/h. Ke stanovení velikosti regulačního ventilu se k výpočtu kv používá vztah

k_v = Q. (100 / Δp_v)^0,5,     (1)

kde

k_v je jmenovitý průtok ventilem (m³/h)
Q potřebný průtok ventilem (m³/h)
Δp_v tlakový rozdíl na ventilu (kPa).

Dispoziční minimální tlakový rozdíl v síti je Δp_disp = 100 kPa. Tlakový rozdíl Δp ve zbývající části zařízení se uvažuje 30 kPa.

Průtok se počítá na základě výkonu soustavy. Dostupný tlakový rozdíl pro regulační ventil se stanovuje obtížněji kvůli změnám tlaku v síti. Tlakový rozdíl v síti může kolísat do takové míry, že dostupný tlakový rozdíl pro regulační ventil může být od 100 až po 500 kPa.

Jestliže je pro ventil dostupný tlakový rozdíl Δp_v = 70 kPa, vypočítaná hodnota k_v pro ventil bude

k_v = 3,78. (100 / 70)^0,5 = 4,52 m³/h.

Těmto podmínkám bude vyhovovat regulační ventil DN 25 s k_vs = 6,3 m³/h, což je jmenovitý průtok plně otevřeného ventilu. Dostupný tlakový rozdíl pro regulační ventil Δp_v je 70 kPa. Nyní můžeme vypočítat Δp_v potřebný pro tento ventil

Δp_v = 100. (Q / k_v)²     (2)

Δp_v = 100. (3,78 / 6,3)² = 36 kPa.

Jestliže Δp_disp v síti vzroste na hodnotu 500 kPa, dostupný Δp_v na ventilu je 500 - 30 = 470 kPa, pak potřebné k_v bude pouze

k_v = 3,78. (100 / 470)^0,5 = 1,74 m³/h.

V tomto případě má dostatečný výkon regulační ventil, který má DN 15 a k_vs = 2,5 m³/h. Z výpočtu je vidět, že ventil DN 25 s maximálním výkonem a max. Δp_v bude fungovat s

k_vs / k_v = 6,3 / 1,74 = 3,6,

což je zhruba třetina jeho max. průtoku. Jestliže tlakový rozdíl v soustavě vzroste, ventil se začne uzavírat a fungovat v dolní části charakteristiky ventilu (obr. 4).

1.2 Stanovení velikosti regulátoru tlakového rozdílu

Jestliže je pro soustavu zvolen regulátor tlakového rozdílu, mohl by výpočet ventilu vypadat následovně.

Dispoziční minimální tlakový rozdíl v síti je Δp_disp = 100 kPa. Tlakový rozdíl Δ_p v ostatním zařízení se uvažuje 30 kPa a tlakový rozdíl Δp_v na regulačním ventilu 30 kPa. Dostupný tlakový rozdíl pro regulátor tlakového rozdílu je Δp_r = 40 kPa. Průtok na regulačním ventilu je 3,78 m³/h.

Regulační ventil bude mít hodnotu

k_v = 3,78 (100 / 30)^0,5 = 6,9 m³/h.

Zvolený regulační ventil má DN 32 a k_vs = 10 m³/h, přičemž

Δp_v = 100. (3,78 / 10)² = 14 kPa.

Dostupný tlakový rozdíl Δp_r pro regulátor tlakového rozdílu = 100 + 30 + 14 = 56 kPa, takže

k_v = 3,78 (100 / 56)^0,5 = 5,05 m³/h.

V této situaci je možné zvolit regulátor tlakového rozdílu DN 25, který má k_vs = 6,3 m³/h.

Při maximálním Δp_disp v soustavě bude regulátor tlakového rozdílu pracovat s Δp_r = 500 + 30 + 14 = 456 kPa, přičemž bude

k_v = 3,78. (100 / 456)^0,5 = 1,76 m³/h.

Obr. 3 ukazuje, že regulační odchylka regulátoru tlakového rozdílu bude 5,9 kPa (při k_v = 5,05 m³/h a při Δp_r = 56 kPa). Dále že regulační odchylka poklesne na 1,9 kPa (při k_v = 1,76 m³/h a při Δp_r = 456 kPa). Celková odchylka regulace při změně tlaku v rozmezí 100 až 500 kPa bude tedy 5,9 - 1,9 = 4 kPa.

Obr. 3 Pásmo X_p a regulační odchylka X_p (kPa) regulátorů tlakového rozdílu Danfoss typu APV.

Nyní lze zjistit, že jsou-li změny Δ_p v síti od 100 do 500 kPa, budou odchylky Δp_v na regulačním ventilu (obr. 2) pouze X_p = 4 kPa. To znamená, že jestliže je v soustavě instalován regulátor tlakového rozdílu, bude udržovat Δp_v takřka konstantní bez ohledu na změny tlakového rozdílu v síti.

Obr. 4 Otevírání ventilu v souvislosti s tlakovým rozdílem v soustavě s regulátorem tlakového rozdílu a bez něj.

Obr. 4 ukazuje závislost mezi potřebným jmenovitým průtokem k_v a dispozičním tlakovým rozdílem v síti s regulátorem tlakového rozdílu a bez něj. Čím nižší je poměr průtoků v soustavě bez regulátoru tlakového rozdílu, tím vyšší je riziko oscilace tlaku v důsledku provozu pod k_vr. Aby se zabránilo oscilaci tlaku v soustavě, je nutné vzít v úvahu:

• nastavení parametrů v elektronickém regulátoru,
• typ charakteristiky ventilu,
• autoritu ventilu.

Nastavení regulátoru

Nastavení regulačních parametrů v elektronickém regulátoru je velmi důležité, chceme-li oscilaci zabránit. Toto nastavení se může zjednodušit, jestliže zvolíme regulátor s funkcemi jako je autoladění a ochrana pohonu [3].

Regulační ventil musí mít charakteristiky uzpůsobené provoznímu pohonu a topné aplikaci. U bytových tepelných soustav a soustav ohřevu vody bude optimální možností SPLIT (dělená) charakteristika (obr. 5). Split charakteristika se vytváří podle výkonu tepelného výměníku typického pro teplotní nastavení užívané v aplikacích soustav dálkového vytápění [1] a [2].

1.3 Regulační poměr

Německé doporučení VDI/VDE 2173 stanoví pravidla definování regulačního poměru ventilu. Regulační poměr ventilu je zde definován jako vztah mezi hodnotami k_vs a k_vr ventilu. Definice regulačního poměru R zní

R = k_vs / k_vr,     (3)

kde

k_vs je max. jmenovitý průtok daného regulačního ventilu (m³/h)
k_vr nejnižší jmenovitý průtok ventilu, při kterém je sklon regulační charakteristiky v rámci dané tolerance (m³/h).

Další text vysvětluje, že čím vyšší je regulační poměr regulačního ventilu, tím lepší je regulační schopnost ventilu.

Obr. 5 Příklad split (dělené) charakteristiky regulačního ventilu a hodnoty k_vr.

Sklon charakteristiky (obr. 5) od bodu odpovídajícímu hodnotě k_vr dolů k bodu uzavření je velmi strmý. Proto bude nárůst v regulační smyčce (průtok/zdvih ventilu) relativně vysoký. V důsledku toho regulace teploty v soustavě tepelného výměníku a směšovací smyčce může způsobit pokles regulované teploty při otevíracích stupních ventilu pod hodnoty, které odpovídají k_vr.

To znamená, že jmenovitý průtok odpovídající jmenovitému průtoku při k_vr představuje za normálních okolností nejnižší stupeň otevření, při němž je možné očekávat stabilní regulaci.

Ventily s lineárním regulačním poměrem typicky mají vysoký regulační poměr R = 100 až 200, zatímco typický regulační poměr exponenciálních a logaritmických ventilů je R = 30 až 50.

1.4 Výkonový poměr

Definici výkonového poměru je možné vyjádřit jako poměr mezi max. výkonem P₁₀₀ a výkonem P_kvr při k_vr, při němž je stabilní teplotní regulace P₁₀₀/P_kvr ( obr. 6).

Hodnota k_v ventilu při 100% zatížení závisí na tlakovém rozdílu na ventilu. Čím vyšší je tlakový rozdíl, tím nižší je potřebná hodnota k_v při P₁₀₀ (obr. 4).

Hodnota Q_min je podle definice regulačního poměru nejnižší hodnota kv ventilu, při níž je možné očekávat, že regulovaná teplota bude stabilní.

Obr. 6 Výkonový poměr závisející na tlakovém rozdílu v soustavě. Výpočet je založen na Δt = 50 K.

Jestliže se používá regulátor tlakového rozdílu, je možné nastavit soustavu tak, aby ventil pracoval s k_vs při P₁₀₀. Kvůli pohodlí při odběru teplé vody, musí být její teplota velmi stabilní. Jestliže byla vybrána soustava s průtočným ohřevem vody, musí být schopen regulovat i nízký výkon za stabilní teploty.

Odpovídající požadavek na nejnižší výkon ohřevu vody je takový, aby její teplota byla stabilní i když se sprchuje pouze jeden člověk. V tomto případě by i při minimálním požadovaném průtoku měla být udržena stabilní teplota v souvislosti se sprchou a současně kompenzována ztráta tepla v souvislosti s cirkulací teplé vody. Odpovídající výkon závisí na typu soustav.

V seriové soustavě průtočného ohřevu, kde se v zimě studená voda předehřívá od zpátečky tepelné soustavy, bude odpovídající potřebný průtok teplé vody po zahřátí 0,20 m³/h [4]. V paralelních soustavách bude odpovídající kapacita 0,33 m³/h.

Obr. 7 Min. regulovaný průtok v závislosti na tlakovém rozdílu Δp_v.

Z obr. 7 je zřejmé, že soustava vybavená regulátorem tlakového rozdílu může tento výkon regulovat. Rovněž je zřejmé, že limit Δp_v v soustavě bez regulátoru tlakového rozdílu je přibližně 100 kPa u seriových soustav a 270 kPa u paralelních soustav.

2. Nastavení soustavy

Nastavení uživatelské stanice zajišťuje nejvyšší možný stupeň otevření ventilu při 100% zatížení. Jestliže se v soustavě používá regulátor tlakového rozdílu, je možné konečné nastavení provést snadno a správně.

Stabilní regulace teploty se dosahuje v okamžiku, kdy regulační ventil funguje v celé šíři charakteristiky ventilu. To je předpokladem k získání plného rozsahu regulačního poměru ventilu, neboť regulační poměr se počítá na základě hodnoty kvs regulačního ventilu.

Normálně se velikost ventilu stanovuje výpočtem hodnoty k_v na základě průtoku ventilem a zvoleného poklesu tlaku na ventilu, přičemž se berou v úvahu schopnosti ventilu.

V závislosti na vypočítané hodnotě kv se vybere ventil s vhodnou hodnotou k_vs, tedy s hodnotou, která je často o málo vyšší než je vypočítaná hodnota.

Proces nastavení pak pokračuje nastavením regulátoru tlakového rozdílu tak, aby regulační ventily byly při 100% zatížení plně otevřené. Protože je často obtížné simulovat situaci při 100% zatížení, je možné vypočítat nastavovací tlakový rozdíl Δp_v pomocí rovnice pro Δp_v (vztah 2).

3. Hlučnost v regulačním ventilu

Hlučnost v regulačním ventilu je velmi často důsledkem příliš vysokého tlakového rozdílu na regulačním ventilu. Jestliže soustava není vybavena regulátorem tlakového rozdílu, musí regulační ventil velmi často odolávat hlavní části tlakového rozdílu v síti. To může vést k hlučnosti v soustavě. Typickým typem kategorií hlučnosti u regulačních ventilů s vysokým Δp_v jsou:

• průtokový hluk,
• mechanický hluk,
• kavitace.

Uvedené kategorie hlučnosti mohou být nepřijatelné. Prvé dvě kategorie závisí na typu ventilů, designu a velikosti. Poslední kategorie závisí na typu a designu ventilu. Kavitace vede k explozi vzduchových bublin ve ventilu, což zní jako nárazy. Kavitace velmi často závisí na tlakovém rozdílu na ventilu a na úrovni statického tlaku ovlivněného oběhovým čerpadlem a na teplotě vody ve ventilu.

Jestliže známe tlakové podmínky kolem ventilu a teplotu vody, můžeme vypočítat hodnotu kavitačního faktoru z (-) ze vztahu

z = (p₁ - p₂) / (p₁ - p_s),     (4)

kde

p₁ je tlak na vstupu do ventilu (kPa)
p₂ tlak na výstupu z ventilu (kPa)
p_s tlak syté páry odpovídající dané teplotě vody (kPa).

Jak je uvedeno na obr. 8, kavitace hodně závisí na tlakovém rozdílu v soustavě a na úrovni tlaku. Kavitační faktor regulačního ventilu je normálně mezi 0,5 až 0,6 dle rozměrů ventilu. Regulátor tlakového rozdílu se může použít k volbě úrovně tlaku v regulačním ventilu i ke snížení tlakového rozdílu na ventilu a tím i k eliminaci hlučnosti ventilu.

Obr. 8 Kavitační faktor v závislosti na p₁ a Δp_v.

4. Hydraulická rovnováha v přívodní síti

Soustava dálkového vytápění je v hydraulické rovnováze, jestliže je přívod vody k jednotlivým spotřebitelům přesně takový, jaký je zapotřebí k bytovému vytápění a k ohřevu vody. Jestliže soustava není v hydraulické rovnováze, může tomu tak být z těchto důvodů:

• příliš velké regulační ventily,
• spotřeba neodpovídá specifikacím,
• není možné nastavovat rozsah průtoku,
• soustava nebyla nastavena.

Podle specifikace znamená hydraulická rovnováha omezení rozsahu průtoku v soustavě na průtokovou míru, která odpovídá skutečné spotřebě.

4.1 Omezení průtoku

Regulátory tlakového rozdílu ve stanici se mohou použít jako omezovače průtoku. Nastavení regulátoru tlakového rozdílu se dá vypočítat pomocí vztahu 2

Δp_set = 100. (Q_max / k_v)²,     (5)

kde

Δp_set je nastavení regulátoru tlakového rozdílu (kPa)
Q_max průtok ve stanici při 100% zatížení (m³/h).

Hodnota k_v se vztahuje na regulační smyčku regulátoru tlakového rozdílu, což je část stanice mezi body, kde jsou připojeny impulsní trubice. Jestliže regulátor tlakového rozdílu reguluje pouze tlakový rozdíl na jednom ventilu (obr. 2), používá se hodnota k_vs ventilu.

Jestliže se ve stanicích používají regulátory tlakového rozdílu a jestliže jsou tyto regulátory nastaveny na max. průtoky, bude v síti dosaženo hydraulické rovnováhy. To znamená, že průtok ve stanici je omezen podle max. nastaveného průtoku.

4.2 Přesnost omezení průtoku

Očekávaná přesnost omezení průtoku závisí na změnách tlaku v části soustavy mezi body, kde jsou připojeny impulsní trubice. Protože regulátor tlakového rozdílu je proporcionální regulátor, změny tlaku, které bude možné pozorovat, budou změny v regulační odchylce regulátoru ΔX_p při změnách v tlakovém rozdílu v přívodní síti.

Přesnost ve změně průtoku ΔQ se může vypočítat.

Změna ΔQ při zvýšeném tlakovém rozdílu v síti bude

ΔQ = Q₁ - Q₂,
ΔQ = Q₁ - k_v. [(Δp_set - ΔX_p) / 100]^0,5,
ΔQ = Q₁ - Q₁. [(Δp_set - ΔX_p) / Δpset]^0,5,
ΔQ / Q₁ = 1 - [(Δp_set - ΔX_p) / Δpset]^0,5.

Z výpočtu je zřejmé, že odchylka průtoku ΔQ / Q₁ závisí na Δp_set a na ΔX_p (obr. 9).

Obr. 9 ukazuje vypočítanou přesnost omezení průtoku, jestliže se regulátor tlakového rozdílu používá jako omezovač průtoku. Přesnost je vyšší při zvýšeném regulovaném tlakovém rozdílu Δp_set.

Obr. 9 Přesnost omezení průtoku v závislosti na tlakovém rozdílu.

Provoz s nižším X_p může zvýšit přesnost omezení průtoku. Čím nižší je však X_p, tím větší jsou dimenze rozdílu.

Závěr

Aplikace regulátorů tlakového rozdílu v uživatelské stanici je nejdůležitějším krokem ke splnění podmínek uvedených výše. Jinými slovy regulátor zajišťuje správné nastavení soustavy. Díky němu je možné zajistit nejlepší úroveň regulace se stabilní regulací teploty, s vysokým výkonovým poměrem a s nízkou hlučností.

Správně nastavená soustava je rovněž důležitou součástí sítě dálkového vytápění, kde je hydraulická rovnováha vysoce důležitá. Správně nastavená soustava znamená omezení průtoku na max. spotřebu a regulátor tlakového rozdílu je jednoduchým nástrojem k tomuto účelu.

Seznam použité literatury:

1. Optimální regulace tepelných výměníků
Autor: Atli Benonysson a Herman Boysen

2. Ventilové charakteristiky motorizovaných ventilů v dálkovém vytápění
Autor: Atli Benonysson a Herman Boysen

3. Autoladění a ochrana motoru jako součást procesu přednastavení v tepelné soustavě
Autor: Herman Boysen
Zpravodaj z DBDH (Dánská rada pro dálkové vytápění) 3/2000

4. Stanice dálkového vytápění a volba regulačních ventilů
Autor: Herman Boysen
Zpravodaj z DBDH (Dánská rada pro dálkové vytápění) 2/1999