Kompensacja krzywej regulacyjnej zaworów kulowych w systemach grzewczych i chłodniczych

• Wyznaczanie zakresu regulacji
• Kompensacja nieliniowości regulacyjnej
  

Właściwości zaworów kulowych z siłownikami

Zawory kulowe charakteryzują się dużą nieliniowością działania polegająca na tym, że regulowany przez nie przepływ płynów nie jest proporcjonalny do stopnia otwarcia, widzianego w regulatorach (np. w regulatorze do pieczarkarni LB-762) jako sygnał wyjściowy w zakresie 0...100%. Wynika to konstrukcji zaworu kulowego: "prześwit" pojawia się dopiero po przekręceniu zaworu o około 15% pełnego zakresu obrotu. Natomiast przy pełnym otwarciu, niewielkie "przymknięcie" zaworu nie wprowadza jeszcze istotnego tłumienia przepływu (rys. 1.)

Zmierzona rzeczywista charakterystyka wielkości przepływu cieczy w funkcji napięcia sterującego doprowadzonego do siłownika, dla przykładowego standardowego zaworu kulowego Belimo, przedstawiona została na poniższym rysunku. Dodatkowym widocznym tutaj problemem jest histereza zaworu, wynikającej np. z luzów mechanicznych pomiędzy zaworem a jego siłownikiem: zawór wykazuje inną przepustowość dla "otwierania", a inną dla "zamykania" przy tej samej wartości napięcia sterującego około 6V.

Powyższe zjawiska wpływają negatywnie na stabilność układów regulacji.

Rys.1. Zmierzona rzeczywista charakterystyka wielkości przepływu cieczy w funkcji napięcia sterującego doprowadzonego do siłownika zaworu kulowego Belimo.

Kompensacja nieliniowości charakterystyki zaworów kulowych

Aby zmniejszyć wpływ górnego i dolnego zakresu nieczułości zaworów kulowych wprowadzono w regulatorach do pieczarkarni LB-762 możliwość dostosowania zakresu roboczego sygnału wyjściowego z regulatorów do faktycznej charakterystyki wydajności realizowanej przez dany zawór. W tym celu, dla konkretnie stosowanego typu zaworu, należy w czasie instalacji systemu przeprowadzić pomiary wydajności przepływu cieczy przez zawór, korzystając np. z dodatkowego wodomierza włączonego kontrolnie w układ obiegu wody lub mierząc termometrem zmiany temperatury medium za testowanym zaworem.

Rys. 2. Ustawienia sprzętowe w zakładce Wyjścia analogowe regulatora LB-762.

Stosownie do danych katalogowych zaworu, siłownika oraz zmierzonych eksperymentalnie granic zakresu regulacji zaworu należy w programie LBX ustawić na ekranie "Ustawienia sprzętowe - Wyjścia analogowe":

• odpowiedni zakres napięcia sterującego (0-10V albo 2-10V),
• odpowiedni zakres roboczy.

Dla przykładowego zaworu, którego charakterystykę przedstawiono na wykresie (rys. 1), należy:

• wybrać zakres napięcia sterującego 2-10V,
• wprowadzić dodatkowe ograniczenie zakresu roboczego:
  
• od wartości 15% = (3,2V - 2V)/8V*100% ,
  
• do wartości 75% = 100% - (10V - 8V)/8V*100% .

Należy także zwrócić uwagę na konieczność kompensacji luzów mechanicznych zaworów z siłownikami przez ustawienie wartości luzu w konfiguracji regulatora LB-762, co zostało omówione w osobnej ulotce.

Dobra praktyka wymaga aby, zakres roboczy i luz zaworów zostały oszacowane podczas uruchamiania systemu przez instalatora, co ułatwi później uzyskanie stabilnego mikroklimatu w hali upraw pieczarek.

Kulowe zawory regulacyjne Belimo

Firma Belimo rozwiązała problem zniekształconej krzywej regulacyjnej, wprowadzając specjalną serię zaworów regulacyjnych, w których zmieniono konstrukcję otworu przelotowego. Zamontowano na wlocie zaworu kulowego dodatkową kryzę regulacyjną, która koryguje charakterystykę zaworu na stałoprocentową. Przylegająca do powierzchni kuli strona kryzy ma kształt wklęsły. Przepływ czynnika odbywa się przez otwór w kuli oraz wyprofilowany w kształcie litery "V" otwór w kryzie regulacyjnej. Jak widać na poniższym wykresie (rys. 3, z lewej strony), dla standardowego typu zaworu odkształcona charakterystyka przepływu dodatkowo wprowadza dużą nieliniowość wypadkowej wydajności cieplnej wymiennika w funkcji stopnia otwarcia. Natomiast dla zaworu regulacyjnego (rys. 3, z prawej strony) charakterystyka przepływności zaworu została  tak ukształtowana kryzą, że dodatkowo kompensuje ona naturalną nieliniową charakterystykę wymiennika ciepła, przez co wynikowa wydajność cieplna wymiennika w systemie klimatyzacji jest proporcjonalna do stopnia otwarcia. Dlatego zawory regulacyjne Belimo są zalecane do współpracy w systemach klimatyzacji z regulatorami do pieczarkarni typu LB-762 i LB-762A, zapewniając lepszą proporcjonalność, a co za tym idzie, stabilność regulacji.

Rys. 3. Charakterystyka kulowych zaworów regulacyjnych Belimo.

Zalety zaworu kulowego regulacyjnego Belimo:

• Charakterystyka stałoprocentowa.
• Wyeliminowanie skokowego napływu przy otwieraniu.
• Wysoka dokładność regulacji gwarantowana przez kryzę regulacyjną.
• Wartość współczynnika przepływu k_VS porównywalna z zaworem grzybkowym o tej samej średnicy nominalnej.
• Ograniczenie konieczności redukowania przekroju rur.
• Lepsza charakterystyka systemu, wysoka dokładność procesu regulacji.
• Szczelne zamknięcie (zawory 2-drogowe).

Szczegółowe dane katalogowe zaworów i siłowników przedstawiono w materiałach firmy Belimo.