VALTEC | Vlastnosti výpočtu otopných soustav s termostatickými ventily

Termostatické radiátorové ventily mají speciální hydraulické konstrukční vlastnosti ve srovnání s ručními radiátorovými ventily. Tyto vlastnosti souvisí se specifickým provozem ventilu v topném systému.

Tyto ventily jsou ovládány tepelně citlivým prvkem (tepelnou hlavou), uvnitř kterého je nádoba vlnovce naplněná pracovní kapalinou (plyn, kapalina, pevná látka) s vysokým koeficientem objemové roztažnosti. Když se změní teplota vzduchu obklopujícího měch, pracovní tekutina se roztahuje nebo smršťuje a deformuje měch, který zase působí na dřík ventilu, otevírá nebo zavírá jej (obr. 1).

Rýže. 1. Schéma činnosti termostatického ventilu

Hlavní hydraulickou charakteristikou termostatického ventilu je jeho průtoková kapacita Kv. Toto je průtok vody, kterým může ventil projít, když je tlaková ztráta přes něj 1 bar. index “_V” znamená, že koeficient je vztažen k hodinovému objemovému průtoku a je měřen v m 3 / h. Když znáte kapacitu ventilu a průtok vody, můžete určit tlakovou ztrátu ve ventilu pomocí vzorce:

ΔP_к = (V / K_v) 2 · 100, kPa.

Regulační ventily mají v závislosti na stupni otevření různé průtokové kapacity. Kapacita plně otevřeného ventilu je označena Kvs. Tlaková ztráta na termostatickém ventilu radiátoru během hydraulických výpočtů se zpravidla neurčuje při plném otevření, ale pro určitou zónu proporcionality – Xp.

Xp je pracovní zóna termostatického ventilu v rozsahu od teploty vzduchu při úplném uzavření (bod S na regulačním grafu) do uživatelem nastavené hodnoty dovolené odchylky teploty. Například pokud koeficient Kv dáno na Xp = S – 2 a termočlánek je instalován v takové poloze, že při teplotě vzduchu 22 ˚C bude ventil zcela uzavřen, pak tento koeficient bude odpovídat poloze ventilu při teplotě okolí 20 ˚C.

Z toho můžeme usoudit, že teplota vzduchu v místnosti bude kolísat mezi 20 a 22 ˚С. Indikátor Xp ovlivňuje přesnost udržování teploty. Na Xp = (S – 1) rozsah udržování vnitřní teploty vzduchu bude do 1 ˚С. Na Xp = (S – 2) – rozsah 2 ˚С. Zóna Xp = (S – max) charakterizuje provoz ventilu bez teplotně citlivého prvku.

V souladu s GOST 30494-2011 „Obytné a veřejné budovy. Parametry vnitřního mikroklimatu“, během chladného období v obývacím pokoji se optimální teploty pohybují od 20 do 22 ˚С, to znamená, že rozsah udržování teploty v obytných prostorách budov by měl být 2 ˚С. Pro výpočet obytných budov je tedy nutné vybrat hodnoty propustnosti při Xp = (S – 2).

Rýže. 2. Termostatický ventil VT.031

Na obr. 3 ukazuje výsledky stolního testu termostatického ventilu VT.031 (obr. 2) s termostatickým prvkem VT.5000 nastaveným na „3“. Tečka S na grafu je to teoretický uzavírací bod ventilu. To je teplota, při které má ventil tak nízký průtok, že jej lze považovat za prakticky uzavřený.

Rýže. 3. Plán uzavření ventilu VT.031 s termočlánkem VT.5000 (položka 3) při tlakovém rozdílu 10 kPa

Jak je vidět na grafu, ventil se uzavírá při teplotě 22 °C. S klesající teplotou vzduchu se zvyšuje kapacita ventilu. Graf ukazuje průtok vody ventilem při teplotě 21 (S – 1) a 22 (S – 2) ˚С.

В tab. jeden pasportní hodnoty průtoku termostatického ventilu VT.031 jsou uvedeny v různých Xp.

Tabulka 1. Hodnoty na typovém štítku kapacity ventilu VT.031

Termostatický ventil je komplexní zařízení, které může nabídnout důležité výhody pouze tehdy, je-li známé ve všech svých technických aspektech, správně nainstalované, ale především je-li součástí projektu organické termoregulace, který zohledňuje a vyhodnocuje správnou vyváženost celého instalace .

Hlavní součásti, které tvoří termostatický ventil.

Do povědomí široké veřejnosti vstoupila legislativním nařízením ze dne 4. července 2014 n. č. 102, který předepisuje, aby všechna zařízení obsluhovaná centrálním vytápěním byla vybavena individuálními termoregulačními a měřicími systémy, jsou často bezdůvodně uplatňovány reklamace na neprovádění služeb a různé poruchy systému.

Povrchní přístup, podcenění důležitých kvalitativních a provozních aspektů, ale především chybějící organický projekt implementace takových zařízení do instalace jsou naopak hlavními důvody zvýrazněné neefektivity.

DESIGNOVÉ VLASTNOSTI

Termostatické ventily jsou zařízení, která kromě běžných funkcí radiátorových ventilů (izolace jednoho otopného tělesa, vyvážení) jsou schopna regulovat i teplotu okolí v místnostech, ve kterých jsou instalovány.

Aby mohly termostatické ventily plnit tak důležitou funkci, musí mít jasně definované specifikace, aby bylo možné provést správnou volbu s přihlédnutím jak k systému, ve kterém budou fungovat, tak k potřebám uživatele.

Termostatický ventil proto definujeme jako zařízení pro uzavírání průtoku kapaliny a regulaci okolní teploty, která ovlivňuje průtok jím procházející chladicí kapaliny.

Hlavní části, které tvoří termostatický ventil, jsou:

– snímač nebo snímací prvek, který v souladu se zjištěnými teplotními rozsahy pohání systém pístu/závěrky;

SENZOR

Senzor nebo snímací prvek lze rozdělit do tří typů: voskový nástavec; expanze plynu; expanze kapaliny.

Expanze vosku

Skládá se z tuhého tělesa naplněného voskem, které se při zvýšení okolní teploty roztáhne a tlačí šroub k uzavření, čímž překonává odpor předpínací pružiny.

Jedná se o nejlevnější senzory, ale mají velmi dlouhou dobu odezvy (více než 35 minut), protože vosk musí být globálně zahříván čistým vedením.

Expanzí plynu

V tomto případě je tuhý obal naplněn plynem nebo párou v rovnováze s malým množstvím kapaliny. Mechanismus účinku je shodný s předchozím.

Tyto senzory mají velmi rychlé doby odezvy (5–10 minut), protože kapalina citlivá na teplotu je zahřívána vedením a prouděním; V případě vysokých tlakových rozdílů může dojít k nechtěnému otevření ventilu.

Expanzí kapaliny

Pevné pouzdro obsahuje kapalinu, obvykle alkohol, aceton nebo směsi organických kapalin podobné těm, které se používají v teploměrech. Jak teplota stoupá, kapalina expanduje a uzavírá ventil, na rozdíl od předtlakové pružiny.

V současnosti jsou nejpoužívanějšími senzory, protože poskytují dobré časy odezvy (15–25 minut) bez problémů při vysokých poklesech tlaku.

Termostatický ventil pro jednotrubkový rozvod s čidlem expanze kapaliny. Díky možnosti nastavení středové vzdálenosti mezi výtlačným a vratným potrubím je produkt obzvláště flexibilní a snadno přizpůsobitelný i v zastaralých systémech (FAR Rubinetterie).

TĚLESO VENTILU

Zde se nachází píst a šroub; Navíc, jelikož se jedná o “kanál”, kterým prochází transportní tekutina (voda), je její tvar extrémně důležitý pro vznik jakýchkoli turbulencí v proudění tekutiny, způsobujících zvýraznění lokálních tlakových rozdílů a také nežádoucí hluk.

BRÁNA

Jedná se o pohyblivou součást kombinovanou s pístem, který svým pohybem mění průřez tekutinového průchodu, až jej zcela uzavře/otevře.

Změnou své polohy mezi otevřenou a uzavřenou polohou umožňuje ventil měnit tlak a rychlost proudění tekutiny.

Závěrka je převážně dvou typů:

– kotouč nebo deska, což je nejběžnější model a poskytuje dobré nastavení;

– jehlový (s kónickým nebo komolým kuželem), který umožňuje dosáhnout malých změn v škrticí části při velkých pohybech pístu.

Vhodným tvarováním geometrie ventilu je možné určit regulační charakteristiku ventilu (průtok kapaliny v závislosti na zdvihu ventilu).

Rychlá závěrka

Jedná se o lopatkový model, ve kterém ke zvýšení průtoku dochází téměř výhradně v první části zdvihu; další přírůstky otevřené polohy způsobují téměř zanedbatelné zvýšení průtoku. Obvykle se používá v řídicích systémech typu „všechno nic“, kde je po určitém stupni otevření vyžadován víceméně konstantní průtok.

Lineární závěrka

Poskytuje linearitu mezi zdvihem ventilu a průtokem tělem ventilu.

Používá se, když diferenční tlak nepodléhá znatelným změnám během provozu nebo v procesech s omezenými změnami průtoku. Profil závěrky je obvykle parabolický.

Rovnoprocentní brána

Při stejném poklesu tlaku poskytuje tento talířový ventil konstantní procentuální nárůst průtoku pro stejné kroky otevíracího zdvihu.

Zvláštností tohoto schématu je, že většina toku je dodávána v poslední části otvoru.

Příklad mechanismu přednastavení: uvnitř zařízení (1) lze pomocí speciální převlečné matice (2) vybrat určité úseky průchodu (3), které odpovídají různým hodnotám kv. Pracovní oblast je označena (4) stupnicí (Caleffi).

VÝBĚR A INSTALACE

Vzhledem k tomu, že termostatický ventil je zařízení pro regulaci teploty v místnosti nastavováním rychlosti proudění cirkulujícího v topném tělese, na které je řízen, je důležité, aby mohl pracovat postupně od 0 % do 100 % energie vydávané ohřívač. terminální a úměrné změně některých významných parametrů.

Pro správný výběr a instalaci termostatického ventilu je třeba vzít v úvahu několik prvků:

– jmenovitá zdvihací síla;

– součinitel průtoku kv;

– maximální pokles tlaku.

Toto je nepřesná korespondence mezi chováním systému a napětím šířícím se rovnoměrně v jednom směru a v opačném směru. V případě termostatických ventilů je hystereze teplotním rozdílem mezi otevírací a zavírací křivkou získanou při stejném průtoku.

Dokonalý, bezchybný systém by měl mít nulovou hysterezi, to znamená, že poloha táhla v závislosti na okolní teplotě by měla být stejná pro cyklus otevírání i zavírání.

V důsledku tření jsou skutečné hodnoty hystereze mezi 0,1°K a 0,8°K.

Kvalitní ventily by měly mít nízké hodnoty hystereze (0,2°K – max. 0,4°K).

Nominální zdvih

Jedná se o zdvih v milimetrech, který ventil provede při změně teploty termostatické baňky o 2°K, počínaje zavřenou polohou.

Podle modelů se nominální zdvih pohybuje od 0,3 mm do 0,8 mm a maximální zdvih může dosáhnout 2 mm.

Rozsah mezi uzavřením a jmenovitým zdvihem představuje efektivní provozní rozsah termostatického ventilu.

Časová konstanta

Udává dobu, za kterou tlumič urazí 63 % celkového zdvihu potřebného k dosažení jmenovitého zdvihu; to svědčí o tom, že změna řízeného parametru není nikdy okamžitá.

Časová konstanta závisí na typu prvku použitého k měření množství a na materiálu a hmotnosti zapojené do regulační operace.

V důsledku toho je každý model konkrétního výrobce charakterizován svou vlastní časovou konstantou, která je u podobných zařízení od jiných výrobců zpravidla odlišná.

Časová konstanta se nachází ve všech systémech pro měření libovolné fyzikální veličiny (teplota, vlhkost, tlak atd.).

V oblasti tepelné techniky je důležité mít senzory s různými časovými konstantami v závislosti na aplikaci.

U termostatických ventilů závisí časová konstanta nejen na typu použitého čidla a jeho tepelné setrvačnosti, na tření pohyblivých částí a na tlakové ztrátě.

Termostatický ventil s přednastavením a čidlem expanze kapaliny. Jsou viditelné kalibrované otvory, které umožňují kv kolísat od 0,045 m 3 /h do 0,32 m 3 /h (Ivar).

Součinitel průtoku kv

Jedná se o typický parametr specifický pro každý ventil, který charakterizuje jeho hydraulický odpor v pracovním bodě.

Vyjadřuje průtok vody vm 3 /h o teplotě 5°K až 40°K (typicky 15°K – 16°K) protékající ventilem s tlakovým rozdílem (tlakovou ztrátou) 1 bar.

Pomocí těchto údajů můžete:
– vypočítat průtok ventilem na základě skutečné tlakové ztráty;
– vyberte velikost ventilu pro zamýšlený průtok a tlakovou ztrátu;
– zkontrolujte místní tlakovou ztrátu v závislosti na průtoku.

Ve specifickém případě termostatických ventilů, protože kv je určeno zdvihem ventilu, budou pro různé polohy ventilu různé hodnoty kv. Významné jsou zejména dvě hodnoty kv:

– jmenovitý k inn, určený při jmenovitém zdvihu plunžru ventilu;
– k vt total, odpovídající celkovému zdvihu závory.

Proporcionální pásmo

Představuje rozsah změny řízené hodnoty, ve kterém závěrka vykoná celý zdvih z otevřené do zavřené a naopak.

U termostatických ventilů je pásmo proporcionality definováno jako změna okolní teploty potřebná k pohybu ventilu z otevřené polohy určené ve fázi návrhu, a tedy odpovídající jmenovitému zdvihu, do zcela uzavřené polohy.

Přílišné pásmo proporcionality bude mít za následek nepřijatelné odchylky pokojové teploty od jmenovité hodnoty; na druhou stranu příliš omezené pásmo způsobí kolísání a nestabilitu.

Dobrého kompromisu je dosaženo s pásmem proporcionality mezi 1°K a 2°K.

Termostatické ventily vybavené předregulačním systémem navrženým pro optimalizaci vyvážení systémů v kombinaci s termostatickými pohony. Šestipolohová předvolba se může měnit kv od 0,1 do 1,4 m3/h a lze ji provést ručně bez použití jakéhokoli speciálního nástroje (Watts Water Technologies).

Autorita

To je ukazatelem schopnosti termostatického ventilu účinně regulovat okruh.

Vyjadřuje se poměrem mezi místním tlakovým spádem na ventilu a celkovým tlakovým spádem na úseku okruhu, ve kterém je ventil zasunut (sestava ventilu + radiátoru + uzavíracího ventilu), v plně otevřeném stavu.

Když má plně otevřený ventil velmi velkou tlakovou ztrátu ve srovnání s tlakovou ztrátou v okruhu (synonymum pro „malý“ ventil ve srovnání s požadavky), má autorita tendenci k 1, tj. dochází k plýtvání energií s rizikem ztížení požadovaný rozsah.

Když ventil, vždy za podmínek maximálního otevření, poskytuje velmi malý pokles tlaku ve srovnání s poklesem tlaku v regulovaném okruhu, autorita má tendenci k nule; v této situaci (odpovídající ventilu převyšujícímu požadavek) je modulace průtoku prakticky nemožná a jediným možným nastavením je nastavení vše nebo nic.

Při instalaci regulačních ventilů, jako jsou termostatické ventily, se do systému zavedou tlakové rozdíly, které, pokud jsou správně vypočítány, mohou poskytnout významné výhody z hlediska účinné regulace průtoku.

Optimální rovnováhy je dosaženo, když pokles tlaku na plně otevřeném ventilu přibližně odpovídá poklesu tlaku na zbytku řízené větve: to znamená, že hodnota autority je kolem hodnoty 0,5.

Maximální pokles tlaku

Toto je důležitá vlastnost sestavy sedla ventilu/pístu, což je část určená k řízení průtoku vody vstupující do chladiče.

Termostatické ventily jsou obecně dvoucestné ventily (s výjimkou jednotrubkových ventilů), takže je problém s maximálním tlakovým rozdílem mezi vstupní a výstupní částí.

Vysoké tlakové ztráty způsobují silné zrychlení vody při průchodu uzávěrem, což má za následek značné rozptýlení mechanické energie ve formě vírů s nevyhnutelnou emisí hluku.

Naopak při zavřeném ventilu může docházet ke škodlivým netěsnostem.

Tyto nevýhody přímo souvisejí se silou, kterou je snímač teploty schopen vyvinout, s geometrickým tvarem průchodů uvnitř tělesa ventilu atd.

Pro dosažení přijatelného poklesu tlaku nezapomeňte, že nejdůležitějším faktorem je typ použité lampy nebo teplotního senzoru.

Pokud jde o tento konkrétní aspekt, je ve skutečnosti výhodnější používat termostatické baňky využívající nestlačitelnou kapalinu, protože plynové baňky jsou náchylnější k nekontrolovanému otevření v důsledku vysokých hodnot poklesu tlaku.

Pro zajištění tichého provozu by maximální tlaková ztráta neměla překročit 30 kPa.

Přednastavení

V podstatě spočívá ve snížení zdvihu otevření klapky ventilu takovým způsobem, že v souladu s touto proměnnou maximální mezí otevření a dostupným tlakem na ventilu může cirkulovat pouze projektovaný průtok.

Ve skutečnosti je zbytkový zdvih ventilu bezvýznamný, protože zvýšení průtoku nad rámec konstrukce způsobí malé zvýšení tepelného výkonu vyzařovaného chladičem, ale na pozadí vážné nerovnováhy ve zbytku systému.

Předregulace je tedy mechanismus, který podporuje optimální distribuci nosné tekutiny v systému, zejména během přechodných procesů vyžadujících úplné otevření ventilů, jako jsou:

– při startování z chladu po nočním zastavení;

– při tlumeném provozu;

– v případě náhlých změn podmínek prostředí (otevření oken) nebo požadované hodnoty regulace.

Různé příkony poskytované různými topnými prvky přítomnými v systému, stejně jako jejich různé polohy ve vztahu k cirkulačnímu systému, zdůrazňují potřebu zajistit určitý stupeň předběžného nastavení pro každý jednotlivý topný prvek.

Dynamický termostatický ventil je jediné zařízení schopné plnit dvě funkce: termoregulaci vyzařovaného výkonu a stabilizaci tlakové ztráty pro každý jednotlivý radiátor (Danfoss).

Dynamické termostatické ventily

Zejména v přítomnosti rozsáhlých distribučních sítí a tím i vysokých tlakových ztrát mohou tlakové ztráty generované na jednotlivých termostatických ventilech během normálního provozu nevyhnutelně dosáhnout nadměrných hodnot v důsledku modulace všech nebo části zbývajících ventilů připojených k systému.

Vnitřní nebo vnější faktory totiž určují neustálou změnu potřeby tepla v jednotlivých místnostech; termostatické hlavice na tyto tepelné změny reagují změnou polohy klapky. Uzavřená nebo téměř uzavřená poloha způsobuje přetlak a zvýšené průtoky ve zbývajících radiátorech, což vytváří nepříjemné podmínky (hluk, nadměrné teplo, kolísání teploty atd.).

Nejúčinnějším zásahem proti těmto nepříjemnostem je zajistit, aby byl jednotlivým koncovým zařízením k dispozici stabilní tlak bez ohledu na to, co se děje ve zbytku systému.

Jinými slovy, jde o vyvážení systému tak, aby byl do každého radiátoru distribuován správný průtok vody při všech možných stavech zatížení.

Použití oběhových čerpadel s proměnnými otáčkami spolu s automatickými vyvažovacími zařízeními na patě vertikálních sloupů může výrazně zmírnit výše uvedené okolnosti.

Problém najde téměř rozhodující řešení, když se tlak ustálí na každém radiátoru. K tomu slouží dynamické termostatické ventily, které spojují dvě funkce v jednom zařízení: přednastavení zdvihu talířku a automatické nastavení diferenčního tlaku.

To zajišťuje konstantní tlakovou ztrátu na ventilu a tím i konstantní maximální průtok ventilem.

V dokonale vyváženém systému je amplituda kolísání pokojové teploty zřetelně snížena, což umožňuje snížit nastavenou hodnotu regulace.

Závěr

Z výše uvedeného je zřejmé, že termostatický ventil je komplexní zařízení, které může nabídnout důležité výhody pouze tehdy, je-li známé ve všech svých technických aspektech, správně instalováno, ale především je-li součástí projektu organické termoregulace, který čelí a vyhodnocuje správné vyvážení celého systému.

Nestačí (jak tomu často bývá) spoléhat na modulační schopnost elektronických oběhových čerpadel: velmi často jsou moderní čerpací skupiny částečně kompatibilní s jednotlivými řídicími zařízeními nebo se v každém případě musí přizpůsobit logice řízení systému.

O kvalitě topného systému nemá cenu mluvit, pokud neumožňuje regulovat teplotu v místnosti a udržovat ji v čase.

Přijetí správného postupu návrhu termoregulačního systému je základním krokem k dosažení konkrétních a hmatatelných výsledků z hlediska tepelné pohody a úspor energie při řízení systémů společného vytápění.