Kontynuujemy cykl artykułów poświęconych zagadnieniu regulacji i równoważenia hydraulicznego instalacji ogrzewczych z punktu widzenia statycznych i dynamicznych warunków pracy. W pierwszym artykule z tego cyklu rozważania zakończyliśmy na zaworach montowanych przy grzejnikach. Teraz zajmiemy się zaworami lokalizowanymi w innych miejscach instalacji – zaworami równoważącymi ręcznymi, wyposażonymi w siłowniki oraz mieszającymi i rozdzielającymi.

Zasadniczo każdy zawór regulacyjny jest zaworem równoważącym, gdyż służy do wyrównywania strat ciśnienia w obiegu, tj. jego równoważenia hydraulicznego. Przyjęło się jednak dokonywać podziału zaworów z punktu widzenia lokalizacji w instalacji na zawory regulacyjne przy odbiornikach ciepła i pozostałe zawory – zawory równoważące – które służą m.in. zapewnieniu odpowiednich warunków pracy zaworom przy odbiornikach ciepła.

Ręczne zawory równoważące
Ręczne, przelotowe zawory równoważące są najbardziej popularnym rozwiązaniem w:

• stałoprzepływowych instalacjach,
• domowych instalacjach ogrzewczych,
• mniej rozległych instalacjach w budynkach wielorodzinnych i w małych blokach mieszkalnych. 

Służą one zdławieniu ciśnienia i ustaleniu konkretnej wartości strumienia czynnika dla stałoprzepływowych warunków pracy. Montowane są najczęściej na wyodrębnionych częściach instalacji, w których pracują grupy odbiorników ciepła, bądź konieczna jest duża korekta podawanego ciśnienia. Typowym miejscem ich montażu jest podejście do pionu ogrzewczego, tj. lokalizacja na samym jego początku, przed pierwszych odbiornikiem ciepła, bądź na rozdzielaczu grzejnikowym. Montaż taki ma na celu obniżenie ciśnienia na danym pionie do wartości wymaganej.

Zawory równoważące wyposażone w siłowniki
W przypadku dużych instalacji ręczne zawory równoważące są mało skuteczne. Rozległe instalacje wymagają zwykle ciągłej kontroli i korekty parametrów pracy, a także charakteryzują się dużymi przepływami i dużym ciśnieniem czynnika. Bieżącej korekty przepływu i ciśnienia nie da się wykonać z użyciem zaworu ręcznego. Duże wartości strumienia czynnika i/lub jego ciśnienia powodują powstawanie dużych sił poosiowych na grzybku zaworu, utrudniając ręczne zmiany nastawienia zaworu. Aby rozwiązać te problemy, stosuje się przelotowe zawory regulacyjne wyposażone w siłowniki elektryczne lub hydrauliczne, sterowane najczęściej elektronicznie. Sygnały do siłownika dostarczane są z układu regulacji, na podstawie wartości bieżących parametrów pracy oraz zadanych ich wartości. Korekta może więc następować w sposób ciągły, czyniąc taki zawór urządzeniem dynamicznego równoważenia hydraulicznego.

! Zasadniczo, w większości przypadków, przelotowe zawory równoważące napędzane siłownikami są konstrukcjami identycznymi jak ręczne zawory równoważące, tzn. także są zaworami grzybkowymi. Różnica jest taka, że ruch posuwisto-zwrotny nie odbywa się tutaj przez obrót trzpienia na gwintowanym wrzecionie, a przez jego wsuwanie (nacisk na trzpień) lub wyciąganie.

Istnieją jednak rozwiązania w postaci kulowych zaworów regulacyjnych, wykorzystywanych w roli zaworów równoważących. Rozwiązanie takie (bez zamontowanego siłownika) prezentuje rys. 2. Co do konstrukcji jest to klasyczny odcinający zawór kulowy. Wyposażony jest on jednak w kryzę o wyciętym otworze odpowiedniego kształtu. Kryza ta z jednej strony ściśle przylega do powierzchni kuli, tworząc w ten sposób jeden regulowany przekrój przepływu cieczy. Odpowiednia geometria wyciętego w kryzie otworu skutkuje uzyskaniem wymaganej charakterystyki regulacyjnej takiego zaworu.

Zawory mieszające i rozdzielające 
Zawory te służą do regulacji i stabilizacji zadanej wartości temperatury czynnika lub przepływu w danej części instalacji, w sytuacji łączenia więcej niż jednej regulowanej jej części. Zastosowanie znajdują zatem w instalacjach z grzejnikami podłogowymi bądź jako elementy zabezpieczające przed zbytnim spadkiem temperatury powrotu wody do źródła ciepła (kotła). Wykonywane są jako dwudrogowe i mają trzy lub cztery króćce. Z tego też powodu w praktyce rozpowszechniło się nazywanie tych urządzeń kolejno zaworami trójdrogowymi i czterodrogowymi. W istocie są to zawory dwudrogowe, ponieważ na przykład w zaworze z trzema króćcami czynnik może wpłynąć co najwyżej dwoma z nich (trzecim – wypływa), a więc ustalane są maksymalnie dwie drogi przepływu. Jednak w praktyce nazwa „zawór dwudrogowy” występuje bardzo rzadko i nawet doświadczeni projektanci i instalatorzy nie używają jej.

Funkcja mieszania bądź rozdzielania strumieni odbywa się wewnątrz zaworu. Gdy czynnik dopływa dwoma króćcami, to łączy się w zaworze i wypływa trzecim. Oznacza to, że następuje mieszanie. Zawór pracuje zatem jako mieszający. Jeśli zaś czynnik dopływa tylko jednym króćcem, następuje jego rozdział na dwa strumienie do pozostałych króćców, a zawór pracuje jako rozdzielający. Zasadę pracy zobrazowano na rys. 3.

Gdy w zaworze dwudrogowym dwoma króćcami wpływa czynnik o różnych wartościach temperatury, trzecim króćcem wypływa czynnik o wynikowej, pośredniej temperaturze i wynikowym, sumarycznym strumieniu. W zaworze z czterema króćcami czynnik może równocześnie wpływać i wypływać dwoma z nich. To, czy dany zawór pracuje jako mieszający, czy rozdzielający zależy od tego, czy do króćca zbiorczego AB (patrz rys. 3) podłączona jest ssawna, czy tłoczna strona pompy.

Na rys. 4 przedstawiono przekrój zaworu dwudrogowego Herz Calis TS RD. Jest to urządzenie przystosowane do współpracy z głowicami termostatycznymi, wobec czego w łatwy sposób użyte może być w układzie ilościowej (przez zmianę strumienia czynnika) regulacji temperatury odbiornika, np. grzejnika podłogowego, w mieszanym układzie ogrzewczym.

Różnice konstrukcyjne i najczęstsze zastosowania zaworów
Generalnie te same zawory dwudrogowe można stosować zamiennie w obu układach (mieszający/rozdzielający), jednak najczęściej są one konstrukcyjnie zróżnicowane. Podobnie bowiem jak w przypadku jednodrogowych zaworów regulacyjnych korzystnie jest, aby napływ czynnika występował pod grzybek (patrz rys. 3), co zapobiega generowaniu na grzybku siły, która dążyłaby do zamknięcia zaworu. Zawory przystosowane do pracy jako mieszające zwykle wykonywane są w szerszym asortymencie przepustowości niż te, które są przeznaczone do pracy jako rozdzielające, oraz mogą pracować przy większych różnicach ciśnienia. Ponadto często wykonywane są tak, aby przy pełnym zamknięciu jednego króćca zapewnić pewien niewielki strumień czynnika w drugim króćcu.

Celem stosowania zaworów dwudrogowych jest głównie utrzymywanie zadanej, stałej wartości temperatury czynnika w regulowanej części instalacji, przy określonym jego strumieniu, bądź utrzymywanie stałej wartości strumienia czynnika. Zawory dwudrogowe pracujące jako mieszające mają najczęściej zastosowanie do regulacji temperatury wody zasilającej całą instalację lub jej część, np. gdy wraz z typowymi grzejnikami konwekcyjnymi użyte są grzejniki podłogowe, wymagające niższej temperatury zasilania. Wówczas strumień masy czynnika w obiegu przez odbiornik ciepła, gdzie zamontowana jest pompa, jest stały (wahania wynikać mogą z charakterystyki dławienia pompy). Regulowana natomiast, stopniem zmieszania w zaworze, jest temperatura czynnika wypływającego. Strumień masy czynnika w części źródła ciepła zmienia się od 0 do 100%.

Zawory pracujące jako rozdzielające przydatne są natomiast w instalacjach z centralną ilościową regulacją eksploatacyjną, tj. przy zmiennej wartości strumienia i stałej temperaturze czynnika wychodzącego z zaworu rozdzielającego. W tym przypadku obieg źródła ciepła pracuje przy stałej wartości strumienia, a w obiegu odbiornika zmienia się on od 0 do 100%. Poglądowe schematy rozwiązań z omawianymi urządzeniami zobrazowano na rys. 5. Jak widać, schematy 5a oraz 5c są do siebie podobne. Zawory w obu konfiguracjach mogą pełnić podobną funkcję w instalacji, tj. funkcję ilościowej regulacji odbiornika, przy możliwości zachowania stałego strumienia w źródle ciepła. Mogą one być stosowane zastępczo, np. układ 5c może być użyty wówczas, gdy zawór nie jest konstrukcyjnie przystosowany do rozdzielania strumieni (do porównania rys. 3 i 5), a jedynie do mieszania i nie mógłby poprawnie pracować w układzie 5b.

Praktyczne zastosowania
Typowym zastosowaniem zaworu dwudrogowego jest także zabezpieczenie temperatury wody powrotnej do kotła, w celu ochrony przed nadmiernym wychłodzeniem spalin, powodującym wykraplanie z nich pary wodnej i możliwość powstawania kwasu siarkowego (gdy paliwem jest np. węgiel, zawierający często znaczną ilość siarki). Pracować może on wtedy jako element rozdzielający bądź mieszający.
Przy rozruchu instalacji, gdy odbiorniki ciepła (grzejniki) są zimne, woda doprowadzana do nich doznaje dużego wychłodzenia, wracając do kotła z temperaturą znacznie niższą niż założona dla warunków projektowych. Aby temu zapobiec, część wody wychodzącej z kotła jest zawracana z użyciem zaworu bezpośrednio do przewodu powrotnego, którym wraca również wychłodzona woda z instalacji. Oba strumienie mieszają się w punkcie łączenia przewodów C (w przypadku zaworu rozdzielającego – rys. 5b) bądź w zaworze (w przypadku zaworu mieszającego – rys. 5c), podwyższając wynikową temperaturę wody wpływającej do kotła. Naturalnie odbywa się to przy częściowym zmniejszeniu ilości czynnika i mocy przekazywanej przez przewód zasilający na instalację w etapie rozruchu, co w praktyce przekłada się na wydłużenie tego procesu.

W początkowej fazie rozruchu występuje minimalne mieszanie, tzn. zawór kieruje do przewodu powrotnego kotła najmniejszą ilość wody powrotnej z instalacji i tym samym największą bezpośrednio z przewodu zasilającego kotła. Przez króciec A przepływa wówczas minimalna ilość czynnika, a przez króciec B maksymalna. W miarę upływu czasu, gdy odbiorniki ciepła osiągają coraz wyższą temperaturę i maleje wychłodzenie w nich wody, coraz większa ilość wody wracającej z instalacji kierowana jest przez zawór do przewodu powrotnego kotła. Tym samym zmniejsza się ilość wody zawracanej bezpośrednio z przewodu zasilającego. W pewnym momencie otrzymuje się maksymalny stopień zmieszania i oba strumienie – zawracany bezpośrednio z kotła i powrotny z instalacji – wyrównują się. W dalszej fazie stopień zmieszania zaczyna maleć, gdyż zawór zmniejsza ilość wody zawracanej z kotła i zwiększa ilość wody wracającej z instalacji, aż do zamknięcia (jeśli konstrukcja zaworu to umożliwia, zwykle występuje pewien przeciek) dopływu wody z kotła.

Na rys. 6a zaprezentowano zawór dwudrogowy mieszający, przeznaczony do zabezpieczania temperatury powrotu wody do kotła. Ma on wbudowany mechanizm termostatyczny, który uruchamia się przy temperaturze 55–61°C, w zależności od wybranej wersji. Na rysunku 6b zobrazowano zawór dwudrogowy, mogący pracować zarówno jako mieszający, jak i rozdzielający, będąc napędzanym przez siłownik.
Zawór, jak wspomniano, napędzany może być przy użyciu urządzeń termostatycznych, ręcznie, bądź z użyciem siłowników elektrycznych układu automatyki kotła. W pierwszym przypadku zasada pracy jest podobna jak w termoregulatorach grzejnikowych. Główna różnica polega na tym, że w tej sytuacji mierzona i regulowana jest temperatura wody w króćcu, do którego podłączona jest rozpatrywana część instalacji, np. przewód powrotny kotła. Pomiar może odbywać się z użyciem głowicy termostatycznej z wyniesionym czujnikiem, który montowany jest w miejscu docelowym, bądź wewnątrz zaworu. W drugim przypadku konstrukcja grzybka i trzpienia zapewnia przewodzenie ciepła do głowicy o specjalnej konstrukcji bądź element termostatyczny zamontowany jest wewnątrz zaworu (jak na rys. 6a).
Praktyczne realizacje instalacji z zaworami dwudrogowymi zobrazowano na rys. 7.

Zawory czterokróćcowe. Zawory dwudrogowe czterokróćcowe stosowane są najczęściej w celu równoczesnego zapewnienia odpowiedniej temperatury wody wracającej do kotła i rozdzielenia hydraulicznego obiegów kotłowego i grzejnikowego instalacji tak, aby zmiana parametrów mieszania strumieni nie musiała wiązać się ze zmianami wartości strumienia w którymś z obiegów. Układ z takim zaworem przedstawia rys. 8.
Elementem, który również bywa stosowany w podobnych celach, choć nie jest to zawór, jest tzw. sprzęgło hydrauliczne, nazywane też rozdzielaczem hydraulicznym, bądź przekładnią hydrauliczną. Zwłaszcza w dużych instalacjach, wielokotłowych, o dużym zładzie i znacznych przepływach, jest to korzystne rozwiązanie. Umożliwia spięcie w jednym układzie kilka obiegów pierwotnych i kilka źródeł ciepła z kilkoma obiegami wtórnymi.

Zawory grzybkowe i kulowe. Podobnie jak wśród jednodrogowych przelotowych zaworów regulacyjnych, tak i wśród dwudrogowych zaworów mieszających i rozdzielających spotkać można zarówno zawory grzybkowe, jak i zawory kulowe (rys. 9a). Wybór danego rodzaju zaworu również często dyktowany jest ceną – kulowe zawory dwudrogowe i siłowniki do nich są tańsze niż w przypadku zaworów grzybkowych.
W przypadku jednak zaworu mającego współpracować z głowicą termostatyczną taka zamiana nie jest możliwa – typowa głowica pracuje wykorzystując ruch posuwisto zwrotny, kulowy zawór wymaga natomiast ruchu obrotowego do sterowania nim.

Zespolone, podwójne zawory dwudrogowe – tzw. sześciodrogowe. Można również spotkać na rynku zespolone, podwójne zawory dwudrogowe, nazywane w języku potocznym „zaworami sześciodrogowymi” (rys. 9b). Znajdują one zastosowanie, gdy w układzie wykorzystuje się zespolone urządzenia ogrzewczo-chłodnicze, np. tzw. fancoile, do których doprowadzana jest osobno sieć przewodów systemu ogrzewczego i chłodniczego. W tym przypadku stosowane są również osobne zawory dwudrogowe dla każdej z sieci, a także osobne siłowniki. Zespolenie obu zaworów, chociaż zwykle droższe niż dwóch osobnych zaworów dwudrogowych, pozwala jednak ograniczyć koszty związane z siłownikami, gdyż w tym przypadku może to być jeden element.
Na rys. 9 zaprezentowano kulowy zawór dwudrogowy oraz zespolony, podwójny kulowy zawór dwudrogowy.

W następnym odcinku cyklu o równoważeniu hydraulicznym instalacji ogrzewczych przybliżymy temat automatycznych zaworów nadmiarowo-upustowych.

Link do poprzedniego odcinka cyklu:
https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-grzewcze/2795-regulacja-hydrauliczna-a-efektywno%C5%9B%C4%87-i-komfort-zawory-przy-grzejnikach

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017