Automatyczne stabilizatory różnicy ciśnień, nazywane także regulatorami różnicy ciśnień lub regulatorami ciśnienia, działają na podobnej zasadzie jak opisane w poprzednim odcinku naszego cyklu zawory nadmiarowo-upustowe i z technicznego punktu widzenia możliwe jest używanie ich w podobnym celu. Główną różnicą w stosunku do wspomnianych zaworów jest to, że pomiar ciśnienia i jego stabilizacja dokonywana jest w oparciu o dwa sygnały ciśnienia, które mogą pochodzić z dwóch dowolnych punktów instalacji, gdyż do membrany pomiarowej dostarczane są one obustronnie.
Obustronne dostarczanie sygnałów do membrany pomiarowej w automatycznych stabilizatorach różnicy ciśnień sprawia, że siła powstająca na membranie i porównywana z siłą pochodzącą od naciągu sprężyny wynika z różnicy ciśnień obu sygnałów ciśnienia, nie zaś tylko z ciśnienia przed/za zaworem, jak w przypadku zaworów nadmiarowych i nadmiarowo-upustowych. W wyniku tego ciśnienie między dwoma wybranymi (dowolnie) punktami jego pomiaru w instalacji będzie stabilizowane.
! W przeciwieństwie do zaworów nadmiarowych i nadmiarowo-upustowych stabilizatory różnicy ciśnień mogą zatem uwzględniać zmiany ciśnienia po stronie wtórnej sieci przewodów, tj. po stronie przeciwległego przewodu, skąd najczęściej pobierany jest drugi sygnał ciśnienia.
Nie jest to jednak fakt w każdym przypadku znacząco różnicujący oba typy zaworów i bezwzględnie warunkujący wybór jednego z tych dwóch typów urządzeń do danego zadania. Zmiany ciśnienia w dowolnym odcinku danego obiegu wynikają bowiem ze zmian we wcześniejszej części i są do nich proporcjonalne. Jeśli ciśnienie pompowe wzrasta i wzrasta tym samym ciśnienie w części pierwotnej, to proporcjonalnie wzrasta też ciśnienie po stronie wtórnej, na przeciwległym przewodzie. Pojawia się jedynie różnica ciśnienia wynikająca ze spadku między tymi dwoma punktami. Wynika z tego, że zawory nadmiarowe i nadmiarowo-upustowe mogą również pełnić rolę stabilizatorów różnicy ciśnień. Stabilizacja ciśnienia po stronie pierwotnej będzie bowiem oznaczała także stabilizację po stronie wtórnej.
! Główną różnicą między tymi dwoma typami urządzeń będzie w związku z tym wartość ciśnienia, jakie należy na nich ustawić. W przypadku zaworu nadmiarowego będzie to ciśnienie na początku sieci wtórnej, a w przypadku stabilizatora różnicy ciśnień – ciśnienie na początku sieci wtórnej pomniejszone o straty ciśnienia w tej części, tj. o różnicę ciśnień.
Będzie to jednak słuszne tylko w przypadku sieci stałoprzepływowych, dla których nie zmienia się opór hydrauliczny i straty ciśnienia sieci wtórnej. W przypadku sieci zmiennoprzepływowych z zasady występują zmienne straty ciśnienia części wtórnej sieci przewodów. Jeśli więc ma być utrzymana stała wartość ciśnienia, to konieczne jest zastosowanie stabilizatora różnicy ciśnień.
Sposób pomiaru różnicy ciśnień
W stabilizatorach różnicy ciśnień, podobnie jak w zaworach nadmiarowych i nadmiarowo-upustowych, także stosuje się ciśnieniowe odciążenie grzybka. Na rys. 1 zaprezentowano schematy stabilizatorów. Dostarczanie sygnałów ciśnienia na membranę może odbywać się:
- za pomocą dodatkowych dwóch rurek impulsowych (jak pokazano na rys. 1), wpiętych w docelowe miejsce w instalacji, bądź
- wewnątrz zaworu, np. przez wydrążony grzybek regulacyjny; wówczas czynnik do jednej strony membrany dostarczany jest przez grzybek, spod niego, podczas gdy na drugą stronę membrany dostarczany jest rurką impulsową.
Mówi się wtedy czasem odpowiednio o urządzeniach z wewnętrznym lub zewnętrznym pomiarem różnicy ciśnień. Ponadto stabilizator różnicy ciśnień może być podłączony szeregowo lub równolegle w układzie.
Podłączenie szeregowe
Układ z połączeniem szeregowym dla stabilizatora z zewnętrznym pomiarem różnicy ciśnień prezentuje rys. 2. W zależności od konfiguracji połączeń rurek impulsowych, może on działać jako zamykający bądź jako otwierający przy wzroście ciśnienia pompy (albo innego źródła ciśnienia) lub przy spadku ciśnienia za obiektem stabilizowanym.
Z kolei na rys. 3 przedstawione są przekrój i schemat stabilizatora różnicy ciśnień z wewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia. Jeden sygnał ciśnienia dostarczany jest na membranę przez wydrążony grzybek i system kanałów (czarne linie ze strzałkami), a drugi sygnał za pomocą rurki impulsowej. Należy pamiętać, że sposób umieszczenia takiego zaworu w układzie decyduje o tym, czy działa on jako zamykający, czy jako otwierający przy wzroście ciśnienia pompy. Nie można zasady działania, przy danym umieszczeniu, wybrać tak jak dla zaworów z zewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia, dla którego zewnętrzne rurki impulsowe można podłączyć w dowolnej konfiguracji w układzie.
! Aby zawór z wewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia wykonany w wariancie jak na rys. 3 i zamontowany szeregowo działał jako zamykający przy wzroście ciśnienia pompy lub spadku ciśnienia za obiektem stabilizowanym (np. w wyniku zamykania się termoregulatorów), to nad membranę musi być dostarczone wyższe ciśnienie niż pod nią.
Skoro jeden sygnał ciśnienia dostarczany jest już pod membranę i pochodzi sprzed (spod) grzybka, to drugi sygnał nie może pochodzić zza grzybka, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika, gdyż ciśnienie tam jest niższe. W takiej bowiem sytuacji, przy wzroście ciśnienia pompowego, ciśnienie przed grzybkiem byłoby stale wyższe niż za nim i zawór otwierałby się. Sygnał zewnętrzny musi pochodzić z punktu o wyższym ciśnieniu, tj. z wcześniejszego punktu instalacji. Dlatego zawór taki powinien być zamontowany na powrocie, a zewnętrzny sygnał ciśnienia powinien pochodzić z przewodu zasilającego, sprzed punktu określającego tę część instalacji, która ma być objęta stabilizacją (jak pokazano na rys. 4a).
Jeżeli zamontuje się zawór z wewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia na zasilaniu, to będzie on pracował jako otwierający się przy wzroście ciśnienia pompowego przed nim albo spadku ciśnienia za obiektem stabilizowanym. Ponadto obszarem stabilizacji objęta będzie nie tylko wymagana część sieci przewodów/obiekt stabilizowany, ale także część samego zaworu, włączając w to połączenie gniazdo-grzybek zaworu. Jak bowiem widać na rysunku 4b, sygnał ciśnienia pobierany jest sprzed grzybka zaworu, czyli nie z jednego z punktów (punktu A) stabilizowanej części sieci przewodów, który to punkt jest za zaworem. Ciśnienie w tej części sieci przewodów, tj. za zaworem, równe jest ciśnieniu sprzed zaworu, pomniejszonemu o spadek ciśnienia na tym zaworze. Natomiast z uwagi na to, że spadek ciśnienia na zaworze jest funkcją jego stopnia otwarcia, to ciśnienie na drugim końcu stabilizowanej części sieci przewodów będzie funkcją nie tylko zmian ciśnienia pompowego i zmian strat ciśnienia danego odcinka sieci/obiektu stabilizowanego, ale także zmian stopnia otwarcia zaworu. W takim więc przypadku zawór nie mierzy wprost spadku ciśnienia na stabilizowanym obiekcie (A–B). Problemu tego pozbawiony jest zawór zamontowany na powrocie (jak pokazuje rysunek 4a). W przypadku, gdyby wewnętrzny sygnał ciśnienia dostarczany był na „górną” stronę membrany zaworu, sytuacja dla obu wariantów byłaby odwrotna.
! Należy przy tym mieć na uwadze, że zawór, będąc zamontowanym na powrocie, za obiektem stabilizacji ciśnienia, nie redukuje ciśnienia na nim, a jedynie różnicę ciśnień. Redukcji ciśnienia na obiekcie można dokonać jedynie montując zawór przed nim, na przewodzie zasilającym.
W przypadku stabilizatorów różnicy ciśnienia, z punktu widzenia ich trwałości i niezawodności, korzystniej jest je umieszczać na przewodzie powrotnym, gdzie mogą pracować przy niższej temperaturze czynnika i niższym ciśnieniu, co zapewnia wolniejsze zużycie membrany pomiarowej. Mniej ważne jest to, czy zawór pracuje jako zamykający, czy otwierający, gdyż główną jego rolą jest stabilizacja różnicy ciśnień. W praktyce zatem stosuje się (a w zasadzie powinno się stosować) głównie rozwiązanie pokazane na rys. 4a.
Podłączenie równoległe
W przypadku połączenia równoległego w układzie, stabilizator różnicy ciśnień może działać zarówno jako otwierający, jak i zamykający, podobnie, jak zawór nadmiarowo-upustowy. Wybór taki będzie jednak możliwy znowu tylko dla zaworu z zewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia, gdzie oba sygnały ciśnienia mogą pochodzić z dowolnych punktów instalacji, niezależnych od lokalizacji samego urządzenia. Zobrazowano to na rys. 5.
Natomiast w przypadku zaworu z wewnętrznym pomiarem różnicy ciśnień, przy montażu równoległym – jak na rys. 6, mechanizm działania jest narzucony. Jeśli wewnętrzny sygnał ciśnienia dostarczany jest na „dolną” stronę membrany ze strony pierwotnej sieci przewodów, tj. strony o wyższym ciśnieniu, to drugi sygnał pobierany jest ze strony wtórnej sieci o niższym ciśnieniu i zawór pracuje jako otwierający przy wzroście ciśnienia pompy (bądź innego źródła ciśnienia) albo spadku ciśnienia za obiektem stabilizowanym. Jeżeli zaś rurka impulsowa dostarczająca sygnał nie zostanie podłączona, to górna strona membrany będzie pod stałym, atmosferycznym ciśnieniem i stabilizator różnicy ciśnień będzie działał jak zawór nadmiarowo-upustowy, reagując tylko na przyrost ciśnienia po stronie pierwotnej, a nie na różnicę ciśnień w danej części sieci przewodów. Stabilizator różnicy ciśnień można więc w prosty sposób przekształcić w zawór nadmiarowo-upustowy lub nadmiarowy. Podobnie jak poprzednio, jeśli wewnętrzny sygnał ciśnienia dostarczony jest na „górną” stronę membrany, działanie zaworu będzie odwrotne do omówionego.
Stabilizacja przepływu
Za pomocą stabilizatorów różnicy ciśnień można również utrzymywać stały przepływ w regulowanej części sieci przewodów, łącząc stabilizator z kryzą pomiarową albo z zaworem regulacyjnym zamontowanym szeregowo, w małej odległości, na jednym przewodzie. Prezentuje to rys. 7. Kryza pomiarowa (lub dodatkowy zawór regulacyjny ustawiony na określoną wartość oporu hydraulicznego) daje określony spadek ciśnienia przy danej wartości strumienia czynnika. Wraz ze zmianą strumienia czynnika zmienia się spadek ciśnienia. Jeśli więc element ten obejmie się pętlą stabilizacji ciśnienia, element stabilizujący różnicę ciśnień, starając się utrzymać zadaną wartość, będzie także stabilizował przepływ czynnika.
Regulacji wartości stabilizowanego strumienia czynnika dokonać można dwojako:
- albo przez zmianę nastawienia ręcznego zaworu regulacyjnego/wymianę kryzy,
- albo przez zmianę nastawienia stabilizatora różnicy ciśnień.
! Im mniejszy opór hydrauliczny ustawi się na zaworze regulacyjnym/kryzie, tym większa będzie wartość stabilizowanego strumienia czynnika. Podobnie – im większa zostanie ustawiona stabilizowana różnica ciśnień na stabilizatorze różnicy ciśnień, tym większa będzie wartość stabilizowanego strumienia czynnika.
Zasada działania będzie taka sama przy włączeniu rurek pomiaru ciśnienia na samym przewodzie, bez dodatkowego zaworu, ale z uwagi na relatywne mały opór hydrauliczny przewodu, układ taki nie będzie działał wydatnie.
Schemat działania z użyciem stabilizatora z zewnętrznym pomiarem różnicy ciśnienia prezentuje rys. 7a, a z użyciem stabilizatora z wewnętrznym pomiarem – rys. 7b; w obu przypadkach z wykorzystaniem systemu ciśnieniowego odciążenia grzybka zaworu. W miejscu kryzy użyć można ręcznego zaworu regulacyjnego, jak opisano wcześniej. Istotna jest konfiguracja połączeń rurek impulsowych doprowadzających sygnały ciśnienia. Jeśli chcemy uzyskać stabilizację przepływu, to przy wzroście ciśnienia w układzie zawór musi się zamykać. Sygnał o wyższym ciśnieniu (+) przed elementem dławiącym, patrząc w kierunku zgodnym z przepływem, musi być więc doprowadzony na „górną” stronę membrany. Sygnał o niższym ciśnieniu (-) musi być doprowadzony na stronę „dolną”.
Podstawowe schematy z regulatorami różnicy ciśnień przedstawia rys. 8.
Istnieją rozwiązania stabilizatora różnicy ciśnienia, w których oba sygnały ciśnienia pobierane są wewnątrz zaworu. Jest on wówczas de facto stabilizatorem przepływu, zatem rolę stabilizatora różnicy ciśnienia może pełnić będąc zamontowanym równolegle, nie zaś szeregowo. Posiada, więc, w tym przypadku takie same ograniczenia w tym zakresie, jak zawory nadmiarowo-upustowe, tj. urządzenia z jednostronnym pomiarem ciśnienia. 
Charakterystyki hydrauliczne
Stabilizatory różnicy ciśnień, podobnie jak omówione wcześniej zawory nadmiarowo-upustowe, są urządzeniami o działaniu proporcjonalnym (jeśli nie są wyposażone w napędy dodatkowe). Zatem także one nie są w stanie utrzymać zadanej wartość różnicy ciśnienia na bezwzględnie stałym poziomie. Zmiana przemieszczenia grzybka regulacyjnego jest w przybliżeniu proporcjonalna do zmiany różnicy ciśnienia na grzybku/membranie pomiarowej.
! W przypadku stabilizatorów dobór wartości stabilizowanej różnicy ciśnienia również przeprowadzany jest przy uwzględnieniu wymaganej wartości strumienia czynnika jak przy zaworach nadmiarowo-upustowych. Z uwagi jednak na ich funkcję, tj. stabilizację różnicy ciśnienia, zawór od tego punktu pracy powinien mieć możliwość zarówno otwierania się, jak i zamykania, w przeciwieństwie do zaworu nadmiarowo-upustowego, który tylko się otwiera. Punkt pracy powinien być więc ustalony nie na początku, ani nie na końcu zakresu proporcjonalności dla danej nastawy, ale pomiędzy tymi dwoma punktami.
Ustalenie punktu pracy na którymś z krańców zakresu proporcjonalności będzie oznaczało, że stabilizator będzie mógł działać tylko jako zawór zamykający, tj. redukujący ciśnienie, albo tylko jako otwierający, tj. zwiększający ciśnienie po stronie wtórnej, nie zaś jako stabilizator różnicy ciśnień, tj. jako zamykająco-otwierający. Charakterystyki hydrauliczne typowego stabilizatora różnicy ciśnień obrazujące to zjawisko zaprezentowano na rys. 9.
Oznaczony na wykresie (rys. 9) zakres proporcjonalności Xp jest mało zależny od nastawy (wartości nastawionego ciśnienia różnicowego do stabilizacji) zaworu. Jednak zakres zmienności strumienia czynnika dla każdej z nich jest różny. Wynika to z tego, że strumień w danej części sieci przewodów zależy od ciśnienia w niej i maleje wraz z jego spadkiem. Charakterystyki nie są wykreślone od zerowej wartości strumienia czynnika, gdyż uwzględniona jest pewna minimalna wartość, od której urządzenie pracuje prawidłowo.
W małych instalacjach, np. w domach jednorodzinnych, zastosowanie stabilizatorów różnicy ciśnień może nie mieć uzasadnienia ekonomicznego, chociaż w każdej instalacji zapewniają one lepsze warunki pracy termoregulatorów grzejnikowych. Natomiast w dużych układach instalowanie stabilizatorów urządzeń powinno być powszechną praktyką, gdyż skutkuje także optymalizacją zużycia energii, zmniejszając koszty eksploatacyjne i wydłużając żywotność instalacji.
W ramach cyklu „Regulacja hydrauliczna a efektywność i komfort” dotychczas prezentowaliśmy zawory przy grzejnikach, ręczne zawory równoważące i zawory mieszające oraz zawory rozdzielające, a także automatyczne zawory nadmiarowe i nadmiarowo-upustowe („PI” 1-2, 3, 4-5/2020).
Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017
