A hidraulikai beszabályozás

Átírás

1 A hidraulikai beszabályozás 1. Bevezetés A modern épületgépészeti, valamint technológiai főtési és hőtési rendszerek elméletileg ki tudják elégíteni a legszigorúbb követelményeket is a szabályozott szakasz jellemzıinek stabil és pontos szabályozása (pl. helyiség belsı hımérséklete) és az alacsony üzemeltetési költségek szempontjából. A gyakorlatban azonban ezek a rendszerek sokszor nem tudják beváltani a velük szemben elvárt követelményeket, mert a belsı légállapot eltérése nagyobb a tervezettnél, az üzemeltetési költségek pedig magasabbak a vártnál. Ez gyakran elıfordul, hiszen az épületgépészeti rendszer terve sokszor nem tartalmaz olyan elemeket, amelyek a pontos és a stabil szabályozáshoz szükségesek. 2. A beszabályozás három alapvetı feladata A beszabályozás definíciója: A hidraulikai beszabályozás a hőtı-/főtıvíz oldalon teremt optimális hidraulikai követelményeket a szabályozás, azaz szabályozó körök számára, így biztosítva a hőtési/főtési rendszerek zavartalan mőködését. A hidraulikai beszabályozásnak így három fontos feladatot kell ellátnia: A tervezett térfogatáramnak minden berendezéshez el kell jutnia A szabályozó szelepeken a nyomáskülönbségnek nem szabad sokat változnia. Az egyes alrendszerek térfogatáramainak illeszkedniük kell egymáshoz (hidraulikai interaktivitás) Vegyük sorra, tehát ezt a három területet, hogy mit is kell tennünk, hogy ezek a feltételek megvalósuljanak illetve mik azok a jelenségek, melyek arra utalnak, hogy valamely feltételt figyelmem kívül hagytuk. 2.1 A tervezett térfogatáramnak minden berendezéshez el kell jutnia A teljesítmény, amelyet a különbözı hıcserélık leadnak, függ a hıhordozó közeg hımérsékletétıl és térfogatáramától. Ezeket a paramétereket, pl. az elıírt szobahımérséklet függvényében szabályozzuk. A szabályozás csak akkor elfogadható, ha a szabályozó szelepnél és minden fogyasztónál rendelkezésre áll a szükséges hőtı-/főtıvíz ill. glikol mennyiség. A megfelelı térfogatáramot a lehetı leggondosabb hidraulikai mértezés ellenére is a gyakorlatban csak úgy tudjuk elérni, ha megmérjük és beállítjuk azt. A csıvezeték hálózatot, a szivattyúkat, szabályozó szelepeket és a különbözı berendezéseket általában úgy méretezik, hogy fedezzék a maximális igényeket (kivéve, ha az egyidejőséget is figyelembe vesszük). Ha az így megtervezett hidraulikai rendszer egyik láncszeme nem megfelelıen méretezett, akkor a többi elem sem fog optimálisan mőködni. Ebbıl eredıen nem érjük el a tervezett belsı légállapotot, és az elvárt komfortfokozatot csak kompromisszumokkal tudjuk teljesíteni. 1

2 A méretezés során alkalmazott biztonsági tényezık használata, azaz a túlméretezés nem old meg minden problémát, sıt újabbakat szül, különösen a szabályozásnál. A túlméretezés természetesen ennek ellenére elkerülhetetlen, mert az egyes elemeket a fennálló kereskedelmi választékból kell kiválasztani. A kínálat általában nem egyezik meg a számításokból származó igényekkel. Azon kívül a tervezési fázisban néhány rendszerelem jellemzıje még nem ismeretes, mert azt a kivitelezı egy késıbbi lépésben választja ki. Az eredeti tervet a kivitelezésnek megfelelıen többé-kevésbé módosítani kell, mivel a megvalósult állapot sohasem egyezik meg pontosan a tervekkel. A hidraulikai beszabályozás lehetıvé teszi, hogy az adott berendezés számára rendelkezésre álljon a tervezett (a szükséges) térfogatáram, ezzel kompenzálva a túlméretezést és korrigálva a kivitelezést Ha nem elegendı a fogyasztón a rendelkezésre álló tömegáram Az alábbi jelenségek arra utalnak, hogy a tervezett (a szükséges) tömegáram nem jut el minden fogyasztóhoz: - az energia költségek magasabbak a vártnál; - a beépített teljesítmény nem elegendı a csúcsigények kielégítésére; - az épület egyes részeiben túl meleg van, míg a többi részében hideg; - a technológiai folyamatokban elıírt hımérsékletet nem lehet elérni; - a kívánt szobahımérséklet elérése hosszú ideig tart az éjjeli leállítás utáni üzemindításkor. 1. ábra Radiátor (hıcserélı) jelleggörbéje A hıcserélı jelleggörbéjébıl adódik, hogy a tervezettnél jelentısen több átáramló térfogatáram ellenére sem nı meg a leadott hımennyiség. Ellenkezı esetben, ha a tömegáram hiány 2

3 számottevı, a teljesítmény csökkenés is jelentıs, így a belsı hımérséklet is érezhetıen lecsökken. (Az MSZ CR 1752:2000 szabályozza a különbözı rendeltetéső és kategóriájú komfortterek esetén, hogy mennyivel térhet el a belsı hımérséklet a tervezettıl) Állandó tömegáramú elosztóhálózatok Egy állandó tömegáramú rendszerben (2. ábra-bal) a háromjáratú szelepet úgy méretezzük, hogy azt a nyomásesést hozza létre, ami megegyezik a C fogyasztó tervezett nyomásesésével. Ez azt jelenti, hogy a szabályozószelep autoritása legalább 0,5 kell legyen, ami szükséges a megfelelı szabályozáshoz. Ha a nyomásesés a fogyasztóban és a szabályozó szelepen összesen 20 kpa és a megengedhetı rendelkezésre álló nyomáskülönbség ( H) 80 kpa, akkor a 60 kpa különbséget le kell fojtani a STAD-1 beszabályozó szelep segítségével. Ha ezt nem tesszük, akkor 200 % -os túláram keletkezik a körben, ami szabályozási nehézségeket okoz, illetve zavarja a rendszer többi elemét. A STAD-2 beszabályozó szelep az 2. ábrán-jobb nélkülözhetetlen. Nélküle a by-pass (AB) egy rövid kör lesz jelentıs túlárammal, térfogatáram-hiányt teremtve a rendszer más részein. A STAD-2-vel a primer (q p ) térfogatáram mérhetı és valamivel magasabb értékre állítható be, mint a q s szekunder oldali térfogatáram a STAD-3 szeleppel. A beszabályozás biztosítja a megfelelı térfogatáram elosztását, megelızi az üzemeltetési problémákat, és lehetıvé teszi, hogy a szabályozók valóban tudjanak szabályozni. 2. ábra Állandó tömegáramú elosztóhálózatok Változó tömegáramú elosztóhálózatok Egy változó tömegáramú elosztórendszerben a térfogatáram-hiány problémái csúcsigénynél jelennek meg. Elsı megközelítésben nem szükséges beszabályoznunk az egyutú szabályozó szeleppel rendelkezı rendszert, mivel a szabályozó szelep feladata, hogy a térfogatáramot a megfelelı szintre állítsa be. A hidraulikai beszabályozásnak automatikusan meg kell történnie. Még gondos számítás esetén is elıfordulhat, hogy nem kaphatók a piacon olyan szabályozó szelepek, amelyek a kívánt Kv s értékkel rendelkeznek. Következésképpen a legtöbb szabályozó szelep túlméretezett. A szabályozó szelepek teljes nyitása általában nem kerülhetı el, mint pl. az üzem indításakor, a hımérséklet érzékelık minimum vagy maximumértékre való beállításakor, vagy amikor valamely fogyasztó alulméretezett. Ezekben az esetekben, illetve, ha a 3

4 beszabályozó szelepek nincsenek beépítve, néhány körben túláram keletkezik. Ez viszont térfogatáram-hiányt okoz más körben. A változó fordulatszámú szivattyúk alkalmazása sem tudja megoldani ezt a gondot, mivel minden körben a térfogatáram arányosan változik a szivattyú emelımagasságának módosulása esetén. Ha így próbáljuk meg kiküszöbölni a túláramot, akkor a térfogatáram hiány még jelentısebbé válik. Az egész rendszert úgy tervezzük, hogy maximális fogyasztás esetén biztosítsa a maximális hıleadást, vagy hıfelvételt (egyidejőséggel számolva vagy nélküle). Lényeges, hogy ez a maximális hıleadás, vagy hıfelvétel mindig rendelkezésre álljon, amikor csak szükséges. A hidraulikai beszabályozás, ha az a méretezési állapot szerint készül, garantálja, hogy minden berendezéshez eljut a szükséges térfogatáram. Részfogyasztásnál, mikor egyes szabályozószelepek zárva vannak, a rendelkezésre álló nyomás a körben növekszik. 3. ábra Változó tömegáramú elosztóhálózat Üzemindítás Egy változó tömegáramú elosztórendszerben minden éjszakai leállás után a reggeli üzemindítás komoly gondot okozhat, mivel a legtöbb szabályozószelep teljesen kinyit. Ezzel több térfogatáram kerül a rendszerbe, amely jelentıs nyomásesést eredményez a csıhálózatban. A rendszer legkedvezıtlenebb részén elhelyezkedı fogyasztóhoz nem jut megfelelı térfogatáram addig, ameddig a többi helyen a hımérséklet el nem érte a beállítási értéket (feltéve, ha ezek a beállítási értékek helyesen lettek kiválasztva). Az üzemindítás tehát nehézkes, a vártnál több idıt vesz igénybe és gazdaságtalan az energia fogyasztás szempontjából. Ez az üzemindítás a központi szabályozó beállításának állandó változtatását eredményezi és az optimalizálás bármely formája gyakorlatilag lehetetlen. Állandó tömegáramú elosztórendszerben a térfogatáram hiánya és a túláram megmarad az üzemindításkor és azután is, még inkább nehezítve a fennálló problémát. 4

5 2.2 A szabályozó szelepeken a nyomáskülönbségnek nem szabad sokat változnia A szabályozó szelep karakterisztikáját - állandó nyomáskülönbség mellett - a szelepen keresztülhaladó közeg-térfogatáram és a szelep emelkedésének kapcsolata határozza meg. A térfogatáramot és a szelep emelkedését a maximális érték százalékában szokás megadni. Teljesítmény % Térfogatáram % Térfogatáram % Szelepemelkedés% i i = Teljesítmény % Szelepemelkedés% = 4. ábra A hıtermelı és szabályozószelep jelleggörbébıl kiadódó eredı jelleggörbe Egy lineáris karakterisztikájú szelepnél a térfogatáram egyenesen arányos a szelepemelkedéssel. A hıcserélı nem lineáris karakterisztikájának köszönhetıen (4. ábra-bal) - kis és közepes teljesítmény esetén - a szabályozó szelep enyhe megnyitása is jelentısen megnövelni az áramlást. A szabályozási kör emiatt kis teljesítménynél instabillá válhat. A problémát megoldhatjuk úgy, hogy olyan szabályozó szelepet választunk, amivel kompenzálhatjuk a hıcserélı nem-lineáris karakterisztikáját. Ezzel biztosíthatjuk azt, hogy az áramlás a hıcserélın egyenesen arányos lesz a szelepemelkedéssel. Tételezzük fel, hogy a hıcserélı teljesítménye 50%-a a tervezett értéknek abban az esetben, amikor a hıcserélın keresztül a tervezett térfogatáram 20%-a kering. Olyan szelepet célszerő választani, amely a tervezett térfogatáramnak csak a 20 %-át engedi át, amikor a szelep 50 %-os, félig nyitott állapotban van. Ha a szelep félig nyitott (4. ábra-jobb), akkor a hıleadás 50 %-a valósul meg. Abban az esetben, ha ez a beállítás az összes térfogatáram esetén érvényes, akkor olyan szelepkarakterisztikát kapunk, amely egy tipikus hıcserélı nem-lineáris tulajdonságát kompenzálja. Ezt a karakterisztikát (4. ábra-közép) az egyenlıszázalékos szelep jelleggörbének (EQM) nevezzük. Ahhoz tehát, hogy a hıcserélı nemlineáris karakterisztikáját a szabályzó szelep kompenzálni tudja, két feltételnek kell teljesülnie: A szabályozó szelepeken lévı nyomáskülönbségnek állandónak kell lennie. A tervezett térfogatáramnak kell áthaladnia a szabályozó szelepen, amikor az teljesen nyitva van. 5

6 Ha a szabályozó szelepen lévı nyomáskülönbség nem állandó, vagy a szelep túlméretezett, akkor a szabályozó szelep karakterisztikája eltorzul A szabályozó szelep autoritása Ha a szabályozó szelepet zárjuk, a térfogatáram és a nyomásesés lecsökken a hıcserélın, a csıvezetékekben és a szerelvényekben. A szabályozószelepen a nyomásveszteségek különbségét kell beállítani. A nyomáskülönbség növekedésének hatására a szabályozó szelep elméleti jelleggörbéje eltorzul. Ezt a torzulást fejezi ki a szabályozó szelep autoritása: a = p p teljesen nyitott szelepen tervezett térfogatáram mellett teljesen elzárt szelepen A számláló állandó, a tervezett térfogatáram értékétıl és a szabályozó szelep kiválasztásától függ. A nevezı az elosztóhálózaton rendelkezésre álló nyomáskülönbség. Ha a hidraulikai rendszerbe a kiválasztott szabályozó szeleppel együtt egy beszabályozó szelepet is beépítünk, az nem változtatja meg a szabályozó szelep autoritását. A szabályozó szelepet úgy kell kiválasztani, hogy az autoritás a lehetı legnagyobb legyen. Pontosan akkora szabályozó szelep, mint amilyet a méretezés során adódik nem mindig kapható a kereskedelemben. Ez a magyarázata annak, hogy a legtöbb szabályozószelep túlméretezett. Beszabályozó szelep használatával beállíthatjuk a tervezett térfogatáramot a szabályozó szelep teljesen nyitott állásánál. Ezáltal a szabályozó funkció javul, mivel a karakterisztika közelebb van a tervezetthez. 3. A beszabályozáshoz szükséges eszközök A főtési és hőtési rendszer beszabályozásához szükséges eszközök az alábbi feltételeknek meg kell, hogy feleljenek: A térfogatáramnak mérhetınek kell lennie. A beszabályozási folyamat lehetıvé teszi a főtési és hőtési rendszer mőködésének ellenırzését, a hibák észrevételét és a mérés alapján történı korrigálását. A térfogatáramnak könnyen beállíthatónak kell lennie. Ezáltal a főtési és hőtési rendszer rugalmas, az igényeknek megfelelıen megváltoztatható. A beszabályozó szelepnek hosszú idıre szóló megbízhatóságot kell garantálnia. Ellenállónak kell lennie az agresszív vízzel és glikollal szemben. Feltöltés alatt a beszabályozó szelepet nem kell kiiktatni, illetve speciális szőrıt igénybe venni. A beállítási értéknek könnyen leolvashatónak és rögzíthetınek kell lennie. A beszabályozó szelepnek tartalmaznia kell az elzáró funkciót is. A mérıkészüléknek olyannak kell lennie, hogy a térfogatáramot könnyen lehessen mérni a diagrammok használata nélkül is. A készüléknek tartalmaznia kell egy egyszerő 6

7 beszabályozó eljárást és azt a funkciót, hogy az eredményeket kilehessen nyomtatni. A berendezésnek tárolnia kell a térfogatáram, a nyomáskülönbségek és a hımérsékletek értékeit diagnosztikai célokból. 5. ábra 6.ábra TA-STAF beszabályozó szelep TA-CBI II. mérıkomputer 4. Beszabályozási módszerek A hidraulikai beszabályozás biztosítja annak a lehetıségét, hogy az üzembe helyezés helyesen történjen. A beszabályozás alatt kiderül a legtöbb mőködési, kivitelezési hiba (pl.: levegıs rendszer, elszennyezıdött szőrık, egyéb hidraulikai hibák). A statikus, avagy manuális beszabályozásnak különbözı módszerei ismertek: visszatérı hımérséklet mérése, trial and error módszer, kompenzációs módszer, TA Balance módszer. 4.1 TA Balance módszer A TA Balance módszer a legegyszerőbb módja egy főtési és hőtési rendszer beszabályozásának. A TA Balance módszer lényegében egy számítógépes program, amely a kompenzációs módszeren (lásd Beszabályozási laborgyakorlat c. fejezet) alapul. A TA Balance módszer a CBI II. mérıkomputer mőködési elvére épül. A főtési, vagy hőtési rendszeren végzett néhány mérés után a TA Balance eljárást alkalmazva a CBI kiszámolja a szelepek megfelelı beállítását. E módszer legfıbb elınye abban rejlik, hogy egy ember képes beszabályozni az egész rendszert egyetlen mérıkészülék igénybevételével. Hátránya, hogy a számítási metódust csak hidraulikai modul (partner szelep + párhuzamosan kapcsolt fogyasztók) rendszerben képes a mérıkészülék értelmezi és mivel a jelenlegi mőszaki gyakorlatban épp, a nagyobb mérete miatt, a kiemelt jelentıségő partnerszelepet hagyják el elıszeretettel, így ennek a módszernek gyakorlati alkalmazása gyakran nehézségekbe ütközik. Mint minden más beszabályozási folyamatban a rendszert modulokra kell osztani. Egy hidraulikai modul egy olyan felszállót jelent, amelyhez párhuzamosan kapcsolt fogyasztók 7

8 tartóznak. Minden egyes felszálló rendelkezik egy beszabályozó szeleppel, amit partner szelepnek nevezünk és minden fogyasztó elıtt is található egy-egy beszabályozó szelep (7. ábra). 7. ábra Egy hidraulikai modul kialakítása A CBI mérımőszer érzékeli a mértékadó áramkört (az a kör, ami a legnagyobb nyomáskülönbséget igényli) és elıirányozza a 3 kpa-os nyomásesést (ez a minimális nyomásesés, ami a megbízható térfogatáram-méréshez szükséges). A mérıkomputer a többi beszabályozó szelep beállítását kiszámolja, hogy elérjük a modulon belül lévı elemek egymáshoz viszonyított beszabályozását. A beállítás nem függ a szivattyú emelımagasságától és a modulon kívül lévı többi beszabályozó szelep beállításától sem. A CBI II. által meghatározott értékeket kell beállítani és rögzíteni a szelepeken. Miután minden modul beszabályozása külön-külön megtörtént a modulokat egymáshoz képest kell beszabályozni az elızıekhez hasonló módon. Ezzel a partnerszelepek beállítását határozzuk meg. Végezetül az összes tervezett térfogatáramot a fı beszabályozó szelep segítségével be kell állítani. Az összes túlnyomás beállítható és mérhetı ezen a szelepen. Ez a túlnyomás néha olyan magas, hogy egy kisebb szivattyút is be lehet építeni, hogy csökkenjen a szivattyúzás költsége. Amikor ez a mővelet befejezıdött a tervezett térfogatáram minden fogyasztónál rendelkezésre áll. Egy számítógépes nyomtatással listát készíthetünk minden egyes beszabályozó szelep beállításáról, nyomáskülönbségérıl és térfogatáramról. 4.2 Kompenzációs módszer A kompenzációs módszer az ún. arányossági törvényen alapul. A hidraulikai modulon belül (modul: esetünkben a 4 db párhuzamosan kapcsolt strang, avagy fogyasztó és a partnerszelep) az összes térfogatáramot a 4 db STAD beszabályozó szelep osztja szét, az elıírt arányban (a tervezett átmenı térfogatáram arányában). A STAD beszabályozó szelepeken a már beállított térfogatáramok olyan arányban változnak, amilyen arányban a partnerszelepen változtatjuk az összes térfogatáram mennyiségét. Ha a modulban pl. a 2 -es (szivattyútól számozva) szelepet lezárjuk, akkor a mögötte levı 3 -as és 4 -es beszabályozó szelepen a térfogatáramok azonos arányban nınek, míg a szivattyúhoz közeledve az 1 -es beszabályozó szelepen a közeg térfogatáram változása kisebb mértékben nı. A kompenzációs módszer lépései a következık: 8

9 A legkedvezıtlenebb helyzető fogyasztó áramkörének beszabályozó szelepét úgy állítjuk be, hogy a névleges térfogatáram mellett 3 kpa nyomás essen. A többi beszabályozó szelepet 50%-os kézikerék állásba (2-es állás) tekerjük vagy a tervezı által megadott elıbeállítási értékekre. A mértékadó körön a STAD beszabályozó szelepre csatlakoztatjuk az egyik CBI mérıkomputert és folyamatos mérés mellett a partnerszelepet úgy állítjuk be, hogy a STAD beszabályozó szelepen megjelenjen a tervezett térfogatáram. A második mérımőszert az elıtte található beszabályozó szelepre helyezzük és itt is beállítjuk a tervezett térfogatáramot. Természetesen ekkor a mértékadó körön megváltozik a beállított térfogatáram, de ezt a partnerszelep állításával kompenzáljuk. Ebbıl az eljárásból ered a módszer neve. Ismételten rámérve a jelenlegi körre, korrigáljuk a változást, amelyet a partnerszelep ismételt beállítása okozott, ezzel a legkedvezıtlenebb és az elıtte található kör térfogatáramait a tervezett szintre hoztuk. A mértékadó áramkörben található beszabályozó szelepen hagyjuk az egyik CBI mérıkomputert, a másikat pedig helyezzük a következı szelepre (így közeledünk a szivattyúhoz). Most ennek a körnek a tervezett térfogatáramát kell beállítanunk. Természetesen, ha ebben körben változtatjuk a térfogatáramot, a mögötte található, már beszabályozott körök térfogatárama is változni fog, de az arányossági törvény értelmében azonos arányban. A mértékadó körben hagyott mérımőszerrel mérve a partnerszeleppel újra kompenzáljuk most már egyszerre a kettı, elızıleg beszabályozott körök térfogatáramát (mivel azonos arányban változnak, elég csak az egyiket mérni). Végül, ha szükséges korrigáljuk a jelenleg mért kör térfogatáramát. Így már három kör térfogatáramát állítottuk be a tervezett értékre. A beszabályozási módszert hasonló módón folytatjuk. Ha a partnerszelepen túl nagy lenne a fojtás értéke, a frekvenciaváltós szivattyú fordulatszámának változtatásával beállíthatjuk az optimális munkapontot, így csökkenthetjük a szivattyúzásra felhasznált energiát, ezáltal a szivattyúzási költségeket. 9

10 5. Befejezés Minden hőtési és főtési rendszer feladata, hogy biztosítsa az elıírt szabályozott jellemzı értékeket (egy főtési rendszer esetében a belsı szobahımérsékletet) alacsony költségek és minimális mőködési hibák mellett. Elméletileg a modern szabályozástechnika oldja meg ezt a feladatot. A gyakorlatban azonban nem a legmodernebb szabályozók azok, amelyek ezt elvégzik. Ennek gyakran az az oka, hogy a jó szabályozáshoz szükséges feltételeket nem mindig teremtik meg. Egy ilyen feltétel, hogy a tervezett térfogatáramnak minden berendezéshez el kell jutnia. A hidraulikai beszabályozás megoldja ezt a feladatot. Egyrészt csökkenti az egyes körökben lévı túláramot, másrészt megakadályozza, hogy más körökben a szükségesnél kisebb térfogatáram alakuljon ki. A hidraulikai beszabályozás jelzi a beépített szivattyú túlméretezését és ellenırzi, hogy a rendszer valóban úgy mőködik-e, ahogyan a tervezıje elképzelte. Budapest, szeptember 21. Vörös Szilárd okl. épület-gépészmérnök IMI International Kft. Ellenırzı kérdések: A beszabályozás definíciója? A beszabályozás 3 alapvetı feladata? Radiátor jelleggörbéje, magyarázata (rajz tengelyek mértékegysége felirata)? Hıtermelı és szabályzó szelep eredı jelleggörbéje (rajz tengelyek mértékegysége felirata)? Miért használunk egyenszázalékos (EQM) szelepjelleggörbét (EQM szelepjellegörbe rajza tengelyek mértékegysége felirata)? Melyik két feltételnek kell teljesülnie, hogy a szabályzó szelep kompenzálni tudja a hıcserélı jelleggörbéjét? Az autoritás képlete, mit fejez ki az autoritás? Beszabályozás 3 módszere? A TA-Balance módszer elınye, hátránya? Mi az a hidraulikai modul (+ rajz)? Melyik hidraulikai áramkört nevezzük mértékadónak? Miért szükséges a min. 3kPa-os nyomásesés a beszabályozó szelepen? 10