Zawór trójnożny w praktyce, czyli mieszanie i rozdzielanie strumieni

Bez najmniejszych wątpliwości można stwierdzić, że zawór trójnożny odgrywa bardzo ważną rolę, zarówno w instalacjach grzewczych jak i chłodniczych. Co więcej, wciąż jest on chyba najczęściej stosowanym urządzeniem do regulacji mocy poszczególnych odbiorników ciepła.

Jakiś czas temu napisałem artykuł poświęcony zaworom dwudrogowym, który możesz przeczytać tutaj. Artykuł ten zawiera konkretne przykłady stosowania takich zaworów. Dzisiaj natomiast chciałbym, abyśmy wspólnie przyjrzeli się bliżej zaworom trójdrogowym. W artykule opiszę dokładnie metodę ich działania oraz przedstawię Ci ich zastosowanie na konkretnych przykładach, z których część będzie poparta konkretnymi obliczeniami.

Na początku wpisu, chciałbym, abyśmy dokładnie prześledzili jak w ogóle działa zawór trójnożny? Może on pracować na dwa, różne sposoby – może on rozdzielać jak i mieszać strumień wody. Pamiętaj tylko, że na rynku istnieje ogromna ilość takich produktów i nie zawsze zawór będzie przystosowane do pracy w dwóch funkcjach. Zazwyczaj może albo tylko mieszać, albo tylko rozdzielać medium.

Zawór trójnożny jako zawór mieszający

Zawór regulacyjny trójdrogowy, działający jako zawór mieszający, zapewnia odbiornikom końcowym regulację jakościową. Oznacza to, że regulacja mocy odbiornika odbywa się przy pomocy temperatury zasilania.

Wydaję mi się, że powyższy opis jest dla Ciebie jasny, ale chciałbym mieć 100% pewność, że tak jest. Dlatego też, prześledźmy sobie dokładnie, krok po kroku, pracę takiego zaworu w instalacji zmiennoprzepływowej po stronie pierwotnej oraz stałoprzepływowej po stronie wtórnej, zgodnie z poniższym przykładem.

1 – zawór odcinający; 2 – zawór zwrotny; 3 – trójdrowowy zawór regulacyjny pracujący w funkcji mieszania; 4 – zawór równoważący; 5 – pompa obiegowa

Wyobraź sobie, co się stanie kiedy odbiornik ciepła będzie potrzebować maksymalnej mocy? W takim przypadku zawór regulacyjny zamknie by-pass (punkt “C” na schemacie) i będzie dążył do tego, aby cała woda trafiająca na wymiennik ciepła, zlokalizowany w odbiorniku końcowym, pochodziła z przewodów magistralnych (zapewniając przepływ na odcinku “A – B”). Innymi słowy będzie starał się dostarczyć odbiornikowi medium o jak najwyższej temperaturze.

Ok, teraz pora na kolejną, możliwą sytuację – załóżmy, że odbiornik nie potrzebuje już więcej mocy grzewczej. W takim przypadku, zawór trójnożny zamknie przewód dolotowy (punkt “A” na schemacie) i będzie dążył do tego, aby do wymiennika ciepła zlokalizowanego w odbiorniku nie trafiała woda o wysokiej temperaturze.

Inna sprawa, że w sytuacji, o której mowa powyżej, automatyka najprawdopodobniej wyłączy pompę po stronie wtórnej i woda tam stanie. Oczywiście jeżeli taki odbiornik byłby zlokalizowany na ostatnich fragmentach instalacji, dobrą praktyką jest zapewnienie tam przepływu minimalnego.

Skoro wyjaśniliśmy sobie jak pracuje taki zawór regulacyjny trójdrogowy w warunkach brzegowych, pora na warunki pośrednie. Kiedy one zajdą? Wtedy, kiedy odbiornik będzie potrzebować jedynie części mocy. W takim przypadku, zawór trójnożny częściowo przymknie by-pass (punkt “C” na schemacie”) oraz dolot (punkt “A” na schemacie) tak, aby przez jego wylot (punkt “B” na schemacie) płynęła woda zmieszana. W jakiej proporcji? W takiej, aby uzyskać temperaturę odpowiednią do aktualnych warunków, tj. do aktualnego zapotrzebowania na moc przez odbiornik.

Jeżeli jest to dla Ciebie niejasne, zgłębimy temat jeszcze bardziej – oczywiście na konkretnym przykładzie. 🙂 Na jego potrzeby, przyjmijmy następujące założenia:

  • moc nominalna nagrzewnicy: 54 kW
  • medium: woda grzewcza
  • temperatura zasilania: 80°C
  • temperatura powrotu 60°C
  • aktualne zapotrzebowanie nagrzewnicy na moc: 20 kW

Na początku, korzystając z poniższego wzoru obliczmy jaki jest przepływ nominalny przez odbiornik:

    \[ V = \frac{Q}{C_{w} \cdot (t_{z} - t_{p}) \cdot \rho} \]

    \[ V = \frac{54}{4,19 \cdot (80 - 60) \cdot 979,48} = 0,000658 \ \frac{m^{3}}{s} = 2,37 \ \frac{m^{3}}{h} \]

Dobra, teraz, kiedy wiemy jaki jest przepływ nominalny po stronie wtórnej (pamiętaj, że inst. po tej stronie jest stałoprzepływowa), obliczmy wymaganą różnicę temperatur, dla aktualnej mocy – czyli dla 20 kW:

    \[ \Delta t = \frac{Q}{C_{w} \cdot V \cdot \rho} \]

    \[ \Delta t = \frac{20}{4,19 \cdot 0,000658 \cdot 979,48}= 7,41 ^{\circ} C \]

Ponieważ w instalacji staramy się utrzymać stałą temperaturę wody na powrocie, temperatura zasilania odbiornika powinna wynosić:

    \[ t_{z} = 60 + 7,41 = 67,41 ^{\circ} C \]

Oznacza to, że zawór regulacyjny trójdrogowy będzie dążył do zmieszania wody zasilającej i powrotnej w takim stopniu, aby finalnie uzyskać temperaturę na zasilaniu w wielkości ok. 67,41°C.

Mam nadzieję, że w tym momencie praca takiego zaworu w funkcji mieszania jest już dla Ciebie całkowicie jasna. 🙂 Jednak tutaj muszę Ci wspomnieć, że na rynku praktycznie nie istnieją zawory trójdrogowe, które w rzeczywistych warunkach pracy byłyby w stanie zamknąć by-pass w 100%. Istnieją tam pewne, niewielkie nieszczelności i część wody powracającej z odbiornika i tak będzie przepływać przez by-pass. Oczywiście jeżeli zawór regulacyjny posiada odpowiednio wysoki autorytet, nie powinno mieć to większego znaczenia na regulację mocy odbiornika. Niemniej jednak dobrze, abyś być tego świadomym. 🙂

Autorytet zaworu regulacyjnego trójdrogowego

Kończąc opis pracy zaworu regulacyjnego w funkcji mieszania, chciałbym, abyśmy jeszcze wspólnie zgłębili temat jego autorytetu. Oczywiście, aby instalacja działała sprawnie, zaleca się, aby autorytet ten wynosił nie mniej niż 0,5 (im wyższa jego wartość tym lepiej). Jeżeli zastanawiasz się jak wyliczyć jego wartość to już Ci spieszę z odpowiedzią. Najpierw, przypomnijmy sobie jeszcze schemat naszego układu.

1 – zawór odcinający; 2 – zawór zwrotny; 3 – trójdrowowy zawór regulacyjny pracujący w funkcji mieszania; 4 – zawór równoważący; 5 – pompa obiegowa

Ok, teraz, kiedy przypomnieliśmy sobie schemat instalacji, wróćmy do autorytetu. Aby go obliczyć należy skorzystać ze wzoru:

    \[ \beta ' = \frac{\Delta p_{c}V}{\Delta p_{c}V + \Delta H_{p} + \Delta p_{AB}} \]

gdzie:

  • ΔpcV – spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym, oznaczonym na powyższym schemacie numerem 3, kPa
  • ΔHp – spadek ciśnienia na instalacji, po stronie pierwotnej, kPa
  • ΔpAB – spadek ciśnienia na by-passie, kPa

Jak sam widzisz, dla powyższego przykładu, zawór regulacyjny trójdrogowy będzie zależny od instalacji, ale… Zastanówmy się, czy jest szansa zaprojektować instalację tak, aby zawór ten osiągał zawsze wysoką wartość autorytetu i to niezależnie od pozostałej instalacji? Skoro o to pytam to pewnie już wiesz, że tak… 😉 No dobra, ale jak to zrobić?

A wiec trzeba dokonać nieco zmian w instalacji i przejść na instalację, która jest stałoprzepływowa zarówno po stronie pierwotnej jak i wtórnej, zgodnie z poniższym schematem.

1 – zawór odcinający; 2 – zawór zwrotny; 3 – trójdrowowy zawór regulacyjny pracujący w funkcji mieszania; 4 – zawór równoważący; 5 – pompa obiegowa

Co nam to da? Ano to, że dzięki temu autorytet zaworu regulacyjnego będzie zawsze bliski 1! 🙂 Dlaczego tak się stanie? Aby to zrozumieć, prześledźmy jak pracuje układ…

Jakość czynnika grzewczego po stronie wtórnej regulowana jest przy pomocy zaworu trójdrogowego – oczywiście przepływ jest stały. Dzięki dodatkowej nitce, jaką wprowadziliśmy przed tym zaworem, instalacja po stronie pierwotnej może pracować również ze stałym przepływem. Dzieje się tak, ponieważ w przypadku zamknięcia dolotu zaworu, woda nie zatrzyma się w instalacji, ale przepłynie przez by-pass.

Autorytet zaworu regulacyjnego, dla powyższego przypadku można obliczyć ze wzoru:

    \[ \beta ' = \frac{\Delta p_{c}V}{\Delta p_{c}V + \Delta p_{ABCD}} \]

Następnie zauważmy, że na odcinku ABCD nie istnieje żadna armatura – są to jedynie gołe rurociągi tworzące by-passy. Sprawia to, że spadek ciśnienia na tym odcinku będzie minimalny (w niektórych przypadkach może być on nawet pomijalny). W związku z powyższym, autorytet tego zaworu będzie tak naprawdę wynikiem ilorazu spadku ciśnienia na zaworze regulacyjnym do… spadku ciśnienia na tym samym zaworze regulacyjnym, a działanie takie zawsze da wynik 1. 🙂

Zawór regulacyjny trójnożny jako zawór rozdzielający

Zawór trójnożny pracujący w funkcji rozdzielającej, jak łatwo się domyślić… rozdziela strumienie. 🙂 Schemat takiej instalacji został przedstawiony na poniższym rysunku.

1 – zawór odcinający; 2 – trójdrowowy zawór regulacyjny pracujący w funkcji rozdzielania ; 3 – zawór równoważący

Ponieważ zawór trójdrogowy rozdziela strumienie wody grzewczej, regulacja mocy odbiornika jest ilościowa, tzn. odbywa się przy pomocy ilości dostarczanego czynnika o stałej temperaturze. Dlatego też w przypadku jak powyżej, będziemy mieć do czynienia z instalacją zmiennoprzepływowa po stronie wtórnej i stałoprzepływowa po stronie pierwotnej.

Omawiając powyższy schemat, przyjrzyjmy się jeszcze zaworom równoważącym… Zawór umieszczony na gałązce powrotnej, za by-passem nie powinien Cię dziwić. Służy on do zrównoważenia całej instalacji i zapewnienia odpowiednich przepływów. Należy tutaj zauważyć, że im mniejszy jest autorytet zaworu regulacyjnego, tym ten zawór równoważący ma większe znaczenie do poprawnej pracy instalacji.

Teraz możesz się zastanawiać po co nam drugi zawór równoważący, umieszczony na by-passie? Ano po to, aby utrzymać stałe ciśnienie w instalacji, kiedy zawór regulacyjny puszcza cały przepływ przez by-pass.

Aby łatwiej było Ci zrozumieć do czego zmierzam, podobnie jak w pierwszym przykładzie, najpierw wyobraź sobie sytuację, kiedy odbiornik potrzebuje maksymalnej mocy. Wówczas zawór regulacyjny kieruje do niego cały przepływ, a przez odgałęzienie nic nie płynie (przynajmniej teoretycznie).

W takim przypadku, mamy pewien spadek ciśnienia na wymienniku ciepła zlokalizowanym a naszym odbiorniku, który w większości przypadków wcale nie będzie mały. Teraz wyobraźmy sobie sytuację odwrotną, tj. sytuację, kiedy odbiornik nie potrzebuje w ogóle mocy. W obiegu krąży woda grzewcza, a zawór regulacyjny, który się przy nim znajduje, puszcza ją w całości przez by-pass.

I co się dalej dzieje? Znika nam nagle odbiornik ciepła, a tym samym spadek ciśnienia w obiegu, który wcześniej generował. W związku z powyższym, zaczyna tutaj płynąć więcej wody, która zabierana jest innym urządzeniom. W rezultacie, inne odbiorniki nie dostaną odpowiedniej ilości strumienia wody grzewczej i nie będą pracować tak jak powinny, a jej nadmiar będzie przepływać bezcelowo przez by-pass przy naszym odbiorniku, gdzie kieruje ją zawór trójdrożny pracujący w funkcji mieszania.

Teraz na pewno już widzisz problem i dlatego właśnie, aby zabezpieczyć się przed takim zjawiskiem, na by-passie również powinien być zamontowany zawór równoważący, generujący spadek ciśnienia taki sam jak wymiennik ciepła w odbiorniku. Dzięki temu możemy mieć pewność, że instalacja będzie pracować poprawnie.

Ale… czy ten zawór równoważący jest zawsze wymagany, aby instalacja działała prawidłowo. Nie. 😉 Są pewne sytuacje, kiedy można z niego zrezygnować, ale o tym, jeżeli tylko będziesz chciał, napiszę osobny artykuł w przyszłości.

Podsumowanie

W tym momencie muszę Ci się do czegoś przyznać… Ten wpis powstawał w nieco dziwnych okolicznościach. 🙂 Tzn. początkowo, kiedy zacząłem go pisać, chciałem zająć się innym zagadnieniem związanym z zaworami trójdrożnymi, ale z upływem czasu zmieniłem zdanie i postanowiłem najpierw dokładnie opisać zasadę działania powyższych zaworów, a później zająć się tematem, który miał się tutaj pierwotnie znaleźć. 🙂

Niemniej jednak, niezależnie od tego myślę, że w tym momencie zasada działania zaworów regulacyjnych trójdrogowych jest już dla Ciebie jasna. Pamiętaj tylko jedną, ważną rzecz – kiedy zawór reguluje prawidłowo? Wtedy kiedy ma wysoki autorytet. Dlatego dbaj o to, aby był on możliwie wysoki. 🙂