Regulační armatury - teoretická základna (III)
Teoretická základna je seriál článků se zaměřením na teorii základních regulačních prvků. Je určen především odborné veřejnosti, studentům, projektantům nebo provozovatelům tepelných soustav. Cílem je dostupnost teoretických informací s uvedením příkladů návrhu regulačních prvků do otopných soustav. Tento díl je věnován teorii návrhu osazení otopných těles termostatickými ventily.
Termostatické ventily pro otopná tělesa
Přesto, že je potřeba uvažovat otopnou soustavu jako celek a tak pohlížet i na regulaci, pokusme se o postižení problematiky regulace výkonu otopného tělesa.
Otopné těleso je výměník tepla, který sdílí teplo do vytápěného prostoru. Je zároveň koncovým prvkem otopné soustavy, který má zajistit dodávku proměnného tepelného toku do vytápěného prostoru podle jeho časově proměnných potřeb. Protože je otopné těleso obecně výměníkem tepla, lze s ním takto z hlediska regulace tepelného výkonu i zacházet.
U otopného tělesa můžeme uplatnit jak regulaci kvalitativní, tj. změnou teploty otopné vody, tak kvantitativní, tj. změnou průtoku otopné vody. Prvně zmíněnou regulací se nebudeme nadále zabývat, neboť přísluší spíše k regulaci tepelného výkonu otopné soustavy jako celku či k regulaci výkonu zdroje tepla, než k regulaci místní, tedy regulaci tepelného výkonu pouze otopného tělesa s využitím TRV.
Tepelně-technické chování otopného tělesa lze popsat závislostí
kde:
| Δt | ochlazení vody v otopném tělese [K] |
| Δt100 | jmenovité ochlazení v otopném tělese [K] |
| m | hmotnostní průtok vody otopným tělesem [kg/s] |
| m100 | jmenovitý hmotnostní průtok otopným tělesem [kg/s] |
| c | měrná tepelná kapacita vody [J/kg.K] |
Tato závislost se ve většině případů odklání od linearity, neboť s redukcí relativního průtoku
nastává pokles poměrné teploty 
U otopných těles závisí odchylka od lineárního průtoku na velikosti činitele vytížení otopného tělesa
kde:
- jmenovitý teplotní rozdíl na otopném tělese
- rozdíl teploty přívodní vody do tělesa a teploty vzduchu v okolí tělesa. Ze závislosti na parametru b vychází i diagram na obr. 10.
Obr. 10 - Závislost tepelného výkonu otopného tělesa na průtoku
a činiteli vytížení b při regulaci průtoku vody otopným tělesem.
Obr. 11 - Konstrukce celkové charakteristiky ve čtyř-kvadrantovém
diagramu pro ventil s lineární charakteristikou
Na obr. 11 je zakreslena z jednotlivých charakteristik pro tepelně-technické chování (1. kvadrant) a hydraulické chování (4. kvadrant) výsledná statická charakteristika (3. kvadrant) a to pro otopné těleso dimenzované s b = 0,3 a opatřené ventilem s lineární charakteristikou a s autoritou Pv = 0,1 a Pv = 1,0. Výsledek vyobrazený v třetím kvadrantu ukazuje, že se charakteristika značně odchyluje od linearity. Při autoritě ventilu Pv = 1,0, které se při reálném dimenzování ventilu nedá dosáhnout, by bylo vzhledem k zakřivení tepelně-technické charakteristiky nemožné dosáhnout linearity výsledné charakteristiky.
Z průběhu celkové charakteristiky ve 3. kvadrantu lze určit velmi důležitou regulační veličinu, kterou je zesílení (činitel přenosu). Ten je normovanou veličinou podle vztahu
kde:
| ks | jmenovitý průtok [m3/h] |
| ks100 | jmenovitý průtok při stoprocentním zdvihu [m3/h] |
Obr. 12 - Závislost koeficientu přenosu na zdvihu
a autoritě ventilu s lineární charakteristikou.
a představuje stoupající tangentu (v obr. 11 znázorněno pro bod 3). Na obr. 12 je závislost prezentována pro otopné těleso s b = 0,3 (což odpovídá soustavě 90/70/20 °C) a pro dvě různá nastavení ventilu (Pv = 0,1 a 1,0). Z hlediska regulace se usiluje o lineární průběh celkové charakteristiky (obr. 11 - 3. kvadrant), nebo o konstantní průběh činitele přenosu (obr. 12).
Obr. 12 ukazuje, že tento požadovaný průběh nelze reálně dosáhnout, ale pouze teoreticky s hodnotou Pv = 1,0. Ve spodní oblasti nastavení je průběh statické charakteristiky (obr. 11 - 3. kvadrant) nepříznivě strmý. Hrozí zde nebezpečí nestability, tedy oscilace regulačního prvku. Příznivějšího chování ve spodní oblasti dosáhneme s rovnoprocentní charakteristikou ventilu s minimálním odklonem charakteristiky v této oblasti.
Obr. 13 ukazuje konstrukci výsledné charakteristiky při použití ventilu s rovnoprocentní charakteristikou. Obě výsledné charakteristiky znázorňují přibližně lineární průběh. Nevýhodný se ale jeví, s klesající autoritou ventilu patrný, vzrůst ještě regulovatelného výkonu 
. V tomto bodě vykazuje lineární charakteristika ventilu výhody. Musíme přihlížet k tomu, že i ventily s lineární charakteristikou mohou v uzavřeném stavu vykazovat ztráty netěsností, a tak mají ve spodní regulační oblasti stejnou nevýhodu jako ventily s rovnoprocentní charakteristikou.
Nehledě na nevýhodné chování u polohy uzavřeno je na obr. 13 patrné, že lze dosáhnout s ventilem s rovnoprocentní charakteristikou přibližně konstantní koeficient přenosu.
Obecně se v topenářské praxi dává přednost ventilům s rovnoprocentní charakteristikou. Obr. 13 ukazuje, že je dosažitelná dobrá regulovatelnost otopného tělesa ve spodní oblasti výkonů, při volbě regulačního poměru co největšího (> 1 : 25).
Obr. 13 - Konstrukce celkové charakteristiky ve čtyř-kvadrantovém
diagramu pro ventil s rovnoprocentní charakteristikou.
Z toho vyplývá, poměr
Toho lze dosáhnout exponentem
Obr. 14 - Závislost koeficientu přenosu na zdvihu
a autoritě ventilu s rovnoprocentní charakteristikou
Velikost ventilu je určena kvs hodnotou, která představuje jmenovitý průtok armaturou v m3/h při maximálním otevření h100 armatury a tlakové ztrátě Δpo = 100 kPa.
Obr. 15 - Charakteristiky různě navržených ventilů
Poddimenzování či předimenzování má negativní vliv na provozní chování ventilu (obr. 15). Pokud je ventil poddimenzován, protéká ventilem nedostatečné množství a tepelný výkon otopného tělesa je nedostačující. Ventil zůstává stále otevřen a neplní tak svou regulační funkci. Předimenzování způsobí zhoršení regulačních poměrů. Příliš velké protékající množství ventil škrtí, a tak většinu provozní doby pracuje v poloze téměř zavřeno. Tepelné zisky tuto situaci ještě zhorší, neboť na ně už ventil nemůže reagovat, pokud zcela nezavře. To vede k neustálému otevírání a zavírání ventilu, tudíž i ke kolísání teplot. Rovněž tak i ke škrcení velkého průtoku a tomu odpovídajícím hlukovým projevům. Při zátopu to vede k opožděnému náběhu ostatních těles se správně dimenzovanými ventily.
K návrhu termostatických ventilů je potřebný diagram jeho hydraulických vlastností, který znázorňuje závislost hmotnostního průtoku a tlakové ztráty ventilu s vymezeným pásmem proporcionality, tj. teplotním rozsahem, ve kterém ventil pracuje. Takovéto diagramy poskytuje vždy výrobce armatury a obvyklé pásmo proporcionality je 2K. Jinak řečeno jmenovitý zdvih ventilu se stává zdvihem, kterým dosáhneme za zcela otevřené polohy zvýšení teploty snímače o jmenovitý uzavírací teplotní rozdíl, který je většinou 2K.
Obr. 16 - Posun pracovního bodu termostatického radiátorového ventilu
Označme zdvih kuželky odpovídající pásmu proporcionality 1K hodnotou kv1, pro 2K hodnotou kv2 a pro 3K hodnotou kv3. Podle polohy pracovního bodu v pracovním pásmu ventilu usoudíme, s jakým teplotním rozdílem bude ventil pracovat (obr. 16). Pokud leží pracovní bod vlevo od charakteristiky kv2 (bod A), bude jeho uzavírací teplotní rozdíl menší než 2K, a pokud leží vpravo (bod C), bude uzavírací teplotní rozdíl větší než 2K.
Obr. 17 - Vliv přednastavení TRV na velikost pásma proporcionality
Když se pracovní bod ventilu nachází před a nad pracovním pásmem (bod A, obr. 17), můžeme ho posunout do pracovního pásma seškrcením přebytečného tlaku např. regulačním šroubením osazeným na zpětném potrubí u otopného tělesa. Seškrcením přebytečného tlaku se pracovní bod A posune o tlakový spád -Δp do bodu A2 na přímku jmenovitého průtoku ventilu kv2. Pokud se pracovní bod nalézá v oblasti za a pod pracovním pásmem ventilu (bod B, obr. 17), je možné ho posunout do oblasti pracovního pásma ventilu zvýšením dynamického dispozičního tlaku o hodnotu +Δp a tak ho posunout na čáru jmenovitého průtoku kv2 do bodu B2.
Ačkoli je kvantitativní regulace nejpoužívanější, můžeme se na obr. 18 přesvědčit o její nejmenší účinnosti vzhledem k regulaci tepelného výkonu otopného tělesa. Obr. 18 zobrazuje procentuální změnu výkonu otopného tělesa v závislosti na charakteristických veličinách pro otopné těleso. Z průběhů jednotlivých křivek je patrné, že nejúčinnější regulací výkonu tělesa je regulace kvalitativní, tedy změnou teploty otopné vody.
Obr. 18 - Procentuální závislost výkonu otopného tělesa
na hmotnostním průtoku, teplosměnné ploše a ochlazení
Jako projektanti musíme mít tedy na paměti, že volbou nízkých čísel přednastavení (někteří výrobci používají opačné číslování) u termostatických radiátorových ventilů zmenšujeme i pásmo proporcionality.
Použitá literatura:
Hydraulika a řízení otopných soustav - autor. Ing. Jiří Bašta Ph.D. vydavatelství ČVUT Praha 2003