Základné pojmy, s ktorými sa pri regulačných ventiloch môžeme stretnúť

DN – menovitá (nominálna) svetlosť udáva približnú vnútornú svetlosť vstupného a výstupného hrdla v milimetroch. Vo väčšine prípadov sa používajú regulačné ventily s rovnakou alebo menšou svetlosťou (najmä pri väčšom tlakovom spáde na ventile), ako je svetlosť okolitého potrubia. Menšia svetlosť ventilu je výhodná predovšetkým pri náročných aplikáciách, kde sa týmto spôsobom môžu ušetriť značné finančné prostriedky a k potrubiu je potom nutné pripojiť redukciu pred ventil aj za ním.

PN – menovitý tlak (tlakový stupeň) udáva tlakovú triedu armatúry. Vo väčšine prípadov vo vykurovaní je rovnaké s maximálnym pracovným pretlakom armatúry v baroch. Napriek tomu je vždy nutné skontrolovať hodnotu dovoleného pracovného pretlaku, ktorú udáva výrobca, lebo tá závisí od pracovnej teploty média a materiálu, z ktorého sú vyrobené hlavné diely armatúry. Pri vyššej teplote môže táto hodnota klesnúť až na zlomok PN. Prípustné hodnoty udávajú príslušné normy.

Maximálna pracovná teplota určuje výrobcom stanovenú maximálnu pracovnú teplotu média, pri ktorej môže byť armatúra prevádzkovaná. Táto teplota súvisí nielen s uvedeným PN, ale býva zvyčajne obmedzená aj ďalšími súčasťami, hlavne typom upchávky a pri lacnejších aplikáciách aj použitým pohonom armatúry.

Menovitý prietokový súčiniteľ je prvým parametrom, ktorý je typický pre regulačnú armatúru. Jeho veľkosť udáva charakteristický prietok danou armatúrou za presne definovaných podmienok pri menovitom zdvihu. S jeho pomocou možno spočítať prietok pracovného média alebo tlakovú stratu na armatúre pri všeobecných pracovných podmienkach. Bežne sa používajú súčinitele Kvs, Avs a Cvs.

Prietoková charakteristika je ďalším veľmi dôležitým údajom regulačnej armatúry a udáva funkčnú závislosť okamžitého prietokového súčiniteľa od polohy uzáveru regulačnej armatúry. Inak povedané to znamená, že napr. pri lineárnej prietokovej charakteristike možno pri inak nemenných podmienkach (predovšetkým tlakové pomery, vlastnosti média) očakávať lineárnu závislosť medzi prietokom média a zdvihom regulačného ventilu. Bežne sa vyrábajú ventily s prietokovou charakteristikou lineárnou, rovnopercentnou a parabolickou.

Regulačný pomer je pomer najväčšieho a najmenšieho prietokového súčiniteľa. Prakticky je to pomer (za inak rovnakých definovaných podmienok) najväčšieho a najmenšieho regulovateľného prietoku. Najmenší alebo tiež minimálny regulovateľný prietok je vždy väčší ako nula.

Z ďalších charakteristických parametrov býva veľmi často diskutovaná hodnota maximálnej netesnosti v uzavretom stave. Pri regulačných ventiloch sa táto hodnota väčšinou udáva v percentách maximálneho prietoku (Kvs, Cvs, Avs), pričom norma presne definuje skúšobné podmienky. Ak je hodnota netesnosti udaná napr. ako 0,01 % Kvs, znamená to, že týmto ventilom pretečie v uzavretom stave maximálne jedna stotina percenta Kvs (t. j. 0,0001 Kvs) skúšobnej tekutiny za skúšobných podmienok. Pokiaľ je pre prevádzku zariadenia táto hodnota dôležitá, je nutné sa informovať u konkrétneho výrobcu na jeho podmienky skúšania, eventuálne požadovať vyššiu tesnosť, ak je to technicky možné pre daný typ armatúry.

Návrh regulačných ventilov

Pri návrhu ventilu treba prejsť všetky základné charakteristiky a vlastnosti ventilu. To sa týka základných otázok voľby materiálu telesa, voľby materiálu upchávky a určenia jeho menovitého tlaku a pripojovacích rozmerov. Tieto základné voľby sú rovnaké ako pri bežných uzatváracích ventiloch.

Pri regulačných armatúrach navyše nasleduje voľba vhodného škrtiaceho systému vzhľadom na spracúvaný tlakový spád a ďalšie podmienky prietoku média ventilom (kavitácia, odparovanie média, abrazívne súčasti, prúdenie stlačiteľných médií pri nadkritickom tlakovom spáde a pod.) a takisto pohonu, ktorý tiež určuje vyhotovenie ventilu (tlakovo vyvážený – tlakovo nevyvážený, priamy – reverzný). Tieto aspekty môžeme zahrnúť medzi hlavné kritériá výberu konštrukčného vyhotovenia ventilu.

Pokiaľ máme hotový tento základný výber, môžeme sa venovať návrhu regulačných vlastností ventilu. Základnou funkciou regulačnej armatúry je regulovať prietok alebo tlakovú stratu v potrubnej sústave na žiadanú hodnotu. Pri každom z týchto stavov bude takmer s istotou k dispozícii iný tlakový rozdiel na ventile. Pre každý tento stav preto musíme zvlášť spočítať Kv súčiniteľ ventilu. Až po dôkladnom zvážení všetkých výsledkov týchto výpočtov môžeme zvoliť Kvs súčiniteľ ventilu. Mali by sme sa však zaoberať predovšetkým nasledujúcimi otázkami:

  • Je skutočne potrebný spočítaný maximálny prietok ventilom?
  • Musíme pri tomto stave ešte regulovať (požadovať eventuálne zvýšenie prietoku v závislosti od iných regulačných parametrov)?
  • Čo sa stane, keď tento prietok nebude možné dosiahnuť?
  • Kde leží pracovný bod (zdvih pri zvolenej charakteristike) ventilu pri regulácii menovitého prietoku?
  • Kde leží pracovný bod pri regulácii minimálneho množstva?
  • Je reálne regulovať jedným ventilom maximálny aj minimálny prietok?
  • Čo sa stane, keď nebudem schopný minimálne množstvo regulovať?
  • Čo je horšie, nedosiahnutie maximálneho alebo minimálneho prietoku?

Napriek tomu, že predchádzajúce otázky môžu znieť skúseným projektantom samozrejme, predsa sa vyplatí si ich vždy položiť, pretože zahŕňajú nielen návrh pri menovitých podmienkach, ale hlavne reálny prevádzkový stav pri čiastočnom zaťažení, ktorý práve v praxi spôsobuje problémy s kvalitou regulácie hlavne pri tepelných zariadeniach.

Až po skutočne serióznom zamyslení sa nad predchádzajúcimi otázkami by mala byť zvolená hodnota Kvs. V prípade, že je skutočne potrebné dosiahnuť maximálny prietok, mala by byť vyššia ako Kv. Preto sa odporúča navýšenie tejto hodnoty o 25 až 30 %. Toto navýšenie zahŕňa možnú mínusovú odchýlku maximálnej Kv hodnoty od Kvs (–10 %) aj deformáciu prietokovej charakteristiky (hydraulické straty, pokles tlaku zdroja, zanesenie filtra, autorita ventilu). Navýšenie hodnoty Kvs je tiež nutné hlavne v prípade technologických procesov, kde býva požadovaná určitá preťažiteľnosť zariadení.

V reálnej praxi vo vykurovaní sa naopak odporúča väčšinou voliť hodnotu Kvs najbližšiu nižšiu. Dôvod je ten, že sa často nerobia kompletné tepelné ani hydraulické výpočty a tlakové a prietokové pomery sa, bohužiaľ, iba odhadujú, pričom sa v týchto odhadoch prejavujú tendencie istenia sa. Ak uvažujeme, že prvé predimenzovanie vykurovacej sústavy sa začína už pri výpočte tepelných strát, pokračuje voľbou vykurovacej plochy, potrubnej siete až k zdroju tepla, nie je prekvapením, že percento predimenzovaných vykurovacích sústav býva veľké. Navyše väčší vplyv na zmenu výkonu má teplota prívodu, resp. teplotný spád než prietok. Preto je istenie sa pri návrhu z hľadiska dosiahnutia prietoku v aplikáciách pre vykurovanie zbytočné.

Po voľbe Kvs je žiaduce skontrolovať regulačný rozsah ventilu. Pokiaľ sa pomer blíži k hodnote teoretického regulačného pomeru ventilu alebo ju dokonca prevyšuje, treba sa zamyslieť nad možnosťou, ako sa vyhnúť problémom s reguláciou minimálneho množstva.

Pri voľbe prietokovej charakteristiky je prvoradá snaha, aby regulácia pracovala dobre a v celom rozsahu. Inými slovami to znamená, aby sa regulačná charakteristika celého riadeného procesu blížila k ideálnej lineárnej závislosti. V prípade, že tejto požiadavke nie je možné vyhovieť, treba zvážiť, na ktorý prevádzkový stav sú kladené vyššie nároky a ktorý je prvoradý. Lineárna charakteristika lepšie vyhovuje v oblasti vyšších pomerných prietokov a pri vysokej autorite ventilu, rovnopercentná charakteristika naopak veľmi dobre poslúži pri dôraze na dobrú citlivosť regulácie pri malých pomerných prietokoch a pri nižšej autorite ventilu. Parabolická závislosť je kompromisom medzi oboma uvedenými charakteristikami.

Samostatnou kapitolou sú trojcestné regulačné ventily. Slúžia na zmiešavanie dvoch prúdov média do jedného a potom sa nazývajú zmiešavacie ventily, alebo naopak na rozdeľovanie prúdu média na dva a vtedy sa označujú ako rozdeľovacie ventily. Principiálne ide o rovnaké ventily, iba smer prietoku je opačný. To znamená, že pri vhodnej konštrukcii môže zmiešavací ventil pri opačnej montáži pracovať ako rozdeľovací a opačne.

Trojcestné armatúry sú obvykle na svojich vstupoch (portoch) označované písmenami, vstup primárnej vody (prívodu) je označovaný písmenom A, skrat (vratná vetva, spiatočka) písmenom B a pre spoločný výstup (trvale otvorený) slúži označenie AB. Pre dobrú a bezproblémovú zmiešavaciu funkciu by vstupy A a B nemali byť zaťažené rozdielnym diferenčným tlakom. V opačnom prípade možno očakávať problémy s možným obrátením prúdenia vo vstupe B za určitých prevádzkových stavov a tým s čiastočnou alebo úplnou stratou zmiešavacej funkcie.

Pohony regulačných ventilov

Neoddeliteľnou súčasťou regulačného ventilu je jeho pohon. Rovnakou mierou ako sa zvyšuje požiadavka na presnosť, rýchlosť a spoľahlivosť regulačných ventilov, rastú aj nároky na ich pohony. Dnešné pohony regulačných armatúr už len málokedy vystačia s trojbodovým riadením, naopak, stále viac sa vyžaduje spojitá regulácia s presným definovaním polohy ventilu. Nemalý význam má aj havarijná funkcia pohonu, ktorá umožňuje podľa zapojenia prestaviť pri výpadku energie ventil do požadovanej polohy, väčšinou do polohy zatvorené.

Pohony armatúr možno v zásade rozdeliť na základe rôznych hľadísk do nasledujúcich kategórií:

  • pohony elektrické, kde súčasťou pohonu je priamo elektromotor. Pohony môžu byť vybavené širokým radom signalizačných a koncových spínačov, momentových (alebo silových) vypínačov, vysielačov polohy a ďalšieho príslušenstva. Výhodou elektrických servomotorov je možnosť napájania z bežnej siete, možnosť pracovať v rôznej polohe, vybavenie pohonu ručným ovládaním, široká ponuka príslušenstva, možnosť práce v spojitom (v regulačnej slučke) alebo nespojitom režime riadenia a vysoká presnosť regulácie.
  • pohony pneumatické, kde je pohon tvorený vzduchovým valcom s piestom a membránou. V jednom smere je ventil tlačený zväzkom pružín, zatiaľ čo v druhom smere je pohyb zaručený meniacim sa tlakom vzduchu. Ako vyplýva z princípu funkcie, ide o pohony priame. Výhodou pneupohonu je jeho pomerná jednoduchosť, nízka hmotnosť a cena. Nezanedbateľnou výhodou je tiež jeho havarijná funkcia, ktorú možno veľmi jednoducho zmeniť otočením pohonu, a jeho vhodnosť do prostredia s nebezpečenstvom výbuchu.
  • pohony hydraulické, ktoré pracujú buď na rovnakom princípe ako už opísané pohony pneumatické, alebo na princípe piestu, ktorý je zaťažovaný kvapalinou striedavo z oboch strán. Tieto pohony môžu byť vyhotovené ako kompaktné, t. j. pracovná časť pohonu aj príslušné olejové hospodárstvo sú umiestnené na spoločnej základni a montované ako komplet priamo na ventil. Druhým variantom je vyhotovenie, kde je na armatúre osadený len akčný člen pohonu, t. j. pracovný piest a olejové hospodárstvo je umiestnené oddelene. Celé zariadenie je potom prepojené tlakovými hadicami a armatúra vrátane potrubia nie je zaťažená nadmernou hmotnosťou zariadenia.
  • pohony elektrohydraulické, ktoré sú tvorené hydraulickým valcom a vlastným elektrickým čerpadlom a spájajú tak prednosti elektrických a hydraulických pohonov, t. j. jednoduché napájanie, jednoduchá konštrukcia, ľahko realizovateľná havarijná funkcia. Nevýhodou je ich malá záverná sila daná silou vnútornej pružiny.

Z predchádzajúceho textu vyplýva, že skutočne seriózne navrhovanie regulačných armatúr nie je zďaleka takou jednoduchou záležitosťou, ako by sa mohlo na prvý pohľad zdať, pretože tu pôsobí celý rad faktorov, často protichodných, líšiacich sa od aplikácie k aplikácii.

Treba si uvedomiť, že doba, keď sa regulačné armatúry navrhovali podľa svetlosti potrubia (pozostatok obdobia, keď sa osadzovali iba ručné ventily), je nenávratne preč. Pokiaľ chceme, aby dnešné moderné tepelné zariadenia, ktoré sa vyznačujú hlavne značným výkonom vzhľadom na svoje rozmery, riadne fungovali, musíme pristupovať k návrhu regulačných armatúr s uvážením všetkých dôsledkov, ktoré voľba armatúry prinesie. Rovnako treba pristupovať k návrhu armatúr so znalosťou tlakových a prietokových pomerov sústavy, v ktorej majú byť inštalované, to znamená, že na regulačnú armatúru sa nemožno pozerať ako na nezávislý a ničím neovplyvňovaný prvok tepelného a/alebo technologického zariadenia.

Ak sa zamyslíme aj nad regulačnými armatúrami a ich výrobou vrátane motorických pohonov, dôjdeme k záveru, že ide o zariadenie z oblasti presného strojárenstva a ďalej, že tieto nenápadné výrobky vynikajú veľmi vysokou životnosťou. Ak uvážime, že sa životnosť regulačných ventilov a ich pohonov počíta rádovo v desiatkach rokov, predstavuje tento interval viac než 200 000 prevádzkových hodín, čo znamená okolo jedného milióna zdvihov počas životnosti. Preto si regulačné armatúry zaslúžia nielen starostlivý návrh, ale aj pravidelné kontroly, prípadne údržbu, aby sa ich úžitkové vlastnosti zachovali v plnej miere čo najdlhšie.

Marek Lehota
lehota@ldm.sk