Vliv pasivního tlaku na třícestný ventil

Článek popisuje nežádoucí jev, spočívající v otáčení průtoku ve vstupním portu ventilu „A“. Jedná se o zapojení, kdy v místě napojení je nulový diferenční tlak, tedy například za hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků. V popisovaném příkladu je směšování funkční jen v rozsahu 42 až 100 %. Je odvozen vztah, podle kterého je možné se tomuto stavu při návrhu ventilu vyhnout.
Popisovaný stav je potřeba odlišit od zapojení, kdy je vstupní port ventilu naopak zatížen diferenčním tlakem aktivním, například v převážné většině aplikací s centrálním zdrojem tepla. V takovém případě, při nevhodném návrhu regulačního okruhu, dochází k opačnému stavu, kdy je směšování funkční jen v rozsahu 0 až cca 40 až 50 %. Při větším zdvihu ventilu je teplota za směšovačem stejná jako před ním.
Pokud se projektant nechce dopustit chybného návrhu směšovacího okruhu s třícestným ventilem, bude potřeba takové případy ověřit pomocí volně dostupného programu firmy. A to až do doby, kdy tato nutnost bude upravena legislativně a nebude docházet k rozšířenému nehospodárnému nakládání s tepelnou energií.

Recenzent: Miloš Bajgar

Směšovací uzly jsou velmi častým způsobem zapojení k dosažení úpravy teplotních parametrů protékající látky. Nejpoužívanějším prvkem v těchto uzlech je třícestná směšovací armatura. Funkce ventilu ve směšovacím okruhu je patrná již při prvním pohledu na schéma uvedené na následujícím obrázku.

V řadě aplikací se však setkáváme se zapojením, kde se nachází více než jeden směšovací uzel. Zpravidla se jedná o větší počet paralelně řazených uzlů.

Tyto uzly se při své funkci mohou navzájem ovlivňovat. Při nevhodném návrhu jednotlivých okruhů lze dosáhnout až takového stupně ovlivnění, kdy dojde ke ztrátě směšovací funkce na jednom či více paralelně řazených okruhů. V případě, že tlaková ztráta na primární straně soustavy vzroste na hodnotu Dp₁, tj. nad předpokládanou hodnotu Dp₀, může za určitých okolností dojít k převrácení směru proudění ve vstupu (portu) A regulačního ventilu. V tom okamžiku začne klesat vstupní teplota do sekundárního okruhu, protože ten je zásobován pouze vodou ze zkratového potrubí (zpátečky) a takto postižený okruh tedy není schopen dodat odpovídající potřebný výkon pro napojené spotřebiče. Směr proudění je pak uveden na následujícím obrázku.

Tento nežádoucí stav lze popsat jednoduchým kriteriálním vztahem

Kde je

• Dp_K kritická hodnota pasivního tlaku
• Dp_V tlaková ztráta ventilu
• Dp₀ návrhová hodnota pasivního tlaku primární části
• H dopravní výška čerpadla (Dp₀ +Dp_V +Dp_{SEKUNDÁRNÍ OKRUH})
• x podíl vyváženosti zkratu k Dp₀

Pro odvození výše uvedeného vztahu je nutno definovat podmínky. V prvé řadě je vhodné převést třícestnou armaturu na funkci dvou dvoucestných armatur. Jedna je umístěna v přívodu a druhá ve zkratu, viz obr. 4. Obě armatury pracují reverzním způsobem, tj. že přivírá-li armatura v jedné větvi, dochází u druhé armatury k otevírání a naopak (Ventil A je otevřen na 100 %, ventil B je otevřen na 0 %). Při takovém rozdělení na dva dvoucestné ventily je nejlépe patrná funkce třícestné armatury.

Pro určení chování uvedeného uzlu je nutno znát:

• dopravní výšku navrženého oběhového čerpadla H,
• pasivní tlak z primární části sítě Dp_K,
• tlakovou ztrátu navrženého třícestného ventilu Dp_V,
• návrhovou hodnotu pasivního tlaku primární části Dp_0,
• navržené oběhové množství v sekundární části okruhu M_S.

Výchozí podmínkou pro stanovení kritické hodnoty pasivního tlaku Dp_K je situace, kdy ve větvi A–AB dojde k zastavení proudění látky, tj. Dp_A-AB = 0 a M_S = M_Z.

Pro Dp platí:

potom

a

Kde je

• M_S okamžitý průtok na sekundární straně
• M_Z okamžitý průtok ve zkratu

při podmínce M_S = M_Z je

Kde je

• R_S měrný odpor sekundární části soustavy (potrubí a spotřebič)
• R_Z měrný odpor zkratu
• x podíl vyváženosti zkratu <0;1>

při

a

nakonec tedy po dosazení je výsledný obecný vztah:

Dp_K je tedy hodnota maximálního kritického pasivního tlaku Dp_K LIM, která ještě nezpůsobí převrácení směru průtoku v primárním přívodním potrubí (ve vstupu A).

Při nevyváženém portu x = 0 je vztah:

Při vyváženém portu x = 1 je výsledný vztah:

Vlastní průběh hmotnostních toků a směšovacích charakteristik je patrný z obrázků 5 a 6. První z nich je s ventilem s lineární charakteristikou v přímé větvi a nevyváženém zkratu.

Druhý obrázek ukazuje, jak vypadá průběh hmotnostních toků při naprosto shodných hydraulických podmínkách, ale tentokrát pro ventil s rovnoprocentní charakteristikou v portu A.

Z porovnání obou předchozích obrázků a jejich směšovacích průběhů je patrné, že volba charakteristiky v přímé větvi ventilu nemá vliv na bod zvratu. U obou ventilů totiž dojde ke stejné směšovací poruše při identickém zdvihu armatury. V tomto uvedeném příkladě ventil směšuje pouze v rozsahu zdvihu 42 až 100 %. Pro spodní rozsah zdvihu 0 až 42 % je pak zřejmá ztráta směšovací schopnosti, která způsobí výrazný pokles předávaného výkonu spotřebičem.

Za zmínku stojí uvést i příklad, kdy je ventil navržen správně, ale bez kompenzace tlakové ztráty ve větvi B. I v tomto případě může dojít k poruše směšování. Tento stav nastává při podmínce uvedené v předchozí části příspěvku. Průběh směšování je pak uveden na obr. 7.

Na následujícím obr. 8 je patrná změna průběhu směšování při vyrovnání tlakových poměrů ve větvi B, kompenzací tlakové ztráty primárního pasivního okruhu.

Z výše uvedených příkladů je patrné, že stále platí vhodnost prověřování provozních stavů již při návrhu soustavy a okruhů zapojení. Důslednější analýzou chování soustavy tak lze předejít následným neadekvátním požadavkům na jednotlivé regulační prvky v soustavě.

Literatura

1. Technické a projektové podklady LDM Česká Třebová

---

Effect of negative back pressure on the function of the three-way valve

Keywords: three-way valve, reverse flow, negative back pressure