Doba, keď sa regulačné armatúry navrhovali podľa svetlosti potrubia, je nenávratne preč

Aby mohli regulačné ventily plniť svoju základnú funkciu, musia mať určité vlastnosti, dané predovšetkým vlastnou konštrukciou konkrétnej armatúry a jej škrtiacim systémom a ďalej ovládacím pohonom. Ďalšou nutnou podmienkou je ich korektný návrh.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Regulačné ventily sú diaľkovo ovládané zariadenia, ktoré v závislosti od požiadaviek riadiaceho systému regulujú prietok tekutiny v riadenom procese. Hlavnými prednosťami sú najmä variabilita vlastného regulačného systému kuželka – sedlo pre jednotlivé aplikácie, vhodný tvar telesa ventilu a možnosť eliminovania vzniku hluku za ventilom.

Regulačné ventily – základné pojmy

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. K potrubiu je potom nutné pripojiť redukcie pred aj za ventil.

PN

Menovitý tlak (tlakový stupeň) udáva tlakovú triedu armatúry. Vo väčšine prípadov vo vykurovaní je rovnaký ako maximálny pracovný pretlak armatúry v baroch. Napriek tomu je vždy nutné skontrolovať hodnotu dovoleného pracovného pretlaku, ktorú udáva výrobca, lebo závisí od pracovnej teploty média a materiálu, z ktorého sú vyrobené hlavné diely armatúry. Pri vyšších teplotách 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 možno armatúru prevádzkovať. Táto teplota súvisí nielen s vyššie uvedeným PN, ale býva zvyčajne obmedzená aj ďalšími súčasťami, hlavne typom upchávky a v poslednom čase pri lacnejších aplikáciách hlavne použitým pohonom armatúry.

Menovitý prietokový súčiniteľ

Je prvým parametrom typickým pre regulačnú armatúru. Jeho veľkosť udáva charakteristický prietok danou armatúrou za presne definovaných podmienok pri menovitom zdvihu. Pomocou neho 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 napríklad 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

Ide o pomer najväčšieho prietokového súčiniteľa a najmenšieho prietokového súčiniteľa. Prakticky je to potom pomer (za inak rovnakých definovaných podmienok) najväčšieho regulovateľného prietoku k najmenšiemu. 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  udáva väčšinou v percentách maximálneho prietoku (Kvs, Cvs, Avs), pričom normou sú presne definované skúšobné podmienky. Ak je hodnota netesnosti udaná napríklad 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 pri skúšobných podmienkach. Ak je pre prevádzku zariadenia táto hodnota dôležitá, je nevyhnutné informovať sa u konkrétneho výrobcu na podmienky skúšania, eventuálne požadovať vyššiu tesnosť, ak je to technicky možné pre daný typ armatúry.

Návrh regulačných ventilov

Pri návrhu ventilu je potrebné prejsť všetky základné charakteristiky a vlastnosti ventilu. Týka sa to 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 nasleduje navyše voľba vhodného škrtiaceho systému vzhľadom na spracovávaný tlakový spád a ďalšie podmienky prietoku média ventilom (kavitácia, odparovanie média, abrazívne súčasti, prúdenie stlačiteľných médií pri nadkritickom tlakovom spáde a pod.) a typ pohonu, ktorý tiež určuje vyhotovenie ventilu (tlakovo vyvážený – tlakovo nevyvážený, priamy – reverzný). Tieto aspekty môžeme zahrnúť medzi hlavné kritériá výberu konštrukčného vyhotovenia ventilu.

Ak 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 musíme preto zvlášť spočítať Kv súčiniteľ ventilu. Až po dôkladnom zvážení všetkých výsledkov týchto výpočtov môžeme zvoliť Kvs súčiniteľ ventilu. Mali by sme sa však predovšetkým zaoberať 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 samozrejmé, predsa sa vyplatí si ich vždy položiť, pretože v sebe obsahujú nielen návrh pri menovitých podmienkach, ale hlavne reálny prevádzkový stav pri čiastočnom zaťažení, ktorý práve v praxi spôsobuje problémy s kvalitou regulácie, najmä 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 v sebe zahŕňa možnú mínusovú odchýlku maximálnej Kv hodnoty od Kvs (-10 %) aj deformáciu prietokovej charakteristiky (hydraulické straty a pokles tlaku zdroja, zanesenie filtra, autorita ventilu). Navýšenie hodnoty Kvs je tiež nutné hlavne v prípadoch technologických procesov, kde býva požadovaná určitá preťažiteľnosť zariadení.

V reálnej praxi vo vykurovaní sa, naopak, odporúča voliť Kvs hodnotu väčšinou najbližšiu nižšiu. Dôvod je ten, že sa často nerobia kompletné tepelné ani hydraulické výpočty a tlakové a prietokové pomery sa, žiaľ, iba odhadujú, pričom v týchto odhadoch sa prejavujú tendencie istiť 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. Ak sa pomer blíži, alebo dokonca prevyšuje hodnotu teoretického regulačného pomeru ventilu, je potrebné 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, je potrebné zvážiť, na ktorý prevádzkový stav sa kladú 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, vtedy sa nazývajú zmiešavacími ventilmi alebo, naopak, na rozdeľovanie prúdu média na dva, keď 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 je možné očakávať problémy s možným obrátením prúdenia vo vstupe B za určitých prevádzkových stavov, a tým čiastočnú alebo aj úplnú stratu 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, čoray viac sa požaduje spojitá regulácia s presným definovaním polohy ventilu. Nemalý význam má aj havarijná funkcia pohonu, ktorá umožňuje prestaviť podľa zapojenia pri výpadku energie ventil do požadovanej polohy, väčšinou do polohy „zatvorené“.

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

• Elektrické pohony, kde je priamo súčasťou pohonu Pohony môžu byť vybavené širokou radou signalizačných a koncových spínačov, momentových (alebo silových) vypínačov, vysielačov polohy a ďalšieho príslušenstva. K výhodám elektrických servomotorov patrí možnosť napájania z bežnej siete, možnosť pracovať v rôznej polohe a vybavenie pohonu ručným ovládaním, široká ponuka príslušenstva, možnosť práce v spojitom (v regulačnej slučke) alebo nespojitom režime riadenia a vysoká presnosť regulácie.
• Pneumatické pohony, 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 priame pohony. Výhodami pneupohonu sú 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.
• Hydraulické pohony, ktoré pracujú buď na rovnakom princípe ako vyššie opísané pneumatické pohony, 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. Pri druhom variante je na armatúre osadený len akčný člen pohonu, t. j. pracovný piest a olejové hospodárstvo sú umiestnené oddelene. Celé zariadenie je potom prepojené tlakovými hadicami a armatúra vrátane potrubia nie je zaťažená nadmernou hmotnosťou
• Elektrohydraulické pohony, ktoré sú tvorené hydraulickým valcom a vlastným elektrickým čerpadlom a spájajú tak prednosti elektrických a hydraulických pohonov, ako sú jednoduché napájanie, jednoduchá konštrukcia, ľahko realizovateľná havarijná funkcia. Nevýhodou je ich malá záverná sila, daná silou vnútornej pružiny.

Záver

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 vplyvov a faktorov, často protichodných, líšiacich sa od aplikácie k aplikácii.

Je potrebné si hlavne uvedomiť, že doba, keď sa regulačné armatúry navrhovali podľa svetlosti potrubia (pozostatok čias, keď sa osadzovali iba ručné ventily), je nenávratne preč. Ak chceme, aby riadne fungovali dnešné moderné tepelné zariadenia, ktoré sa vyznačujú hlavne značným výkonom vzhľadom na svoje rozmery, musíme pristupovať k návrhu regulačných armatúr s uvážením všetkých dôsledkov, ktoré voľba armatúry prinesie.

Rovnako tak je potrebné 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 ďalej nad regulačnými armatúrami a ich výrobou vrátane motorických pohonov, dôjdeme k záveru, že ide o zariadenie rovnako na pomedzí výroby 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 zahŕňa okolo jedného milióna zdvihov za životnosť.

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. Príspevok bol prezentovaný na konferencii Vykurovanie 2025 a publikovaný v zborníku z tejto konferencie, ktorý vydáva Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia.

TEXT A FOTO: Marek Lehota, LDM Bratislava s.r.o.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2025