Zawory przelewowe oraz bezpieczeństwa ustalają maksymalną wartość ciśnienia dla danej części układu. Działanie zaworów redukcyjnych polega na odpowiednim ustaleniu ciśnienia za zaworem, niezależnie od czynników wpływających na zmiany ciśnienia panującego przed zaworem. Przy użyciu zaworów różnicowych można zagwarantować stałą wartość różnicy ciśnień między dwoma gałęziami układu. Zawory sekwencyjne umożliwiają z kolei przyłączenie gałęzi układu po uzyskaniu zadanej wartości ciśnienia przed zaworem.
Zawory przelewowe z powodzeniem znajdują zastosowanie w układach hydraulicznych, gdzie priorytetem jest ustalenie maksymalnej wartości ciśnienia w gałęzi układu znajdującej się przed zaworem. Podczas wzrostu ciśnienia ponad ustaloną wartość zawór otwiera się i łączy gałąź układu z gałęzią, w której w której panuje niższe ciśnienie – najczęściej ma ona odpływ do zbiornika. W najczęstszych zastosowaniach zaworów przelewowych olej przepływa przez zawór w sposób ciągły, regulując wartość natężenia przepływu w przypadku zmiany ciśnienia w gałęzi przez niego regulowanej. Zasada działania zaworu przelewowego jest bardzo prosta: grzybek zaworu (rys. 1) jest dociskany do gniazda sprężyną. Siła tego docisku zależy od napięcia sprężyny. Komora sprężyny jest połączona ze zbiornikiem. Wraz ze wzrostem ciśnienia w kanale rośnie siła, która wypycha grzybek. Grzybek znajduje się w ruchu aż do chwili osiągnięcia całkowitej równowagi sił – sprężyny i przepływającej cieczy roboczej. Otwarcie zaworu podczas przemieszczania się grzybka powoduje połączenie kanału głównego z kanałem, którym olej odpływa do zbiornika. Gdy ciśnienie oleju w kanale głównym zostanie zmniejszone – następuje stopniowe zamykanie zaworu aż do ponownego osiągnięcia równowagi sił. Gdy ciśnienie w kanale głównym zostanie zmniejszone do wartości nastawionej zaworem, nastąpi całkowite zamknięcie zaworu.
W trakcie pracy urządzenia hydraulicznego zawór przelewowy (rys. 2) otwiera się bądź zamyka zależnie od wartości ciśnienia, wynikającej z obciążenia urządzenia. Wskutek odprowadzania części wydatku pompy do zbiornika przez zawór przelewowy występują straty mocy (równe iloczynowi spadku ciśnienia na zaworze i wydatku oleju przepływającego przez zawór). Moc tracona wydziela się w postaci ciepła powodującego wzrost temperatury oleju.
Jedną z odmian tego zaworu jest zawór bezpieczeństwa, który podczas normalnej pracy urządzenia hydraulicznego jest zawsze zamknięty. Otwarcie zaworu bezpieczeństwa następuje tylko w przypadku, gdy ciśnienie przekroczy dopuszczalną wartość. Zawór bezpieczeństwa musi mieć zdolność do natychmiastowego otwarcia w chwili gwałtownego skoku ciśnienia.
W celu uzyskania skutecznej i elastycznej regulacji w całym zakresie wartości ciśnienia, stosowane są zawory przelewowe sterowane. Nastawiany zakres dzieli się na podzakresy. Dla każdego podzakresu w zaworze montowane są sprężyny o różnych charakterystykach.
Ciśnienie, przy jakim następuje otwarcie zaworu przelewowego sterowanego pośrednio, ustalane jest napięciem sprężyny zaworu wstępnego. Jeżeli ciśnienie osiągnie wartość wyższą od nastawionej na tym zaworze, nastąpi jego otwarcie. Wtedy olej zacznie przepływać przez dyszę i gniazdo zaworu wstępnego do zbiornika. W konsekwencji dławienia oleju przy przepływie przez dyszę pojawia się niższe niż w kanale ciśnienie w komorze sprężyny suwaka głównego. Po obu stronach suwaka występują różne wartości ciśnienia. Gdy siła wynikająca z różnicy ciśnień po obu stronach suwaka osiągnie wartość większą od siły sprężyny, suwak główny przesunie się w lewo, wtedy olej zacznie płynąć z układu do zbiornika.
W zaworach o działaniu bezpośrednim grzybek jest jednocześnie elementem wykonawczym i elementem, na który działa dana wartość ciśnienia. Natomiast w zaworach sterowanych pośrednio funkcje grzybka zostały rozdzielone. Skutkiem tego zmiany wartości sił hydrodynamicznych, które oddziałują na suwak, nie mają bezpośredniego wpływu na wartość nastawionego zaworem wstępnym ciśnienia. Zawór wstępny pracuje w warunkach niewielkiego i niemal stałego natężenia przepływu strumienia oleju.
Własności użytkowe zaworu można ocenić na podstawie jego charakterystyki statycznej. Zawór idealny miałby charakterystykę w postaci linii prostej, co zapewniałoby stałość ciśnienia niezależnie od natężenia przepływu oleju przez zawór.
Rys. 3 przedstawia charakterystykę idealną oraz rzeczywistą dla zaworów sterowanych bezpośrednio. Początkowa część charakterystyki wiąże się z przepływem niewielkich ilości oleju tylko przez zawór wstępny. Tak małe natężenie przepływu nie wywołuje jeszcze spadku ciśnienia na dyszach, wystarczającego dla otwarcia zaworu głównego. Charakterystyka jest bardziej stroma, odpowiada bowiem charakterystyce zaworu wstępnego, tzn. zaworu sterowanego bezpośrednio. Następna część krzywej jest uzależniona od przebiegu ugięcia sprężyny, a kąt jej nachylenia jest funkcją sztywności sprężyny. Po przekroczeniu wartości natężenia przepływu nominalnego dla danego zaworu krzywa staje się bardziej stroma, co wynika z szybko rosnących oporów przepływu w kanałach zaworu. W zaworach, które są przeznaczone do pracy przy wysokich ciśnieniach, zniekształcenie charakterystyki może być spowodowane hydrodynamicznym oddziaływaniem strumienia cieczy na element wykonawczy zaworu, wywołanym dużymi prędkościami przepływu cieczy w szczelinie między grzybkiem a korpusem. W nowoczesnych konstrukcjach hydrodynamiczne oddziaływanie strumienia cieczy na grzybek zaworu bywa wykorzystywane do kompensacji odkształcenia charakterystyki spowodowanego oporami przepływu.
W układach hydraulicznych, w których zostały zastosowane zawory sterowane bezpośrednio, duży wpływ na pracę zaworu ma sposób, w jaki ciecz odprowadzana jest zza zaworu. Ponieważ zawór odpowiada za różnicę ciśnień panujących przed i za zaworem, zatem wzrost ciśnienia w przewodzie odprowadzającym olej wywołany dławieniem powoduje wzrost ciśnienia przed zaworem. Nadmierne dławienie może zaburzyć pracę zaworu i całego układu hydraulicznego.
W zaworze sterowanym pośrednio znaczący wpływ na pracę zaworu ma sposób odprowadzenia strumienia sterującego.
Obok własności statycznych zaworu istotne znaczenie użytkowe mają jego własności dynamiczne, określające zachowanie się zaworu w stanach nieustalonych. Z punktu widzenia dynamiki zawory przelewowe stanowią pewien układ sztywności i mas, podatny w określony sposób na drgania wywołane nierównomiernościami przepływu i rozkładu ciśnień. Zatem własności dynamiczne zaworu przelewowego mogą mieć istotny wpływ na stabilną pracę całego układu hydraulicznego.
Mimo niewielkiej ściśliwości oleju w momencie otwierania zaworu powstaje lokalny spadek ciśnienia, szybko rozprzestrzeniający się na cały układ. Jeżeli sprężyna jest odpowiednio silna i zdąży zamknąć przepływ, zanim spadek ciśnienia rozszerzy się na cały układ, to zamiast trwałego uchylenia zaworu nastąpi jego otwieranie i zamykanie, przechodzące w drgania.
Obok drgań powstających w zaworze przelewowym w układzie hydraulicznym mogą się pojawić drgania wywołane np. pulsacją ciśnienia pompy. W celu zmniejszenia wpływu drgań pochodzących z innych źródeł na pracę zaworu przelewowego wymaga się, aby częstość drgań własnych zaworu była większa od częstości wymuszeń. Wzrost częstości drgań własnych zaworu można uzyskać przez zwiększenie sztywności sprężyn lub przez zmniejszenie mas drgających. W celu zmniejszenia drgań stosuje się elementy tłumiące (tłoczek tłumiący lub dysza). Z użytkowego punktu widzenia istotną wielkością, charakteryzującą zawór, jest czas odpowiedzi na skokowe zmiany ciśnienia. Czas ten zależy od cech konstrukcyjnych zaworu, tj. charakterystyki sprężyn, mas elementów wykonawczych, a także od tłumienia. Wzrost tłumienia wydłuża czas trwania procesu przejściowego.
Zawory przelewowe oferowane przez Ponar Wadowice znajdują zastosowanie w układach hydraulicznych, są instalowane jako urządzenie zapobiegające nadmiernemu wzrostowi ciśnienia, a użyte w połączeniu z czujnikami lub urządzeniami alarmowymi ostrzegają operatora o zaistniałym problemie. Zawory te mają zastosowanie w domach, zwłaszcza tam, gdzie stosowany jest propan do ogrzewania i gotowania. Przy czym Ponar ma w ofercie zawory do specjalistycznych zastosowań, jak np. ostateczne zabezpieczenie zbiorników ciśnieniowych przed nadmiernym wzrostem ciśnienia mogącym doprowadzić do ich uszkodzenia. Wymogi stawiane tym zaworom są takie, aby w całym zakresie deklarowanego przepływu dla danej wielkości nominalnej i ciśnienia nastawy wznios charakterystyki ponad ustawione ciśnienie początku otwarcia nie przekroczył zwyżki 10%. Ma to związek z jego współpracą z akumulatorem hydraulicznym i relacjami ciśnieniowymi mogącymi między nimi wystąpić. Doboru zaworu bezpieczeństwa dokonuje się w ten sposób, aby wielkość przepływu wszystkich pomp zainstalowanych w układzie była nie większa od deklarowanej przepustowości zaworu dla danego ciśnienia nastawy, co odczytuje się z wykresów. WSK Poznań ma w ofercie zawór z przystawką elektromagnetyczną, która pozwala na zdalne rozładowanie ciśnienia w linii tłoczenia lub na zdalne ładowanie instalacji przy włączonym elektromagnesie.
Zawory redukcyjne
Do ustalenia wartości ciśnienia, które panuje za zaworem, służą zawory redukcyjne. Wartość ta jest utrzymywana niezależnie od czynników, jakie mogą wpływać na zmiany ciśnienia przed zaworem. Zawór redukcyjny daje możliwość obniżenia ciśnienia w części układu hydraulicznego znajdującej się za zaworem.
Tłoczek zaworu obciążony jest z jednej strony siłą sprężyny 2 (rys. 4), a z drugiej – ciśnieniem panującym za zaworem. Położenie tłoczka w równowadze nie jest zależne od wartości ciśnienia, jakie panuje przed zaworem. Wraz ze wzrostem ciśnienia tłoczek przesuwa się w lewą stronę i zaczyna dławić dopływ cieczy z pompy. Powoduje to przywrócenie stanu równowagi tłoczka. Analogiczne będzie działanie zaworu w przypadku spadku wartości ciśnienia. Wtedy tłoczek zostanie przesunięty w prawo, co otworzy dopływ cieczy z pompy. Zawór działa poprawnie, gdy panuje przed nim ciśnienie wyższe niż wartość ciśnienia nastawionego za zaworem. Odpowiedzią na pojawiające się problemy, takie jak: wpływ charakterystyki sprężyny, tarcie, niestabilność pracy, jest stosowanie zaworu ze sterowaniem pośrednim (rys. 5).
Gdy w kanale wyjściowym nastąpi wzrost ciśnienia, zawór wstępny zostanie otwarty, a ciśnienie po lewej stronie suwaka ulegnie zmniejszeniu na skutek dławienia. Suwak zostanie przesunięty w lewo i będzie dławił strumień główny na skutek różnicy sił, które działają na obie strony suwaka. Gdy ciśnienie zostanie zbytnio przekroczone, ciecz będzie odprowadzona z powrotem do zbiornika przez zawór wstępny. Gdy w zaworze tłok znajduje się w położeniu wyjściowym, zapewniony jest swobodny przepływ cieczy, a oczekiwana wartość ciśnienia na wyjściu osiągana jest przez napięcie wstępne sprężyny znajdującej się w zaworze wstępnym. Ciśnienie panujące w przewodzie wyjściowym oddziałuje na tłok oraz na grzybek i górną powierzchnię tłoka. Po osiągnięciu żądanej wartości ciśnienia przepływ dla strumienia sterującego otwiera się. Na skutek różnicy ciśnień tłok przesuwa się w stronę zamykania przepływu, co powoduje zmniejszenie ciśnienia na wylocie zaworu.
Zależność między ciśnieniem na wlocie i wylocie zaworu określa charakterystyka statyczna (rys. 6). W części charakterystyki, która jest płaska, zawór pracuje prawidłowo, a w miejscu, gdzie przepływ cieczy będzie większy od nominalnego, pojawia się zniekształcenie, które jest skutkiem oporów przepływu.
Bardzo istotna jest prawidłowa regulacja zaworu redukcyjnego ciśnienia. Gdy zostanie on nieprawidłowo nastawiony, może powodować niestabilną lub głośną pracę, drgania, uderzenia wodne oraz uszkodzenia części wewnętrznych zaworu. Uszkodzone manometry, nieszczelny lub otwarty ręczny zawór regulacyjny na obejściu czy zatkany filtr na wejściu do zaworu mogą powodować zakłócenia jego pracy.
Przykładowa regulacja zaworu stosowanego w stacji redukcyjnej pary wodnej polega na zamknięciu zaworów odcinających przed i za zaworem redukującym ciśnienie. Następnie zawór powinien zostać otwarty na obejściu celem przedmuchania systemu. Przedmuch powinien odbywać się pod kontrolą tak, aby nie nastąpił wydmuch przez nadmiarowy zawór bezpieczeństwa. Zawór odcinający na wlocie do zaworu należy całkowicie otworzyć, a następnie otwierać zawór odcinający na wylocie dotąd, aż zacznie przepływać niewielka ilość pary. Pokrętło powinno zostać ustawione na oczekiwane ciśnienie na wyjściu zaworu redukującego ciśnienie. Po zwolnieniu pokrętła regulacyjnego osiądzie ono automatycznie w zamku blokującym. Regulacja kończy się całkowitym otwarciem zaworu odcinającego na wylocie zaworu redukującego ciśnienie.
W przypadku sieci wodnych, gdzie konieczna jest bardzo duża redukcja, np. 100–16 Mpa, polski producent – firma Supra, ma w ofercie specjalistyczne zawory. Mogą być stosowane zarówno w sieciach sprężonego powietrza przy maksymalnej wartości ciśnienia wlotowego 10 barów, jak również do bardzo dużych redukcji (zakres 100–16 barów) w rurociągach sieci przeciwpożarowych, głównie w kopalniach węgla kamiennego i rudy miedzi w opcji wykonania ze stali soloodpornej.
Reduktory Amstrong GP2000 i OB-2000PT (rys.7) są przykładami zaworów redukcyjnych z regulatorem temperatury. Są to zawory bezpośredniego działania z układem pilotowym (rurka impulsowa za reduktorem dostarcza ciśnienie po redukcji i reduktor utrzymuje je, niezależnie od wahania ciśnienia przed reduktorem). Zapewniają dokładność po redukcji +/-1% temperatury +/-1°C stopień redukcji 20:1. Mała sprężyna regulacyjna, membrany ze stali nierdzewnej zapewniają większą żywotność.
Na rynku znaleźć można oczywiście różnorodne rozwiązania w zależności od zapotrzebowania i środowiska pracy zaworu, zwłaszcza że zawory to tylko część całej instalacji i trzeba zadbać o jej prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie. Trzeba zapewnić należyte średnice rurociągów przed, a w szczególności za redukcją, aby para mogła się rozprężyć. Nie można zapomnieć o odwadniaczu przed reduktorem do pary, rurze obiegającej (tzw. bypass w razie awarii reduktora), jak również o zaworze bezpieczeństwa po redukcji, aby zabezpieczyć urządzenia, które pracują przy niższych wartościach ciśnienia.
Autor: Ewa Zbierajewska
