1.17k likes | 2.48k Views
Automatyka Wykład 2 Przelotowe zawory regulacyjne. Prowadzący: Jan Syposz. z. regulator. e. u. y. w. urządzenie wykonawcze. obiekt regulacji. _. obiekt regulacji. y m. y. element pomiarowy. Element wykonawczy – zawory regulacyjne. Zawór regulacyjny w układzie regulacji.
E N D
Automatyka Wykład 2 Przelotowe zawory regulacyjne Prowadzący: Jan Syposz
z regulator e u y w urządzenie wykonawcze obiekt regulacji _ obiekt regulacji ym y element pomiarowy Element wykonawczy – zawory regulacyjne Zawór regulacyjny w układzie regulacji
Jednodrogowe (przelotowe) zawory regulacyjne • Literatura: • Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa 1997. • W literaturze dot. UAR zawory regulacyjne o jednej drodze przepływu płynu nazywane są zamiennie zaworami jednodrogowymi lub przelotowymi.
Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe Konstrukcje zaworów jednodrogowych (przelotowych)
Zawory dwugniazdowe • W wypadku zaworów dwugniazdowych płyn dopływa do obu grzybów zarówno zgodnie, jak i przeciwnie do kierunku zamykania. • Ciśnienie płynu działające na oba grzyby jest w dużym stopniu zrównoważone, tak że ten rodzaj konstrukcji nie wymaga, nawet przy dużej różnicy ciśnienia na zaworze, przenoszenia przez siłownik dużych sił, a przepływ może zachodzić w dowolnym kierunku. • To rozwiązanie jest więc także konstrukcją umożliwiającą zmianę kierunku działania na odwrotny.
Zawory dwugniazdowe • Zawory dwugniazdowe stosowane są w parowych i wodnych instalacjach wysokociśnieniowych, gdzie występują duże różnice ciśnienia przed i za zaworem. • Do całkowitego zamknięcia takiego zaworu bez odciążenia hydraulicznego musiałyby być stosowane duże, kosztowne siłowniki elektryczne o dużej sile osiowej. • Dobierając zawór dwugniazdowy możemy zastosować tanie siłowniki o niewielkiej sile.
Współczynnik przepływu zaworu Strumień przepływu wyrażony w m3/h, wyznaczony przy ustalonym skoku grzyba zaworu oraz przy spadku ciśnienia na zaworze Δpo równym 1 bar i gęstości przepływającego czynnika ρo = 1000 kg/m3 nazywany jest współczynnikiem przepływu Kv. m3/h
Współczynnik przepływu zaworu • W wypadku innej straty ciśnienia niż Δpo = 1 bar i płynów o gęstości innej niż gęstość wody współczynnik przepływu Kv obliczymy
Nominalny współczynnik przepływu zaworu Kvs • Obliczając wymiary zaworu określa się nominalny współczynnik przepływu Kvs przez zawór całkowicie otwarty. • Wartość ta charakteryzuje minimalny opór hydrauliczny zaworu. • Obliczenie Kvs umożliwia dobranie średnicy zaworu z katalogu. • Dla tej samej średnicy w katalogu może być podane kilka współczynników przepływu Kvszaworu.
Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów wg. PN-83/74201
Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów wg. PN-83/74201 • V - objętościowe natężenie przepływu, m3/h, • Vn - objętościowe natężenie przepływu w warunkach normalnych (Tn= 273,15 K, pn = 101325 Pa), m3/h, • m - masowe natężenie przepływu, kg/h, • p1 - ciśnienie dopływu, Pa, • p2 - ciśnienie odpływu, Pa, • Δp - dyspozycyjny spadek ciśnienia, Pa, • ρ1 - gęstość czynnika na dopływie, kg/m3 , • ρn - gęstość czynnika w warunkach normalnych ( Tn= 273,15 K, pn = 101325 Pa), kg/m3, • T1 - temperatura czynnika przed zaworem, K, • v2 - objętość właściwa pary dla parametrów p2 i T1, m3/kg, • v2* - objętość właściwa pary dla parametrów p1/2 i T1, m3/kg, • x - stopień nasycenia pary (0 < x ≤ 1).
Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów • Gdy lepkość jest większa niż2×10-5m2/sto współczynnik przepływu Kv należy skorygować według zależności: Kv’ - skorygowany współczynnik przepływu zaworu. β- współczynnik korekcyjny Przy bardzo dokładnych obliczeniach współczynnika przepływu dla par i gazów należy również uwzględnić zmiany gęstości spowodowane zmianą ciśnienia i temperatury.
Charakterystyki zaworów regulacyjnych • Charakterystyki zaworów regulacyjnych wyznacza się we współrzędnych względnych zdefiniowanych następująco: • względny współczynnik przepływu: • względny skok grzyba zaworu: • względny strumień objętości: • względne pole przepływu przez zawór: Indeks s oznacza wartości nominalne (100%)
Charakterystyki zaworów regulacyjnych • Rozróżnia się następujące charakterystyki zaworów: • charakterystykę otwarcia zaworu s = f(h); jest to zależność pomiędzy względnym polem powierzchni przekroju poprzecznego i względnym skokiem grzybka zaworu, • charakterystykę wewnętrzną przepływu zaworu kv = f(h), jest to zależność pomiędzy współczynnikiem przepływu zaworu (przy zachowaniu stałego spadku ciśnienia na zaworze) i wzniosem grzybka zaworu, • charakterystykę roboczą przepływu zaworu (eksploatacyjną) v = f(h), kv = f(h) jest to zależność pomiędzy względnym strumieniem czynnika przepływającego przez zawór w warunkach pracy w danej instalacji (przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze) i wzniosem grzybka zaworu
Charakterystyki zaworów regulacyjnych W ogrzewnictwie i wentylacji stosowane są zawory o następujących charakterystykach wewnętrznych kv=f(h): • liniowej (proporcjonalnej), • stałoprocentowej (logarytmicznej), • dwustawnej (zawory szybko otwierające).
Charakterystyki otwarcia zaworów regulacyjnych • 1 – grzyb płaski, charakterystyka dwustawna (zawory szybko otwierające), • 2 – grzyb z jarzmem, charakterystyka liniowa, O kształcie charakterystyki otwarcia i wewnętrznej przepływu decyduje kształt grzyba: 1 2
Charakterystyka otwarcia zaworu 3 – grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce otwarcia, charakterystyka stałoprocentowa 4 - grzyb paraboliczny , charakterystyka stałoprocentowa
Liniowa charakterystyka zaworu • Z równania charakterystyki wynika, że w dolnym zakresie skoku zmiana ma większe skutki i w pewnych okolicznościach może być przyczyną niestabilnej pracy instalacji. • Oznacza to, że wadą liniowej charakterystyki przepływowej zaworu jest zbyt duża reakcja w dolnym i zbyt duża czułość w górnym zakresie skoku, co może być przyczyną zbyt wolnej zmiany położenia grzyba zaworu.
Stałoprocentowa charakterystyka zaworu(wewnętrzna przepływu) • W charakterystyce stałoprocentowej, w całym zakresie skoku uzyskiwana jest stała zależność procentowej zmiany strumienia objętości, • to znaczy, że ingerencja w położenie regulacyjne zaworu, zawsze powoduje taką samą zmianę procentowej strumienia objętości niezależnie od tego, przy jakim skoku ma miejsce taka ingerencja
Stałoprocentowa charakterystyka zaworu kvo/kvs= 0,3679 przy n = 1 = 0,1353 n = 2 = 0,0498 n = 3 = 0,0183 n = 4
Stałoprocentowa charakterystyka zaworu • Zaskakujące jest, że także przy zamkniętym zaworze przepływa przez niego strumień masy wymagany przy obciążeniu podstawowym. • Zjawisko to jest jednak nieprzydatne do wykorzystania w instalacjach ogrzewania. • Z tego względu w najniższym zakresie skoku, przerywany jest przebieg stałoprocentowej charakterystyki zaworu opisany wzorem i zastępowany niezdefiniowanym odcinkiem krzywej. • W praktyce przyjęło się stosować wartość stosunku kvo/kvs = 0,04, • co odpowiada stałej n = 3,22.
Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste charakterystyki produkowanych zaworów) Wytyczne VDI/VDE 2173 30%
Parametry zaworów regulacyjnych • Odchyłka wartości współczynnika kvs (współczynnik kv przy skoku zaworu 100%) danego zaworu nie może być, większa niż ±10% wartości współczynnika kvs. • Nachylenie charakterystyki rzeczywistej nie może odbiegać w zakresie h/hs = 0,1 do 1,0 od nachylenia charakterystyki nominalnej nie więcej niż 30%. • Najmniejszy współczynnik przepływu kvs, przy którym zachowane są jeszcze granice tolerancji określany jest jako współczynnik kvr
Parametry zaworów regulacyjnych • Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien wynosić ≥ 25 • W zaworach o wysokiej jakości regulacji stosunek regulacji kvs/kvo = 50 • Stosunek regulacji jest ważną wielkością świadczącą o możliwościach regulacyjnych zaworu.
Charakterystyka robocza przepływu zaworu (eksploatacyjna) • Charakterystyka uwzględniająca warunki zamontowania zaworu nazywana jest charakterystyką eksploatacyjną (charakterystyką roboczą przepływu). • W wypadku zastosowania zaworu regulacyjnego w sieci obowiązuje zasada: podczas zamykania zaworu wzrasta strata ciśnienia na zaworze.
Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu będącym obiektem regulacji
Autorytet zaworu W celu określenia ilościowego przebiegu charakterystyki eksploatacyjnej wprowadzone zostało pojęcie tzw. autorytetu zaworu a Autorytet zaworu oznacza udział oporu stawianego przez zawór całkowicie otwarty w odniesieniu do całkowitego oporu sieci wraz z zaworem
Autorytet zaworu • Autorytet zaworu bywa nazywany również współczynnikiem dławienia. • Autorytet zaworu bywa również definiowany jako stosunek różnicy ciśnień na zaworze calkowicie otwartym do różnicy ciśnień na zaworze całkowicie zamkniętym.
Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce liniowej
Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce stałoprocentowej
a h Q/Qs h m m Q/Qs b Q m Q/Qs h/hs h/hs m/ms Podstawowa zasada metody wymiarowania zaworów:minimalizacja wahań współcz. wzmocnienia obiektu regulacji:- współcz. Przenoszenia kw - regulacja przepływu- współcz. przenoszenia kw– regulacja temperatury, mocy • Przykład regulacji mocy: • Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji)
Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej) zawory liniowe a- współczynnik autorytetu zaworu, Φ – parametr obliczeniowy wymiennika
Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej)zawory stałoprocentowea- współczynnik autorytetu zaworu, Φ – parametr obliczeniowy wymiennika
Charakterystyki różnych wymienników (nośników) ciepła • a – parametr obliczeniowy wymiennika • (czynnika grzejnego)
Optymalne wartości współczynnika autorytetu:av- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika, Dla zaworów stałprocentowych optymalne av= 0.25-0.8
Wnioski Przy danej charakterystyce zaworu całkowita charakterystyka instalacji przedstawiona na rysunkach zależy nie tylko od autorytetu zaworu, ale także od parametru obliczeniowego wymiennika. Dla każdej wartości parametru obliczeniowego wymiennika można, zgodnie z rysunkami, dobrać optymalny autorytet zaworu, który pozwoli na uzyskanie liniowego przebiegu całkowitej charakterystyki statycznej obiektu regulacji (zawór-wymiennik).
Metody doboru zaworów regulacyjnych W oparciu o wyniki analizy charakterystyk statycznych obiektów regulacji opracowano następujące metody doboru zaworów regulacyjnych: • Metoda minimalizacji wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji. • Metoda orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia).
Metoda orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia). • Stosowanie w praktyce projektowej metody minimalizacji wahań wartości współczynnika wzmocnienia wymagałoby zbyt dużego nakładu pracy na obliczenia i zamiast tego powszechnie stosowana jest metoda oparta na orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia). • Podstawowym kryterium doboru średnicy zaworów przelotowych w tej metodzie jest - kryterium dławienia zaworu.
Metoda orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia). Wybór autorytetu zaworu • Przy liniowej charakterystyce zaworu jako wielkość orientacyjną przyjmuje się autorytet zaworu a = 0,5 do 1.0 • Przy stałoprocentowej charakterystyce zaworu jako wielkość orientacyjną przyjmuje się autorytet zaworu a = 0,3 do 0,5 – literatura niemiecka (a=0.2 do 0.8) - B. Zawada (na wybór mają wpływ: koszt zaworu, koszty pompowania !) (w przypadku węzłów ciepłowniczych a ≈ 0.5)
Zasady doboru zaworów regulacyjnych • W praktyce w instalacjach ogrzewania należy preferować zawory o charakterystyce stałoprocentowej. • Z przeprowadzonych analiz charakterystyk stałoprocentowych wynika, że w celu osiągnięcia możliwie dobrej jakości regulacji instalacji w zakresie najmniejszego obciążenia należy wybrać możliwie duży stosunek regulacji (≥25, najczęściej 50).
Zasady doboru zaworów regulacyjnych 3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu regulacyjnego jest obliczenie współczynnika przepływu Kvs [m3/h] gdzie: V[m3/h] – obliczeniowy strumień objętości wody, Δpz100 [bar] – strata ciśnienia na zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym. Dla założonej wartości współczynnika
Spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym • Minimalny spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym jako Δp ≥ 0.1 bar ( np. wg. Simensa Δp ≥ 0.03) . • W instalacjach parowych przy w obliczeniach Kv zaworów regulacyjnych należy przyjmować 0.4÷0.5 (P1-1) bar P1- ciśnienie pary przed zaworem w [bar]
Dobór średnicy zaworu • Po obliczeniu współczynnika przepływu KVS z katalogu zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości KVS najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆pd) od wyliczonej. • Sprawdzamy rzeczywistą wartość oraz a • W katalogu sprawdzamy pozostałe parametry zaworu: • dopuszczalne ciśnienie robocze (materiał zaworu), • maksymalną temperaturę czynnika grzejnego, • charakterystykę przepływową (powinna być stałoprocentowa), • zdolność regulacyjną (stosunek regulacji ≥ 25), • rodzaj połączenia (gwintowe, kołnierzowe).
Rodzaj materiału, z jakiego musi być wykonany korpus zaworu Rodzaj materiału, z jakiego musi być wykonany korpus zaworu zależy od temperatury i ciśnienia przepływającego czynnika grzejnego. Aktualnie na rynku znajdują się zawory wykonywane z • brązu, • żeliwa szarego oznaczone symbolem GG, • z żeliwa sferoidalnego oznaczone symbolem GGG • oraz ze staliwa oznaczone symbolem GS (oznaczenia niemieckie).
Sprawdzenie zagrożenia zaworu kawitacją • W przypadku nadmiernego spadku ciśnienia na zaworze następuje gwałtowny wzrost prędkości w miejscu największego przewężenia przekroju poprzecznego. • Spadek ciśnienia powoduje miejscowe odparowanie cieczy, która następnie skraplając się, z ogromną prędkością uderza o ściankę zaworu powodując wypłukiwanie powierzchni analogiczne do czyszczenia strumieniem piasku. • Zjawisku temu towarzyszy również duży wzrost poziomu hałasu. • Opisany wyżej proces znany jest pod nazwą kawitacji i jest bardzo groźny w układach hydraulicznych.
Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze nie może przekraczać dopuszczalnych wartości określonych zależnością: Δpv100 = Z (p1 – ps) gdzie: • p1- ciśnienie przed zaworem, • ps- ciśnienie nasycenia dla danej temperatury, • Z - współczynnik o wartościach Z = 0,5÷0,8.