Automatyzacja w Automatyzacja w ogrzewnictwie i klimatyzacji ogrzewnictwie i klimatyzacji Wykład 1

Automatyzacja w Automatyzacja w

ogrzewnictwie i klimatyzacji ogrzewnictwie i klimatyzacji

Wykład 1

Wstępne informacje Wstępne informacje

Forma zaliczenia wykładu:

• kolokwium 21.01.2012 Obecność na wykładach:

• zalecana

Tematem wykładów będzie charakterystyka i dobór elementów automatyki budynków:

• Zawory regulacyjne przelotowe: charakterystyka i zasady doboru

• Zawory regulacyjne trójdrogowe: charakterystyka i zasady doboru

• Przepustnice wentylacyjne i klapy: charakterystyka i zasady doboru

• Napędy zaworów i przepustnic

• Czujniki i przetworniki pomiarowe: temperatury, wilgotności i jakości powietrza, ciśnienia, przepływu, prędkości i ruchu.

• Regulatory stosowane w ogrzewnictwie, ciepłownictwie i klimatyzacji – wprowadzenie.

LITERATURA LITERATURA

1. Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji.

Warszawa 2006.

2. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych.

Warszawa 1997.

3. Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego.

Warszawa 1997.

4. Kostyrko K., Łobzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.

5. Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F. Muller. 2002.

Elementy wykonawcze Elementy wykonawcze

Zawory regulacyjne jednodrogowe Zawory regulacyjne jednodrogowe

(przelotowe)

(przelotowe)

Elementy wykonawcze

Elementy wykonawcze – – zawory zawory regulacyjne w układzie regulacji regulacyjne w układzie regulacji

Element wykonawczy (zawór regulacyjny) + napęd (siłownik) = urządzenie wykonawcze .

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

Zawory regulacyjne Zawory regulacyjne

Zawory regulacyjne dzieli się według:

• budowy: zawory jedno-, trój- i czterodrogowe, (zawory mogą być jedno- lub dwugniazdowe),

• rodzaju połączenia: zawory kołnierzowe i gwintowe,

• zasady działania: zawory grzybkowe, kulowe (kurki), klapy, zasuwy,

• materiału korpusu: żeliwo szare, mosiądz, brąz, staliwo (gniazdo zaworu wykonuje się z mosiądzu lub stali nierdzewnej).

• kształtu grzybka i charakterystyki otwarcia (charakterystyki przepływu), Podstawowe parametry charakterystyki zaworu to:

średnica nominalna DN, ciśnienie nominalne PN,

współczynnik przepływu Kvs (Cvs=1,17 Kvs )

Jednodrogowe zawory regulacyjne Jednodrogowe zawory regulacyjne

• Literatura:

• Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa 1997.

• Jednodrogowy zawór regulacyjny w literaturze

polskiej bywa nazywany zamiennie zaworem

jednodrogowym lub przelotowym. Nazwa

przelotowy używana jest głównie publikacjach

tłumaczonych z języka niemieckiego.

Konstrukcje zaworów jednodrogowych Konstrukcje zaworów jednodrogowych

Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe

Zawory dwugniazdowe 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

• 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 Współczynnik przepływu zaworu

Strumień przepływu wyrażony w m3/h, wyznaczony przy ustalonym skoku grzyba zaworu oraz przy spadku ciśnienia na zaworze Δp^o równym 1 bar i gęstości przepływającego czynnika ρ^o = 1000 kg/m3 nazywany jest współczynnikiem przepływu Kv.

⋅ m3/h

⋅ ∆

= V p

K

1

Współczynnik przepływu zaworu Współczynnik przepływu zaworu

• W wypadku innej straty ciśnienia niż Δp

= 1 bar i płynów o gęstości innej niż gęstość wody

ρ

=1000kg/m3

współczynnik przepływu Kv obliczymy

o o

v

p

V p

K ρ

⋅ ρ

∆

⋅ ∆

=

Nominalny współczynnik przepływu zaworu Nominalny współczynnik przepływu zaworu

Kvs 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 Kvs

zaworu.

Zależności do obliczenia wymaganych Zależności do obliczenia wymaganych

współczynników przepływu dla cieczy, par i współczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów wg. PN

gazów wg. PN--83/74201 83/74201

Zależności do obliczenia wymaganych Zależności do obliczenia wymaganych

współczynników przepływu dla cieczy, par i współczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów wg. PN

gazów wg. PN--83/74201 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 Zależności do obliczenia wymaganych

współczynników przepływu dla cieczy, par i współczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów gazów

• Gdy lepkość jest większa niż 2×10^-5m²/s to 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.

β

⋅

=

v

' K

K

Charakterystyki zaworów Charakterystyki zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

• – dlaczego zajmujemy się tym tematem?

• Zasada doboru zaworów regulacyjnych - minimalizacja wahań współczynnika

wzmocnienia obiektu regulacji !

Zasada doboru zaworów regulacyjnych Zasada doboru zaworów regulacyjnych --

minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia

obiektu regulacji

obiektu regulacji zawór zawór reg reg. . + + wymiennik ciepła wymiennik ciepła

Charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór reg. + wymiennik ciepła a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa),

b – wymiennika ciepła,

c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji)

ks

h/h_s m a h

m/m_s

Q/Qs

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Qs

h k

Q

∆

= ∆

m/ms

Charakterystyki zaworów regulacyjnych 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% otwarcie zaworu)

vs v

v K

k = K

Hs

h = H

Vs

v = V

As

s = A

Charakterystyki zaworów regulacyjnych 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 Charakterystyki zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

Charakterystyki otwarcia i wewnętrzna są w dużym przybliżeniu jednokształtne, to znaczy, że współczynnik zaworu kv zmienia się analogicznie jak pole powierzchni przepływu w funkcji wzniosu grzybka h.

W ogrzewnictwie i wentylacji stosowane są zawory o następujących charakterystykach wewnętrznych kv=f(h):

• liniowej (proporcjonalnej),

• stałoprocentowej (logarytmicznej),

• dwustawnej (zawory szybko otwierające).

Charakterystyki zaworów regulacyjnych Charakterystyki zaworów regulacyjnych

1 – liniowa

2 – stałoprocentowa 3 – stałoprocentowa 4 - dwustawna

Charakterystyka otwarcia zaworu Charakterystyka otwarcia zaworu

W odniesieniu do jakości zaworu regulacyjnego decydujące znaczenie ma W odniesieniu do jakości zaworu regulacyjnego decydujące znaczenie ma tzw. dokładność regulacji

tzw. dokładność regulacji ΔAΔA//ΔhΔh. Im mniejsza zależność . Im mniejsza zależność ΔAΔA//ΔhΔh, tym , tym precyzyjniej i dokładniej można wyregulować zawór

precyzyjniej i dokładniej można wyregulować zawór

1

2

b 4 h d

2

⋅

⋅

= π

A = b⋅h = π d2 / 4.

Charakterystyka otwarcia zaworu Charakterystyka otwarcia zaworu

Grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce otwarcia

Grzyb paraboliczny

Liniowa charakterystyka zaworu Liniowa charakterystyka zaworu

(wewnętrzna przepływu) (wewnętrzna przepływu) const

h V =

∆

∆

const h

k

∆ =

∆

s vs

v

h h k

k =

Liniowa charakterystyka zaworu Liniowa charakterystyka zaworu

(wewnętrzna przepływu) (wewnętrzna przepływu)

• 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

Stałoprocentowa charakterystyka zaworu charakterystyka zaworu

(wewnętrzna przepływu) (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

const V

/ V h

/ h

V /

V

s s

s

=

∆

⋅

∆

Stałoprocentowa charakterystyka zaworu Stałoprocentowa charakterystyka zaworu

const V

/ V h

/ h

V / V

s s

s =

∆

⋅

∆

) 1 h / h ( n vs

v

e

k /

k =

kvo/kvs= 0,3679 przy n = 1

= 0,1353 n = 2

= 0,0498 n = 3

= 0,0183 n = 4

Stałoprocentowa charakterystyka zaworu 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 Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste

charakterystyki produkowanych zaworów) charakterystyki produkowanych zaworów)

Wytyczne VDI/VDE 2173

30%

Parametry zaworów regulacyjnych 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 Parametry zaworów regulacyjnych

• Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien wynosić ≥ 25 (kvo/kvs ≤ 0.04).

• W zaworach o wysokiej jakości regulacji stosunek regulacji kvs/kvo = 50 (kvo/kvs = 0.02).

•• Stosunek Stosunek regulacji regulacji jest jest ważną ważną wielkością wielkością świadczącą

świadczącą o o możliwościach możliwościach regulacyjnych regulacyjnych zaworu

zaworu !!..

Charakterystyka robocza Charakterystyka robocza

przepływu zaworu przepływu zaworu

(eksploatacyjna)

(eksploatacyjna)

Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu

będącym obiektem regulacji będącym obiektem regulacji

S Z

calk

p p

p = ∆ + ∆

∆

W wypadku

zamontowania zaworu regulacyjnego w sieci obowiązuje zasada:

podczas zamykania zaworu wzrasta strata ciśnienia na zaworze.

Charakterystyka robocza przepływu zaworu Charakterystyka robocza przepływu zaworu

(eksploatacyjna) (eksploatacyjna)

• Charakterystyka uwzględniająca warunki zamontowania zaworu (zmienność Δp^z) nazywana jest charakterystyką eksploatacyjną (charakterystyką roboczą przepływu).

h/hs V/V100

Δpz=const Δpz zmienne

Autorytet zaworu

Autorytet zaworu – – kryterium dławienia kryterium dławienia

W celu określenia ilościowego przebiegu charakterystyki eksploatacyjnej wprowadzone zostało pojęcie tzw.

autorytetu zaworu a.

Autorytet zaworu bywa nazywany również kryterium dławienia.

Autorytet zaworu oznacza udział oporu stawianego przez zawór całkowicie otwarty w odniesieniu do całkowitego oporu sieci wraz z zaworem

calk 100 z

p a p

∆

= ∆ ∆ p

= ∆ p

+ ∆ p

Autorytet zaworu Autorytet zaworu

• Autorytet zaworu jest również definiowany jako stosunek różnicy ciśnień na zaworze całkowicie otwartym do różnicy ciśnień na zaworze całkowicie zamkniętym.

0 100

z z

p a p

∆

= ∆

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce liniowej charakterystyce liniowej

(przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze)

2 100 100

) h / h ( a a 1 V 1

/ V

+

−

=

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce

charakterystyce stałoprocentowej stałoprocentowej

(przy zmiennym spadku ciśnienia na zaworze)

) 2 1 h / h ( n 100

] e

[ a a 1 V 1

/ V

100−

+

−

=

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej eksploatacyjnej

• Przy wyprowadzaniu równań charakterystyki eksploatacyjnej

• przyjęte zostało założenie, że całkowita strata

ciśnienia w obwodzie regulacji jest wartością stałą:

2 100 100

) h / h ( a a 1 V 1

/ V

+

−

=

2 ) 1 h / h ( n 100

] e

[ a a 1 V 1

/ V

100−

+

−

=

const p

=

∆

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej eksploatacyjnej

• W wypadku zastosowania pomp wirowych warunek Δp^całk=const nie jest spełniony. Charakterystyka pompy, która przy coraz mniejszych strumieniach przepływu powoduje wzrost różnicy ciśnienia, powoduje także przyrost strumienia objętości o określoną wartość (ΔV ) przy danym stopniu otwarcia zaworu.

• Po zastosowaniu pompy wirowej przy takim samym położeniu zaworu powstaje większy strumień objętości (Δp^całk jest zmienne).

• Oznacza to także, że przedstawione na poniższych rysunkach charakterystyki eksploatacyjne będą jeszcze bardziej przesunięte do góry.

• W praktyce projektowej należy dążyć do stosowania w instalacjach ogrzewania pomp o możliwie płaskiej charakterystyce.

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

Zasady konstruowania i analiza Zasady konstruowania i analiza charakterystyk statycznych obiektu charakterystyk statycznych obiektu

regulacji:

regulacji:

zawór

zawór – – wymiennik ciepła wymiennik ciepła

Podstawowa zasada doboru zaworów Podstawowa zasada doboru zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

Charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór reg. + wymiennik ciepła a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa),

b – wymiennika ciepła,

c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji)

h/h_s m a h

m/m_s

Q/Qs

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Qs

m/ms

Minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji

1 const

Δh

k_s = ΔQ = =

Przykładowa rzeczywista charakterystyka Przykładowa rzeczywista charakterystyka

cieplna wymiennika ciepła cieplna wymiennika ciepła

Charakterystyka cieplna grzejnika Q/Q₁₀₀ = f(m/m₁₀₀); ρ=const

Oznaczenia:

100 p

100 p

100 m c t

t c

Q m /

Q ⋅ ⋅∆

∆

⋅

= ⋅

100 p z

100

o (t t )

t = −

∆

i z100 t t

Δt = −

Przykładowa rzeczywista charakterystyka Przykładowa rzeczywista charakterystyka cieplna wymiennika ciepła (grzejnika

cieplna wymiennika ciepła (grzejnika c.o c.o.) .)

– parametr obliczeniowy wymiennika (grzejnika)

i z

p o z

t t

t t

t t

−

= −

∆

= ∆ Φ

100

100 100 100

Całkowita charakterystyka

Całkowita charakterystyka statstat. Instalacji (zawór + . Instalacji (zawór +

wymiennik) przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce wymiennik) przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce

liniowej

liniowej –– współczynnik wzmocnieniawspółczynnik wzmocnienia

=?

∆

= ∆ h k_s Q

ks -współczynnik

wzmocnienia obiektu regulacji zaw. + wym.

Całkowita charakterystyka instalacji przy Całkowita charakterystyka instalacji przy

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

współczynnik przenoszenia współczynnik przenoszenia

) /

(

) /

(

100 100

100 d h h

Q Q d k

k k

S S

W = =

Współczynnik przenoszenia kw (nachylenie stycznej – względna wartość współczynnika wzmocnienia ks)

Całkowita charakterystyka instalacji z Całkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem zaworu o charakterystyce zastosowaniem zaworu o charakterystyce stałoprocentowej

stałoprocentowej –– współczynnik przenoszenia współczynnik przenoszenia

a=0,1

Wnioski z wykonanej analizy Wnioski z wykonanej analizy

Przedstawiona na rysunkach charakterystyka instalacji (charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór + grzejnik) zależy nie tylko od budowy i autorytetu zaworu, ale także od parametru obliczeniowego wymiennika Φ.

Dla każdej wartości parametru obliczeniowego grzejnika Φ, zgodnie z rysunkami należy dobrać taki (optymalny) autorytet i charakterystykę zaworu, które pozwolą na uzyskanie liniowego przebiegu całkowitej charakterystyki statycznej obiektu regulacji (zawór-wymiennik) tj.

charakterystyki o zminimalizowanych wahaniach współczynnika wzmocnienia.

1 const

Δh

k_s = ΔQ = =

Metody doboru zaworów regulacyjnych Metody doboru zaworów regulacyjnych

W oparciu o wyniki analizy charakterystyk statycznych obiektów regulacji opracowano następujące metody doboru zaworów regulacyjnych:

1. Metoda minimalizacji wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji.

2. Metoda orientacyjnych wartości współczynnika autorytetu (dławienia).

Metoda minimalizacji wahań współczynnika Metoda minimalizacji wahań współczynnika

wzmocnienia obiektu regulacji.

wzmocnienia obiektu regulacji.

• Celem tej metody jest optymalizacja doboru charakterystyki zaworu regulacyjnego zapewniająca minimalizację wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji.

• Zastosowanie tej metody jest możliwe jedynie w przypadku znajomości dokładnej charakterystyki statycznej wymiennika ciepła, charakterystyki wewnętrznej zaworu (zapisanej w postaci równań) oraz możliwości swobodnego doboru współczynnika autorytetu (charakterystyki) zaworu.

• W wyniku obliczeń charakterystyka robocza dobranego zaworu powinna być tak ukształtowana aby po złożeniu jej z charakterystyką wymiennika powstała liniowa charakterystyka obiektu regulacji (zawór-wymiennik).

Podstawowa zasada metody minimalizacja wahań Podstawowa zasada metody minimalizacja wahań współcz

współcz. wzmocnienia obiektu regulacji: . wzmocnienia obiektu regulacji:

- regulacja przepływu

- regulacja mocy (temperatury)

Przykład regulacji mocy wymiennika:

h/h_s m a h

m/m_s

Q/Q_s

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Qs

) 1 /

(

) /

(

100 100 100

=

=

=

= const

h h d

Q Q d k

k k

S S W

) 1 /

(

) /

(

100 100 100

=

=

=

= const

h h d

V V d k

k k

S S W

c

m/m_s

Charakterystyki różnych wymienników (nośników) ciepła Charakterystyki różnych wymienników (nośników) ciepła

wg

wg Arbeitskreis„RegelungsArbeitskreis„Regelungs-- undund SteuerugstechnikSteuerugstechnik …”…”

Równanie charakterystyki wymienników ciepła

gdzie:

a – parametr obliczeniowy wymiennika jest zależny od parametrów obliczeniowych

czynnika grzejnego i układu hydraulicznego

(w przykładzie z grzejnikiem oznaczony jako Φ).

Wymiennik ciepła (nośnik ciepła) a

Chłodnica powietrza 0,15…0,25

Nagrzewnica powietrza ze zmiennym przepływem 0,6…0,7

Temperatura zasilania 1

Parametr obliczeniowy wymiennika Parametr obliczeniowy wymiennika

• Wg. Wurstlina parametr obliczeniowy wymiennika a może być wyliczony z opracowanych przez niego zależności (patrz też B. Zawada

„Układy sterowania systemach wentylacji i klimatyzacji”).

• Przykładowo dla nagrzewnic powietrza ze zmiennym przepływem czynnika grzejnego parametr a określa zależność

gdzie: Tzo, Tpo – temperatury obliczeniowe czynnika grzejnego,

tzo – temperatura obliczeniowa powietrza na wlocie do nagrzewnicy.

• Dla grzejnika w pomieszczeniu

zo zo

po zo

t T

T a T

−

= 0.6 −

i z

p z

t t

t a t

−

= − Φ

=

100

100 100

Optymalne wartości współczynnika autorytetu:

Optymalne wartości współczynnika autorytetu:

wg

wg Arbeitskreis„RegelungsArbeitskreis„Regelungs-- undund SteuerugstechnikSteuerugstechnik …”…”

Oznaczenia:

a^v- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,

gl, lin – linie najmniejszych wahań współczynnika wzmocnienia zaworów stałoprocentowych (gl) i liniowych (lin).

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a^v= 0.25-0.6

Krzywa graniczna

Metoda minimalizacji wahań wartości Metoda minimalizacji wahań wartości

współczynnika wzmocnienia współczynnika wzmocnienia

Metoda minimalizacji wahań wartości współczynnika wzmocnienia została szczegółowo opisana w publikacjach:

F. Trefnego, Wurstlina, B. Zawady.

Stosowanie w praktyce projektowej metody minimalizacji wahań wartości współczynnika wzmocnienia wymagałoby zbyt dużego nakładu pracy na obliczenia:

1. konieczna jest znajomość równania do obliczenia parametru wymiennika a (Φ).

2. brak możliwości doboru dokładnej wartości współczynnika autorytetu zaworu av (charakterystyki eksploatacyjnej) ze względu na skokową zmianę Kvs w katalogach.

Dlatego w praktyce powszechnie stosowana jest metoda oparta na doborze orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu

(kryterium dławienia) zaworu.

Metoda doboru orientacyjnej wartości Metoda doboru orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu (kryterium współczynnika autorytetu (kryterium

dławienia).

dławienia).

• Podstawowym kryterium doboru średnicy zaworów jednodrogowych w tej metodzie jest zalecana wartość kryterium dławienia (autorytetu) zaworu.

• Zalecana wartość jest to zakres wartości współczynnika autorytetu, dla którego na podstawie badań ustalono dopuszczalny zakres wahań współczynnika wzmocnienia, gwarantujący zadowalającą jakość regulacji.

Metoda orientacyjnej wartości współczynnika Metoda orientacyjnej wartości współczynnika

autorytetu (kryterium dławienia).

autorytetu (kryterium 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 – H. Roos a=0.2 do 0.8 - B. Zawada

a ≈ 0.5 lit. niemiecka

W przypadku węzłów ciepłowniczych najczęściej przyjmuje się a ≈ 0.5 ?)

Przy wyborze autorytetu powinny być brane pod uwagę także:

koszt zaworu oraz koszty eksploatacyjne (koszt pompowania).

Zasady doboru zaworów regulacyjnych Zasady doboru zaworów regulacyjnych

1. W praktyce w instalacjach ogrzewania należy preferować zawory o charakterystyce stałoprocentowej.

2. 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, 30 a najczęściej 50).

3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu regulacyjnego jest obliczenie współczynnika przepływu Kvs

[m3/h]

gdzie:

V[m3/h] – obliczeniowy strumień objętości wody,

Δp_z100 [bar] – strata ciśnienia na zaworze regulacyjnym całkowicie otwartym.

Dla założonej wartości współczynnika )

( ₁₀₀

100 Z S

Z a p p

p = ⋅ ∆ + ∆

∆

S 100

Z p

a 1

p a ⋅∆

= −

∆

Obliczenie współczynnika przepływu

Obliczenie współczynnika przepływu Kvs Kvs

100 Z S

VS p

K V

= ∆

s z

z

p p

a p

∆ +

∆

= ∆

100 100

Dla założonej wartości współczynnika autorytetu

obliczamy

) ( ₁₀₀

100 Z S

Z a p p

p = ⋅ ∆ + ∆

∆

S 100

Z p

a 1

p a ⋅ ∆

= −

∆

Spadek ciśnienia na dobieranym zaworze Spadek ciśnienia na dobieranym zaworze

regulacyjnym regulacyjnym

s z

z

p p

a p

∆ +

∆

= ∆

100 100

Spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym 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]

=

∆ p

Dobór średnicy zaworu Dobór średnicy zaworu

4. Po obliczeniu współczynnika przepływu K_VS z katalogu zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości K_VS najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆p^d) od wyliczonej.

5. Sprawdzamy rzeczywistą wartość

a następnie rzeczywistą wartość autorytetu zaworu a.

4. W katalogu sprawdzamy pozostałe parametry zaworu:

• dopuszczalne ciśnienie robocze (materiał zaworu),

• maksymalną dopuszczalną temp. czynnika grzejnego,

• charakterystykę przepływową (powinna być stałoprocentowa),

• zdolność regulacyjną (stosunek regulacji ≥ 25),

• rodzaj połączenia (gwintowe, kołnierzowe).

2

100 



=

∆

VS RZ s

Z K

p V

Rodzaj materiału, z jakiego musi być Rodzaj materiału, z jakiego musi być

wykonany korpus zaworu wykonany korpus zaworu

Rodzaj materiału, z jakiego musi być wykonany korpus zaworu zależy od dopuszczalnej 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 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

Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze nie może przekraczać dopuszczalnych wartości określonych zależnością:

Δp

= Z (p

– p

)

gdzie:

• p

- ciśnienie przed zaworem,

• p

- ciśnienie nasycenia dla danej temperatury,

• Z - współczynnik o wartościach Z = 0,5÷0,8.

Skutki błędnego doboru zaworu Skutki błędnego doboru zaworu

Jeżeli do wyboru są dwie różne wartości współczynników przepływu K^VS, to w wątpliwych wypadkach należy decydować się zawsze na wybór zaworu o mniejszym współczynniku K^VS.

Jeżeli (V/V100)* - rzeczywisty, nominalny strumień objętości jest mniejszy od założonego, zmniejsza się zakres regulacji i układ pracuje niestabilnie.

Skutki wahań różnicy ciśnienia Skutki wahań różnicy ciśnienia

Δp^min-max

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia Skutki wahań różnicy ciśnienia

Wraz ze wzrostem przyłączeniowej różnicy ciśnienia z Δp^{całk min} do Δp^{całk max} minimalny strumień objętości, możliwy do stałoprocentowej regulacji, wzrasta od Vr do Vr* (patrz rysunek).

W odniesieniu do wymaganego nominalnego strumienia objętości Vs, następuje zawężenie dostępnego zakresu regulacji (mały zakres pracy zaworu).

Oznacza to pogorszenie jakości regulacji (pogorszenie dokładności nastawy zaworu).

W wypadku występowania dużych wahań różnicy ciśnienia Δp^całk należy zamontować regulator różnicy ciśnienia i przepływu, który pozwoliłby na utrzymanie różnicy ciśnienia Δp^całk na stałym poziomie.

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Koniec wykładu

Koniec wykładu