Przelotowe zawory regulacyjne Przelotowe zawory regulacyjne

(1)

Automatyka Automatyka

Wykład 2 Wykład 2

Przelotowe zawory regulacyjne Przelotowe zawory regulacyjne

Prowadzący:

Jan Syposz

(2)

Element wykonawczy – zawory regulacyjne Element wykonawczy – zawory regulacyjne

Zawór regulacyjny w układzie regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

(3)

Jednodrogowe (przelotowe) zawory Jednodrogowe (przelotowe) zawory

regulacyjne 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.

(4)

Konstrukcje zaworów jednodrogowych Konstrukcje zaworów jednodrogowych

(przelotowych) (przelotowych)

Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe

(5)

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.

(6)

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.

(7)

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

_v

1

(8)

Współczynnik przepływu zaworu Współczynnik przepływu zaworu

• W wypadku innej straty ciśnienia niż Δp

^o

= 1 bar i płynów o gęstości innej niż gęstość

wody współczynnik przepływu Kv obliczymy

o o

v

p

V p

K 

 



 



(9)

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.

(10)

Zależności do obliczenia wymaganych Zależności do obliczenia wymaganych

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

gazów wg. PN-83/74201

(11)

Zależności do obliczenia wymaganych Zależności do obliczenia wymaganych

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

gazów wg. PN-83/74201 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).

(12)

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.







_v

v

' K

K

(13)

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%)

vs v v

K k  K

Hs

h  H

Vs

v  V

Ss

s  S

(14)

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

(15)

Charakterystyki zaworów Charakterystyki zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

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

• liniowej (proporcjonalnej),

• stałoprocentowej (logarytmicznej),

• dwustawnej (zawory szybko otwierające).

(16)

Charakterystyki zaworów regulacyjnych Charakterystyki zaworów regulacyjnych

1 – liniowa

2 – stałoprocentowa 3 – stałoprocentowa 4 - dwustawna

(17)

Charakterystyki otwarcia zaworów regulacyjnych Charakterystyki otwarcia zaworów regulacyjnych

• 1 – grzyb płaski, charakterystyka dwustawna (zawory szybko

otwierające),

• 2 – grzyb z jarzmem, charakterystyka liniowa, 1

2

• O kształcie charakterystyki otwarcia i wewnętrznej przepływu decyduje kształt grzyba:

(18)

Charakterystyka otwarcia zaworu Charakterystyka otwarcia zaworu

3 – grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce otwarcia, charakterystyka stałoprocentowa

4 - grzyb paraboliczny ,

charakterystyka stałoprocentowa

(19)

Liniowa charakterystyka zaworu Liniowa charakterystyka zaworu

(wewnętrzna przepływu) (wewnętrzna przepływu) const

V  h



const h

k

_v

 



s vs

v

h

k k 

(20)

Liniowa charakterystyka zaworu 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.

(21)

Stałoprocentowa charakterystyka zaworu Stałoprocentowa 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









(22)

Stałoprocentowa charakterystyka zaworu Stałoprocentowa charakterystyka zaworu

const V

/ V h

/ h

V / V

s s

s 







) 1 h / h ( n vs

v

/ k e

^s

k 

^ ^

kvo/kvs= 0,3679 przy n = 1 = 0,1353 n = 2

= 0,0498 n = 3

= 0,0183 n = 4

(23)

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.

(24)

Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste

charakterystyki produkowanych zaworów) charakterystyki produkowanych zaworów)

Wytyczne VDI/VDE 2173

30%

(25)

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

(26)

Parametry zaworów regulacyjnych 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.

(27)

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.

(28)

Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu

będącym obiektem regulacji

(29)

Autorytet zaworu 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

calk 100 z

p a p



 

S Z

calk

p p

p    



₁₀₀

(30)

Autorytet zaworu 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.

0 100

z z

p a p



 

(31)

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce liniowej charakterystyce liniowej

2 100 100

) h

/ h ( a a

1 V 1

/ V







(32)

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce stałoprocentowej charakterystyce stałoprocentowej

) 2 1 h / h ( n 100

] e

[ a a 1 V 1

/ V

100







(33)

Podstawowa zasada metody wymiarowania zaworów:

minimalizacja wahań współcz. wzmocnienia obiektu regulacji:

- współcz. Przenoszenia k^w - regulacja przepływu

- współcz. przenoszenia k^w– regulacja temperatury, mocy

• Przykład regulacji mocy:

• Charakterystyki statyczne: 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/Q_s

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Q_s

h k_s Q



  ) 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 W S

(34)

Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej) Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej)

zawory liniowe zawory liniowe

a- współczynnik autorytetu zaworu,

a- współczynnik autorytetu zaworu, ΦΦ – parametr obliczeniowy wymiennika – parametr obliczeniowy wymiennika

) /

(

) /

(

100 100

100 d h h

Q Q d k

k k

S S

W  

(35)

Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej) Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej)

zawory stałoprocentowe zawory stałoprocentowe

a- współczynnik autorytetu zaworu,

a- współczynnik autorytetu zaworu, ΦΦ – parametr obliczeniowy wymiennika – parametr obliczeniowy wymiennika

) /

(

) /

(

100 100

100

d h h

Q Q

d k

k k

S S

W

 

(36)

Charakterystyki różnych wymienników Charakterystyki różnych wymienników

(nośników) ciepła (nośników) ciepła

• a – parametr obliczeniowy wymiennika

• (czynnika grzejnego)

(37)

zo zo

po zo

t T

T a T



 6 0 . 

(38)

Optymalne wartości współczynnika autorytetu:

aavv- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika, Dla zaworów stałprocentowych optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych optymalne avv= 0.25-0.8 = 0.25-0.8

zo zo

po zo

t T

T a T



 6 0 . 

(39)

zo zo

po zo

t T

T a T



 6 0 . 

(40)

Wnioski 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).

(41)

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 orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia).

(42)

Metoda orientacyjnej wartości 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.

(43)

Metoda orientacyjnej wartości 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)

(44)

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, najczęściej 50).

(45)

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 

 



Zasady doboru zaworów regulacyjnych

100 Z S

VS p

K V

 

s z

z

p p

a p







 

100 100

(46)

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

_Z₁₀₀

(47)

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 oraz a 6. 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).

2

100 



 



 



VS RZ s

Z K

p V

(48)

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 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).

(49)

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.

(50)

Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze

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

Δp

^v100

= Z (p

¹

– p

^s

)

gdzie:

• p

¹

- ciśnienie przed zaworem,

• p

^s

- ciśnienie nasycenia dla danej temperatury,

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

(51)

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej eksploatacyjnej

• Przy wyprowadzaniu równań charakterystyki eksploatacyjnej przyjęte zostało założenie, że

całkowita strata

ciśnienia 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







(52)

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.

(53)

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

(54)

Wpływ pompy na kształt charakterystyki Wpływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej eksploatacyjnej

• Po zastosowaniu pompy wirowej przy takim samym położeniu zaworu powstaje większy strumień objętości.

• 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.

(55)

Podstawowa zasada doboru zaworów regulacyjnych:

minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji

• Charakterystyki statyczne: 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/Q_s

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Q_s

h k_s Q



 

1

 

  const h

k_s Q

(56)

Zasady konstruowania charakterystyk statycznych obiektu regulacji:

zawór – wymiennik ciepła

(57)

Rzeczywista charakterystyka cieplna Rzeczywista charakterystyka cieplna

wymiennika ciepła wymiennika ciepła

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

100 p

100

p

100

m c t

t c

Q m /

Q   





 

t t

_o₁₀₀



 



100 p

z 100

o

( t t )

t  



i

z

t

t  



(58)

Rzeczywista charakterystyka cieplna Rzeczywista charakterystyka cieplna

wymiennika ciepła

(59)

Całkowita charakterystyka instalacji przy Całkowita charakterystyka instalacji przy

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

(60)

Współczynnik przenoszenia (nachylenie Współczynnik przenoszenia (nachylenie

stycznej) stycznej)

) /

(

) /

(

100 100

100

d h h

Q Q

d k

k k

S S

W

 

(61)

Całkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem Całkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem

zaworu o charakterystyce stałoprocentowej zaworu o charakterystyce stałoprocentowej

0,1

(62)

Wnioski Wnioski

Przy danej charakterystyce zaworu całkowita charakterystyka instalacji przedstawiona na rysunkach zależy nie tylko od autorytetu zaworu, ale także od parametru obliczeniowego wymiennika Φ.

Dla każdej wartości parametru Φ można, zgodnie z rysunkami, dobrać optymalny autorytet zaworu, który pozwoli na uzyskanie liniowego przebiegu całkowitej charakterystyki statycznej obiektu regulacji (zawór-wymiennik) – charakterystyki o zminimalizowanych wahaniach współczynnika wzmocnienia.

(63)

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 orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (dławienia).

(64)

Metoda minimalizacji wahań współczynnika Metoda minimalizacji wahań współczynnika

wzmocnienia obiektu regulacji.

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

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

(65)

Podstawowa zasada metody minimalizacja wahań współcz. wzmocnienia obiektu regulacji:

- regulacja przepływu

- regulacja temperatury, mocy

• Przykład regulacji mocy:

• Charakterystyki statyczne: 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/Q_s

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Q_s

h k_s Q



  ) 1

/ (

) /

(

100 100 100



 const

h h d

Q Q d k

k k

S W S

) 1 /

(

) /

(

100 100 100



 const

h h d

V V d k

k k

S S W

(66)

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

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

a – parametr obliczeniowy wymiennika jest zależny od parametrów obliczeniowych

czynnika grzejnego i układu hydraulicznego.

Automatyzacja w inżynierii środowiska Automatyzacja w inżynierii środowiska

(67)

Parametr obliczeniowy wymiennika Parametr obliczeniowy wymiennika

• Wg. Wurstlina parametr obliczeniowy wymiennika a może być wyliczony z opracowanych przez niego zależności zamieszczonych też w książce B. Zawady „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.

zo zo

po zo

t T

T a T



 6 0 . 

(68)

Optymalne wartości współczynnika autorytetu:

aavv- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika, Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne avv= 0.25-0.6 = 0.25-0.6 wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

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

(69)

Optymalne wartości współczynnika autorytetu:

ppvv- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika, Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne avv= 0.25-0.8 = 0.25-0.8 wg Recknagla „ Kompendium wiedzy…”

wg Recknagla „ Kompendium wiedzy…”

(70)

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 (skokowa zmiana Kvs w katalogach uniemożliwia optymalizację doboru a) i dlatego w praktyce powszechnie stosowana jest metoda oparta na orientacyjnej wartości współczynnika autorytetu (kryterium dławienia)

(71)

Metoda orientacyjnej wartości Metoda orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu (dławienia).

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

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

(72)

Metoda orientacyjnej wartości współczynnika Metoda orientacyjnej wartości współczynnika

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

(na wybór mają wpływ: koszt zaworu, koszty pompowania !)

(w przypadku węzłów ciepłowniczych a ≈ 0.5)

(73)

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).

(74)

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 

 



Zasady doboru zaworów regulacyjnych

100 Z S

VS p

K V

 

s z

z

p p

a p







 

100 100

(75)

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

_Z₁₀₀

(76)

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 oraz a 6. W katalogu sprawdzamy pozostałe parametry zaworu:

• dopuszczalne ciśnienie robocze (materiał zaworu),

• zdolność regulacyjną (stosunek regulacji ≥ 25),

2

100 



 



 



VS RZ s

Z K

p V

(77)

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 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).

(78)

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.

(79)

Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze

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

Δp

^v100

= Z (p

¹

– p

^s

)

gdzie:

• p

¹

- ciśnienie przed zaworem,

• p

^s

- ciśnienie nasycenia dla danej temperatury,

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

(80)

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.

(81)

Skutki wahań różnicy ciśnienia Skutki wahań różnicy ciśnienia

Δp^min-max

(82)

Skutki wahań różnicy ciśnienia

(83)

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^całkna stałym poziomie.

(84)

Skutki wahań różnicy ciśnienia

(85)

PRZYKŁAD DOBORU ZAWORÓW PRZYKŁAD DOBORU ZAWORÓW REGULACYJNYCH PRZELOTOWYCH REGULACYJNYCH PRZELOTOWYCH

• Zadanie.

• Dobrać średnice zaworów regulacyjnych

przelotowych w obwodach regulacji: c.o. i

c.w.u. oraz obwodzie regulacji różnicy

ciśnień i przepływu, w węźle ciepłowniczym

wykonanym zgodnie z załączonym

schematem ideowym.

(86)

Schemat ideowy węzła ciepłowniczego Schemat ideowy węzła ciepłowniczego

c.o.

LC1

LC2

sieć

w.z.

cyrk.

c.w.u.

1 2

4 3

5

6

WCO WCWII

WCWI

Zco Zcw

ZRRC

Δp^RRC

(87)

Przygotowanie danych wyjściowych do Przygotowanie danych wyjściowych do

obliczeń obliczeń

• Najczęściej przystępując do doboru elementów układu automatycznej regulacji dysponujemy danymi z projektu technologicznego węzła:

• Obliczeniowe strumienie objętości wody sieciowej:

V_SCO = 7 m³/h, V_SCWU = 3 m³/h, V_SC = 10 m³/h

• Spadki ciśnienia na przewodach i urządzeniach węzła ciepłowniczego (zgodnie z oznaczeniami na schemacie węzła): Δp_1-2 = 10 kPa, Δp_WCO = 25 kPa, Δp_WCW(I) = 23 kPa, Δp_WCW(II) = 15 kPa, Δp_2-5 = 5 kPa, Δp_5-WCO-6 = 8 kPa,

• Δp_5-WCWII-6 = 4 kPa, Δp_6-WCWI-3 = 7 kPa, Δp_3-4 = 11 kPa.

• Ciśnienie dyspozycyjne węzła: Δp_d =Δp_1-4 = 3 bar.

(88)

Wartości współczynników przepływu K

Wartości współczynników przepływu K_vs_vs przykładowego przykładowego typoszeregu zaworów przelotowych

typoszeregu zaworów przelotowych

(89)

Dane techniczne regulatorów różnicy Dane techniczne regulatorów różnicy

ciśnień i przepływu typu 46-7 firmy ciśnień i przepływu typu 46-7 firmy

Samson

(90)

Obliczenie współczynnika przepływu i dobór Obliczenie współczynnika przepływu i dobór

średnicy zaworu regulacyjnego Z

_CO_CO

• Współczynnik przepływu K_vs obliczamy z zależności

• m³/h

• Zakładamy stratę ciśnienia w zaworze całkowicie otwartym przyjmując wartość współczynnika autorytetu zaworu

• a ≈ 0,5

• i wówczas Δp_Z100 = Δp_SCO

• Strata ciśnienia Δp_SCO w obwodzie regulacji c.o. wynosi

• Δp_SCO = Δp_2-5 + Δp_5-WCO-6 + Δp_WCO + Δp_6-WCWI-3 + Δp_WCWI = 5+8+25+7+23= 68 kPa

100 Z VS S

p K V

 

(91)

• Po postawieniu wartości wyliczonych wielkości otrzymamy:

• Z katalogu zaworów dobieramy wartość K_VS najbliższą

mniejszą tj. dla zaworu o średnicy nominalnej 25 mm.

• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze

h m

K

_VCO

8 , 48 / 68

, 0

7 

₃



h / m 8 K_VS  ³

bar p

_ZCO^RZ

0 , 76

8 7

²

 



 



 



(92)

Obliczenie współczynnika przepływu i dobór Obliczenie współczynnika przepływu i dobór

średnicy zaworu regulacyjnego Z średnicy zaworu regulacyjnego Z

_CW_CW

Przyjmując zalecaną wartość współczynnika autorytetu

a = 0.5 obliczamy wartość spadku ciśnienia na zaworze ZCW jako równą stracie ciśnienia w obwodzie regulacji c.w.u.:

• Δp_Z100= Δp_SCW = Δp_2-5 + Δp_5-WCWII-6 + Δp_WCWII + Δp_6-WCWI-3 + Δp_WCWI = 5+4+15+7+23= 54 kPa

• Współczynnik przepływu zaworu regulacyjnego ZCW

Z katalogu zaworów dobieramy wartość K_VS najbliższą mniejszą tj.

dla zaworu o średnicy 20 mm.

• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze 08 , 54 4

, 0

3 

VCW  K h

/ m 4 K_VS  ³

bar 56 , 4 0

p 3

2 RZ

ZCW  



 



 



(93)

Obliczenie regulowanej różnicy ciśnień regulatora Obliczenie regulowanej różnicy ciśnień regulatora

różnicy ciśnień różnicy ciśnień

• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.o.

• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.w.u.

• Przyjęto jako regulowaną różnicę ciśnień regulatora różnicy ciśnień wartość większą tj.

• bar

bar p

p

p^CO_RRC   _SCO   _ZCO^RZ  0,68 0,76 1,44



bar p

p

p_RRC^CW   _SCW   _ZCW^RZ  0,54  0,56 1,10



44 ,

1

p_RRC

(94)

Sprawdzenie rzeczywistych wartości Sprawdzenie rzeczywistych wartości współczynników autorytetu zaworów współczynników autorytetu zaworów

W katalogu sprawdzamy pozostałe parametry zaworu:

• dopuszczalne ciśnienie robocze,

• zdolność regulacyjną (stosunek regulacji 25),

RRC 100 Z

p a p



  ^a^CO ^ ₁⁰_,^,₄₄⁷⁶ ^ ⁰^,⁵² ^a^CW ^ ₁⁰_,^,₄₄⁵⁶ ^ ⁰^,³⁸

(95)

Dobór zaworu oraz regulatora różnicy Dobór zaworu oraz regulatora różnicy

ciśnień i przepływu Z

_RRC_RRC

• Spadek ciśnienia do wykorzystania na zaworze regulatora różnicy ciśnień Z_RC

Δp_ZRRC = Δp_1-4 – (Δp_RRC+ Δp_1-2 + Δp_3-4 + Δp_m) = 3.0 – (1.44 + 0.1 + 0.11+ 0,2) = 1.15 bar

gdzie: Δp_m =0,2 bar – mierniczy spadek ciśnienia dla regulatora przepływu typu 46-7.

• Współczynnik przepływu zaworu Z_RRC h m

K_VRRC 9,32 / 15

, 1

10 ₃

