Przelotowe zawory regulacyjne Przelotowe zawory regulacyjne

Automatyka w Inżynierii Środowiska Automatyka w Inżynierii Środowiska

Wykład 5 Wykład 5

Przelotowe zawory regulacyjne Przelotowe zawory regulacyjne

Prowadzący:

Jan Syposz

Element wykonawczy

Element wykonawczy – – zawory regulacyjne zawory regulacyjne

Zawór regulacyjny w układzie regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

Konstrukcje zaworów przelotowych Konstrukcje zaworów przelotowych

Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe

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

Nominalny współczynnik przepływu Nominalny współczynnik przepływu

zaworu Kvs 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 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--83/7420183/74201

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--83/7420183/74201

• 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).

Zasada doboru zaworów regulacyjnych Zasada doboru zaworów regulacyjnych

-- minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji

obiektu regulacji ksks

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

h k

Q

∆

= ∆

m/ms

Charakterystyki zaworów Charakterystyki zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

W inżynierii środowiska 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 znaczenia ma W odniesieniu do jakości zaworu regulacyjnego decydujące znaczenia ma tzw. dokładność regulacji ΔA/Δh. Im mniejsza zależność ΔA/Δh, tym

tzw. dokładność regulacji ΔA/Δh. Im mniejsza zależność ΔA/Δh, 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 wewnętrzna -- przepływu przepływu) ) const

h V =

∆

∆

const h

k

∆ =

∆

s vs

v

h h k

k =

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.

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

=

∆

⋅

∆

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

• Wielkość kvs/kvr określana jest mianem stosunku regulacji (nastawy), a wielkość kvs/kvo mianem teoretycznego stosunku regulacji.

Parametry zaworów regulacyjnych Parametry zaworów regulacyjnych

• Stosunek regulacji jest ważną wielkością świadczącą o możliwościach regulacyjnych zaworu.

• Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien wynosić ≥ 25

• W zaworach o wysokiej jakości regulacji

stosunek regulacji kvs/kvo = 50

Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu

będącym obiektem regulacji

będącym obiektem regulacji

Charakterystyka eksploatacyjna Charakterystyka eksploatacyjna

• Charakterystyka uwzględniająca warunki zamontowania zaworu nazywana jest charakterystyką eksploatacyjną (charakterystyką roboczą przepływu).

• W celu określenia ilościowego przebiegu charakterystyki eksploatacyjnej wprowadzone zostało pojęcie tzw. autorytetu zaworu a

Autorytet zaworu Autorytet zaworu

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 = ∆ + ∆

∆

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce liniowej zaworu o charakterystyce liniowej

2 100 100

) h

/ h ( a a

1 V 1

/ V

+

= −

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−

+

= −

Przykładowa charakterystyka Przykładowa charakterystyka

statyczna obiektu regulacji statyczna obiektu regulacji

h/h_s m a h

m/m_s

Q/Qs

m b Q

h/h_s h ^Q/Qs

m

Q/Qs

Metody doboru zaworów Metody doboru zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

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.

Metody doboru zaworów Metody doboru zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

• Optymalizacja doboru charakterystyki zaworu regulacyjnego została wykorzystana do opracowania metody doboru zaworu 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.

Metody doboru zaworów Metody doboru zaworów

regulacyjnych regulacyjnych

• 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).

• Jednak w praktyce nakład pracy na obliczenia byłby zbyt duży i zamiast tego stosowana jest metoda oparta na orientacyjnej wartości współczynnika dławienia a.

Wskazówki do doboru zaworów Wskazówki do doboru zaworów

• 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

(koszt zaworu, koszty pompowania !)

W przypadku węzłów ciepłowniczych o dużym ciśnieniu dyspozycyjnym (węzły położone blisko źródła ciepła) korzystne jest przyjęcie górnej wartości współczynnika autorytetu

a ≈ 0.5

Obliczenie współczynnika Obliczenie współczynnika

przepływu Kvs przepływu Kvs

) (

100 Z S

Z

a p p

p = ⋅ ∆ + ∆

∆

S 100

Z

p

a 1

p a ⋅ ∆

= −

∆

100 Z

S

VS

p

K V

= ∆

Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu

będącym obiektem regulacji

będącym obiektem regulacji

Spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym Spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym

• Minimalny spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym jako Δp ≥ 0.1 bar.

• W instalacjach parowych przy w obliczeniach Kv zaworów regulacyjnych należy przyjmować

•

0.4÷0.5 (P¹-1) bar

=

∆p_Z100

Kawitacja, dopuszczalny spadek Kawitacja, dopuszczalny spadek

ciśnienia na zaworze 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.

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 wykonane z

• brązu,

• żeliwa szarego oznaczone symbolem GG,

• z żeliwa sferoidalnego oznaczone symbolem GGG

• oraz ze staliwa oznaczone symbolem GS (oznaczenia niemieckie).

Dziękuję za uwagę !

Dziękuję za uwagę !

Automatyka w Inżynierii Środowiska Automatyka w Inżynierii Środowiska

Wykład 6 Wykład 6

Trójdrogowe zawory regulacyjne Trójdrogowe zawory regulacyjne

Prowadzący:

Jan Syposz

Element wykonawczy

Element wykonawczy – – zawory regulacyjne zawory regulacyjne

Zawór regulacyjny w układzie regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

Rodzaje wykonań armatury Rodzaje wykonań armatury

trójdrogowej trójdrogowej

Zawór trójdrogowy: a) mieszający, b) rozdzielający

Rodzaje wykonań armatury Rodzaje wykonań armatury

trójdrogowej trójdrogowej

Cechą charakterystyczną zaworów

trójdrogowych jest to, że powierzchnia

przekroju jest zmieniana w dwóch gniazdach

w przeciwnych kierunkach.

Sposoby montażu zaworów Sposoby montażu zaworów

trójdrogowych trójdrogowych

• W układzie z zaworem trójdrogowym można

wyróżnić część, w której strumień

przepływającego czynnika jest stały (jest to

tzw. obieg stałego przepływu) oraz obieg

zmiennego przepływu zależny od stopnia

otwarcia zaworu.

Sposoby montażu zaworów Sposoby montażu zaworów

trójdrogowych trójdrogowych

a) zawór mieszający,

b) zawór mieszający pełniący

funkcję zaworu rozdzielającego,

c) zawór rozdzielający

Charakterystyki wewnętrzne Charakterystyki wewnętrzne

zaworów trójdrogowych

zaworów trójdrogowych

Charakterystyki zaworów Charakterystyki zaworów

trójdrogowych trójdrogowych

• Wymagania:

• strumień objętości w obwodzie odbiornika (przyłącze AB) jest stały,

• charakterystyka przyłącza A umożliwia zmianę mocy cieplnej instalacji

proporcjonalnie do skoku zaworu.

Charakterystyki eksploatacyjne zaworów Charakterystyki eksploatacyjne zaworów

trójdrogowych wg. W. Chmielnickiego trójdrogowych wg. W. Chmielnickiego

• Charakterystyka eksploatacyjna zaworu trójdrogowego zależy od wartości spadków ciśnienia w poszczególnych obwodach układu reg.

K G

Z

PM

100 100

100 Z G

k

or p p p

p = ∆ +∆ +∆

∆ ∆por = ∆pzp + ∆pZ₁₀₀ + ∆psp

ZP SP

Charakterystyki eksploatacyjne zaworów Charakterystyki eksploatacyjne zaworów

trójdrogowych trójdrogowych

• W przypadku, gdy opory przepływu w

przewodzie mieszającym są równe oporom

przepływu w obiegu o zmiennym przepływie,

co jest korzystne dla zapewnienia

odpowiedniego przepływu w tej gałęzi, to

charakterystyka przepływowa zaworu zależy

wyłącznie od udziału spadku ciśnienia w

obiegu o zmiennym przepływie Δpk i oporu

występującego na zaworze.

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych zaworów trójdrogowych

Stopień rozdziału – A

Autorytet zaworu trójdrogowego - a

calk Z

p a p

∆

= ∆

^{∆ p}

^{= ∆ p}

^{+ ∆ p}

100 Z zp

calk

p p

p = ∆ + ∆

∆

or zp or

k

p p p

A p

∆

= ∆

∆

= ∆

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych zaworów trójdrogowych

Charakterystyki eksploatacyjne

zaworu trójdrogowego

dla stopnia rozdziału ciśnienia A = 0,21

oraz współczynnikach autorytetu a = 0,125 (xxxxx),

0,3 (---) i 0,7 (...),

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych zaworów trójdrogowych

Charakterystyki eksploatacyjne (robocze) zaworu trójdrogowego przy stałym współczynniku

autorytetu a = 0,3

oraz różnych stopniach rozdziału ciśnienia:

A = 0,07 (xxxxx), 0,21 (---)

0,49 (...),

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych zaworów trójdrogowych

• Z przedstawionej analizy wynika, że aby zapewnić minimalne zmiany przepływów w króćcu AB, opory obiegu o zmiennym przepływie Δp^zp powinny być małe w porównaniu do oporów obiegu o stałym przepływie Δp^sp i spadku

ciśnienia na zaworze

regulacyjnym Δp^Z100.

or zp or

k

p p p

A p

∆

= ∆

∆

= ∆ ¹⁰⁰

A = 0,07 (xxxxx),

Dobór zaworów trójdrogowych Dobór zaworów trójdrogowych

• Deformacja charakterystyki przepływowej na wypływie z zaworu trójdrogowego (wylot AB) zależy od stosunku oporu odcinka sieci o zmiennej wartości strumienia objętości do oporu całej sieci.

• Kierowanie się przy doborze średnicy zaworu trójdrogowego jedynie kryterium wartości współczynnika autorytetu zaworu (np. a =0.5) nie jest uzasadnione, ponieważ nie uwzględnia on wpływu tłumienia przez opór odcinka sieci o niezmiennym strumieniu objętości. W praktyce konieczne jest ilościowe określenie wpływu tłumienia.

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych wg. H. Rosa zaworów trójdrogowych wg. H. Rosa

• W wypadku stosowania zaworów przelotowych deformacja charakterystyki zależy przede wszystkim od jednego parametru, a mianowicie autorytetu zaworu a, który zależy z kolei od doboru średnicy zaworu. W wypadku zaworów trójdrogowych taki wpływ wg. H. Rosa mają trzy parametry, a mianowicie:

zp pm

zp sp

zp Z

p p

c

p p

b

p p

a

∆

∆

=

∆

∆

=

∆

∆

=

/

/

/

'

Charakterystyki eksploatacyjne Charakterystyki eksploatacyjne

zaworów trójdrogowych wg. H. Rosa

zaworów trójdrogowych wg. H. Rosa

Wnioski dot. doboru zaworów Wnioski dot. doboru zaworów

trójdrogowych trójdrogowych

• Z przebiegu krzywych można wyciągnąć następujące wnioski:

• zrównoważenie połączonych równolegle odcinków o zmiennym strumieniu objętości (parametr c=1) jest celowe tylko przy wartościach parametru b < 3,

• współczynnik autorytetu a ma istotny wpływ przy doborze zaworu dla b < 3. Jeżeli za punkt wyjścia przyjęto dopuszczalne zwiększenie sumarycznego strumienia objętości (V/V100 = 1,1) to przy b < 3 współczynnik autorytetu należy przyjmować a=0.5,

• przy wartościach parametru b ≥ 3 zmiana sumarycznego strumienia objętości jest tak niewielka i w tak małym stopniu zależna od parametru doboru a, że deformacja podstawowych charakterystyk zaworu nie może być miarodajna przy doborze zaworu. W takich sytuacjach, które występują w większości instalacji, trzeba przyjąć inne kryterium, np.

kryterium współczynnika wzmocnienia kz ≈ 1 dla wymiennika ciepła i wówczas wystarczy a=0.3÷0.5.

Dziękuję za uwagę !

Dziękuję za uwagę !