Transcript Współczynnik przepływu zaworu

Automatyka
Wykład 2
Przelotowe zawory regulacyjne
Prowadzący:
Jan Syposz
Element wykonawczy – zawory regulacyjne
Zawór regulacyjny w układzie regulacji
z
w
_
e
u
regulator
obiekt regulacji
urządzenie
wykonawcze
y
obiekt
regulacji
ym
element
pomiarowy
y
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.
Konstrukcje zaworów jednodrogowych
(przelotowych)
Zawory jednogniazdowe i 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 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.
Kv  V 
1
p

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
Kv  V
p o
p


o
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 Kvs
zaworu.
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 niż 2×10-5m2/s to współczynnik przepływu
Kv należy skorygować według zależności:
K v ' K v 
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:
Kv
• względny współczynnik przepływu:
kv 
K vs
• względny skok grzyba zaworu:
h 
H
Hs
• względny strumień objętości:
• względne pole przepływu przez zawór:
Indeks s oznacza wartości nominalne (100%)
v 
V
Vs
s
S
Ss
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 zaworów regulacyjnych
1 – liniowa
2 – stałoprocentowa
3 – stałoprocentowa
4 - dwustawna
Charakterystyki otwarcia zaworów regulacyjnych
• O kształcie charakterystyki otwarcia i wewnętrznej przepływu decyduje
kształt grzyba:
1
• 1 – grzyb płaski, charakterystyka
dwustawna (zawory szybko
otwierające),
2
• 2 – grzyb z jarzmem,
charakterystyka liniowa,
Charakterystyka otwarcia zaworu
3 – grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce
otwarcia, charakterystyka stałoprocentowa
4 - grzyb paraboliczny ,
charakterystyka stałoprocentowa
Liniowa charakterystyka zaworu
(wewnętrzna przepływu)
V
h
 const
k v
h
kv
k vs
 const

h
hs
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
V / Vs
 h / h s   V / Vs
 const
Stałoprocentowa charakterystyka zaworu
V / Vs
 h / h s   V / Vs
k v / k vs  e
 const
n ( h / h s  1 )
kvo/kvs= 0,3679 przy
= 0,1353
= 0,0498
= 0,0183
n=1
n=2
n=3
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
a 
 p z 100
 p calk
 p calk   p Z 100   p S
Autorytet zaworu
• Autorytet zaworu bywa
współczynnikiem dławienia.
nazywany
również
• Autorytet zaworu bywa również definiowany jako
stosunek różnicy ciśnień na zaworze calkowicie
otwartym do różnicy ciśnień na zaworze całkowicie
zamkniętym.
a
 p z 100
pz0
Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o
charakterystyce liniowej
1
V / V100 
1 a 
a
( h / h 100 )
2
Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o
charakterystyce stałoprocentowej
1
V / V100 
a
1 a 
[e
n ( h / h 1 00 1 )
]
2
Podstawowa zasada metody wymiarowania zaworów:
minimalizacja wahań współcz. wzmocnienia obiektu regulacji:
kS
d (V / V100 )

 const  1
- współcz. Przenoszenia kw - k W 
k S 100
d ( h / h100 )
regulacja przepływu
kS
d ( Q / Q100 )
- współcz. przenoszenia kw –
kW 

 const  1
regulacja temperatury, mocy
k S 100
d ( h / h100 )
•
•
Przykład regulacji mocy:
Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b –
wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt
regulacji)
a
h
b
m
m
m
Q/Qs
h/hs
Q/Qs
h
Q
ks 
Q/Qs
m/ms
h/hs
Q
h
Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej)
zawory liniowe
a- współczynnik autorytetu zaworu, Φ – parametr obliczeniowy wymiennika
kW 
kS
k S 100

d ( Q / Q 100 )
d ( h / h100 )
Współczynnik przenoszenia (nachylenie stycznej)
zawory stałoprocentowe
a- współczynnik autorytetu zaworu, Φ – parametr obliczeniowy wymiennika
kS
d (Q / Q100 )
kW 

k S100
d (h / h100 )
Charakterystyki różnych wymienników
(nośników) ciepła
• a – parametr obliczeniowy wymiennika
• (czynnika grzejnego)
Wymiennik ciepła (nośnik ciepła)
Chłodnica powietrza
Nagrzewnica powietrza ze zmiennym przepływem
Temperatura zasilania
a
0,15…0,25
0,6…0,7
1
a  0 .6
T zo  T po
T zo  t zo
Optymalne wartości współczynnika autorytetu:
av- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,
Dla zaworów stałprocentowych optymalne av= 0.25-0.8
a  0 .6
T zo  T po
T zo  t zo
a  0 .6
T zo  T po
T zo  t zo
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:
1. Metoda minimalizacji wahań współczynnika wzmocnienia
obiektu regulacji.
2. 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
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).
Zasady doboru zaworów regulacyjnych
3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu
regulacyjnego jest obliczenie współczynnika przepływu Kvs
K VS 
gdzie:
VS
[m3/h]
 p Z 100
V[m3/h]
– obliczeniowy strumień objętości wody,
Δpz100 [bar] – strata ciśnienia na zaworze regulacyjnym
całkowicie otwartym.
 p z 100
Dla założonej wartości współczynnika a 
 p Z 100  a  (  p Z 100   p S )
 p Z 100 
a
1 a
 p S
 p z 100   p s
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
 p Z 100  0.4÷0.5 (P1-1) bar
P1- ciśnienie pary przed zaworem w [bar]
Dobór średnicy zaworu
4. Po obliczeniu współczynnika przepływu KVS z katalogu
zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości KVS
najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆pd) od
wyliczonej.
2
 Vs 
RZ
5. Sprawdzamy rzeczywistą wartość  p Z 100   K 
oraz a
 VS 
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).
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.
Wpływ pompy na kształt charakterystyki
eksploatacyjnej
• Przy wyprowadzaniu
równań charakterystyki
eksploatacyjnej przyjęte
zostało założenie, że
całkowita strata
ciśnienia jest wartością
stałą.
1
V / V100 
a
1 a 
( h / h 100 )
2
1
V / V100 
a
1 a 
[e
n ( h / h 1 00 1 )
]
2
Wpływ pompy na kształt charakterystyki
eksploatacyjnej
• W wypadku zastosowania pomp wirowych
warunek Δpcałk=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.
Wpływ pompy na kształt charakterystyki
eksploatacyjnej
Wpływ pompy na kształt charakterystyki
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.
Podstawowa zasada doboru zaworów regulacyjnych:
minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu
regulacji
ks 
Q
 const  1
h
• Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa),
b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem
regulacyjnym (obiekt regulacji)
a
b
h
Q
m
m
m
Q/Qs
h
Q/Qs
Q/Qs
ks 
h/hs
m/ms
h/hs
Q
h
Zasady konstruowania charakterystyk
statycznych obiektu regulacji:
zawór – wymiennik ciepła
Rzeczywista charakterystyka cieplna
wymiennika ciepła
• Charakterystyka cieplna grzejnika Q/Q100 = f(m/m100),
(ρ=const)
m  c p  t
Q / Q 100 
m 100  c p   t 100
 
 t o 100
t
 t o 100  ( t z  t p ) 100
t  t z  ti
Rzeczywista charakterystyka cieplna
wymiennika ciepła
Całkowita charakterystyka instalacji przy
zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej
Współczynnik przenoszenia (nachylenie
stycznej)
kW 
kS
k S 100

d ( Q / Q 100 )
d ( h / h100 )
Całkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem
zaworu o charakterystyce stałoprocentowej
0,1
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.
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).
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).
Podstawowa zasada metody minimalizacja wahań
współcz. wzmocnienia obiektu regulacji:
- regulacja przepływu
kW 
- regulacja temperatury, mocy
kW 
•
•
kS

k S 100
kS
d (V / V100 )
 const  1
d ( h / h100 )

d ( Q / Q100 )
 const  1
k S 100
d ( h / h100 )
Przykład regulacji mocy:
Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b –
wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt
regulacji)
a
h
b
m
m
m
Q/Qs
h/hs
Q/Qs
h
Q
ks 
Q/Qs
m/ms
h/hs
Q
h
Charakterystyki różnych wymienników (nośników) ciepła
wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”
a – parametr obliczeniowy wymiennika jest
zależny od parametrów obliczeniowych
czynnika grzejnego i układu hydraulicznego.
Wymiennik ciepła (nośnik ciepła)
Chłodnica powietrza
Nagrzewnica powietrza ze zmiennym przepływem
Temperatura zasilania
Automatyzacja w inżynierii środowiska
a
0,15…0,25
0,6…0,7
1
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
a  0 .6
T zo  T po
T zo  t zo
gdzie: Tzo, Tpo – temperatury obliczeniowe czynnika grzejnego, tzo –
temperatura obliczeniowa powietrza na wlocie do nagrzewnicy.
Optymalne wartości współczynnika autorytetu:
av- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,
Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne av= 0.25-0.6
wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”
gl, lin – linie najmniejszych wahań współczynnika wzmocnienia zaworów
stałoprocentowych (gl) i liniowych (lin)
Optymalne wartości współczynnika autorytetu:
pv- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,
Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne av= 0.25-0.8
wg Recknagla „ Kompendium wiedzy…”
Metoda minimalizacji wahań wartości
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)
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.
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)
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).
Zasady doboru zaworów regulacyjnych
3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu
regulacyjnego jest obliczenie współczynnika przepływu Kvs
K VS 
gdzie:
VS
[m3/h]
 p Z 100
V[m3/h]
– obliczeniowy strumień objętości wody,
Δpz100 [bar] – strata ciśnienia na zaworze regulacyjnym
całkowicie otwartym.
 p z 100
Dla założonej wartości współczynnika a 
 p Z 100  a  (  p Z 100   p S )
 p Z 100 
a
1 a
 p S
 p z 100   p s
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
 p Z 100  0.4÷0.5 (P1-1) bar
P1- ciśnienie pary przed zaworem w [bar]
Dobór średnicy zaworu
4. Po obliczeniu współczynnika przepływu KVS z katalogu
zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości KVS
najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆pd) od
wyliczonej.
2
 Vs 
RZ
5. Sprawdzamy rzeczywistą wartość  p Z 100   K 
oraz a
 VS 
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).
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.
Skutki błędnego doboru zaworu
Jeżeli do wyboru są dwie różne
wartości
współczynników
przepływu
KVS,
to
w
wątpliwych
wypadkach należy decydować
się zawsze na wybór zaworu
o mniejszym współczynniku
KVS.
Jeżeli (V/V100)* - rzeczywisty,
nominalny strumień objętości
jest mniejszy od założonego,
zmniejsza się zakres regulacji
i układ pracuje niestabilnie.
Skutki wahań różnicy ciśnienia
Δpmin-max
Skutki wahań różnicy ciśnienia
Skutki wahań różnicy ciśnienia
Wraz ze wzrostem przyłączeniowej różnicy ciśnienia z
Δpcałk min do Δpcałk 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
Δpcałk należy zamontować regulator różnicy ciśnienia i
przepływu, który pozwoliłby na utrzymanie różnicy ciśnienia
Δpcałk na stałym poziomie.
Skutki wahań różnicy ciśnienia
PRZYKŁAD DOBORU ZAWORÓW
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.
Schemat ideowy węzła ciepłowniczego
Zco
c.w.u.
Zcw
5
WCWII
WCO
LC2
c.o.
cyrk.
6
1
2
WCWI
sieć
ΔpRRC
LC1
ZRRC
4
3
w.z.
Przygotowanie danych wyjściowych do
obliczeń
• Najczęściej przystępując do doboru elementów układu
automatycznej regulacji dysponujemy danymi z projektu
technologicznego węzła:
• Obliczeniowe strumienie objętości wody sieciowej:
VSCO = 7 m3/h, VSCWU = 3 m3/h, VSC = 10 m3/h
• Spadki ciśnienia na przewodach i urządzeniach węzła
ciepłowniczego (zgodnie z oznaczeniami na schemacie
węzła): Δp1-2 = 10 kPa, ΔpWCO = 25 kPa, ΔpWCW(I) = 23 kPa,
ΔpWCW(II) = 15 kPa, Δp2-5 = 5 kPa, Δp5-WCO-6 = 8 kPa,
• Δp5-WCWII-6 = 4 kPa, Δp6-WCWI-3 = 7 kPa, Δp3-4 = 11 kPa.
• Ciśnienie dyspozycyjne węzła: Δpd =Δp1-4 = 3 bar.
Wartości współczynników przepływu Kvs przykładowego
typoszeregu zaworów przelotowych
Średnica nominalna DN [mm] 15
20
25
32
40
50
Współczynnik KVS [m3/h]
0.2
4.0
8.0
12
20
32
Współczynnik KVS [m3/h]
0.5
Współczynnik KVS [m3/h]
1.0
Współczynnik KVS [m3/h]
2.0
Dane techniczne regulatorów różnicy
ciśnień i przepływu typu 46-7 firmy Samson
Średnica nominalna DN [mm]
15
20
25
32
40
50
Współczynnik KVS [m3/h]
4
6,3
8.0
12,5
16
20
Nastawa różnicy ciśnień [bar]
Nastawa strumienia objętości [m3/h] 0,6-2,5
0.1-0,5
0,2-0,5
0,1-1
0,2-1
0,5-2
0,5-2
0,8-3,6
0,8-5
2-10
3-12,5 4-15
Obliczenie współczynnika przepływu i dobór
średnicy zaworu regulacyjnego ZCO
• Współczynnik przepływu Kvs obliczamy z zależności
•
K VS 
VS
 p Z 100
m3/h
• Zakładamy stratę ciśnienia w zaworze całkowicie otwartym
przyjmując wartość współczynnika autorytetu zaworu
•
a ≈ 0,5
• i wówczas
ΔpZ100 = ΔpSCO
• Strata ciśnienia ΔpSCO w obwodzie regulacji c.o. wynosi
• ΔpSCO = Δp2-5 + Δp5-WCO-6 + ΔpWCO + Δp6-WCWI-3 + ΔpWCWI =
5+8+25+7+23= 68 kPa
• Po postawieniu wartości wyliczonych wielkości otrzymamy:
K VCO 
7
 8 , 48 m / h
3
0 , 68
• Z katalogu zaworów dobieramy wartość KVS najbliższą
mniejszą tj. K VS  8 m 3 / h dla zaworu o średnicy nominalnej
25 mm.
• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze
2
p
RZ
ZCO
7
    0 , 76 bar
8
Obliczenie współczynnika przepływu i dobór
średnicy zaworu regulacyjnego ZCW
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.:
• ΔpZ100 = ΔpSCW = Δp2-5 + Δp5-WCWII-6 + ΔpWCWII + Δp6-WCWI-3 + ΔpWCWI =
5+4+15+7+23= 54 kPa
• Współczynnik przepływu zaworu regulacyjnego ZCW
K VCW 
3
 4 , 08
0 , 54
Z katalogu zaworów dobieramy wartość KVS najbliższą mniejszą tj.
3
K VS  4 m / h dla zaworu o średnicy 20 mm.
• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze
2
p RZ
ZCW
3
    0,56bar
4
Obliczenie regulowanej różnicy ciśnień regulatora
różnicy ciśnień
• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.o.
 p RRC   p SCO   p ZCO  0 , 68  0 , 76  1, 44 bar
CO
RZ
• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.w.u.
 p RRC   p SCW   p ZCW  0 ,54  0 ,56  1,10 bar
CW
RZ
• Przyjęto jako regulowaną różnicę ciśnień regulatora różnicy ciśnień
wartość większą tj.
•
 p RRC  1, 44 bar
Sprawdzenie rzeczywistych wartości
współczynników autorytetu zaworów
a

 p Z 100
 p RRC
a CO 
0 , 76
1, 44
 0 ,52
a CW 
0 ,56
 0 ,38
1, 44
W katalogu sprawdzamy pozostałe parametry zaworu:
• dopuszczalne ciśnienie robocze,
• maksymalną temperaturę czynnika grzejnego,
• charakterystykę przepływową (powinna być
stałoprocentowa),
• zdolność regulacyjną (stosunek regulacji 25),
• rodzaj połączenia (gwintowe, kołnierzowe).
Dobór zaworu oraz regulatora różnicy
ciśnień i przepływu ZRRC
• Spadek ciśnienia do wykorzystania na zaworze regulatora
różnicy ciśnień ZRC
ΔpZRRC = Δp1-4 – (ΔpRRC + Δp1-2 + Δp3-4 + Δpm) = 3.0 – (1.44
+ 0.1 + 0.11+ 0,2) = 1.15 bar
gdzie: Δpm =0,2 bar – mierniczy spadek ciśnienia dla
regulatora przepływu typu 46-7.
• Współczynnik przepływu zaworu ZRRC
K VRRC 
10
1,15
 9 , 32 m / h
3
• Zgodnie z zaleceniami producenta wybranego regulatora
różnicy ciśnień firmy SAMSON
K VS  K V  1, 25  9 ,32  1, 25  11 , 65 m / h
3
• Przyjęto z katalogu SAMSON zawór typu 46-7 o i średnicy
nominalnej DN 32 mm oraz zakresie nastaw regulowanej
różnicy ciśnień ΔpRRC = 0,5÷2,0 bar
• Rzeczywisty spadek ciśnienia na całkowicie otwartym
zaworze ZRRC
 p ZRRC   p m
RZ
 V
 
 K VS




2
 10 
 0,2  

 12 ,5 
2
 0 , 2  0 . 64  0 ,84 bar
Sprawdzenie zagrożenia kawitacją
• Zawory montowane w przewodzie powrotnym pracujące
przy temperaturach poniżej 100°C
nie są zagrożone
kawitacją.
• W przypadku zaworów montowanych w przewodzie
zasilającym sieci ciepłowniczej dla ekstremalnych
warunków: ciśnienia zasilania p1= 10 bar, temperatury
zasilania T1max=150°C, ciśnienia nasycenia ps= 4,8 bar
•
• Δpvmax = Z (p1 – ps) = 0.5 (10 – 4.8) = 2.6 bar
Dziękuję za uwagę !