Transcript PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO
Rok założenia 1987
projektowanie
techniczne
produkcja kompletacja
doradztwo sprzedaż
serwis armatury i urządzeń do instalacji komunalnych oraz przemysłowych
PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWE ZAWORY REGULACYJNE typu
Y1
Tłok przemieszcza się wewnątrz wymiennych, odpowiednio perforowanych tulei cylindrycznych, które umożliwiają: ● kontrolę ciśnienia oraz natężenia przepływu, ● dostosowanie charakterystyki regulacyjnej zaworu do wymagań projektowych, ● ograniczenie do minimum negatywnych skutków kawitacji.
ZAWORY REGULACYJNE
Funkcj a
Pierścieniowo-tłokowe zawory regulacyjne charakteryzują się wysoką efektywnością w zakresie ekstremalnie wysokich prędkości i natężenia przepływu. Medium przetłaczane jest przez pierścień w kształcie tunelu, który został optymalnie dobrany do przepływu o wysokim natężeniu. Przemieszczanie tłoka za pomocą wahacza i popychacza wzdłuż osi zaworu powoduje dławienie lub w skrajnym położeniu odcięcie przepływu, co pozwala uzyskać odpowiednio funkcję regulacyjną bądź zaporową.
ZAWORY REGULACYJNE
Przykłady zastosowania
Gdzie można wykorzystać zawory pierścieniowo tłokowe ?
● jako zawory odcinające i regulacyjne dla wysokich natężeń przepływu, ● do redukcji ciśnienia, ● w charakterze zaworów pompowych, ● na spustach tam oraz wypływie ze zbiorników, ● jako zawory regulujące dopływ na wlocie do zbiorników, ● dla zabezpieczenia rurociągu przed skutkami rozerwania.
Typowe obszary zastosowania:
● elektrownie i elektrociepłownie, ● przepompownie, ● stacje uzdatniania wody, ● w instalacjach, gdzie występują przepływy ze znaczną różnicą ciśnień.
KAWITACJA
Aspekty fizyczne
.
Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, które może wystąpić podczas przepływu wskutek gwałtownego odparowania cieczy pod wpływem spadku ciśnienia.
W fazie przejściowej między cieczą i stanem pary zachodzą procesy, które powodują lokalnie nagłe zmiany ciśnienia, a towarzyszące im uderzenia hydrauliczne wywołują erozję, mogącą zniszczyć niemal dowolny materiał.
Proces kawitacji przebiega w dwóch etapach
: Etap 1: Etap 2: przemiana ze stanu
cieczy
w stan
pary,
zmiana powrotna ze stanu
pary
w
ciecz.
ciecz para ciecz
Kawitacja powstaje m.in. podczas dławienia przepływu cieczy w trakcie zamykania lub otwierania zaworów. Zamykając zawór redukujemy jego powierzchnię przekroju, powodując zwiększone - a przy małym prześwicie skrajnie wysokie prędkości przepływu medium.
Zgodnie z zasadą zachowania energii, jeśli ciecz gwałtownie zwiększa prędkość przepływu, jego ciśnienie statyczne musi zmaleć. Ciecz paruje, gdy jej energia nie wystarcza do utrzymania molekuł w skupieniu.
Molekuły oddalają się od siebie i następuje przemiana fazowa cieczy w parę.
Wynika z tego, że w przewężonym przekroju zaworu - jest to punkt największej prędkości i największego dławienia – może nastąpić redukcja ciśnienia poniżej ciśnienia pary. Ponieważ temperatura wrzenia cieczy zależna jest od ciśnienia, w sprzyjających warunkach ciecz zaczyna wrzeć w temperaturze otoczenia, powodując powstawanie pęcherzyków gazu.
Po przejściu tego punktu ciśnienie zaczyna ponownie rosnąć, prędkość przepływu medium spada, a pęcherzyki pary ulegają deformacji pod wpływem rosnącego ciśnienia zewnętrznego i na koniec implodują.
Niekontrolowane powstawanie pęcherzyków pary w strumieniu cieczy na skutek spadku ciśnienia określa się mianem kawitacji.
Rejon objęty kawitacją jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu cieczy.
ZAWORY REGULACYJNE
Jak powstaje kawitacja?
Warunki, następuje skupienia przy zmiana cieczy w których stanu parę charakteryzuje ciśnienia parowania.
krzywa W normalnych warunkach ciśnienia atmosferycznego 0,1MPa (1bar) - woda paruje w temperaturze 100 C.
W przypadku spadku ciśnienia poniżej tego ciśnienia proces parowania wody rozpoczyna niższych się już przy temperaturach.
Zależności te obrazuje charakterystyka parowania.
Przykładowo na krzywej ciśnienia parowania można odczytać, że przy ciśnieniu 0,02 bara woda paruje temperaturze 18 C .
już w
ZAWORY REGULACYJNE
Dlaczego woda gotuje się w temperaturze otoczenia?
krzywa ciśnienia parowania wody
10.00
ciecz
1.00
0.10
0.01
0
para
20 40 60 80
temperatura [ °C]
100 120
ZAWORY REGULACYJNE
Implozja pęcherzyków pary
Pęcherzyki pary przemieszczając się w strumieniu cieczy ulegają gwałtownemu zanikowi pod wpływem wystąpienia
zjawiska implozji
. W przeciwieństwie do eksplozji, zjawisko to polega na „zapadaniu się” lub „zgniataniu” bańki pary, pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Gwałtowna destrukcja –„wybuch do wewnątrz” wywołany jest nagłym wyrównaniem ciśnienia w zamkniętej przestrzeni do ciśnienia otoczenia.
Kierunek przepływu
Pęcherzyki pary w środku rurociągu typowy stan dla prawidłowo dobranego zaworu regulacyjnego Całkowicie rozwinięty pęcherzyk pary Pęcherzyki pary przy ścianie rurociągu – występują przy zasuwach, przepustnicach i zaworach kulowych
Kierunek przepływu
Spłaszczanie i wgniatanie
Implozja Mikrostrumień
Implozji pęcherzyków pary towarzyszy przemiana fazowa Woda pary w gazu w ciecz.
otaczająca „bańkę” ułamku sekundy ulega kierunku przyspieszeniu do w wewnątrz pęcherzyka, wypełniając zanikającą przestrzeń.
W wyniku powstaje mikrostrumień, który uderza w ściankę zaworu tego procesu (urządzenia) lub rury z bardzo dużą prędkością - V > 1000 m/s (3.600 km/h). Wytwarzane przez mikrostrumień szczytowe wartości ciśnienia, wynoszące do 10.000 bar, powodują na poziomie molekularnym erozję materiału.
ZAWORY REGULACYJNE
Implozja pęcherzyków pary
ZAWORY REGULACYJNE
Skutki kawitacji. Typowe uszkodzenia
Uszkodzenia wewnętrznych powierzchni przepustnicy, pozostającej w eksploatacji przez okres 3 miesięcy obrazują skutki występowania kawitacji !!!
Warunki pracy instalacji: • medium: woda; temp. T = 20 • ciśnienie za zaworem: 4 bary 0 C • ciśnienie przed zaworem: 10 bar • natężenie przepływu Q - ok. 3.000 m 3 /h • średnica nominalna zaworu – DN 400 • prędkość przepływu: 6 m/s • czas zamykania zaworu: 180 sekund
ANALIZA:
Instalacja jest zasilana za pomocą jednej pompy o zbyt dużej wydajności, co powoduje wysokie prędkości przepływu. Przepustnica kilka razy dziennie jest zamykana. Oznacza to, że przez długi czas, szczególnie podczas rozruchu, zawór pracuje w położeniu dławienia. Stan ten powoduje bardzo dużą kawitację i w konsekwencji w krótkim okresie silną erozję.
ZAWORY REGULACYJNE
Zły dobór armatury
W opisanych warunkach przepływu współczynnik Sigma osiąga wielkość poniżej wartości krytycznej.
Erozja jest następstwem niewłaściwego wyboru typu armatury.
BV
ZAWORY REGULACYJNE
Poprawny dobór armatury
Zastosowanie zaworu samej pierścieniowo-tłokowego S+S typu Y1 tej średnicy DN400 dla identycznych warunków pracy sprawia, że współczynnik Sigma osiąga wartość powyżej krzywej granicznej.
W tym przypadku zjawisko kawitacji nie występuje.
ZAWORY REGULACYJNE
Warunki sprzyjające kawitacji
Jakie czynniki mają zasadniczy wpływ na powstawanie kawitacji:
• duża różnica ciśnień
Δp = p 1
• niskie ciśnienie wtórne
p 2
• wysoka prędkość przepływu
– p 2
za zaworem :
Przykład zastosowania przepustnicy DN 400, przy natężeniu przepływu 2.000 m 3 /h.
p1 = 30 bar / p2 = 20 bar ->
Δp
p1 = 20 bar / p2 = 10 bar ->
Δp
p1 = 10 bar / p2 = 0,1 bar ->
Δp
= 10 bar - brak kawitacji = 10 bar - brak kawitacji = 9,9 bar - silna kawitacja
Im niższe ciśnienie wtórne za zaworem, tym większe zagrożenie kawitacją !
ZAWORY REGULACYJNE
Jak można uniknąć kawitacji
Zalecenia projektowe
: Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, warunkach pracy.
Stąd projektując instalację należy - na ile to możliwe – unikać takich parametrów oraz rozwiązań technicznych, które grożą wystąpieniem kawitacji.
Jednym z najważniejszych kroków, które mogą zapewnić niezawodność instalacji jest jej które występuje w określonych wyposażenie w odpowiednią armaturę.
Przy doborze armatury mają zastosowanie następujące zasady: ● zasuwy i przepustnice należy stosować jako armaturę zaporową, która pracuje w pozycji całkowicie otwartej lub zamkniętej, ● zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych jako typowych zaworów regulacyjnych, wymaga doboru ich wyposażenia odpowiednio do warunków pracy np. dotyczy to użycia pierścieni łopatkowych, szczelinowych lub perforowanych, ● przy występowaniu ekstremalnych warunków pracy, których nie można kontrolować nawet przy pomocy specjalnych zaworów regulacyjnych,
dławienie
musi odbywać się
stopniowo,
np.
stosując kanał odciążający lub poprzez
dopuszczenie powietrza do obszaru dławienia.
ZAWORY REGULACYJNE
Projektowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych. DANE WYJŚCIOWE
Zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych wymaga analizy warunków pracy oraz określenia funkcji jakie mają do spełnienia w instalacji.
W związku z powyższym niezbędne jest określenie danych charakteryzujących przepływ medium: • natężenie przepływu: • ciśnienie przed zaworem: • ciśnienie za zaworem:
Q p 1 p 2
[m 3 /h] [bar] [bar] Powyższe wielkości należy odnieść dla: maksymalnego
Q max
/ normalnego
Q
/ minimalnego
Q min
przepływu.
p1 p2
ZAWORY REGULACYJNE
Projektowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych. DANE WYJŚCIOWE
Jaki jest cel stosowania zaworu ?
•
kontrola przepływu i kawitacji w warunkach dużego natężenia przepływu,
najczęściej z wykorzystaniem przekładni mechanicznej oraz napędu elektrycznego
,
•
funkcja regulacyjna w przypadku dużych wahań natężenia przepływu w połączeniu z dużymi różnicami ciśnienia,
zastosowanie modulujących urządzeń rozruchowych, pozycjonerów itp
.,
•
funkcja redukcji ciśnienia
dobór odpowiednich tulei cylindrycznych,
•
ograniczenie kawitacji w kombinacji zmiennych parametrów pracy
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH
Rozwiązania dla dużego natężenia przepływu
Zawory pierścieniowo-tłokowe znajdują zastosowanie dla
wysokich natężeń strumienia medium,
przy dopuszczalnej W przypadku prędkości przepływu ponad 10 m/s.
dławienia, spustów, tam, urządzeń na wylocie do zbiorników itp. stosuje się ostre krawędzie z nagłym powiększeniem średnicy na wylocie.
W zamkniętych układach rurowych występująca kawitacja nie stanowi w zagrożenia. Pęcherzyki pary będą implodowały środku rury, gdzie nie mogą uszkodzić ani zaworu, ani rury.
W takich przypadkach za zaworem należy pozostawić prosty odcinek swobodnego przepływu długości od 3 do 5 x średnica rurociągu (DN). Podobnie niedopuszczalny jest montaż kolana bezpośrednio za zaworem.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH
Kontrola kawitacji przy dużej różnicy ciśnień
Dla wysokich natężeń przepływu, przy dużej różnicy ciśnień i równocześnie wystarczająco wysokim ciśnieniu zredukowanym [
p 2
] stosuje się
cylindry szczelinowe
, które zmniejszają kawitację bezpośrednio w cylindrze.
Ciśnienie będzie redukowane stopniowo, poprzez każdą szczelinę.
Natężenie przepływu można dostosować do wymagań pracy instalacji:
• • •
używając większej lub mniejszej liczby szczelin, stosując różne wielkości szczelin, dobierając odpowiedni kształt otworów.
Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie maksymalnego natężenia przepływu.
Zaletą - nieomal liniowa charakterystyka, dostosowana do projektowanych warunków pracy.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH Kontrola kawitacji przy dużej różnicy ciśnień
W przypadku gdy a natężenie przepływu ma mniejsze znaczenie, głównym celem są: •
redukcja ciśnienia
•
uniknięcie kawitacji
używane są
cylindry perforowane
, kawitację bezpośrednio w cylindrze.
Dzięki różnorodności perforacji ekstremalnego zmniejszenia kawitacji.
Ciśnienie jest redukowane stopniowo.
które także redukują istnieje możliwość Im więcej otworów i im są one mniejsze • tym bardziej zmniejsza się natężenie przepływu, • tym większy jest spadek ciśnienia, • tym większa jest redukcja kawitacji.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH
Dobór zakresu pracy
Dobór wielkości i typu zaworu regulacyjnego poza kontrolą przepływu, redukcją ciśnienia i kontrolą kawitacji zależny jest od zakresu pracy, szczególnie w przypadkach, gdy jest on wyposażony w napęd regulacyjny oraz pozycjoner 4...20 mA.
Przekazane ze sterowni sygnały mogą uszkodzić zawór, gdy zakres jego pracy jest niewłaściwie dobrany lub tolerancja nastawy jest zbyt mała. Napęd wykonuje ruchy w kierunku otwierania i zamykania, bez zacznie możliwości osiągnięcia wyznaczonego położenia. Może to spowodować, że zawór wpadać w drgania.
Typowe zawory regulacyjne z ostrymi krawędziami przy wysokim natężeniu przepływu i wysokim stopniu redukcji cechuje ograniczona możliwość doboru zakresu pracy. Główna redukcja ciśnienia występuje najczęściej przy stopniu otwarcia poniżej 20%. W praktyce oznacza to, że napęd będzie oscylował w zakresie otwarcia pomiędzy 0 - 20%. W takich warunkach zarówno skrzynia przekładniowa, napęd elektryczny, jak i sam zawór ulegają bardzo znacznemu zużyciu.
Regulacyjny zawór pierścieniowo-tłokowy z cylindrem szczelinowym posiada mniejsze natężenie przepływu, lecz doskonałą możliwość doboru zakresu pracy.
W przypadku, gdy dla wybranego zaworu zwiększyć jego średnicę. Pozwoli to optymalnie dobrać zakres pracy do wymaganego natężenia przepływu.
natężenie przepływu jest niewystarczające, musimy W zależności od potrzeb można stosować cylindry, które posiadają szczeliny o kształcie nieliniowym.
ZAKRES PRACY ZAWORU
Q max
Ograniczona możliwość doboru zakresu pracy zaworu.
Q max 20 % Stopień otwarcia zaworu 100 % 55% Stopień otwarcia zaworu 100 %
Duży zakres możliwości doboru paramterów pracy zaworu.
ZAKRES PRACY ZAWORU
Ograniczone możliwości doboru zakresu pracy oraz dopuszczalnych odchyleń od założonych wartości powodują, że występują problemy z ustaleniem wymaganej pozycji i zadanej wartości natężenia przepływu. W sytuacji kiedy małe zmiany pozycji zaworu powodują znaczne wahania natężenia przepływu lub redukcji ciśnienia, napęd zaworu będzie ciągle otrzymywał sygnał zmiany położenia. Ciągłe ruchy powodują, że zawór wpada w drgania.
Sygnał wyjściowy z napędu 4..20 mA Sygnał wejściowy 4…20 mA do pozycjonera / napędu Nastawione natężenie przepływu / o.k?
tak nie stop
ZAKRES PRACY ZAWORU