Prowadzący: Jan Syposz

Transkrypt

1 Automatyka w Inżynierii Środowiska Wykład 5 Przelotowe zawory regulacyjne Prowadzący: Jan Syposz

2 Element wykonawczy zawory regulacyjne Zawór regulacyjny w układzie regulacji z w e u y obiekt regulacji urządzenie _ regulator wykonawcze obiekt regulacji y m element pomiarowy y

3 Konstrukcje zaworów przelotowych Zaworyjednogniazdowe idwugniazdowe

4 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. 1 K = V v p m3/h

5 Nominalny współczynnik przepływu zaworu Kvs Obliczając wymiary zaworu określa się nominalny współczynnik przepływu Kvs przez zawórcałkowicieotwarty. Wartość ta charakteryzuje minimalny opór hydrauliczny zaworu. Obliczenie Kvs umożliwia dobranie średnicy zaworu zkatalogu. Dla tej samej średnicy w katalogu może być podane kilka współczynników przepływu Kvs zaworu.

6 Zależności do obliczenia wymaganych współczynników przepływu dla cieczy, par i gazów wg. PN-83/74201

7 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 = 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 = 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).

8 Zasada doboru zaworów regulacyjnych -minimalizacja wahań współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji ks Charakterystyka statyczna obiektu regulacji: zawór reg. + wymiennik ciepła a zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b wymiennika ciepła, c wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji) a h m b m Q h m Q/Q s m/ms Q/Q s Q/Q s Q k s = h h/h s m/m s h/h s

9 Charakterystyki zaworów regulacyjnych W inżynierii środowiska stosowane są zawory o następujących charakterystykach wewnętrznych kv=f(h): liniowej (proporcjonalnej), stałoprocentowej (logarytmicznej), dwustawnej (zawory szybko otwierające).

10 Charakterystyki zaworów regulacyjnych 1 liniowa 2 stałoprocentowa 3 stałoprocentowa 4 - dwustawna

11 Charakterystyka otwarcia zaworu W odniesieniu do jakości zaworu regulacyjnego decydujące znaczenia ma tzw. dokładność regulacji ΔA/Δh. Im mniejsza zależność ΔA/Δh, tym precyzyjniej i dokładniej można wyregulować zawór 1 2 A = b h = π d2 / 4. h = π d 4 b 2

12 Charakterystyka otwarcia zaworu Grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce otwarcia Grzyb paraboliczny

13 Liniowa charakterystyka zaworu (wewnętrzna - przepływu) V = const h k v = h k v = k vs const h h s

14 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.

15 Stałoprocentowa charakterystyka zaworu (wewnętrzna przepływu) Wcharakterystyce stałoprocentowej, wcałym 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 h / V / h s V s = V / V s const

16 Stałoprocentowa charakterystyka zaworu h / V / V h V / s s = V s const k v / k vs = e n (h / h s 1) kvo/kvs= 0,3679 przy n = 1 = 0,1353 n = 2 = 0,0498 n = 3 = 0,0183 n = 4

17 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 izastępowany niezdefiniowanym odcinkiem krzywej. Wpraktyce przyjęło się stosować wartość stosunku kvo/kvs =0,04, co odpowiadastałej n=3,22.

18 Parametry zaworów regulacyjnych (rzeczywiste charakterystyki produkowanych zaworów) Wytyczne VDI/VDE %

19 Parametry zaworów regulacyjnych Odchyłka wartości współczynnika kvs (współczynnik kv przy skoku zaworu 100%) danego zaworu nie może być, większaniż ±10% wartościwspółczynnika kvs. Nachylenie charakterystyki rzeczywistej nie może odbiegać w zakresie h/hs = 0,1 do 1,0 od nachylenia charakterystyki nominalnej nie więcejniż 30%. Najmniejszy współczynnik przepływu kvs, przy którym zachowane sąjeszcze granice tolerancji określany jest jako współczynnik kvr Wielkość kvs/kvr określana jest mianem stosunku regulacji (nastawy), a wielkość kvs/kvo mianem teoretycznego stosunku regulacji.

20 Parametry zaworów regulacyjnych Stosunek regulacji jest ważną wielkością świadczącą o możliwościach regulacyjnych zaworu. Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien wynosić 25 Wzaworach owysokiej jakości regulacji stosunek regulacji kvs/kvo = 50

21 Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu będącym obiektem regulacji

22 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

23 Autorytet zaworu Autorytet zaworu oznacza udział oporu stawianego przez zawór całkowicie otwarty w odniesieniu do całkowitegooporu sieci wraz zzaworem a = p p z100 calk p p = calk Z100 + p S

24 Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce liniowej V / V 100 = 1 a + 1 a (h / h 100 ) 2

25 Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o charakterystyce stałoprocentowej V / V 100 = 1 a + [e 1 a n(h / h 100 1) ] 2

26 Przykładowa charakterystyka statyczna obiektu regulacji a h m b m Q h m Q/Q s Q/Q s Q/Q s h/h s m/m s h/h s

27 Metody doboru zaworów 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.

28 Metody doboru zaworów 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.

29 Metody doboru zaworów regulacyjnych W wyniku obliczeń charakterystyka robocza dobranego zaworu powinna być tak ukształtowana aby po złożeniu jej zcharakterystyką 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.

30 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!) Wprzypadku węzłów ciepłowniczych odużym ciśnieniu dyspozycyjnym (węzły położone blisko źródła ciepła) korzystne jest przyjęcie górnej wartości współczynnika autorytetu a 0.5

31 Obliczenie współczynnika przepływu Kvs K VS = V p S Z100 p Z100 = a ( pz100 + ps ) p Z100 = a 1 a p S

32 Rozkład ciśnienia w odcinku rurociągu będącym obiektem regulacji

33 Spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym Minimalny spadek ciśnienia na zaworze regulacyjnym jako Δp 0.1 bar. W instalacjach parowych przy w obliczeniach Kv zaworówregulacyjnych należy przyjmować p Z100 = (P1-1) bar

34 Kawitacja, 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.

35 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 wykonane z brązu, żeliwa szarego oznaczone symbolem GG, z żeliwa sferoidalnego oznaczone symbolem GGG oraz ze staliwa oznaczone symbolem GS (oznaczenia niemieckie).

36 Dziękuję za uwagę!

37 Automatyka w Inżynierii Środowiska Wykład 6 Trójdrogowe zawory regulacyjne Prowadzący: Jan Syposz

38 Element wykonawczy zawory regulacyjne Zawór regulacyjny w układzie regulacji z w e u y obiekt regulacji urządzenie _ regulator wykonawcze obiekt regulacji y m element pomiarowy y

39 Rodzaje wykonań armatury trójdrogowej Zawórtrójdrogowy: a) mieszający, b) rozdzielający

40 Rodzaje wykonań armatury trójdrogowej Cechą charakterystyczną zaworów trójdrogowych jest to, że powierzchnia przekroju jest zmieniana wdwóch gniazdach wprzeciwnych kierunkach.

41 Sposoby montażu zaworów trójdrogowych Wukładzie zzaworem 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.

42 Sposoby montażu zaworów trójdrogowych a) zawór mieszający, b) zawór mieszający pełniący funkcję zaworu rozdzielającego, c) zawór rozdzielający

43 Charakterystyki wewnętrzne zaworów trójdrogowych

44 Charakterystyki zaworów Wymagania: trójdrogowych strumień objętości w obwodzie odbiornika (przyłącze AB) jest stały, charakterystyka przyłącza A umożliwia zmianę mocy cieplnej instalacji proporcjonalnie do skoku zaworu.

45 Charakterystyki eksploatacyjne zaworów trójdrogowych wg. W. Chmielnickiego Charakterystyka eksploatacyjna zaworu trójdrogowego zależy od wartości spadków ciśnienia wposzczególnych obwodach układu reg. p or = p + p + p k100 Z100 G100 Z por = p zp + pz100 + p sp K ZP PM SP G

46 Charakterystyki eksploatacyjne zaworów trójdrogowych W przypadku, gdy opory przepływu w przewodzie mieszającym są równe oporom przepływu wobiegu ozmiennym przepływie, co jest korzystne dla zapewnienia odpowiedniego przepływu w tej gałęzi, to charakterystyka przepływowa zaworu zależy wyłącznie od udziału spadku ciśnienia w obiegu ozmiennym przepływie Δpk ioporu występującego na zaworze.

47 Charakterystyki eksploatacyjne zaworów trójdrogowych Stopień rozdziału A A = p p k100 or = p p Autorytet zaworutrójdrogowego -a zp or a = p p Z 100 calk k100 Z100 calk p p calk = p = p zp + + p p Z100

48 Charakterystyki eksploatacyjne 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 (...),

49 Charakterystyki eksploatacyjne 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 (...),

50 Charakterystyki eksploatacyjne zaworów trójdrogowych Z przedstawionej analizy wynika, że aby zapewnić minimalne zmiany przepływów wkróćcu AB, opory obiegu o zmiennym przepływie Δpzp powinnybyć małe wporównaniu do oporów obiegu o stałym przepływie Δpsp i spadku ciśnienia na zaworze regulacyjnym ΔpZ100. A = p p k100 or = p p A = 0,07 (xxxxx), zp or

51 Dobór zaworów trójdrogowych Deformacja charakterystyki przepływowej na wypływie zzaworu 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.

52 Charakterystyki eksploatacyjne 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 zkolei od doboru średnicy zaworu. W wypadku zaworów trójdrogowych taki wpływ wg. H. Rosa mają trzy parametry, amianowicie: a' = p Z / p zp b = p sp / p zp c = p pm / p zp

53 Charakterystyki eksploatacyjne zaworów trójdrogowych wg. H. Rosa

54 Wnioski dot. doboru zaworów trójdrogowych Zprzebiegu 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 iwtak małym stopniu zależna od parametru doboru a, że deformacja podstawowych charakterystyk zaworu nie może być miarodajna przy doborze zaworu. Wtakich sytuacjach, które występują w większości instalacji, trzeba przyjąć inne kryterium, np. kryterium współczynnika wzmocnienia kz 1dla wymiennika ciepła i wówczas wystarczy a=

55 Dziękuję za uwagę!