Automatyzacja

Automatyzacja

w

w

ogrzewnictwie

ogrzewnictwie

i klimatyzacji

i klimatyzacji

Automatyzacja

Automatyzacja

w ogrzewnictwie i klimatyzacji

w ogrzewnictwie i klimatyzacji

Wyk

ład 1

Wyk

ład 1

Wst

ępne informacje

Wst

ępne informacje

Forma zaliczenia wyk

ładu:

•

kolokwium 15.01.2011

Obecno

ść na wykładach:

•

zalecana, b

ędzie sprawdzana wyrywkowo.

Tematem wyk

ładów będzie charakterystyka i dobór elementów automatyki

budynków:

•

Zawory regulacyjne przelotowe: charakterystyka i zasady doboru

•

Zawory regulacyjne trójdrogowe: charakterystyka i zasady doboru

•

Przepustnice wentylacyjne i klapy: charakterystyka i zasady doboru

•

Nap

ędy zaworów i przepustnic

•

Regulatory stosowane w ogrzewnictwie, ciep

łownictwie i klimatyzacji

•

Czujniki i przetworniki pomiarowe: temperatury, wilgotno

ści i jakości

powietrza, ci

śnienia, przepływu, prędkości i ruchu.

LITERATURA

LITERATURA

1.

Zawada B.: Uk

łady sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji.

Warszawa 2006.

2.

Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urz

ądzeń ciepłowniczych.

Warszawa 1997.

3.

Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego.

Warszawa 1997.

4.

Kostyrko K.,

Łobzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.

Elementy wykonawcze

Elementy wykonawcze

Zawory regulacyjne jednodrogowe

Zawory regulacyjne jednodrogowe

(przelotowe)

(przelotowe)

Elementy wykonawcze

Elementy wykonawcze –

– zawory

zawory

regulacyjne w uk

ładzie regulacji

regulacyjne w uk

ładzie regulacji

Element wykonawczy (zawór regulacyjny) + nap

ęd (siłownik) =

urz

ądzenie wykonawcze

.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

_

Zawory regulacyjne

Zawory regulacyjne

Zawory regulacyjne dzieli si

ę według:

•

budowy: zawory jedno-, trój- i czterodrogowe, (zawory mog

ą być jedno-

lub dwugniazdowe),

•

rodzaju po

łączenia: zawory kołnierzowe i gwintowe,

•

zasady dzia

łania: zawory grzybkowe, kulowe (kurki), klapy, zasuwy,

•

materia

łu korpusu: żeliwo szare, mosiądz, brąz, staliwo (gniazdo zaworu

wykonuje si

ę z mosiądzu lub stali nierdzewnej).

•

kszta

łtu grzybka i charakterystyki otwarcia (charakterystyki przepływu),

Podstawowe parametry charakterystyki zaworu to:
średnica nominalna DN,
ci

śnienie nominalne PN,

wspó

łczynnik przepływu Kvs (Cvs=1,17 Kvs )

Jednodrogowe zawory regulacyjne

Jednodrogowe zawory regulacyjne

• Literatura:

• Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach

ogrzewania wodnego. Warszawa 1997.

• Jednodrogowy zawór regulacyjny w literaturze

polskiej

bywa

nazywany

zamiennie

zaworem

jednodrogowym

lub

przelotowym

.

Nazwa

przelotowy u

żywana jest głównie publikacjach

t

łumaczonych z języka niemieckiego.

Konstrukcje zaworów jednodrogowych

Konstrukcje zaworów jednodrogowych

Zawory jednogniazdowe i dwugniazdowe

Zawory dwugniazdowe

Zawory dwugniazdowe

• W

wypadku

zaworów

dwugniazdowych

p

łyn

dop

ływa do obu grzybów zarówno zgodnie, jak i

przeciwnie do kierunku zamykania.

• Ci

śnienie płynu działające na oba grzyby jest w

du

żym stopniu zrównoważone, tak że ten rodzaj

konstrukcji nie wymaga, nawet przy du

żej różnicy

ci

śnienia na zaworze, przenoszenia przez siłownik

du

żych sił, a przepływ może zachodzić w

dowolnym kierunku.

• To

rozwi

ązanie jest więc także konstrukcją

umo

żliwiającą

zmian

ę

kierunku

dzia

łania

na

odwrotny.

Zawory dwugniazdowe

Zawory dwugniazdowe

• Zawory dwugniazdowe stosowane s

ą w parowych i

wodnych instalacjach wysokoci

śnieniowych, gdzie

wyst

ępują duże różnice ciśnienia przed i za

zaworem.

• Do ca

łkowitego zamknięcia takiego zaworu bez

odci

ążenia

hydraulicznego

musia

łyby

by

ć

stosowane du

że, kosztowne siłowniki elektryczne o

du

żej sile osiowej.

• Dobieraj

ąc

zawór

dwugniazdowy

mo

żemy

zastosowa

ć tanie siłowniki o niewielkiej sile.

Wspó

łczynnik przepływu zaworu

Wspó

łczynnik przepływu zaworu

Strumie

ń przepływu wyrażony w m3/h, wyznaczony przy

ustalonym skoku grzyba zaworu oraz przy spadku ci

śnienia

na zaworze

Δp

o

równym 1 bar i g

ęstości przepływającego

czynnika

ρ

o

= 1000 kg/m3 nazywany jest wspó

łczynnikiem

przep

ływu Kv.

m3/h

⋅

∆

⋅

=

p

V

K

v

1

Wspó

łczynnik przepływu zaworu

Wspó

łczynnik przepływu zaworu

• W wypadku innej straty ci

śnienia niż Δp

o

= 1 bar i

p

łynów o gęstości innej niż gęstość wody

ρ

o

=1000kg/m3

wspó

łczynnik przepływu Kv obliczymy

o

o

v

p

p

V

K

ρ

ρ

⋅

∆

∆

⋅

=

Nominalny wspó

łczynnik przepływu zaworu

Nominalny wspó

łczynnik przepływu zaworu

Kvs

Kvs

• Obliczaj

ąc

wymiary

zaworu

okre

śla

si

ę

nominalny wspó

łczynnik przepływu Kvs przez

zawór ca

łkowicie otwarty.

• Warto

ść

ta

charakteryzuje

minimalny

opór

hydrauliczny zaworu.

• Obliczenie

Kvs

umo

żliwia

dobranie

średnicy

zaworu z katalogu.

• Dla tej samej

średnicy w katalogu może być

podane

kilka

wspó

łczynników przepływu Kvs

zaworu.

Zale

żności do obliczenia wymaganych

Zale

żności do obliczenia wymaganych

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów wg. PN

gazów wg. PN--83/74201

83/74201

Zale

żności do obliczenia wymaganych

Zale

żności do obliczenia wymaganych

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów wg. PN

gazów wg. PN--83/74201

83/74201

•

V - obj

ętościowe natężenie przepływu, m3/h,

•

Vn - obj

ętościowe natężenie przepływu w warunkach normalnych (T

n

=

273,15 K, p

n

= 101325 Pa), m3/h,

•

m - masowe nat

ężenie przepływu, kg/h,

•

p

1

- ci

śnienie dopływu, Pa,

•

p

2

- ci

śnienie odpływu, Pa,

•

Δp - dyspozycyjny spadek ciśnienia, Pa,

•

ρ

1

- g

ęstość czynnika na dopływie, kg/m3 ,

•

ρ

n

- g

ęstość czynnika w warunkach normalnych ( T

n

= 273,15 K, p

n

=

101325 Pa), kg/m3,

•

T

1

- temperatura czynnika przed zaworem, K,

•

v

2

- obj

ętość właściwa pary dla parametrów p

2

i T

1

, m3/kg,

•

v

2

* - obj

ętość właściwa pary dla parametrów p

1

/2 i T

1

, m3/kg,

•

x - stopie

ń nasycenia pary (0 < x ≤ 1).

Zale

żności do obliczenia wymaganych

Zale

żności do obliczenia wymaganych

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

wspó

łczynników przepływu dla cieczy, par i

gazów

gazów

•

Gdy lepko

ść jest większa niż

2×10

-5

m

2

/s

to wspó

łczynnik przepływu

Kv nale

ży skorygować według zależności:

Kv’

- skorygowany wspó

łczynnik przepływu zaworu.

β- współczynnik korekcyjny

Przy bardzo dok

ładnych obliczeniach współczynnika przepływu dla

par i gazów nale

ży również uwzględnić zmiany gęstości

spowodowane zmian

ą ciśnienia i temperatury.

β

⋅

=

v

v

K

'

K

Charakterystyki zaworów

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

• – dlaczego zajmujemy si

ę tym tematem?

• Zasada doboru zaworów regulacyjnych -

minimalizacja waha

ń współczynnika

wzmocnienia obiektu regulacji !

Zasada doboru zaworów regulacyjnych

Zasada doboru zaworów regulacyjnych

--

minimalizacja waha

ń współczynnika wzmocnienia

minimalizacja waha

ń współczynnika wzmocnienia

obiektu regulacji

obiektu regulacji

zawór

zawór reg

reg.

.

+

+

wymiennik ciep

ła

wymiennik ciep

ła

Charakterystyka statyczna obiektu regulacji:

zawór reg.

+

wymiennik ciep

ła

a –

zaworu regulacyjnego (sta

łoprocentowa),

b –

wymiennika ciep

ła

,

c –

wymiennika ciep

ła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji)

ks

h/h

s

m

h

a

m/m

s

Q/Q

s

m

Q

b

h/h

s

h

Q/Q

s

m

Q/Q

s

h

Q

k

s

∆

∆

=

m/m

s

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

• Charakterystyki zaworów regulacyjnych wyznacza si

ę we

wspó

łrzędnych względnych zdefiniowanych następująco:

• wzgl

ędny współczynnik przepływu:

• wzgl

ędny skok grzyba zaworu:

• wzgl

ędny strumień objętości:

• wzgl

ędne pole przepływu przez zawór:

Indeks s oznacza warto

ści nominalne (100% otwarcie zaworu)

vs

v

v

K

K

k

=

s

H

H

h

=

s

V

V

v

=

s

A

A

s

=

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

• Rozró

żnia się następujące charakterystyki zaworów:

• charakterystyk

ę otwarcia zaworu s = f(h); jest to

zale

żność

pomi

ędzy

wzgl

ędnym

polem

powierzchni

przekroju poprzecznego i wzgl

ędnym skokiem grzybka

zaworu,

• charakterystyk

ę wewnętrzną przepływu zaworu kv = f(h),

jest to zale

żność pomiędzy współczynnikiem przepływu

zaworu (

przy zachowaniu sta

łego spadku ciśnienia na

zaworze

) i wzniosem grzybka zaworu,

• charakterystyk

ę

robocz

ą

przep

ływu

zaworu

(eksploatacyjn

ą) v = f(h), kv = f(h) jest to zależność

pomi

ędzy

wzgl

ędnym

strumieniem

czynnika

przep

ływającego przez zawór w warunkach pracy w danej

instalacji (

przy zmiennym spadku ci

śnienia na zaworze

) i

wzniosem grzybka zaworu

Charakterystyki zaworów

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

Charakterystyki

otwarcia

i

wewn

ętrzna są w dużym

przybli

żeniu jednokształtne, to znaczy, że współczynnik

zaworu kv zmienia si

ę analogicznie jak pole powierzchni

przep

ływu w funkcji wzniosu grzybka h.

W

ogrzewnictwie

i

wentylacji

stosowane

s

ą zawory o

nast

ępujących charakterystykach wewnętrznych kv=f(h):

• liniowej (proporcjonalnej),

• sta

łoprocentowej (logarytmicznej),

• dwustawnej (zawory szybko otwieraj

ące).

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

Charakterystyki zaworów regulacyjnych

1 – liniowa
2 – sta

łoprocentowa

3 – sta

łoprocentowa

4 - dwustawna

Charakterystyka otwarcia zaworu

Charakterystyka otwarcia zaworu

W odniesieniu do jako

ści zaworu regulacyjnego decydujące znaczenie ma

W odniesieniu do jako

ści zaworu regulacyjnego decydujące znaczenie ma

tzw. dok

ładność regulacji

tzw. dok

ładność regulacji ΔA

ΔA//Δh

Δh. Im mniejsza zależność

. Im mniejsza zale

żność ΔA

ΔA//Δh

Δh, tym

, tym

precyzyjniej i dok

ładniej można wyregulować zawór

precyzyjniej i dok

ładniej można wyregulować zawór

1

2

b

4

d

h

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

(wewn

ętrzna przepływu)

(wewn

ętrzna przepływu)

const

h

V

=

∆

∆

const

h

k

v

=

∆

∆

s

vs

v

h

h

k

k

=

Liniowa charakterystyka zaworu

Liniowa charakterystyka zaworu

(wewn

ętrzna przepływu)

(wewn

ętrzna przepływu)

• Z równania charakterystyki wynika,

że w dolnym

zakresie skoku zmiana ma wi

ększe skutki i w

pewnych okoliczno

ściach może być przyczyną

niestabilnej pracy instalacji.

• Oznacza to,

że wadą liniowej charakterystyki

przep

ływowej zaworu jest zbyt duża reakcja w

dolnym i zbyt du

ża czułość w górnym zakresie

skoku, co mo

że być przyczyną zbyt wolnej zmiany

po

łożenia grzyba zaworu.

Sta

łoprocentowa

Sta

łoprocentowa charakterystyka zaworu

charakterystyka zaworu

(wewn

ętrzna przepływu)

(wewn

ętrzna przepływu)

• W charakterystyce sta

łoprocentowej, w całym zakresie

skoku uzyskiwana jest sta

ła zależność procentowej zmiany

strumienia obj

ętości,

• to znaczy,

że ingerencja w położenie regulacyjne zaworu,

zawsze

powoduje

tak

ą

sam

ą

zmian

ę

procentowej

strumienia obj

ętości niezależnie od tego, przy jakim skoku

ma miejsce taka ingerencja

const

V

/

V

h

/

h

V

/

V

s

s

s

=

∆

⋅

∆

Sta

łoprocentowa charakterystyka zaworu

Sta

łoprocentowa charakterystyka zaworu

const

V

/

V

h

/

h

V

/

V

s

s

s

=

∆

⋅

∆

)

1

h

/

h

(

n

vs

v

s

e

k

/

k

−

⋅

=

kvo/kvs= 0,3679 przy

n = 1

= 0,1353

n = 2

= 0,0498

n = 3

= 0,0183

n = 4

Sta

łoprocentowa charakterystyka zaworu

Sta

łoprocentowa charakterystyka zaworu

• Zaskakuj

ące jest, że także przy zamkniętym zaworze

przep

ływa przez niego strumień masy wymagany przy

obci

ążeniu podstawowym.

• Zjawisko to jest jednak nieprzydatne do wykorzystania w

instalacjach ogrzewania.

• Z tego wzgl

ędu w najniższym zakresie skoku, przerywany

jest

przebieg

sta

łoprocentowej charakterystyki zaworu

opisany

wzorem

i

zast

ępowany

niezdefiniowanym

odcinkiem krzywej.

• W praktyce przyj

ęło się stosować wartość stosunku

kvo/kvs = 0,04,

• co odpowiada sta

łej

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

• Odchy

łka

warto

ści

wspó

łczynnika

kvs

(wspó

łczynnik kv przy skoku zaworu 100%) danego

zaworu nie mo

że być, większa niż ±10% wartości

wspó

łczynnika kvs.

• Nachylenie charakterystyki rzeczywistej nie mo

że

odbiega

ć w zakresie h/hs = 0,1 do 1,0 od

nachylenia charakterystyki nominalnej nie wi

ęcej

ni

ż 30%.

• Najmniejszy wspó

łczynnik przepływu kvs, przy

którym zachowane s

ą jeszcze granice tolerancji

okre

ślany jest jako współczynnik kvr

Parametry zaworów regulacyjnych

Parametry zaworów regulacyjnych

• Teoretyczny stosunek regulacji kvs/kvo powinien

wynosi

ć ≥ 25 (

kvo/kvs

≤ 0.04

).

• W zaworach o wysokiej jako

ści regulacji stosunek

regulacji kvs/kvo = 50 (

kvo/kvs = 0.02

).

•• Stosunek

Stosunek

regulacji

regulacji

jest

jest

wa

żną

wa

żną

wielko

ścią

wielko

ścią

świadczącą

świadczącą o

o

mo

żliwościach

mo

żliwościach regulacyjnych

regulacyjnych

zaworu

zaworu !!..

Charakterystyka robocza przep

ływu zaworu

(eksploatacyjna)

• Charakterystyka

uwzgl

ędniająca

warunki

zamontowania

zaworu

nazywana

jest

charakterystyk

ą eksploatacyjną

(charakterystyk

ą

robocz

ą przepływu).

• W wypadku zamontowania zaworu regulacyjnego w

sieci

obowi

ązuje zasada: podczas zamykania

zaworu wzrasta strata ci

śnienia na zaworze.

Rozk

ład ciśnienia w odcinku rurociągu

Rozk

ład ciśnienia w odcinku rurociągu

b

ędącym obiektem regulacji

b

ędącym obiektem regulacji

S

Z

calk

p

p

p

∆

+

∆

=

∆

100

Autorytet zaworu

Autorytet zaworu –

– kryterium d

ławienia

kryterium d

ławienia

W celu okre

ślenia ilościowego przebiegu charakterystyki

eksploatacyjnej

wprowadzone

zosta

ło

poj

ęcie

tzw.

autorytetu zaworu

(kryterium d

ławienia)

a.

Autorytet zaworu oznacza udzia

ł oporu stawianego przez

zawór ca

łkowicie otwarty w odniesieniu do całkowitego

oporu sieci wraz z zaworem

calk

100

z

p

p

a

∆

∆

=

S

Z

calk

p

p

p

∆

+

∆

=

∆

100

Autorytet zaworu

Autorytet zaworu

• Autorytet

zaworu

bywa

nazywany

równie

ż

kryterium d

ławienia.

• Autorytet zaworu jest równie

ż definiowany jako

stosunek ró

żnicy ciśnień na zaworze całkowicie

otwartym do ró

żnicy ciśnień na zaworze całkowicie

zamkni

ętym.

0

100

z

z

p

p

a

∆

∆

=

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce liniowej

charakterystyce liniowej

((przy zmiennym spadku ci

śnienia na zaworze

przy zmiennym spadku ci

śnienia na zaworze)

)

2

100

100

)

h

/

h

(

a

a

1

1

V

/

V

+

−

=

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

Charakterystyki eksploatacyjne zaworu o

charakterystyce

charakterystyce sta

łoprocentowej

sta

łoprocentowej

((przy zmiennym spadku ci

śnienia na zaworze

przy zmiennym spadku ci

śnienia na zaworze)

)

2

)

1

h

/

h

(

n

100

]

e

[

a

a

1

1

V

/

V

100

−

+

−

=

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

• Przy wyprowadzaniu

równa

ń charakterystyki

eksploatacyjnej przyj

ęte

zosta

ło założenie, że

ca

łkowita strata

ci

śnienia jest wartością

sta

łą.

2

100

100

)

h

/

h

(

a

a

1

1

V

/

V

+

−

=

2

)

1

h

/

h

(

n

100

]

e

[

a

a

1

1

V

/

V

100

−

+

−

=

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

• W wypadku zastosowania pomp wirowych

warunek

Δp

ca

łk

=const

nie

jest

spe

łniony.

Charakterystyka pompy, która przy coraz
mniejszych

strumieniach

przep

ływu

powoduje wzrost ró

żnicy ciśnienia, powoduje

tak

że

przyrost

strumienia

obj

ętości

o

okre

śloną wartość (ΔV ) przy danym stopniu

otwarcia zaworu.

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

•

Po zastosowaniu pompy wirowej przy takim samym po

łożeniu zaworu powstaje

wi

ększy strumień objętości (Δp

ca

łk

jest zmienne).

•

Oznacza to tak

że, że przedstawione na poniższych rysunkach charakterystyki

eksploatacyjne b

ędą jeszcze bardziej przesunięte do góry.

•

W praktyce projektowej nale

ży dążyć do stosowania w instalacjach ogrzewania

pomp o mo

żliwie płaskiej charakterystyce.

Zasady konstruowania i analiza

charakterystyk statycznych obiektu

regulacji:

zawór – wymiennik ciep

ła

Podstawowa zasada doboru zaworów

Podstawowa zasada doboru zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

Charakterystyka statyczna obiektu regulacji:

zawór reg.

+

wymiennik ciep

ła

a –

zaworu regulacyjnego (sta

łoprocentowa),

b –

wymiennika ciep

ła

,

c –

wymiennika ciep

ła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji)

h/h

s

m

h

a

m/m

s

Q/Q

s

m

Q

b

h/h

s

h

Q/Q

s

m

Q/Q

s

m/m

s

Minimalizacja waha

ń współczynnika wzmocnienia obiektu regulacji

1

const

Δh

ΔQ

k

s

=

=

=

Przyk

ładowa rzeczywista charakterystyka

Przyk

ładowa rzeczywista charakterystyka

cieplna wymiennika ciep

ła

cieplna wymiennika ciep

ła

Charakterystyka cieplna grzejnika Q/Q

100

= f(m/m

100

);

ρ=const

Oznaczenia:

Φ – parametr obliczeniowy

wymiennika (grzejnika)

100

p

100

p

100

t

c

m

t

c

m

Q

/

Q

∆

⋅

⋅

∆

⋅

⋅

=

i

z

p

z

o

t

t

t

t

t

t

−

−

=

∆

∆

=

Φ

100

100

100

100

100

p

z

100

o

)

t

t

(

t

−

=

∆

i

z100

t

t

Δt

−

=

Przyk

ładowa rzeczywista charakterystyka

Przyk

ładowa rzeczywista charakterystyka

cieplna wymiennika ciep

ła (grzejnika

cieplna wymiennika ciep

ła (grzejnika c.o

c.o.)

.)

Φ (a?) – parametr obliczeniowy wymiennika (grzejnika)

Ca

łkowita charakterystyka

Ca

łkowita charakterystyka stat

stat. Instalacji (zawór +

. Instalacji (zawór +

wymiennik) przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce

wymiennik) przy zastosowaniu zaworu o charakterystyce

liniowej

liniowej

?

=

∆

∆

=

h

Q

k

s

k

s

-współczynnik

wzmocnienia

Ca

łkowita charakterystyka instalacji przy

Ca

łkowita charakterystyka instalacji przy

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

)

/

(

)

/

(

100

100

100

h

h

d

Q

Q

d

k

k

k

S

S

W

=

=

Wspó

łczynnik przenoszenia

k

w

(nachylenie

stycznej – wzgl

ędna wartość współczynnika

wzmocnienia

k

s

)

Ca

łkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem

Ca

łkowita charakterystyka instalacji z zastosowaniem

zaworu o charakterystyce sta

łoprocentowej

zaworu o charakterystyce sta

łoprocentowej

0,1

Wnioski z wykonanej analizy

Wnioski z wykonanej analizy

Przedstawiona

na

rysunkach

charakterystyka

instalacji

(charakterystyka

statyczna

obiektu

regulacji:

zawór

+

grzejnik) zale

ży nie tylko od budowy i autorytetu zaworu, ale

tak

że od parametru obliczeniowego wymiennika Φ.

Dla ka

żdej wartości parametru obliczeniowego grzejnika Φ

mo

żna, zgodnie z rysunkami, dobrać optymalny autorytet i

charakterystyk

ę zaworu, które pozwolą na uzyskanie

liniowego przebiegu ca

łkowitej charakterystyki statycznej

obiektu regulacji (zawór-wymiennik) tj. charakterystyki o
zminimalizowanych

wahaniach

wspó

łczynnika

wzmocnienia.

1

const

Δh

ΔQ

k

s

=

=

=

Metody doboru zaworów regulacyjnych

Metody doboru zaworów regulacyjnych

W oparciu o wyniki analizy charakterystyk statycznych

obiektów regulacji opracowano nast

ępujące metody

doboru zaworów regulacyjnych:

1. Metoda minimalizacji waha

ń współczynnika wzmocnienia

obiektu regulacji.

2. Metoda orientacyjnych warto

ści współczynnika autorytetu

(d

ławienia).

Metoda minimalizacji waha

ń współczynnika

Metoda minimalizacji waha

ń współczynnika

wzmocnienia obiektu regulacji.

wzmocnienia obiektu regulacji.

• Celem tej metody jest optymalizacja doboru charakterystyki

zaworu regulacyjnego zapewniaj

ąca minimalizację wahań

wspó

łczynnika wzmocnienia obiektu regulacji.

• Zastosowanie tej metody jest mo

żliwe jedynie w przypadku

znajomo

ści dokładnej charakterystyki statycznej wymiennika

ciep

ła, charakterystyki wewnętrznej zaworu (zapisanej w

postaci równa

ń) oraz możliwości swobodnego doboru

wspó

łczynnika autorytetu (charakterystyki) zaworu.

• W wyniku oblicze

ń charakterystyka robocza dobranego

zaworu powinna by

ć tak ukształtowana aby po złożeniu jej z

charakterystyk

ą

wymiennika

powsta

ła

liniowa

charakterystyka obiektu regulacji (zawór-wymiennik).

Podstawowa zasada metody minimalizacja waha

ń

Podstawowa zasada metody minimalizacja waha

ń

wspó

łcz

wspó

łcz. wzmocnienia obiektu regulacji:

. wzmocnienia obiektu regulacji:

- regulacja przep

ływu

- regulacja mocy (temperatury)

Przyk

ład regulacji mocy wymiennika:

h/h

s

m

h

a

m/m

s

Q/Q

s

m

Q

b

h/h

s

h

Q/Q

s

m

Q/Q

s

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

S

W

c

m/m

s

Charakterystyki ró

żnych wymienników (nośników) ciepła

Charakterystyki ró

żnych wymienników (nośników) ciepła

wg

wg Arbeitskreis„Regelungs

Arbeitskreis„Regelungs-- und

und Steuerugstechnik

Steuerugstechnik …”

…”

Równanie charakterystyki wymienników ciep

ła

gdzie:

a – parametr obliczeniowy wymiennika jest

zale

żny od parametrów obliczeniowych

czynnika grzejnego i uk

ładu hydraulicznego

(w przyk

ładzie z grzejnikiem oznaczony jako Φ).

Wymiennik ciepła (nośnik ciepła)

a

Chłodnica powietrza

0,15…0,25

Nagrzewnica powietrza ze zmiennym przepływem

0,6…0,7

Temperatura zasilania

1

Parametr obliczeniowy wymiennika

Parametr obliczeniowy wymiennika

•

Wg. Wurstlina parametr obliczeniowy wymiennika

a mo

że być

wyliczony z opracowanych przez niego zale

żności (patrz też B. Zawada

„Uk

łady sterowania systemach wentylacji i klimatyzacji”).

•

Przyk

ładowo dla nagrzewnic powietrza ze zmiennym przepływem

czynnika grzejnego parametr a okre

śla zależność

gdzie: Tzo, Tpo – temperatury obliczeniowe czynnika grzejnego,

tzo

–

temperatura

obliczeniowa

powietrza

na

wlocie

do

nagrzewnicy.

•

Dla grzejnika w pomieszczeniu

zo

zo

po

zo

t

T

T

T

a

−

−

=

6

.

0

i

z

p

z

t

t

t

t

a

−

−

=

Φ

=

100

100

100

Optymalne warto

ści współczynnika autorytetu:

Optymalne warto

ści współczynnika autorytetu:

wg

wg Arbeitskreis„Regelungs

Arbeitskreis„Regelungs-- und

und Steuerugstechnik

Steuerugstechnik …”

…”

Oznaczenia:
a

v

- wspó

łczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy wymiennika,

gl, lin – linie najmniejszych waha

ń współczynnika wzmocnienia zaworów

sta

łoprocentowych (gl) i liniowych (lin).

Dla zaworów sta

łprocentowych przy a=0.6 optymalne a

v

= 0.25-0.6

Krzywa
graniczna

Metoda minimalizacji waha

ń wartości

Metoda minimalizacji waha

ń wartości

wspó

łczynnika wzmocnienia

wspó

łczynnika wzmocnienia

Metoda minimalizacji waha

ń wartości współczynnika wzmocnienia została

szczegó

łowo opisana w publikacjach:

F. Trefnego, Wurstlina, B. Zawady.

Stosowanie w praktyce projektowej metody minimalizacji waha

ń wartości

wspó

łczynnika wzmocnienia wymagałoby zbyt dużego nakładu pracy na

obliczenia:

1. konieczna jest znajomo

ść równania do obliczenia parametru

wymiennika a (

Φ).

2. brak mo

żliwości doboru dokładnej wartości współczynnika autorytetu

zaworu a

v

(charakterystyki eksploatacyjnej) ze wzgl

ędu na skokową

zmian

ę Kvs w katalogach.

Dlatego w praktyce powszechnie stosowana jest metoda oparta na
doborze orientacyjnej warto

ści współczynnika autorytetu

(kryterium d

ławienia) zaworu.

Metoda doboru orientacyjnej warto

ści

Metoda doboru orientacyjnej warto

ści

wspó

łczynnika autorytetu (kryterium

wspó

łczynnika autorytetu (kryterium

d

ławienia).

d

ławienia).

•

Podstawowym kryterium doboru

średnicy zaworów jednodrogowych w

tej metodzie jest zalecana warto

ść kryterium dławienia (autorytetu)

zaworu.

•

Zalecana warto

ść jest to zakres wartości współczynnika autorytetu, dla

którego na podstawie bada

ń ustalono dopuszczalny zakres wahań

wspó

łczynnika

wzmocnienia,

gwarantuj

ący

zadowalaj

ącą

jako

ść

regulacji.

Metoda orientacyjnej warto

ści współczynnika

Metoda orientacyjnej warto

ści współczynnika

autorytetu (kryterium d

ławienia).

autorytetu (kryterium d

ławienia).

Wybór autorytetu zaworu

• Przy

liniowej

charakterystyce

zaworu

jako

wielko

ść

orientacyjn

ą przyjmuje się autorytet zaworu

a = 0,5 do 1.0

• Przy sta

łoprocentowej charakterystyce zaworu jako wielkość

orientacyjn

ą 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

W przypadku w

ęzłów ciepłowniczych najczęściej przyjmuje się

a

≈ 0.5 ?)

Przy wyborze autorytetu powinny by

ć brane pod uwagę także:

koszt

zaworu

oraz

koszty

eksploatacyjne

(koszt

pompowania).

Zasady doboru zaworów regulacyjnych

Zasady doboru zaworów regulacyjnych

1. W praktyce w instalacjach ogrzewania nale

ży preferować

zawory o charakterystyce sta

łoprocentowej.

2.

Z

przeprowadzonych

analiz

charakterystyk

sta

łoprocentowych wynika, że w celu osiągnięcia możliwie

dobrej jako

ści regulacji instalacji w zakresie najmniejszego

obci

ążenia należy wybrać możliwie duży stosunek

regulacji (

≥25, 30 a najczęściej 50).

3. Podstaw

ą do doboru średnicy nominalnej zaworu

regulacyjnego jest obliczenie wspó

łczynnika przepływu Kvs

[m3/h]

gdzie:

V[m3/h]

– obliczeniowy strumie

ń objętości wody,

Δp

z100

[bar] – strata ci

śnienia na zaworze regulacyjnym

ca

łkowicie otwartym.

Dla za

łożonej wartości współczynnika

)

(

100

100

S

Z

Z

p

p

a

p

∆

+

∆

⋅

=

∆

S

100

Z

p

a

1

a

p

∆

⋅

−

=

∆

Obliczenie wspó

łczynnika przepływu

Obliczenie wspó

łczynnika przepływu Kvs

Kvs

100

Z

S

VS

p

V

K

∆

=

s

z

z

p

p

p

a

∆

+

∆

∆

=

100

100

Dla za

łożonej wartości współczynnika autorytetu

obliczamy

)

(

100

100

S

Z

Z

p

p

a

p

∆

+

∆

⋅

=

∆

S

100

Z

p

a

1

a

p

∆

⋅

−

=

∆

Spadek ci

śnienia na dobieranym zaworze

Spadek ci

śnienia na dobieranym zaworze

regulacyjnym

regulacyjnym

s

z

z

p

p

p

a

∆

+

∆

∆

=

100

100

Spadek ci

śnienia na zaworze regulacyjnym

Spadek ci

śnienia na zaworze regulacyjnym

• Minimalny spadek ci

śnienia na zaworze regulacyjnym jako

Δp ≥ 0.1 bar ( np. wg. Simensa Δp ≥ 0.03) .

• W instalacjach parowych przy w obliczeniach Kv zaworów

regulacyjnych nale

ży przyjmować

0.4÷0.5 (P

1

-1) bar

P1- ci

śnienie pary przed zaworem w [bar]

=

∆

100

Z

p

Dobór

średnicy zaworu

Dobór

średnicy zaworu

4. Po obliczeniu wspó

łczynnika przepływu K

VS

z katalogu

zaworów dobieramy

średnicę zaworu o wartości K

VS

najbli

ższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆p

d)

od

wyliczonej.

5. Sprawdzamy rzeczywist

ą wartość

a nast

ępnie rzeczywistą wartość autorytetu zaworu a.

4. W katalogu sprawdzamy pozosta

łe parametry zaworu:

• dopuszczalne ci

śnienie robocze (materiał zaworu),

• maksymaln

ą dopuszczalną temp. czynnika grzejnego,

• charakterystyk

ę

przep

ływową

(powinna

by

ć

sta

łoprocentowa),

• zdolno

ść regulacyjną (stosunek regulacji ≥ 25),

• rodzaj po

łączenia (gwintowe, kołnierzowe).

2

100









=

∆

VS

s

RZ

Z

K

V

p

Rodzaj materia

łu, z jakiego musi być

Rodzaj materia

łu, z jakiego musi być

wykonany korpus zaworu

wykonany korpus zaworu

Rodzaj materia

łu, z jakiego musi być wykonany korpus

zaworu zale

ży od dopuszczalnej temperatury i ciśnienia

przep

ływającego czynnika grzejnego.

Aktualnie na rynku znajduj

ą się zawory wykonywane z

•

br

ązu,

•

żeliwa szarego oznaczone symbolem GG,

•

z

żeliwa sferoidalnego oznaczone symbolem GGG

•

oraz ze staliwa oznaczone symbolem GS (oznaczenia

niemieckie).

Sprawdzenie zagro

żenia zaworu kawitacją

Sprawdzenie zagro

żenia zaworu kawitacją

• W przypadku nadmiernego spadku ci

śnienia na zaworze

nast

ępuje

gwa

łtowny

wzrost

pr

ędkości

w

miejscu

najwi

ększego przewężenia przekroju poprzecznego.

•

Spadek ci

śnienia powoduje miejscowe odparowanie cieczy,

która nast

ępnie skraplając się, z ogromną prędkością

uderza

o

ściankę

zaworu

powoduj

ąc

wyp

łukiwanie

powierzchni

analogiczne

do

czyszczenia

strumieniem

piasku.

• Zjawisku temu towarzyszy równie

ż duży wzrost poziomu

ha

łasu.

• Opisany wy

żej proces znany jest pod nazwą

kawitacji

i jest

bardzo gro

źny w układach hydraulicznych.

Dopuszczalny spadek ci

śnienia na zaworze

Dopuszczalny spadek ci

śnienia na zaworze

Dopuszczalny spadek ci

śnienia na zaworze nie

mo

że

przekracza

ć

dopuszczalnych

warto

ści

okre

ślonych zależnością:

Δp

v100

= Z (p

1

– p

s

)

gdzie:

• p

1

- ci

śnienie przed zaworem,

• p

s

- ci

śnienie nasycenia dla danej temperatury,

• Z

- wspó

łczynnik o wartościach Z = 0,5÷0,8.

Skutki b

łędnego doboru zaworu

Skutki b

łędnego doboru zaworu

Je

żeli do wyboru są dwie różne

warto

ści

wspó

łczynników

przep

ływu

K

VS

,

to

w

w

ątpliwych wypadkach należy

decydowa

ć się zawsze na

wybór zaworu o mniejszym
wspó

łczynniku K

VS

.

Je

żeli (V/V100)* - rzeczywisty,

nominalny strumie

ń objętości

jest mniejszy od za

łożonego,

zmniejsza si

ę zakres regulacji

i uk

ład pracuje niestabilnie.

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Δp

min-max

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Wraz ze wzrostem przy

łączeniowej różnicy ciśnienia z

Δp

ca

łk min

do

Δp

ca

łk max

minimalny strumie

ń objętości, możliwy

do sta

łoprocentowej regulacji, wzrasta od Vr do Vr* (patrz

rysunek).
W odniesieniu do wymaganego nominalnego strumienia
obj

ętości Vs, następuje zawężenie dostępnego zakresu

regulacji (ma

ły zakres pracy zaworu).

Oznacza to pogorszenie jako

ści regulacji (pogorszenie

dok

ładności nastawy zaworu).

W wypadku wyst

ępowania dużych wahań różnicy ciśnienia

Δp

ca

łk

nale

ży zamontować regulator różnicy ciśnienia i

przep

ływu, który pozwoliłby na utrzymanie różnicy ciśnienia

Δp

ca

łk

na sta

łym poziomie.

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Skutki waha

ń różnicy ciśnienia

Dzi

ękuję za uwagę !

Dzi

ękuję za uwagę !