Automatyka

Automatyka

Wykład 2

Wykład 2

Przelotowe zawory

Przelotowe zawory

regulacyjne

regulacyjne

Prowadzący:

Jan Syposz

Element wykonawczy – zawory

Element wykonawczy – zawory

regulacyjne

regulacyjne

Zawór regulacyjny w układzie regulacji

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urządzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

_

Jednodrogowe (przelotowe) zawory

Jednodrogowe (przelotowe) zawory

regulacyjne

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

Konstrukcje zaworów

jednodrogowych (przelotowych)

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

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









p

V

K

v

1

Współczynnik przepływu zaworu

Współczynnik przepływu zaworu

• W wypadku innej straty ciśnienia niż

Δp

o

= 1 bar i płynów o gęstości innej

niż gęstość wody współczynnik
przepływu Kv obliczymy

o

o

v

p

p

V

K















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

współczynników przepływu dla cieczy, par

i gazów wg. PN-83/74201

i gazów wg. PN-83/74201

Zależności do obliczenia wymaganych

Zależności do obliczenia wymaganych

współczynników przepływu dla cieczy, par

współczynników przepływu dla cieczy, par

i gazów wg. PN-83/74201

i gazów wg. PN-83/74201

• V - objętościowe natężenie przepływu, m3/h,

• Vn - objętościowe natężenie przepływu w warunkach

normalnych (T

n

= 273,15 K, p

n

= 101325 Pa), m3/h,

• m - masowe natężenie przepływu, kg/h,

• p

1

- ciśnienie dopływu, Pa,

• p

2

- ciśnienie odpływu, Pa,

• Δp - dyspozycyjny spadek ciśnienia, Pa,

• ρ

1

- gęstość czynnika na dopływie, kg/m3 ,

• ρ

n

- gęstość czynnika w warunkach normalnych ( T

n

= 273,15 K,

p

n

= 101325 Pa), kg/m3,

• T

1

- temperatura czynnika przed zaworem, K,

• v

2

- objętość właściwa pary dla parametrów p

2

i T

1

, m3/kg,

• v

2

* - objętość właściwa pary dla parametrów p

1

/2 i T

1

, m3/kg,

• x - stopień nasycenia pary (0 < x ≤ 1).

Zależności do obliczenia wymaganych

Zależności do obliczenia wymaganych

współczynników przepływu dla cieczy, par

współczynników przepływu dla cieczy, par

i gazów

i gazów

• Gdy lepkość jest większa niż

2×10

-5

m

2

/s

to współczynnik

przepływu Kv należy skorygować według zależności:

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.







v

v

K

'

K

Charakterystyki zaworów

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

• Charakterystyki zaworów regulacyjnych wyznacza się we

współrzędnych względnych zdefiniowanych następująco:

• względny współczynnik przepływu:

• względny skok grzyba zaworu:

• względny strumień objętości:

• względne pole przepływu przez zawór:

Indeks s oznacza wartości nominalne (100%)

vs

v

v

K

K

k 

s

H

H

h 

s

V

V

v 

s

S

S

s 

Charakterystyki zaworów

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

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

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

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

Charakterystyki zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

1 – liniowa
2 –

stałoprocentowa
3 –

stałoprocentowa
4 - dwustawna

Charakterystyki otwarcia zaworów

Charakterystyki otwarcia zaworów

regulacyjnych

regulacyjnych

• 1 – grzyb płaski,

charakterystyka dwustawna
(zawory szybko otwierające),

• 2 – grzyb z jarzmem,

charakterystyka liniowa,

1

2

• O kształcie charakterystyki otwarcia i wewnętrznej przepływu

decyduje kształt grzyba:

Charakterystyka otwarcia zaworu

Charakterystyka otwarcia zaworu

3 – grzyb z jarzmem o progresywnej charakterystyce
otwarcia, charakterystyka stałoprocentowa

4 - grzyb paraboliczny ,

charakterystyka

stałoprocentowa

Liniowa charakterystyka zaworu

Liniowa charakterystyka zaworu

(wewnętrzna przepływu)

(wewnętrzna przepływu)

const

h

V







const

h

k

v







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

Stałoprocentowa charakterystyka

zaworu

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

Stałoprocentowa charakterystyka

zaworu

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

Stałoprocentowa charakterystyka

Stałoprocentowa charakterystyka

zaworu

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

Parametry zaworów regulacyjnych

(rzeczywiste charakterystyki

(rzeczywiste charakterystyki

produkowanych zaworów)

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

Parametry zaworów regulacyjnych

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

Rozkład ciśnienia w odcinku

rurociągu będącym obiektem

rurociągu będącym obiektem

regulacji

regulacji

Autorytet zaworu

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

calk

100

z

p

p

a







S

Z

calk

p

p

p











100

Autorytet zaworu

Autorytet zaworu

• Autorytet zaworu bywa nazywany również

współczynnikiem dławienia.

• Autorytet zaworu bywa również definiowany

jako stosunek różnicy ciśnień na zaworze
calkowicie otwartym do różnicy ciśnień na
zaworze całkowicie zamkniętym.

0

100

z

z

p

p

a







Charakterystyki eksploatacyjne

Charakterystyki eksploatacyjne

zaworu o charakterystyce liniowej

zaworu o charakterystyce liniowej

2

100

100

)

h

/

h

(

a

a

1

1

V

/

V







Charakterystyki eksploatacyjne

Charakterystyki eksploatacyjne

zaworu o charakterystyce

zaworu o charakterystyce

stałoprocentowej

stałoprocentowej

2

)

1

h

/

h

(

n

100

]

e

[

a

a

1

1

V

/

V

100









Podstawowa zasada metody wymiarowania
zaworów:

minimalizacja wahań współcz. wzmocnienia obiektu

regulacji:

- współcz. Przenoszenia k

w

-

regulacja przepływu
- współcz. przenoszenia k

w

–

regulacja temperatury, mocy

• Przykład regulacji mocy:
• Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego

(stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła 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

h

Q

k

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

Współczynnik przenoszenia (nachylenie

Współczynnik przenoszenia (nachylenie

stycznej) zawory liniowe

stycznej) zawory liniowe

a- współczynnik autorytetu zaworu,

a- współczynnik autorytetu zaworu,

Φ

Φ

– parametr obliczeniowy

– parametr obliczeniowy

wymiennika

wymiennika

)

/

(

)

/

(

100

100

100

h

h

d

Q

Q

d

k

k

k

S

S

W





Współczynnik przenoszenia (nachylenie

Współczynnik przenoszenia (nachylenie

stycznej)

stycznej)

zawory stałoprocentowe

zawory stałoprocentowe

a- współczynnik autorytetu zaworu,

a- współczynnik autorytetu zaworu,

Φ

Φ

– parametr obliczeniowy

– parametr obliczeniowy

wymiennika

wymiennika

)

/

(

)

/

(

100

100

100

h

h

d

Q

Q

d

k

k

k

S

S

W





Charakterystyki różnych

Charakterystyki różnych

wymienników (nośników) ciepła

wymienników (nośników) ciepła

• a – parametr obliczeniowy wymiennika
• (czynnika grzejnego)

zo

zo

po

zo

t

T

T

T

a





 6

.

0

Optymalne wartości współczynnika

Optymalne wartości współczynnika

autorytetu:

autorytetu:

a

a

v

v

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

wymiennika,

wymiennika,

Dla zaworów stałprocentowych optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych optymalne a

v

v

= 0.25-0.8

= 0.25-0.8

zo

zo

po

zo

t

T

T

T

a





 6

.

0

zo

zo

po

zo

t

T

T

T

a





 6

.

0

Wnioski

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

Metody doboru zaworów

regulacyjnych

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

Metoda orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu

współczynnika autorytetu

(dławienia).

(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

Metoda orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu

współczynnika autorytetu

(dławienia).

(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

Zasady doboru zaworów

regulacyjnych

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).

3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu

regulacyjnego

jest

obliczenie

współczynnika

przepływu Kvs

[m3/h]

gdzie:

V[m3/h] – obliczeniowy strumień objętości

wody,

Δp

z100

[bar] – strata ciśnienia na zaworze

regulacyjnym całkowicie otwartym.

Dla założonej wartości współczynnika

)

(

100

100

S

Z

Z

p

p

a

p













S

100

Z

p

a

1

a

p











Zasady doboru zaworów

regulacyjnych

100

Z

S

VS

p

V

K





s

z

z

p

p

p

a











100

100

Spadek ciśnienia na zaworze

Spadek ciśnienia na zaworze

regulacyjnym

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

0.4÷0.5 (P

1

-1) bar

P1- ciśnienie pary przed zaworem w [bar]





100

Z

p

Dobór średnicy zaworu

Dobór średnicy zaworu

4. Po obliczeniu współczynnika przepływu K

VS

z katalogu

zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości K

VS

najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆p

d)

od

wyliczonej.

5. Sprawdzamy rzeczywistą wartość oraz a
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).

2

100

















VS

s

RZ

Z

K

V

p

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 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

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

Dopuszczalny spadek ciśnienia na

zaworze

zaworze

Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze nie

może przekraczać dopuszczalnych wartości

określonych zależnością:

Δp

v100

= Z (p

1

– p

s

)

gdzie:

• p

1

- ciśnienie przed zaworem,

• p

s

- ciśnienie nasycenia dla danej

temperatury,

• Z

- współczynnik o wartościach Z = 0,5÷0,8.

Wpływ pompy na kształt

Wpływ pompy na kształt

charakterystyki eksploatacyjnej

charakterystyki eksploatacyjnej

• Przy wyprowadzaniu

równań
charakterystyki
eksploatacyjnej
przyjęte zostało
założenie, że
całkowita strata
ciśnienia jest
wartością stałą.

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









Wpływ pompy na kształt

Wpływ pompy na kształt

charakterystyki eksploatacyjnej

charakterystyki eksploatacyjnej

• W

wypadku

zastosowania

pomp

wirowych warunek Δp

całk

=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

Wpływ pompy na kształt

charakterystyki eksploatacyjnej

charakterystyki eksploatacyjnej

Wpływ pompy na kształt

Wpływ pompy na kształt

charakterystyki eksploatacyjnej

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

• Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego

(stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika
ciepła 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

h

Q

k

s







1











const

h

Q

k

s

Zasady konstruowania

charakterystyk statycznych obiektu

regulacji:

zawór – wymiennik ciepła

Rzeczywista charakterystyka cieplna

Rzeczywista charakterystyka cieplna

wymiennika ciepła

wymiennika ciepła

• Charakterystyka cieplna grzejnika Q/Q

100

= f(m/m

100

),

(ρ=const)

100

p

100

p

100

t

c

m

t

c

m

Q

/

Q















t

t

100

o









100

p

z

100

o

)

t

t

(

t







i

z

t

t

t







Rzeczywista charakterystyka cieplna

Rzeczywista charakterystyka cieplna

wymiennika ciepła

wymiennika ciepła

Całkowita charakterystyka instalacji przy

Całkowita charakterystyka instalacji przy

zastosowaniu zaworu o charakterystyce

zastosowaniu zaworu o charakterystyce

liniowej

liniowej

Współczynnik przenoszenia

Współczynnik przenoszenia

(nachylenie stycznej)

(nachylenie stycznej)

)

/

(

)

/

(

100

100

100

h

h

d

Q

Q

d

k

k

k

S

S

W





Całkowita charakterystyka instalacji z

Całkowita charakterystyka instalacji z

zastosowaniem zaworu o charakterystyce

zastosowaniem zaworu o charakterystyce

stałoprocentowej

stałoprocentowej

0,1

Wnioski

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

Metody doboru zaworów

regulacyjnych

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

Metoda minimalizacji wahań

współczynnika wzmocnienia

współczynnika wzmocnienia

obiektu regulacji.

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

- regulacja temperatury, mocy

• Przykład regulacji mocy:
• Charakterystyki statyczne: a – zaworu regulacyjnego

(stałoprocentowa), b – wymiennika ciepła, c – wymiennika ciepła 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

h

Q

k

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

Charakterystyki różnych wymienników

Charakterystyki różnych wymienników

(nośników) ciepła

(nośników) ciepła

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

a – parametr obliczeniowy wymiennika jest
zależny od parametrów obliczeniowych
czynnika grzejnego i układu hydraulicznego.

Automatyzacja w inżynierii środowiska

Automatyzacja w inżynierii środowiska

Parametr obliczeniowy wymiennika

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

gdzie: Tzo, Tpo – temperatury obliczeniowe czynnika grzejnego, tzo – temperatura obliczeniowa powietrza na wlocie do nagrzewnicy.

zo

zo

po

zo

t

T

T

T

a





 6

.

0

Optymalne wartości współczynnika

Optymalne wartości współczynnika

autorytetu:

autorytetu:

a

a

v

v

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

wymiennika,

wymiennika,

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

v

v

= 0.25-

= 0.25-

0.6

0.6

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

wg Arbeitskreis„Regelungs- und Steuerugstechnik …”

gl, lin – linie najmniejszych wahań współczynnika wzmocnienia zaworów
stałoprocentowych (gl) i liniowych (lin)

Optymalne wartości współczynnika

Optymalne wartości współczynnika

autorytetu:

autorytetu:

p

p

v

v

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

- współczynnik autorytetu, a- parametr obliczeniowy

wymiennika,

wymiennika,

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

Dla zaworów stałprocentowych przy a=0.6 optymalne a

v

v

= 0.25-

= 0.25-

0.8

0.8

wg Recknagla „ Kompendium wiedzy…”

wg Recknagla „ Kompendium wiedzy…”

Metoda minimalizacji wahań

Metoda minimalizacji wahań

wartości współczynnika

wartości współczynnika

wzmocnienia

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

Metoda orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu

współczynnika autorytetu

(dławienia).

(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

Metoda orientacyjnej wartości

współczynnika autorytetu (kryterium

współczynnika autorytetu (kryterium

dławienia).

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

Zasady doboru zaworów

regulacyjnych

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).

3. Podstawą do doboru średnicy nominalnej zaworu

regulacyjnego

jest

obliczenie

współczynnika

przepływu Kvs

[m3/h]

gdzie:

V[m3/h] – obliczeniowy strumień objętości

wody,

Δp

z100

[bar] – strata ciśnienia na zaworze

regulacyjnym całkowicie otwartym.

Dla założonej wartości współczynnika

)

(

100

100

S

Z

Z

p

p

a

p













S

100

Z

p

a

1

a

p











Zasady doboru zaworów

regulacyjnych

100

Z

S

VS

p

V

K





s

z

z

p

p

p

a











100

100

Spadek ciśnienia na zaworze

Spadek ciśnienia na zaworze

regulacyjnym

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

0.4÷0.5 (P

1

-1) bar

P1- ciśnienie pary przed zaworem w [bar]





100

Z

p

Dobór średnicy zaworu

Dobór średnicy zaworu

4. Po obliczeniu współczynnika przepływu K

VS

z katalogu

zaworów dobieramy średnicę zaworu o wartości K

VS

najbliższej mniejszej (jeżeli pozwala na to ∆p

d)

od

wyliczonej.

5. Sprawdzamy rzeczywistą wartość oraz a
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).

2

100

















VS

s

RZ

Z

K

V

p

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 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

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

Dopuszczalny spadek ciśnienia na

zaworze

zaworze

Dopuszczalny spadek ciśnienia na zaworze nie

może przekraczać dopuszczalnych wartości

określonych zależnością:

Δp

v100

= Z (p

1

– p

s

)

gdzie:

• p

1

- ciśnienie przed zaworem,

• p

s

- ciśnienie nasycenia dla danej

temperatury,

• Z

- współczynnik o wartościach Z = 0,5÷0,8.

Skutki błędnego doboru zaworu

Skutki błędnego doboru zaworu

Jeżeli do wyboru są dwie

różne

wartości

współczynników
przepływu

K

VS

,

to

w

wątpliwych

wypadkach

należy

decydować się zawsze na
wybór

zaworu

o

mniejszym współczynniku
K

VS

.

Jeżeli

(V/V100)*

-

rzeczywisty, nominalny
strumień objętości jest
mniejszy od założonego,
zmniejsza

się

zakres

regulacji i układ pracuje
niestabilnie.

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Δp

min-max

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Wraz ze wzrostem przyłączeniowej różnicy ciśnienia z

Δp

całk min

do Δp

całk

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 Δp

całk

należy zamontować regulator różnicy

ciśnienia i przepływu, który pozwoliłby na utrzymanie

różnicy ciśnienia Δp

całk

na stałym poziomie.

Skutki wahań różnicy ciśnienia

Skutki wahań różnicy ciśnienia

PRZYKŁAD DOBORU ZAWORÓW

PRZYKŁAD DOBORU ZAWORÓW

REGULACYJNYCH PRZELOTOWYCH

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

Schemat ideowy węzła

ciepłowniczego

ciepłowniczego

c.o.

LC1

LC2

sieć

w.z.

cyrk.

c.w.u.

1

2

3

4

5

6

WCO

WCWII

WCWI

Zco

Zcw

Z

RRC

Δp

RRC

Przygotowanie danych wyjściowych

Przygotowanie danych wyjściowych

do obliczeń

do obliczeń

• Najczęściej przystępując do doboru elementów układu

automatycznej regulacji dysponujemy danymi z
projektu technologicznego węzła:

• Obliczeniowe strumienie objętości wody sieciowej:
V

SCO

= 7 m

3

/h, V

SCWU

= 3 m

3

/h, V

SC

= 10 m

3

/h

• Spadki ciśnienia na przewodach i urządzeniach węzła

ciepłowniczego (zgodnie z oznaczeniami na schemacie
węzła): Δp

1-2

= 10 kPa, Δp

WCO

= 25 kPa, Δp

WCW(I)

= 23

kPa, Δp

WCW(II)

= 15 kPa, Δp

2-5

= 5 kPa, Δp

5-WCO-6

= 8 kPa,

• Δp

5-WCWII-6

= 4 kPa, Δp

6-WCWI-3

= 7 kPa, Δp

3-4

= 11 kPa.

• Ciśnienie dyspozycyjne węzła: Δp

d

=Δp

1-4

= 3 bar.

Wartości współczynników przepływu K

Wartości współczynników przepływu K

vs

vs

przykładowego typoszeregu zaworów

przykładowego typoszeregu zaworów

przelotowych

przelotowych

Dane techniczne regulatorów różnicy

Dane techniczne regulatorów różnicy

ciśnień i przepływu typu 46-7 firmy

ciśnień i przepływu typu 46-7 firmy

Samson

Samson

Obliczenie współczynnika przepływu i

Obliczenie współczynnika przepływu i

dobór średnicy zaworu regulacyjnego Z

dobór średnicy zaworu regulacyjnego Z

CO

CO

• Współczynnik przepływu K

vs

obliczamy z zależności

• m

3

/h

• Zakładamy stratę ciśnienia w zaworze całkowicie

otwartym przyjmując wartość współczynnika autorytetu
zaworu

• a ≈ 0,5
• i wówczas Δp

Z100

= Δp

SCO

• Strata ciśnienia Δp

SCO

w obwodzie regulacji c.o. wynosi

• Δp

SCO

= Δp

2-5

+ Δp

5-WCO-6

+ Δp

WCO

+ Δp

6-WCWI-3

+ Δp

WCWI

=

5+8+25+7+23= 68 kPa

100

Z

S

VS

p

V

K





• Po postawieniu wartości wyliczonych wielkości

otrzymamy:

• Z katalogu zaworów dobieramy wartość K

VS

najbliższą mniejszą tj. dla zaworu o
średnicy nominalnej 25 mm.

• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze

h

m

K

VCO

/

48

,

8

68

,

0

7

3





h

/

m

8

K

3

VS



bar

p

RZ

ZCO

76

,

0

8

7

2



















Obliczenie współczynnika przepływu i

Obliczenie współczynnika przepływu i

dobór średnicy zaworu regulacyjnego Z

dobór średnicy zaworu regulacyjnego Z

CW

CW

Przyjmując zalecaną wartość współczynnika autorytetu
a = 0.5 obliczamy wartość spadku ciśnienia na zaworze Z

CW

jako równą stracie ciśnienia w obwodzie regulacji c.w.u.:

• Δp

Z100

= Δp

SCW

= Δp

2-5

+ Δp

5-WCWII-6

+ Δp

WCWII

+ Δp

6-WCWI-3

+ Δp

WCWI

= 5+4+15+7+23= 54 kPa

• Współczynnik przepływu zaworu regulacyjnego Z

CW

Z katalogu zaworów dobieramy wartość K

VS

najbliższą mniejszą

tj.

dla zaworu o

średnicy 20 mm.

• Rzeczywisty spadek ciśnienia na zaworze

08

,

4

54

,

0

3





VCW

K

h

/

m

4

K

3

VS



bar

56

,

0

4

3

p

2

RZ
ZCW



















Obliczenie regulowanej różnicy ciśnień

Obliczenie regulowanej różnicy ciśnień

regulatora różnicy ciśnień

regulatora różnicy ciśnień

• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.o.

• Całkowity spadek ciśnienia w obiegu zaworu c.w.u.

• Przyjęto jako regulowaną różnicę ciśnień regulatora różnicy

ciśnień wartość większą tj.

• bar

bar

p

p

p

RZ

ZCO

SCO

CO

RRC

44

,

1

76

,

0

68

,

0

















bar

p

p

p

RZ

ZCW

SCW

CW

RRC

10

,

1

56

,

0

54

,

0

















44

,

1





RRC

p

Sprawdzenie rzeczywistych wartości

Sprawdzenie rzeczywistych wartości

współczynników autorytetu zaworów

współczynników autorytetu zaworów

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).

RRC

100

Z

p

p

a







52

,

0

44

,

1

76

,

0





CO

a

38

,

0

44

,

1

56

,

0





CW

a

Dobór zaworu oraz regulatora

Dobór zaworu oraz regulatora

różnicy ciśnień i przepływu Z

różnicy ciśnień i przepływu Z

RRC

RRC

• Spadek ciśnienia do wykorzystania na zaworze

regulatora różnicy ciśnień Z

RC

Δp

ZRRC

= Δp

1-4

– (Δp

RRC

+ Δp

1-2

+ Δp

3-4

+ Δp

m

) = 3.0 –

(1.44 + 0.1 + 0.11+ 0,2) = 1.15 bar
gdzie: Δp

m

=0,2 bar – mierniczy spadek ciśnienia dla

regulatora przepływu typu 46-7.

• Współczynnik przepływu zaworu Z

RRC

h

m

K

VRRC

/

32

,

9

15

,

1

10

3





• Zgodnie z zaleceniami producenta wybranego

regulatora różnicy ciśnień firmy SAMSON

• Przyjęto z katalogu SAMSON zawór typu 46-7 o i

średnicy nominalnej DN 32 mm oraz zakresie nastaw
regulowanej różnicy ciśnień Δp

RRC

= 0,5÷2,0 bar

• Rzeczywisty spadek ciśnienia na całkowicie

otwartym zaworze Z

RRC

h

m

K

K

V

VS

/

65

,

11

25

,

1

32

,

9

25

,

1

3











bar

K

V

p

p

VS

m

RZ

ZRRC

84

,

0

64

.

0

2

,

0

2

5

,

12

10

2

,

0

2











































Sprawdzenie zagrożenia kawitacją

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 p

1

= 10 bar,

temperatury

zasilania

T

1max

=150°C,

ciśnienia

nasycenia p

s

= 4,8 bar

•  
• Δp

vmax

= Z (p

1

– p

s

) = 0.5 (10 – 4.8) = 2.6 bar

Dziękuję za uwagę !

Dziękuję za uwagę !