Automatyzacja w

Automatyzacja w

ogrzewnictwie i klimatyzacji

ogrzewnictwie i klimatyzacji

Wyk

ład 1

Wst

ępne informacje

Wst

ępne informacje

Forma zaliczenia wyk

ładu:

•

kolokwium 21.01.2012

Obecno

ść na wykładach:

•

zalecana

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

•

Czujniki i przetworniki pomiarowe: temperatury, wilgotno

ści i jakości

powietrza, ci

śnienia, przepływu, prędkości i ruchu.

•

Regulatory stosowane w ogrzewnictwie, ciep

łownictwie i klimatyzacji –

wprowadzenie.

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.

5.

Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der

Versorgungstechnik. C.F. Muller. 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

Charakterystyka robocza

przep

ływu zaworu

przep

ływu zaworu

(eksploatacyjna)

(eksploatacyjna)

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

W wypadku
zamontowania zaworu
regulacyjnego w sieci
obowi

ązuje zasada:

podczas zamykania
zaworu wzrasta strata
ci

śnienia na zaworze.

Charakterystyka robocza przep

ływu zaworu

Charakterystyka robocza przep

ływu zaworu

(eksploatacyjna)

(eksploatacyjna)

•

Charakterystyka

uwzgl

ędniająca

warunki

zamontowania

zaworu

(zmienno

ść Δp

z

)

nazywana jest charakterystyk

ą eksploatacyjną

(charakterystyk

ą roboczą przepływu).

h/hs

V/V

100

Δpz=const

Δp

z

zmienne

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 a.

Autorytet

zaworu

bywa

nazywany

równie

ż kryterium

d

ławienia.

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 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)

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)

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 zostało założenie, że całkowita strata

ci

śnienia w obwodzie regulacji 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

−

+

−

=

const

p

calk

=

∆

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 różnicy ciśnienia, powoduje

tak

że przyrost strumienia objętości o określoną wartość (ΔV ) przy

danym stopniu otwarcia zaworu.

•

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.

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

Wp

ływ pompy na kształt charakterystyki

eksploatacyjnej

eksploatacyjnej

Zasady konstruowania i analiza

Zasady konstruowania i analiza

charakterystyk statycznych obiektu

charakterystyk statycznych obiektu

regulacji:

regulacji:

zawór

zawór –

– wymiennik ciep

ła

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:

100

p

100

p

100

t

c

m

t

c

m

Q

/

Q

∆

⋅

⋅

∆

⋅

⋅

=

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.)

.)

– parametr obliczeniowy wymiennika (grzejnika)

i

z

p

z

o

t

t

t

t

t

t

−

−

=

∆

∆

=

Φ

100

100

100

100

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 –

– wspó

łczynnik wzmocnienia

wspó

łczynnik wzmocnienia

?

=

∆

∆

=

h

Q

k

s

k

s -współczynnik

wzmocnienia obiektu
regulacji zaw. + wym.

Ca

łkowita charakterystyka instalacji przy

Ca

łkowita charakterystyka instalacji przy

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

zastosowaniu zaworu o charakterystyce liniowej

wspó

łczynnik przenoszenia

wspó

łczynnik przenoszenia

)

/

(

)

/

(

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

Ca

łkowita charakterystyka instalacji z

zastosowaniem zaworu o charakterystyce

zastosowaniem zaworu o charakterystyce

sta

łoprocentowej

sta

łoprocentowej –– współczynnik przenoszenia

wspó

łczynnik przenoszenia

a=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, zgodnie z

rysunkami nale

ży dobrać taki (optymalny) autorytet i charakterystykę

zaworu, które pozwol

ą na uzyskanie liniowego przebiegu całkowitej

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

Koniec wyk

ładu

Koniec wyk

ładu