Automatyka
Automatyka
Wykład 2
Wykład 2
Przelotowe zawory
Przelotowe zawory
regulacyjne
regulacyjne
Prowadzący:
Jan Syposz
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 !