Charakterystyki zaworów regulacyjnych - wykład

CHARAKTERYSTYKI ZAWORÓW REGULACYJNYCH JAKO NASTAWNIKÓW
W układzie automatycznej regulacji regulator oddziaływuje na strumień masy lub energii przepływający przez obiekt poprzez element, który nazywa się nastawnikiem. Nastawnik jest tą częścią układu regulacji, która bezpośrednio wpływa na proces w obiekcie. Od charakterystyki nastawnika zależy poprawne działanie układu technologicznego np. wymiennikowego węzła cieplnego, nagrzewnicy w urządzeniu wentylacyjnym, spalania węgla bądź gazu w kotle, płuczki SO2, chemicznej części oczyszczalni ścieków, filtru żwirowego.
Nastawniki mogą być podzielone na : oporowe (impedancyjne) i źródłowe (generacyjne) [3]. Do nastawników oporowych zalicza się zawory, klapy, przepustnice, żaluzje, oporniki elektryczne itp. Do nastawników źródłowych można zaliczyć : pompy, wentylatory, sprężarki. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych w technice nastawników jest zawór. Celem ćwiczenia jest zbadanie charakterystyki przepływowej zaworu.
3.1. Współczynnik wymiarowy zaworu
Jednym z zadań podczas projektowania układu technologicznego jest dobór wielkości zaworu. Dobór ten może polegać na określeniu pola powierzchni przepływu A przez zawór. Zawór jest przeszkodą miejscową dla przepływu, więc spadek ciśnienia może być policzony z zależności : (3.1)
 - współczynnik oporów miejscowych ρ - gęstość płynu
v - prędkość
Po uwzględnieniu równania ciągłości przepływu (3.2)
równanie (1) można zapisać w postaci :
, (3.3)
D - średnica wewnętrzna odcinka dolotowego do zawieradła (grzybka).
Spadek ciśnienia na zaworze pv jest wielkością zadaną, wynikającą z charakterystyki hydraulicznej układu technologicznego (patrz : autorytet zaworu). Rys. 3.1. Zawór regulacyjny jednogrzybkowy z siłownikiem pneumatycznym, 1- membrana siłownika, 2 - obudowa, 3 - sprężyna, 4 - trzpień siłownika , 5 - prowadnica trzpienia, 6 - jarzmo siłownika, 7 - trzpień grzyba, 8 - uszczelnienie dławnicy, 9 - korpus dławicy, 10 - korpus zaworu, 11 - gniazdo, 12 - grzyb, 13 - korek Stąd pole powierzchni przepływu A jest równe :
, (3.4)
przy czym bezwymiarowy współczynnik strat miejscowych  jest funkcją m.in. pola powierzchni przepływu. Taki sposób doboru wielkości zaworu wymaga więc przeprowadzenia iteracyjnych obliczeń.
Sposób wymagający małych nakładów obliczeniowych polega na wyznaczeniu tzw. współczynnika wymiarowego zaworu kv. Z równań (1) i (2) otrzymuje się

(…)

… - ciśnienie absolutne za zaworem. Spadek ciśnienia na zaworze jest równy , (3.15)
natężenie przepływu gazu - , gęstość gazu - ρ, temperatura płynu na wlocie do zaworu - T1 . Jeżeli natężenie przepływu gazu zostanie policzone w warunkach normalnych Tn = 273.15 K, pn = 101325 Pa, to z równań stanu gazu (3.16)
, (3.17)
po wstawieniu do zależności (12) i przekształceniach uzyskuje się związek
(3.18)
W tabeli 3.1. zestawiono wzory służące do obliczania współczynnika wymiarowego zaworu dla różnych czynników.
Tabela 3.1.
Zestawienie wzorów do obliczeń współczynnika wymiarowego zaworu
Rodzaj czynnika
Jednostka natężenia przepływu
Współczynnik wymiarowy zaworu
p2≥0.5p1 p2<0.5p1 ciecz
m3/h
gaz
m3/h
1 para
kg/h
Para nasycona mokra
kg/h
- natężenie przepływu, m3/h
- natężenie przepływu w warunkach normalnych, m3/h
G - strumień masy, kg/h
p1 - ciśnienie dopływu, Pa
p2 - ciśnienie odpływu, Pa
p - spadek ciśnienia na zaworze, Pa
ρ1 - gęstość czynnika na dopływie, kg/m3
ρn - gęstość czynnika w warunkach normalnych, kg/m3
T1 - temperatura czynnika przed zaworem, K
2 - objętość właściwa pary dla parametrów p2 i T1, m3/kg
2* - objętość właściwa pary dla parametrów p2 i T1, m3/kg
x - stopień nasycenia pary, (0  x  1)
3.3…
…)
Z przekształcenia równania (5) wynika wzór definiujący współczynnik wymiarowy zaworu :
, [m3/h] (3.7)
Współczynnik wymiarowy zaworu kv jest równy strumieniowi wody o gęstości ρo=1000 kg/m3 w m3/h, jeżeli spadek ciśnienia na zaworze wynosi pvo=1 bar. Z równania Bernoulliego wynika zależność pomiędzy natężeniem przepływu V, a spadkiem ciśnienia pv dla zwężki pomiarowej: (3.8)
Dla każdego stopnia otwarcia zaworu…
… zaworu stałoprocentowego dla 1 - wentylator, 2 - badany zawór, 3 - zawór modelujący spadek ciśnienia u odbiorcy, 4 - rotametr, 5 - autotransformator, 6 - U-rurka do pomiaru spadku ciśnienia na zaworze, 7 - U-rurka do pomiaru spadku ciśnienia na odcinku od badanego zaworu do wylotu do atmosfery Do określenia charakterystyki zaworu służą wytyczne [5].
13
11
10
6
5
4
3
2
12
9
8
7
1
.
. V2 . V h . V h…
... zobacz całą notatkę