Rok założenia 1987 projektowanie produkcja doradztwo techniczne kompletacja sprzedaż serwis armatury i urządzeń do instalacji komunalnych oraz przemysłowych
PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWE ZAWORY REGULACYJNE typu Y1
ZAWORY REGULACYJNE Funkcja Pierścieniowo-tłokowe zawory regulacyjne charakteryzują się wysoką efektywnością w zakresie ekstremalnie wysokich prędkości i natężenia przepływu. Medium przetłaczane jest przez pierścień w kształcie tunelu, który został optymalnie dobrany do przepływu o wysokim natężeniu. Przemieszczanie tłoka za pomocą wahacza i popychacza wzdłuż osi zaworu powoduje dławienie lub w skrajnym położeniu odcięcie przepływu, co pozwala uzyskać odpowiednio funkcję regulacyjną bądź zaporową. Tłok przemieszcza się wewnątrz wymiennych, odpowiednio perforowanych tulei cylindrycznych, które umożliwiają: ● kontrolę ciśnienia oraz natężenia przepływu, ● dostosowanie charakterystyki regulacyjnej zaworu do wymagań projektowych, ● ograniczenie do minimum negatywnych skutków kawitacji.
ZAWORY REGULACYJNE Przykłady zastosowania Gdzie można wykorzystać zawory pierścieniowo-tłokowe ? ● jako zawory odcinające i regulacyjne dla wysokich natężeń przepływu, ● do redukcji ciśnienia, ● w charakterze zaworów pompowych, ● na spustach tam oraz wypływie ze zbiorników, ● jako zawory regulujące dopływ na wlocie do zbiorników, ● dla zabezpieczenia rurociągu przed skutkami rozerwania. Typowe obszary zastosowania: ● elektrownie i elektrociepłownie, ● przepompownie, ● stacje uzdatniania wody, ● w instalacjach, gdzie występują przepływy ze znaczną różnicą ciśnień.
KAWITACJA Aspekty fizyczne . Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, które może wystąpić podczas przepływu wskutek gwałtownego odparowania cieczy pod wpływem spadku ciśnienia. W fazie przejściowej między cieczą i stanem pary zachodzą procesy, które powodują lokalnie nagłe zmiany ciśnienia, a towarzyszące im uderzenia hydrauliczne wywołują erozję, mogącą zniszczyć niemal dowolny materiał. . Proces kawitacji przebiega w dwóch etapach: Etap 1: przemiana ze stanu cieczy w stan pary, Etap 2: zmiana powrotna ze stanu pary w ciecz. ciecz para ciecz
ZAWORY REGULACYJNE Jak powstaje kawitacja? Kawitacja powstaje m.in. podczas dławienia przepływu cieczy w trakcie zamykania lub otwierania zaworów. Zamykając zawór redukujemy jego powierzchnię przekroju, powodując zwiększone - a przy małym prześwicie skrajnie wysokie prędkości przepływu medium. Zgodnie z zasadą zachowania energii, jeśli ciecz gwałtownie zwiększa prędkość przepływu, jego ciśnienie statyczne musi zmaleć. Ciecz paruje, gdy jej energia nie wystarcza do utrzymania molekuł w skupieniu. Molekuły oddalają się od siebie i następuje przemiana fazowa cieczy w parę. Wynika z tego, że w przewężonym przekroju zaworu - jest to punkt największej prędkości i największego dławienia – może nastąpić redukcja ciśnienia poniżej ciśnienia pary. Ponieważ temperatura wrzenia cieczy zależna jest od ciśnienia, w sprzyjających warunkach ciecz zaczyna wrzeć w temperaturze otoczenia, powodując powstawanie pęcherzyków gazu. Po przejściu tego punktu ciśnienie zaczyna ponownie rosnąć, prędkość przepływu medium spada, a pęcherzyki pary ulegają deformacji pod wpływem rosnącego ciśnienia zewnętrznego i na koniec implodują. Niekontrolowane powstawanie pęcherzyków pary w strumieniu cieczy na skutek spadku ciśnienia określa się mianem kawitacji. Rejon objęty kawitacją jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu cieczy.
ZAWORY REGULACYJNE Dlaczego woda gotuje się w temperaturze otoczenia? Warunki, przy których następuje zmiana stanu skupienia cieczy w parę charakteryzuje krzywa ciśnienia parowania. W normalnych warunkach ciśnienia atmosferycznego - 0,1MPa (1bar) - woda paruje w temperaturze 100C. W przypadku spadku ciśnienia poniżej tego ciśnienia proces parowania wody rozpoczyna się już przy niższych temperaturach. Zależności te obrazuje charakterystyka parowania. Przykładowo na krzywej ciśnienia parowania można odczytać, że przy ciśnieniu 0,02 bara woda paruje już w temperaturze 18C. 0.01 0.10 1.00 10.00 20 40 60 80 100 120 krzywa ciśnienia parowania wody ciecz para ciśnienie [bar] temperatura [°C]
Implozja pęcherzyków pary ZAWORY REGULACYJNE Implozja pęcherzyków pary Pęcherzyki pary przemieszczając się w strumieniu cieczy ulegają gwałtownemu zanikowi pod wpływem wystąpienia zjawiska implozji. W przeciwieństwie do eksplozji, zjawisko to polega na „zapadaniu się” lub „zgniataniu” bańki pary, pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Gwałtowna destrukcja –„wybuch do wewnątrz” wywołany jest nagłym wyrównaniem ciśnienia w zamkniętej przestrzeni do ciśnienia otoczenia. Kierunek przepływu Całkowicie rozwinięty pęcherzyk pary Pęcherzyki pary w środku rurociągu - typowy stan dla prawidłowo dobranego zaworu regulacyjnego Implozja Mikrostrumień Spłaszczanie i wgniatanie Pęcherzyki pary przy ścianie rurociągu – występują przy zasuwach, przepustnicach i zaworach kulowych Kierunek przepływu
Implozja pęcherzyków pary ZAWORY REGULACYJNE Implozja pęcherzyków pary Implozji pęcherzyków pary towarzyszy przemiana fazowa gazu w ciecz. Woda otaczająca „bańkę” pary w ułamku sekundy ulega przyspieszeniu w kierunku do wewnątrz pęcherzyka, wypełniając zanikającą przestrzeń. W wyniku tego procesu powstaje mikrostrumień, który uderza w ściankę zaworu (urządzenia) lub rury z bardzo dużą prędkością - V > 1000 m/s (3.600 km/h). Wytwarzane przez mikrostrumień szczytowe wartości ciśnienia, wynoszące do 10.000 bar, powodują na poziomie molekularnym erozję materiału.
Skutki kawitacji. Typowe uszkodzenia ZAWORY REGULACYJNE Skutki kawitacji. Typowe uszkodzenia Uszkodzenia wewnętrznych powierzchni przepustnicy, pozostającej w eksploatacji przez okres 3 miesięcy obrazują skutki występowania kawitacji !!! Warunki pracy instalacji: medium: woda; temp. T = 200C ciśnienie przed zaworem: 10 bar ciśnienie za zaworem: 4 bary natężenie przepływu Q - ok. 3.000 m3/h średnica nominalna zaworu – DN 400 prędkość przepływu: 6 m/s czas zamykania zaworu: 180 sekund ANALIZA: Instalacja jest zasilana za pomocą jednej pompy o zbyt dużej wydajności, co powoduje wysokie prędkości przepływu. Przepustnica kilka razy dziennie jest zamykana. Oznacza to, że przez długi czas, szczególnie podczas rozruchu, zawór pracuje w położeniu dławienia. Stan ten powoduje bardzo dużą kawitację i w konsekwencji w krótkim okresie silną erozję.
ZAWORY REGULACYJNE Zły dobór armatury W opisanych warunkach przepływu współczynnik Sigma osiąga wielkość poniżej wartości krytycznej. Erozja jest następstwem niewłaściwego wyboru typu armatury. BV
ZAWORY REGULACYJNE Poprawny dobór armatury Zastosowanie zaworu pierścieniowo-tłokowego S+S typu Y1 tej samej średnicy DN400 dla identycznych warunków pracy sprawia, że współczynnik Sigma osiąga wartość powyżej krzywej granicznej. W tym przypadku zjawisko kawitacji nie występuje.
Warunki sprzyjające kawitacji ZAWORY REGULACYJNE Warunki sprzyjające kawitacji Jakie czynniki mają zasadniczy wpływ na powstawanie kawitacji: : duża różnica ciśnień Δp = p1 – p2 niskie ciśnienie wtórne p2 za zaworem wysoka prędkość przepływu Przykład zastosowania przepustnicy DN 400, przy natężeniu przepływu 2.000 m3/h. p1 = 30 bar / p2 = 20 bar -> Δp = 10 bar - brak kawitacji p1 = 20 bar / p2 = 10 bar -> Δp = 10 bar - brak kawitacji p1 = 10 bar / p2 = 0,1 bar -> Δp = 9,9 bar - silna kawitacja Im niższe ciśnienie wtórne za zaworem, tym większe zagrożenie kawitacją !
Zalecenia projektowe: ZAWORY REGULACYJNE Jak można uniknąć kawitacji Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, które występuje w określonych warunkach pracy. Stąd projektując instalację należy - na ile to możliwe – unikać takich parametrów oraz rozwiązań technicznych, które grożą wystąpieniem kawitacji. Jednym z najważniejszych kroków, które mogą zapewnić niezawodność instalacji jest jej wyposażenie w odpowiednią armaturę. Przy doborze armatury mają zastosowanie następujące zasady: ● zasuwy i przepustnice należy stosować jako armaturę zaporową, która pracuje w pozycji całkowicie otwartej lub zamkniętej, ● zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych jako typowych zaworów regulacyjnych, wymaga doboru ich wyposażenia odpowiednio do warunków pracy np. dotyczy to użycia pierścieni łopatkowych, szczelinowych lub perforowanych, ● przy występowaniu ekstremalnych warunków pracy, których nie można kontrolować nawet przy pomocy specjalnych zaworów regulacyjnych, dławienie musi odbywać się stopniowo, np. stosując kanał odciążający lub poprzez dopuszczenie powietrza do obszaru dławienia. Zalecenia projektowe:
ZAWORY REGULACYJNE Projektowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych. DANE WYJŚCIOWE Zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych wymaga analizy warunków pracy oraz określenia funkcji jakie mają do spełnienia w instalacji. W związku z powyższym niezbędne jest określenie danych charakteryzujących przepływ medium: natężenie przepływu: Q [m3/h] ciśnienie przed zaworem: p1 [bar] ciśnienie za zaworem: p2 [bar] Powyższe wielkości należy odnieść dla: maksymalnego Qmax / normalnego Q / minimalnego Qmin przepływu. p1 p2
Jaki jest cel stosowania zaworu ? ZAWORY REGULACYJNE Projektowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych. DANE WYJŚCIOWE Jaki jest cel stosowania zaworu ? kontrola przepływu i kawitacji w warunkach dużego natężenia przepływu, najczęściej z wykorzystaniem przekładni mechanicznej oraz napędu elektrycznego , funkcja regulacyjna w przypadku dużych wahań natężenia przepływu w połączeniu z dużymi różnicami ciśnienia, zastosowanie modulujących urządzeń rozruchowych, pozycjonerów itp., funkcja redukcji ciśnienia dobór odpowiednich tulei cylindrycznych, ograniczenie kawitacji w kombinacji zmiennych parametrów pracy
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH Rozwiązania dla dużego natężenia przepływu Zawory pierścieniowo-tłokowe znajdują zastosowanie dla wysokich natężeń strumienia medium, przy dopuszczalnej prędkości przepływu ponad 10 m/s. W przypadku dławienia, spustów, tam, urządzeń na wylocie do zbiorników itp. stosuje się ostre krawędzie z nagłym powiększeniem średnicy na wylocie. W zamkniętych układach rurowych występująca kawitacja nie stanowi zagrożenia. Pęcherzyki pary będą implodowały w środku rury, gdzie nie mogą uszkodzić ani zaworu, ani rury. W takich przypadkach za zaworem należy pozostawić prosty odcinek swobodnego przepływu długości od 3 do 5 x średnica rurociągu (DN). Podobnie niedopuszczalny jest montaż kolana bezpośrednio za zaworem.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH Kontrola kawitacji przy dużej różnicy ciśnień Dla wysokich natężeń przepływu, przy dużej różnicy ciśnień i równocześnie wystarczająco wysokim ciśnieniu zredukowanym [ p2 ] stosuje się cylindry szczelinowe, które zmniejszają kawitację bezpośrednio w cylindrze. Ciśnienie będzie redukowane stopniowo, poprzez każdą szczelinę. Natężenie przepływu można dostosować do wymagań pracy instalacji: używając większej lub mniejszej liczby szczelin, stosując różne wielkości szczelin, dobierając odpowiedni kształt otworów. Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie maksymalnego natężenia przepływu. Zaletą - nieomal liniowa charakterystyka, dostosowana do projektowanych warunków pracy.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH Kontrola kawitacji przy dużej różnicy ciśnień W przypadku gdy natężenie przepływu ma mniejsze znaczenie, a głównym celem są: redukcja ciśnienia uniknięcie kawitacji używane są cylindry perforowane, które także redukują kawitację bezpośrednio w cylindrze. Dzięki różnorodności perforacji istnieje możliwość ekstremalnego zmniejszenia kawitacji. Ciśnienie jest redukowane stopniowo. Im więcej otworów i im są one mniejsze tym bardziej zmniejsza się natężenie przepływu, tym większy jest spadek ciśnienia, tym większa jest redukcja kawitacji.
PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCH Dobór zakresu pracy Dobór wielkości i typu zaworu regulacyjnego poza kontrolą przepływu, redukcją ciśnienia i kontrolą kawitacji zależny jest od zakresu pracy, szczególnie w przypadkach, gdy jest on wyposażony w napęd regulacyjny oraz pozycjoner 4...20 mA. Przekazane ze sterowni sygnały mogą uszkodzić zawór, gdy zakres jego pracy jest niewłaściwie dobrany lub tolerancja nastawy jest zbyt mała. Napęd wykonuje ruchy w kierunku otwierania i zamykania, bez możliwości osiągnięcia wyznaczonego położenia. Może to spowodować, że zawór zacznie wpadać w drgania. Typowe zawory regulacyjne z ostrymi krawędziami przy wysokim natężeniu przepływu i wysokim stopniu redukcji cechuje ograniczona możliwość doboru zakresu pracy. Główna redukcja ciśnienia występuje najczęściej przy stopniu otwarcia poniżej 20%. W praktyce oznacza to, że napęd będzie oscylował w zakresie otwarcia pomiędzy 0 - 20%. W takich warunkach zarówno skrzynia przekładniowa, napęd elektryczny, jak i sam zawór ulegają bardzo znacznemu zużyciu. Regulacyjny zawór pierścieniowo-tłokowy z cylindrem szczelinowym posiada mniejsze natężenie przepływu, lecz doskonałą możliwość doboru zakresu pracy. W przypadku, gdy dla wybranego zaworu natężenie przepływu jest niewystarczające, musimy zwiększyć jego średnicę. Pozwoli to optymalnie dobrać zakres pracy do wymaganego natężenia przepływu. W zależności od potrzeb można stosować cylindry, które posiadają szczeliny o kształcie nieliniowym.
ZAKRES PRACY ZAWORU Ograniczona możliwość doboru zakresu pracy zaworu. Qmax Qnorm Ograniczona możliwość doboru zakresu pracy zaworu. Natężenie przepływu 20 % Stopień otwarcia zaworu 100 % Qmax Qnorm Duży zakres możliwości doboru paramterów pracy zaworu. Natężenie przepływu 55% Stopień otwarcia zaworu 100 %
Nastawione natężenie przepływu / o.k? ZAKRES PRACY ZAWORU Ograniczone możliwości doboru zakresu pracy oraz dopuszczalnych odchyleń od założonych wartości powodują, że występują problemy z ustaleniem wymaganej pozycji i zadanej wartości natężenia przepływu. W sytuacji kiedy małe zmiany pozycji zaworu powodują znaczne wahania natężenia przepływu lub redukcji ciśnienia, napęd zaworu będzie ciągle otrzymywał sygnał zmiany położenia. Ciągłe ruchy powodują, że zawór wpada w drgania. Sygnał wyjściowy z napędu 4..20 mA tak Nastawione natężenie przepływu / o.k? stop nie Sygnał wejściowy 4…20 mA do pozycjonera / napędu
ZAKRES PRACY ZAWORU