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 REGULACYJNEFunkcja

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 REGULACYJNEPrzykłady 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. 

KAWITACJAAspekty 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.

..

Etap 1Etap 1:: przemiana ze stanu cieczy w stan pary,

Etap 2Etap 2:: zmiana powrotna ze stanu pary w ciecz.

ciecz para ciecz

Proces kawitacji przebiega w dwóch etapach:

ZAWORY REGULACYJNEJak 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.

0.01

0.10

1.00

10.00

0 20 40 60 80 100 120

krzywa ciśnienia parowania wody

cieczciecz

parapara

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.

ZAWORY REGULACYJNE Dlaczego woda gotuje się w temperaturze otoczenia?

ciśn

ien

ie [

bar

]

temperatura [°C]

ZAWORY REGULACYJNE Implozja pęcherzyków pary

Kierunek przepływuPęcherzyki pary w środku rurociągu -typowy stan dla prawidłowo dobranegozaworu regulacyjnego

Spłaszczanie i wgniatanie

Implozja MikrostrumieńCałkowicie rozwinięty

pęcherzyk pary

Pęcherzyki pary przy ścianie rurociągu –występują przy zasuwach, przepustnicach i zaworach kulowych Kierunek przepływu

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.

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.

ZAWORY REGULACYJNE Implozja pęcherzyków pary

ZAWORY REGULACYJNE Skutki kawitacji. Typowe uszkodzenia

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.

Uszkodzenia wewnętrznych powierzchni przepustnicy, pozostającej w eksploatacji przez okres 3 miesięcy obrazują skutki występowania kawitacji !!!

ZAWORY REGULACYJNE Zły dobór armatury

Erozja jest następstwem niewłaściwego wyboru typu armatury.

BV

W opisanych warunkach przepływu współczynnik Sigma osiąga wielkość poniżej wartości krytycznej.

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.

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 kawitacjip1 = 20 bar / p2 = 10 bar -> Δp = 10 bar - brak kawitacjip1 = 10 bar / p2 = 0,1 bar -> Δp = 9,9 bar - silna kawitacja

Im niższe ciśnienie wtórne za zaworem, tym większe zagrożenie kawitacją !

ZAWORY REGULACYJNEJak można uniknąć kawitacji

Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, które występuje w określonych Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym, które występuje w określonych warunkach pracy. Stąd projektując instalację należy - na ile to możliwe – warunkach pracy. Stąd projektując instalację należy - na ile to możliwe – unikać takich parametrów oraz rozwiązań technicznych, które grożą unikać takich parametrów oraz rozwiązań technicznych, które grożą wystąpieniem kawitacji.wystąpieniem kawitacji.Jednym z najważniejszych kroków, które mogą zapewnić niezawodność Jednym z najważniejszych kroków, które mogą zapewnić niezawodność instalacji jest jej wyposażenie w odpowiednią armaturę.instalacji jest jej wyposażenie w odpowiednią armaturę.

Zalecenia Zalecenia projektoweprojektowe::

Przy doborze armatury mają zastosowanie następujące zasady:Przy doborze armatury mają zastosowanie następujące zasady:

● ● zasuwy i przepustnice należy stosować jako armaturę zaporową, która zasuwy i przepustnice należy stosować jako armaturę zaporową, która pracuje w pozycji całkowicie otwartej lub zamkniętej, pracuje w pozycji całkowicie otwartej lub zamkniętej,

● ● zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych jako typowych zastosowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych jako typowych zaworów regulacyjnych, wymaga doboru ich wyposażenia odpowiednio zaworów regulacyjnych, wymaga doboru ich wyposażenia odpowiedniodo warunków pracy np. dotyczy to użycia pierścieni łopatkowych, do warunków pracy np. dotyczy to użycia pierścieni łopatkowych, szczelinowych lub perforowanych,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.

ZAWORY REGULACYJNEProjektowanie 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.

p1p2

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 ciśnieniadobór odpowiednich tulei cylindrycznych, • ograniczenie kawitacji w kombinacji zmiennych parametrów pracy 

ZAWORY REGULACYJNEProjektowanie zaworów pierścieniowo-tłokowych. DANE WYJŚCIOWE

PROJEKTOWANIE ZAWORÓW PIERŚCIENIOWO-TŁOKOWYCHRozwiązania 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-TŁOKOWYCHKontrola 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-TŁOKOWYCHDobór 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.

Nat

ężen

ie

prz

epły

wu

Nat

ężen

ie

prze

pływ

u

ZAKRES PRACY ZAWORU

Stopień otwarcia zaworu

Ograniczona możliwość doboru zakresu pracy zaworu.

Duży zakres możliwości doboru paramterów pracy zaworu.

Qmax

Qmax

100 %

20 %

100 %

55%

Stopień otwarcia zaworu

Sygnał wyjściowy z napędu 4..20 mA

Sygnał wejściowy 4…20 mA do pozycjonera / napędu

Nastawione natężenie

przepływu / o.k?

nie

stop

tak

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.

ZAKRES PRACY ZAWORU