Βαλβίδες καταστροφής ενέργειας διάτρητων πλακών

Transcript

1 Βαλβίδες καταστροφής ενέργειας διάτρητων πλακών Στα περισσότερα υδραυλικά συστήματα είναι απαραίτητη η χρήση ρυθμιστικών βαλβίδων που σκοπό έχουν τον έλεγχο της παροχής ή της πίεσης υπό την επίδραση μικρών αλλά και μεγάλων διαφορικών πιέσεων. Το άρθρο αυτό παρουσιάζει τον τύπο βαλβίδων καταστροφής ενέργειας με παράλληλες διάτρητες πλάκες που έχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών ρυθμιστικών βαλβίδων, όπως αναλύεται στην συνέχεια. Αρχή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας των βαλβίδων αυτών παρουσιάζεται στην Εικόνα 1. Υπάρχουν δύο διάτρητες πλάκες και ένα δακτυλιοειδές σώμα (1) τοποθετημένο μεταξύ δύο φλαντζών. Η πλάκα (2) είναι σταθερή. Η πλάκα (3) ανάντη είναι ελεύθερη να ολισθαίνει πάνω-κάτω. Σε θέση πλήρως ανοιχτή οι οπές των δύο πλακών είναι πλήρως ευθυγραμμισμένες. Η πλήρως κλειστή θέση επιτυγχάνεται με την μετατόπιση της κινούμενης πλάκας (3) κατά μία διάμετρο των οπών. Κατά την λειτουργία και για την επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος η θέση των πλακών είναι ενδιάμεση με τις οπές της σταθερής πλάκας μερικώς κλεισμένες από την κινούμενη πλάκα. Ο χειρισμός των βαλβίδων μπορεί να είναι χειροκίνητος ή με πνευματικό, υδραυλικό ή κατά προτίμηση ηλεκτρικό αναλογικό κινητήρα. Εικόνα 1 1 = Δακτυλιοειδές σώμα 2 = Σταθερή πλάκα κατάντη 3 = Κινητή πλάκα ανάντη

2 Πλεονεκτήματα Ο συγκεκριμένος τύπος λειτουργίας αντιμετωπίζει αποτελεσματικά σημαντικά προβλήματα που παρουσιάζονται από την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την διέλευση του ρευστού μέσα από κάθε ρυθμιστική βαλβίδα. Τέτοια προβλήματα είναι οι διακυμάνσεις της παροχής και της πίεσης που είναι υπεύθυνες για κραδασμούς της σωλήνωσης, φυσαλίδες σπηλαίωσης (δηλ. φυσαλίδες ατμών του ρευστού) και θόρυβο. Ο θόρυβος οφείλεται στην σύνθλιψη των φυσαλίδων της σπηλαίωσης. Οι βαλβίδες διάτρητων πλακών επιτυγχάνουν την καταστροφή ενέργειας μέσω πολλαπλών πιδάκων που κατανέμουν την παροχή. Αυτό έχει σαν συνέπεια την σημαντική μείωση των παρενεργειών, όπως περιγράφεται στην συνέχεια. Οι διακυμάνσεις της παροχής μειώνονται από την σχεδίαση των πιδάκων και την γρήγορη εξομάλυνση της ροής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα συσκευές όπως τα παροχόμετρα να μπορούν να τοποθετηθούν πολύ πιο κοντά στις ρυθμιστικές βαλβίδες απ ότι συνήθως. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το πολύ μικρό μήκος των βαλβίδων (ενδεικτικά το μήκος μίας βαλβίδας DN1200 είναι μόνο 160 χιλιοστά) δίνουν την δυνατότητα κατασκευής πιο συμπαγών συστημάτων. Οι ρυθμιστικές βαλβίδες διάτρητων πλακών έχουν καλύτερους δείκτες σπηλαίωσης, πιο ευνοϊκούς από αυτούς των κλασικών βαλβίδων. Η σχεδίασή τους αντιμετωπίζει την σπηλαίωση καλύτερα από τις συμβατικές βαλβίδες. Ακόμα και έντονα φαινόμενα σπηλαίωσης δεν προκαλούν καταστροφή των βαλβίδων διάτρητων πλακών δεδομένου ότι η σύνθλιψη των φυσαλίδων παρουσιάζεται μέσα στο ρευστό και όχι μέσα στα ζωτικά μέρη της βαλβίδας. Η μοναδική τους σχεδίαση ξεπερνά την σχεδίαση των συμβατικών βαλβίδων στις οποίες παρουσιάζονται συχνά φαινόμενα σπηλαίωσης στην βαλβίδα και την έδρα τους. Όταν οι βαλβίδες διάτρητων πλακών επιλέγονται σωστά, δεν δημιουργούνται φυσαλίδες σπηλαίωσης. Σημαντικά πλεονεκτήματα των ρυθμιστικών βαλβίδων διάτρητων πλακών είναι επίσης: - Η μεγάλη ακρίβεια ρύθμισης παροχής ή πίεσης. - Η καταλληλότητά τους για εφαρμογές μεγάλων ταχυτήτων - Η καταλληλότητά τους για εφαρμογές μεγάλης πτώσης πίεσης Ένα πρόσθετο σημείο λειτουργικής αξιοπιστίας των ρυθμιστικών βαλβίδων διάτρητων πλακών είναι ότι δεν έχουν έμφυτη τάση να ανοίξουν ή να κλείσουν κατά τον έλεγχο της ροής ή της πίεσης.

3 Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα βασικά υδραυλικά δεδομένα της σχεδίασης και τα κριτήρια επιλογής των ρυθμιστικών βαλβίδων διάτρητων πλακών, όπως αυτά προκύπτουν από εκτεταμένες δοκιμές της SAPAG και τις εφαρμογές των βαλβίδων του εξεταζόμενου τύπου. Σπηλαίωση Οι μειώσεις της διατομής ροής, οι διαστολές και οι αλλαγές κατεύθυνσης που παρουσιάζονται καθώς το ρευστό διέρχεται μέσα από την βαλβίδα τείνουν να δημιουργήσουν τοπικά μία πτώση της πίεσης. Εάν η τοπική πίεση πέσει κάτω από την πίεση των ατμών του υγρού, τότε το υγρό βράζει. Εμφανίζονται φυσαλίδες ατμού και απότομη σύνθλιψη τους, ένα φαινόμενο που ονομάζεται σπηλαίωση. Η τάση μίας βαλβίδας για σπηλαίωση χαρακτηρίζεται συνήθως από τον συντελεστή σπηλαίωσης σ που ορίζεται ως: P 1 : P 2 : P V : όπου: η απόλυτη πίεση ανάντη μετρούμενη στην πράξη σε απόσταση μίας διαμέτρου πριν την βαλβίδα η απόλυτη πίεση κατάντη μετρούμενη σε απόσταση δέκα διαμέτρων μετά την βαλβίδα και διορθωμένη για την πτώση πίεσης μεταξύ των σημείων 1 και 2. η πίεση των ατμών του υγρού στην θερμοκρασία λειτουργίας. Οι πιέσεις αυτές εκφράζονται συνήθως σε μέτρα ύψους του ρευστού Ορισμένοι κατασκευαστές βαλβίδων χρησιμοποιούν έναν αριθμό σπηλαίωσης οριζόμενο ως εξής: Οι δύο αυτοί αριθμοί συνδέονται άμεσα μεταξύ τους με τις ακόλουθες σχέσεις: Για δεδομένο ποσοστό ανοίγματος της βαλβίδας ο κατασκευαστής καθορίζει διαφορετικές τιμές σ που αντιστοιχούν σε διαφορετικούς βαθμούς σπηλαίωσης. Έτσι καθορίζεται και πως μεταβάλλεται η τιμή σ ανάλογα με το ποσοστό ανοίγματος, για συγκεκριμένο βαθμό σπηλαίωσης. Οι τιμές αυτές μπορούν να απεικονιστούν στις λεγόμενες «καμπύλες σίγμα» που δείχνουν τον βαθμό κινδύνου σπηλαίωσης που θα αντιμετωπίσει ο χρήστης της βαλβίδας. Οι περιοχές που περιλαμβάνονται μεταξύ των καμπυλών αντιπροσωπεύουν τον βαθμό κινδύνου σπηλαίωσης, σύμφωνα με το παραπλεύρως διάγραμμα το οποίο εμφανίζεται αναλυτικότερο στην συνέχεια στην Εικόνα 2.

4 Ειδική ροή Τυπικά χαρακτηριστικά ροής Η ειδική ροή q 11 ορίζεται ως η παροχή που, όταν διέρχεται μέσω μίας βαλβίδας διαμέτρου ενός μέτρου, προκαλεί πτώση πίεσης ίση με ένα μέτρο νερού και δίδεται από τον τύπο: όπου: q 11 : η ειδική ροή σε m 3 /s, για δεδομένο άνοιγμα της βαλβίδας Q : η συνολική παροχή που διέρχεται από την βαλβίδα σε m 3 /s ΔΗ: η αντίστοιχη πτώση πίεσης σε μέτρα στήλης του υγρού D : η ονοματική διάμετρος της βαλβίδας διάτρητων πλακών σε μέτρα Το διάγραμμα δείχνει την μεταβολή του q 11 σε σχέση με το ποσοστό ανοίγματος, για δεδομένη πτώση πίεσης. Σημειώνεται ότι η ειδική ροή q 11 μπορεί να εκφραστεί σε σχέση προς τον συντελεστή πτώσης πίεσης k. π.χ. η ειδική ροή μίας βαλβίδας με την μέγιστη δυνατή διάτρηση, σε πλήρως ανοιχτή θέση, εγκατεστημένης σε σωλήνωση διαμέτρου ίσης με την ονομαστική διάμετρο της βαλβίδας, είναι 1,3 m 3 /s Η τιμή της ειδικής ροής πέφτει στο 0,95 m 3 /s για τερματική βαλβίδα. Απώλεια πίεσης Η απώλεια πίεσης που προκαλείται από την ροή μέσω μίας βαλβίδας διάτρητων πλακών υπολογίζεται από την σχέση: Συντελεστής πτώσης πίεσης / % ανοίγματος βαλβίδας όπου: ΔΗ: η απώλεια πίεσης σε μέτρα στήλης νερού για δεδομένο άνοιγμα της βαλβίδας k : ο αδιάστατος συντελεστής πτώσης πίεσης στο ίδιο άνοιγμα V : η ταχύτητα του υγρού σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο υπολογισμένη με βάση την ονομαστική διατομή ροής της βαλβίδας. g : η επιτάχυνση της βαρύτητας σε m/s 2 Το διάγραμμα δείχνει ένα παράδειγμα καμπύλης του συντελεστή k για βαλβίδα MONOVAR μέγιστης διάτρησης.

5 Γραφική μέθοδος προσδιορισμού του συντελεστή σίγμα Οι διαθέσιμες τιμές σπηλαίωσης μπορούν να υπολογιστούν εύκολα διαγραμματικά. Το παράδειγμα υπολογισμού που ακολουθεί βασίζεται στην ροή μεταξύ δύο δεξαμενών ευρισκομένων σε διαφορετικά επίπεδα. Η εικόνα που ακολουθεί απεικονίζει την σωλήνωση που τις συνδέει και την βαλβίδα ελέγχου, καθώς επίσης δεξιά και το διάγραμμα πίεσης / ροής. Όπως συνηθίζεται, οι πιέσεις εκφράζονται εδώ σε μέτρα στήλης του υγρού. Εν τούτοις, οι μεταβλητές Η 1, Η 2 και Η V έχουν την ίδια σημασία με τις P 1, P 2 και P V που αναφέρθηκαν προηγουμένως. π.χ. H V είναι η πίεση ατμών του διερχόμενου υγρού εκπεφρασμένου σε μέτρα στήλης του υγρού. Τα σημεία a, b, c και d απεικονίζουν τα στοιχεία απώλειας πίεσης στην μέγιστη παροχή Q. Οι απώλειες πίεσης πριν και μετά την βαλβίδα είναι τα ab και cd αντίστοιχα. Η ενδιάμεση απόσταση bc (Η 1 -Η 2 ) αντιπροσωπεύει την πτώση πίεσης που μπορεί να στραγγαλιστεί από την βαλβίδα. Αντίστοιχα οι καμπύλες που καταλήγουν στα σημεία b και c δείχνουν πως η διαθέσιμη πίεση μειώνεται λόγω της τριβής κατά μήκος της σωλήνωσης. Η μανομετρική πίεση H a στο σημείο a αντιστοιχεί στην πίεση στην επιφάνεια της πάνω δεξαμενής, δηλ. την ατμοσφαιρική. Έχοντας σχεδιάσει μέχρι τώρα όλα τα βασικά χαρακτηριστικά, απομένει μόνο να προσθέσουμε μία ακόμα οριζόντια γραμμή, την e. Αυτή πρέπει να χαραχθεί σε απόσταση ίση προς H a -H V, κάτω από τον άξονα της μηδενικής υψομετρικής πίεσης. Ο αριθμητής (Ρ 2 -Ρ V ) της σχέσης του σ αντιπροσωπεύεται από το μήκος ce το οποίο προφανώς είναι αντίστοιχο του H 2 +H a -H V, ενώ ο παρονομαστής είναι το bc. Επομένως το επιθυμητό σ είναι ce/bc. Μανομετρικό ύψος Η σε μέτρα έναντι της παροχής Q Πάνω δεξαμενή Πτώση πίεσης Παροχή Κάτω δεξαμενή

6 Εικόνα 2 Το διάγραμμα της Εικόνας 2 χρησιμοποιείται για την επιλογή της κατάλληλης διαμέτρου ρυθμιστικής βαλβίδας, όπως δείχνει το παράδειγμα που ακολουθεί. Περιοχή 1: Περιοχή 2: Περιοχή 3: Περιοχή 4: Εξαιρετική λειτουργία Αποδεκτή λειτουργία Δυνατή λειτουργία (απαιτείται μελέτη σε βάθος των συνθηκών) Απαγορευμένη περιοχή Επιλογή διαμέτρου βαλβίδας 1. Δεδομένα Παράδειγμα (νερό) Παροχή μεταβαλλόμενη μεταξύ Q και Q Q = 0,150 m 3 /s Q = 0,250 m 3 /s Εύρος μεταβολής πίεσης ανάντη P 1 και P 1 P 1 = 50 mh 2 O P 1 = 48 mh 2 O Εύρος μεταβολής πίεσης κατάντη P 2 και P 2 P 2 = 25 mh 2 O P 2 = 48 mh 2 O Διαθέσιμο μανομετρικό ρύθμισης ΔΗ και ΔΗ ΔΗ = 25 mh 2 O ΔΗ = 20 mh 2 O Πίεση ατμών υγρού στην θερμοκρασία λειτουργίας P V P V = 0,2 mh 2 O Ονομαστική διάμετρος σωλήνα D D = 0,3 m 2. Πρώτο στάδιο υπολογισμών Παράδειγμα (νερό) υπολογίζουμε: εάν q 11 < 1,3 η διάμετρος της βαλβίδας θα είναι 0,62 < 1,3 και επομένως η βαλβίδα θα έχει μικρότερη ή ίση του D διάμετρο 0,3 m εάν q 11 > 1,3 η διάμετρος της βαλβίδας θα είναι μεγαλύτερη του D, οπότε πρέπει να επιλεγεί νέα βαλβίδα με q 11< 1,3

7 Σημείωση: Εξαρτήματα σωλήνων όπως καμπύλες ή άλλος μηχανολογικός εξοπλισμός μπορούν να μεταβάλουν τις προδιαγραφές της βαλβίδας. Σε ανάλογες περιπτώσεις πρέπει να ερωτάται ο κατασκευαστής. 3. Δεύτερο στάδιο υπολογισμών Παράδειγμα (νερό) Εάν τα σημεία (q 11,σ) βρίσκονται στην περιοχή σπηλαίωσης 1 Καθώς και τα δύο σημεία είναι στην περιοχή 1 της Εικόνας 2, τότε δεν υπάρχει κίνδυνος σπηλαίωσης και μπορεί να επιλεγεί διάμετρος 0,3 m. το μέγεθος της βαλβίδας διάτρητων πλακών που επιλέχθηκε Εάν επιλεγεί ο,25 m, τότε: αρχικά, μπορεί να επιλεγεί τελικά ή και να μειωθεί. Εάν τα σημεία (q 11,σ) βρίσκονται στις περιοχές 2 ή 3, ο κίνδυνος q 11 = 0,48 και q 11 = 0,89 σπηλαίωσης σχετίζεται με την διάρκεια ζωής και μπορεί να και η βαλβίδα θα υπόκειτο σε σπηλαίωση σε χρειαστεί να επιλεγεί μεγαλύτερη βαλβίδα. κάποιες περιπτώσεις. Οριακές συνθήκες λειτουργίας Θερμοκρασία Τα θερμοκρασιακά όρια λειτουργίας των τυπικών βαλβίδων διάτρητων πλακών είναι από 0 o C έως 80 o C. Με την χρήση ειδικών στεγανοποιητικών η μέγιστη θερμοκρασία μπορεί να φθάσει μέχρι 200 o C, ενώ τα ελαστικά μέρη μπορούν να λειτουργούν μέχρι και τους -50 o C. Πίεση Ανάλογα με την διάσταση των βαλβίδων η κλάση πίεσης μπορεί να φθάσει από ΡΝ64 για την διάσταση DN100 μέχρι ΡΝ10 για την διάσταση DN2000. Στεγανότητα Οι ρυθμιστικές βαλβίδες διάτρητων πλακών δεν είναι απόλυτα στεγανές. Για τον λόγο αυτό συνιστάται η τοποθέτησή τους μεταξύ απομονωτικών δικλείδων. Υλικά κατασκευής Τα υλικά κατασκευής των βαλβίδων επιλέγονται ανάλογα με τις συνθήκες και είναι συνήθως: - Σώμα: σφαιροειδής χυτοσίδηρος EN GJS Σταθερή πλάκα: σφαιροειδής χυτοσίδηρος EN GJS ή ανοξείδωτος χάλυβας 13% (X20 C13) - Κινητή πλάκα: σφαιροειδής χυτοσίδηρος EN GJS ή ανοξείδωτος χάλυβας 13% (X20 C13) - Άξονας: Ανοξείδωτος χάλυβα 13% (X20 C13)

8 - Στεγανοποιητικά άξονα και φλάντζας: Perbunan σκληρότητας 70 Shore Πεδίο εφαρμογής Οι βαλβίδες διάτρητων πλακών χρησιμοποιούνται σε: Δίκτυα ύδρευσης (αξιοπιστία, πίεση, σπηλαίωση) Βιομηχανικές, ψυκτικές και αναμεικτικές εγκαταστάσεις (σπηλαίωση, ευαισθησία, πίεση, αξιοπιστία) Είσοδο εγκαταστάσεων επεξεργασίας νερού (μειωμένες εργασίες πολιτικού μηχανικού, σπηλαίωση, αξιοπιστία) Εργαστήρια δοκιμών (ευαισθησία, απουσία αναταράξεων) Παρακάμψεις (by-pass) υδροστροβίλων (φράγματα) Ελεύθερη εκροή στο πέρας σωληνώσεων (εκκενωτές φραγμάτων) Αντικατάσταση αντλιών μεταβλητής ταχύτητας σε συνδυασμό με αντλίες σταθερής παροχής ή πίεσης. Δυνατότητα εφαρμογών με θαλασσινό νερό Σύνηθες κύκλωμα ελέγχου Οι ρυθμιστικές βαλβίδες διάτρητων πλακών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο πολλών χαρακτηριστικών, όπως: - πίεσης ανάντη - στάθμης ανάντη - πίεσης κατάντη - στάθμης κατάντη - παροχής με μέτρηση της πτώσης πίεσης - παροχής με παροχόμετρο - πίεσης ανάντη και ολικής παροχής - στάθμης ανάντη και ολικής παροχής - πίεσης κατάντη και ολικής παροχής - στάθμης κατάντη και ολικής παροχής Για τον έλεγχο των βαλβίδων χρησιμοποιούνται ελεγκτές PID. Το διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει ένα ενδεικτικό κύκλωμα ελέγχου μίας ηλεκτροκίνητης βαλβίδας.

9 Συμπερασματικά μπορούμε να αναφέρουμε ότι οι ρυθμιστικές βαλβίδες παράλληλων διάτρητων πλακών αποτελούν εξαιρετική λύση για την ρύθμιση της παροχής και της πίεσης σε υδραυλικά συστήματα, αντιμετωπίζοντας με επιτυχία τα φαινόμενα σπηλαίωσης, ενώ χρειάζονται σημαντικά μειωμένο χώρο εγκατάστασης σε σχέση προς τις συμβατικές ρυθμιστικές βαλβίδες ΧΡΥΣΑΦΙΔΗΣ Α.Ε. : Αθήνα : τηλ.: Fax: sales@chryssafidis.gr web-site: Θεσσαλονίκη : τηλ.: Fax :