Regulační ventily, jejich pohony a základní vlastnosti

Transkript

1 , jejich pohony a základní vlastnosti Jaroslav Hlava TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ , který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Schematické uspořádání ventilu s pneumatickým pohonem

3

4 Místo pneumatického může být elektrický pohon Typicky dvoufázový asynchronní servopohon

5 Kaskádnířízení polohy ventilu s podřazeným třípolohovým regulátorem Jiná možnost např. krokový PI regulátor

6

7 Solenoidové ventily Přímo ovládaný solenoid (normálně uzavřený NC) Při připojení elektrického napětí je kuželka zvednuta a ventilem může procházet tekutina Při odpojení se el. napětí se kuželka působením pružiny vrací zpět

8 Přímo ovládaný solenoid (normálně otevřený NO) Po přivedení elektrického napětí dojde ke zvednutí talířového sedla a uzavření toku tekutiny Návrat zpět po odpojení od zdroje el. napájení je zabezpečen pružinou

9 Zejména pro malé průtoky existují i proporcionální solenoidové ventily, u nichž nedochází pouze k přesunu kuželky mezi krajními polohami, ale poloha kuželky se mění spojitě. Tato poloha se ustavuje na základě silové rovnováhy podobně jako u pneumaticky ovládaných ventilů. Jde ovšem nikoliv o rovnováhu mezi působením pružiny a silou danou tlakem působícím na membránu, ale mezi působením pružiny a silovým působením elektromagnetu. 1 Cívka elektromagnetu 3 Táhlo 2 Pružina 4 Magnetické pole Obr. Fluid Automation Systems Ovládací elektronika musí obsahovat proudový regulátor, který zabezpečí, že při daném požadavku na polohu ventilu je proud konstantní. Při napájení ze zdroje napětí by v důsledku ohřevu cívky došlo ke změně odporu a tím i proudu a tedy také magnetického toku a nakonec i polohy ventilu

10 Třícestné ventily

11 Ostatní regulační armatury: Klapky: Kohouty:

12 Připojení armatury - jmenovitá světlost DN (Diameter Nominal) udává přibližně vnitřní světlost vstupního a výstupního hrdla v milimetrech. Odstupňování: DN 15; 20; 25; 32; 40; 50; 65; 80; 100; 125; 150 atd. Jmenovitý tlak PN (Pressure Nominal) udává tlakovou třídu armatury, obvykle souhlasí s maximálním pracovním přetlakem v barech ne však vždy, neboť ten závisí i na pracovní teplotě média a materiálu, z něhož jsou vyrobeny hlavní díly armatury Odstupňování: PN 2,5; 6; 10; 16; 25; 40 atd.

13 Průtokový součinitel K v Objemový průtok vody v m 3.h -1 který proteče regulačním ventilem za referenčních podmínek (tlakový spád na ventilu 1 bar, teplota vody 15 C, rozvinuté turbulentní proudění, dostatečný statický tlak vylučující za uvedených podmínek možnost vzniku kavitace) K v 1 = Q 100 [ 1 m 3 h ] Q je objemový průtok m 3.h -1, ρ je hustota kg.m -3, p je tlaková ztráta armatury v MPa (1 bar=100 kpa=0,1mpa) Analogicky je definován průtokový součinitel C v užívaný v anglosaské literatuře: množství US galonů vody 60 F teplé, které proteče armaturou za 1 minutu při tlakovém spádu 1 psi (1 US galon=3,7854 litru, 1 psi=6894,8 Pa), hustota v librách na krychlovou stopu (1 lb.ft -3 =16,018 kg.m -3 ) K v =0,865C v C v =1,16 K v ρ p

14 K vs - jmenovitá hodnota K v zcela otevřeného ventilu specifikovaná pro příslušný typ v katalogu, hodnoty vyráběných K vs jsou uspořádány do normou předepsané řady K v100 - hodnota K v zcela otevřeného ventilu změřená pro konkrétní ventil, může se lišit až o ±10% od K vs K v0 - hodnota K v zcela uzavřeného ventilu odpovídající jeho konstrukční průtočné charakteristice, od skutečné hodnoty K v při zcela uzavřeném ventilu se většinou výrazně liší Kvs Teoretický regulační poměr S v0 = Obvyklé hodnoty S v0 jsou 20,25,30,50 K v0

15 Průtočná charakteristika: Regulační ventily Definována jako funkční závislost průtokového součinitele na poloze uzávěru regulačního prvku K K (H ) v = Často specifikováno v poměrných veličinách v Φ = Φ(h) Lineární průtočná charakteristika Teoretický regulační poměr S v 0 Φ = Φ0 Φ = Φ Φ = + mh K K v vs h = H H 100 není totožný se skutečně dosažitelným regulačním poměrem doporučeno používat ventil v rozsahu cca od 10 do 80% maximálního otevření Parametry Φ 0 a m jsou jednoznačně spjaty v důsledku skutečnosti, že při plném otevření ventilu (h=1) musí být také relativní průtokový součinitel Φ roven jedné 1= Φ 0 +m m=1- Φ 0 max min 1 = Φ 0

16 Rovnoprocentní (ekviprocentní) průtočná charakteristika Stejné procentní přírůstky poměrného zdvihu h vyvolají stejné procentní přírůstky poměrného průtokového součinitele Φ nh Φ = Φ 0 e U regulačních ventilů nejčastěji 4-procentní charakteristika (n=4). Na základě stejné úvahy jako u lin. ventilů lze obecně říci, že 1= Φ 0 e n n=ln(1/ Φ 0 ) Parabolická průtočná charakteristika Φ = Φ0 + nh používána méně často, kompromis mezi vlastnostmi rovnoprocentní a lineární charakteristiky 2 Charakteristika s rychlým otevřením Φ = Φ0 + m h

17

18 Pásmo povolených odchylek od udaného průběhu průtočné charakteristiky 0,2 Φ Max. 1 Φ odch max % = ± 10 odch.±% Φ 0,02 21,97 Dále definována maximální odchylka sklonu: 0,05 18,2 mezi body 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 1 je maximální 0,1 15,8 sklon 2b a minimální 0,5b kde b = Φ h 0,2 13,8 příslušného úseku charakteristiky 0,3 12,7 0,4 12,0 K vr je nejmenší hodnota K v, při níž je ještě dodržena 0,5 11,5 předepsaná maximální odchylka sklonu, tato hodnota 0,6 11,1 nesmí překročit hodnotu K v při 10% otevření ventilu 0,7 10,7 Kvs Praktický regulační poměr S v = 0,8 10,4 Kvr 0,9 10,2 1 10

19 Instalovaná charakteristika ventilu U q = U1 + U2 p = p + p ρ Kv = Q Q = 100K 100 p p = Q K 2 ρ 2 4 v 10 v p ρ U q U q = R1i + R2i i = R1 + R2 Obdobně, ale podstatně složitěji, to lze vyjádřit i v hydraulickém obvodu Q ρ Q ρ p = + = K ( H ) K p v1 v2 0 0 Q Kv 1( H ) 10 Kv2 10 Kv 1( H ) + Kv2 ρ

20 Pro průtok celou soustavou platí: Q = 100 K ( H ) K p 2 2 v1 v v1( ) + v2 K H K ρ p Pro průtok jednotlivým ventilem platí: Q = 100K v ρ Ve srovnání obou vztahů lze hovořit o celkovém k v celé soustavy v obdobném smyslu jako o k v jednotlivého ventilu Toto celkové k v lze vyjádřit jako a převést ho rovněž do bezrozměrného popisu v relativních hodnotách K Φ = c vc K = K vc vc max K ( H ) K 2 2 v1 v2 2 2 v1( ) + v2 K H K

21 Aby bylo možné tento popis vyjádřit v přehledném tvaru zavedeme veličinu autorita ventilu pq max p Q max a = - tlaková ztráta na zcela otevřeném ventilu p p Q0 - tlaková ztráta na zcela uzavřeném ventilu Q0 Při zcela otevřeném ventilu je průtok Odpovídající tlaková ztráta na ventilu Q K K p 2 2 vs v2 0 max = Kvs + Kv2 ρ 2 Kv2 pq max = p0 2 2 Kvs + Kv2 Při zcela uzavřeném ventilu je tlaková ztráta pq0 = p0 Lze tedy psát K a a = K K K = 2 v v2 vs vs + Kv2 1 a

22 S využitím tohoto vztahu a po zavedení poměrného otevření ventilu Φ c lze pro celkový průtokový součinitel celé soustavy psát a Kvc max = Kvs a Kvc = Kvs a 1 a + Φ 2 ( h) Obecně: Kvc 1 Φ c ( h) = = Kvc max a( 1) 2 Φ( h) Kvc 1 Pro lineární charakteristiku: Φ c ( h) = = Kvc max a( 1) 2 ( Φ + nh) Pro ekviprocentní charakteristiku: Kvc Φ c ( h) = = K vc max a( 1) Φ e 2 2nh 0

23 Deformace lineární průtočné charakteristiky ventilu

24 Deformace ekviprocentní průtočné charakteristiky ventilu

25 Regulační charakteristika procesu (statická charakteristika) Instalovaná charakteristika ventilu bude statickou charakteristikou regulovaného procesu pouze v případě, že regulovanou veličinou je průtok (a celkový tlakový spád na soustavě je konstantní). Obvykle však je regulace průtoku jenom prostředkem k ovlivňování nějaké jiné významnější veličiny a je tedy nutné uvažovat i statický vztah mezi průtokem a konečnou regulovanou veličinou. Příkladem může být např. situace, kdy měníme průtok primárním okruhem výměníku tepla s cílem měnit tepelný výkon předávaný sekundárnímu okruhu. Typická statická charakteristika výměníku tepla může být přibližně popsána následující rovnicí (b je parametr závislý na konstrukci výměníku a vstupních a výstupních teplotách, pohybuje se od 0,1 do 1,2, nejčastěji od 0,3 do 0,5; P je předávaný tepelný výkon) P P = 1+ b max 1 1 Q Q Q Q max max

26 Graficky lze tyto charakteristiky znázornit následovně Výsledná statická charakteristika tak vznikne složením těchto dílčích charakteristik, přičemž podstatné je její blízkost linearitě nikoliv linearita jednotlivých komponent)

27 Příklad: ventil s ekviprocentní charakteristikou, teoretickým regulačním poměrem 50, autoritou a=0,5 připojený k výměníku b=0,3 Výsledky dosažené s lineárním ventilem by byly podstatně horší.

28 Pomocná zařízení v obvodech s regulačními ventily 1. Elektropneumatický převodník základem jeho funkce je nejčastěji systém tryska-klapka Tento systém je vlastně pneumatický zesilovač s vysokým zesílením (pneumatická analogie operačního zesilovače), jeho charakteristika v pracovní oblasti je přibližně lineární, z jeho výstupu je však možné odebírat jen velmi omezený průtok tlakového vzduchu Normalizované tlakové signály: napájecí tlak 140 kpa, pracovní rozsah 20 až 100 kpa

29 Systém tryska-klapka musí být doplněn o pneumatický výkonový zesilovač Zesilovač je s napájením spojen přímo bez clony na vstupu. Výstup ze systému tryska klapka (p 2 ) je spojen s dolní částí komory zesilovače a kolísání tlaku p 2 se přenáší na průhyb membrány (y). Pokud p 2 vzroste, membrána se prohne vzhůru, zablokuje se odvzdušňovací otvor, tlak vzduchu na výstupu stoupá. Pokles p 2 vede k pohybu membrány směrem dolů, blokování napájecího vedení a propojení s odvzdušňovacím otvorem. Tlak na výstupu klesá.

30 Konečně musí být doplněn o zápornou zpětnou vazbu z obdobného důvodu jako elektronický OZ Z podmínky momentové rovnováhy plyne A a B1 0 pi AB1a + F0b = p0 AB 2b p0 = pi + A B2 b A B2 F

31 Elektropneumatický převodník je v principu obdobný, namísto vstupního vlnovce je elektromagnet, který vyvíjí proměnnou sílu závislou na vstupním proudovém signálu

32 Příklad skutečného provedení: převodník T6000 SPA Praha

33 2. Ovládací obvody proporcionálního solenoidového ventilu typické zapojení přidaný dither redukuje problémy vznikající v důsledku možného uváznutí ventilu a hystereze, podstatnou součástí zapojení je proudový regulátor (podle článku Electronics in the Mobile Industry)

34 Ovládací obvody solenoidových proporcionálních ventilů bývají často kombinovány ještě s řadou pokročilejších regulačních funkcí Tato řídicí jednotka (výrobce Numatics) zároveň může fungovat jako jednosmyčkový či kaskádní PID regulátor

35 Internetové zdroje Control Valve Handbook text Regulačné armatúry