Regulační armatury - teoretická základna (I)

Datum: 12.10.2004  |  Autor: doc. Ing. Jiří Bašta Ph.D.

Teoretická základna je seriál článků se zaměřením na teorii základních regulačních prvků. Je určen především odborné veřejnosti, studentům, projektantům nebo provozovatelům tepelných soustav. Cílem je dostupnost teoretických informací s uvedením příkladů návrhu regulačních prvků do otopných soustav. Tento díl je zaměřen na teorii s uvedením základních výpočtových vztahů a používanou odbornou terminologii.

REGULAČNÍ ARMATURY

Aby regulační ventily plnily správně svou funkci, musejí mít vlastnosti vhodné pro dané použití. Vlastnosti ventilu jsou dány především jeho konstrukcí, tj. průtočným průřezem, tvarem průtočných cest a kuželky, ale rovněž vlastnostmi ovládacího pohonu ventilu.

Při výběru ventilu jsou důležitá následující kritéria:
  • jmenovitý tlak PN
  • přípustný rozdíl tlaků
  • kv hodnota ventilu
  • charakteristika ventilu
  • autorita ventilu Pv
Příklad nejčastěji používaných tvarů kuželek ventilů je na obr. 1.

Obr. 1: Princip funkce ventilu a nejběžnější tvary kuželek
a) talířová kuželka s kónickými dosedacími plochami
b) talířová kuželka s usměrňujícími žebry
c) kuželka s logaritmickými vstupy
d) kuželka s logaritmickým nátokovým profilem
1 - tělo ventilu,
2 - kuželka ventilu,
3 - sedlo ventilu

1 Charakteristiky a základní veličiny

1.1 Jmenovitý průtok - kv hodnota

Velikost ventilu je určena kvs hodnotou. kvs hodnota vyčísluje vztah mezi nastavením ventilu (zdvih, úhel natočení) a protékajícím množstvím. Představuje tak jmenovitý průtok armaturou v m3/h při maximálním otevření h100 armatury a tlakové ztrátě Δpo = 100 kPa = 1 bar. Pro vodu jako teplonosnou látku počítáme se zjednodušeným vztahem:

kde:
V          je objemový průtok armaturou [m3/h] !
ΔpV      tlaková ztráta ventilu [kPa]
Δpo = 100 kPa (= 1 bar)

Z takto zapsaného základního vztahu můžeme určit ze známé kvs hodnoty a pro požadovaný průtok tlakovou ztrátu ventilu, či z požadované tlakové ztráty na ventilu a požadovaného průtoku ventilem kvs hodnotu a podle ní vybrat příslušný ventil, nebo ze známé kvs hodnoty ventilu a tlakové ztráty na ventilu určit skutečný průtok ventilem.

Pro výpočet kvs hodnoty při jiné teplonosné látce než je voda se používá následující vztah:

kde:
ρ     hustota teplonosné látky při provozní teplotě [kg/m3]
ρo    hustota vody při teplotě 15 °C [kg/m3]

V USA se počítá s Cvs hodnotou, která je zjišťována stejným způsobem při tlakové ztrátě na ventilu 1 psi (Δpo = 1 lb/sq = 6,8948 kPa) a průtok je v gal/min. Hustota je dosazována v lb/ft3 (1 lb/ft3 = 16,018 kg/m3).

Dříve se u nás jako ekvivalent ke kvs hodnotě používal průtokový součinitel Avs, který jednoznačně určuje vlastnosti armatury, ale je do něj dosazováno důsledně v základních jednotkách SI. Průtokový součinitel je definován jako:

kde:
V      je objemový průtok ventilem [m3/s]
ΔpV    tlaková ztráta ventilu [Pa]
ρ      hustota vody [kg/m3]

Přepočet jednotlivých hodnot vypadá následovně:

kvs = 36000.Avs [m3/h]
kvs = 0,865.Cvs [m3/h]
Cvs = 41700.Avs [gal/min]
Cvs = 1,17.kvs [gal/min]
Avs = 2,40.10-5.Cvs [m2]
Avs = 2,78.10-5.kvs [m2]

Mezi kv hodnotou, volným průtočným průřezem připojovacího potrubí ventilu S [mm2] a součinitelem místního odporu ventilu ζ [-] existují následující vztahy:

kv hodnota, kterou dostaneme při maximálním zdvihu kuželky h = 100 %, je označována jako kvs hodnota. kv0 označíme kv hodnotu, kterou získáme extrapolací pro nulovou hodnotu zdvihu kuželky h = 0 % (viz obr. 5 v druhém dílu). Obvyklé kv hodnoty ventilů se pohybují v rozmezí 0,25 až 500 m3/h.


Autorita ventilu Pv

Podstatný vliv na regulační schopnost ventilu umístěného v potrubní síti má autorita ventilu. Obecně lze konstatovat, že čím je větší autorita ventilu, tím lepší je regulační schopnost ventilu v potrubní síti.

Autorita ventilu Pv (dříve označována a) je definována poměrem tlakové ztráty ventilu při plném otevření ku tlakové ztrátě ventilu při plném uzavření.

kde:
pv100     tlaková ztráta ventilu při plném otevření [Pa]
pv0        tlaková ztráta ventilu při plném uzavření [Pa]
Pv         autorita ventilu [-]

Podle toho, jakou má ventil tlakovou ztrátu vzhledem k tlakové ztrátě potrubní sítě okruhu příslušejícího ventilu, resp. jak veliká je autorita ventilu, se statická charakteristika ventilu deformuje. Deformaci statické charakteristiky ventilu s lineární, rovnoprocentní a parabolickou charakteristikou v závislosti na autoritě ventilu ukazují obr. 2, 3 a 4.


Obr. 2 - Deformace rovnoprocentní statické
charakteristiky ventilu se změnou autority ventilu

Obr. 3 - Deformace lineární statické
charakteristiky ventilu se změnou autority ventilu

K určení kvs hodnoty je zapotřebí jmenovitého průtoku a tlakové ztráty ventilu. Tlakovou ztrátu ventilu při plném otevření lze určit přes autoritu ventilu vztahem:

Nevýhodou tohoto vztahu je, že tlaková ztráta ventilu je sama závislá na tlakové ztrátě ventilu při plném otevření. Předložený vztah je pro praxi neužitečný, a proto se do vztahu promítá tlaková ztráta potrubní sítě okruhu příslušejícího ventilu. Vztah nabývá tvaru:



Obr. 4 - Deformace parabolické statické charakteristiky
ventilu se změnou autority ventilu

kde:
ΔpPS    tlaková ztráta potrubní sítě okruhu příslušejícího ventilu [Pa]
Pv´       poměrná autorita ventilu [-]


Při obvyklé autoritě ventilu Pv = 0,33 je poměrná autorita Pv´ = 0,5. Tlaková ztráta plně otevřeného ventilu je tak přibližně poloviční, jako tlaková ztráta úseku potrubní sítě bez ventilu. Tlaková ztráta např. výměníku, otopného tělesa či úseku potrubní sítě je známa z technického řešení otopné soustavy.

Regulovatelnost u lineární charakteristiky ventilu je tím příznivější, čím větší je autorita ventilu, neboť s přibývající autoritou ventilu se blížíme k žádanému lineárnímu průběhu statické charakteristiky. Zvýšení autority ventilu znamená, při daných dimenzích potrubní sítě, zvýšení odporu a snížení kvs hodnoty. Se zmenšující se kvs hodnotou stoupá tlaková ztráta ventilu, jak ukazuje následující vztah:

kde:
kv    jmenovitý průtok [m3/h]
V     objemový průtok [m3/h]
p     tlaková ztráta ventilu [kPa]
po    = 100 kPa
ρ     hustota vody při provozní teplotě [kg/m3]
ρo    hustota vody při teplotě 15 °C [kg/m3]

Tato zvýšená tlaková ztráta musí být kryta zvýšením dopravního tlaku čerpadla. Z toho plyne, že s rostoucí autoritou ventilu se sice zlepší regulovatelnost zařízení, ale zvyšuje se spotřeba energie čerpadla. Jako směrná hodnota a jakýsi kompromis platí rozmezí autority ventilu Pv = 0,3 až 0,5. S tímto rozmezím se však nedá dosáhnout žádaného lineárního průběhu výsledné charakteristiky při statické lineární charakteristice.

Pro ventily s rovnoprocentní charakteristikou platí však něco jiného. Zde můžeme dosáhnout lineárního průběhu statické charakteristiky dokonce s relativně malou autoritou ventilu. Směrná hodnota Pv = 0,3 až 0,5 zde není žádným kompromisem, jak tomu je u ventilu s lineární charakteristikou.

Pro každé dimenzování lze znázornit a najít optimální autoritu ventilu, která povede k lineární výsledné charakteristice. Pro běžnou praxi se zdá zde popsaný výklad těžko akceptovatelný. Přesto se výše uvedená směrná hodnota používá.

Použitá literatura:
Hydraulika a řízení otopných soustav - autor: Ing. Jiří Bašta Ph.D., vydavatelství ČVUT Praha 2003

 

Hodnotit:  

Datum: 12.10.2004
Autor: doc. Ing. Jiří Bašta Ph.D.   všechny články autora



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (4 příspěvky, poslední 16.02.2010 13:38)


Projekty 2017

Partneři - Vytápění

logo DANFOSS
logo FV PLAST
logo THERMONA
logo GEMINOX
logo FENIX
logo ENBRA

Spolupracujeme

logo Asociace odborných velkoobchodů

 
 

Aktuální články na ESTAV.czNáklady na provoz tepelného čerpadla vzduch/voda – co je ovlivňuje?Palác Anděl na Smíchově koupila LaSalle téměř za 1,5 miliardy KčArchitekt Martin Rajniš: Dřevěné rozhledny i obchodní domyBuďte hvězda ulice s vánočním dekoračním osvětlením RETLUX