Control valves (A-5) Zawory regulacyjne

1 Control valves //Zawory regulacyjne

SILESIAN UNIVESITY OF TECHNOLOGY

FACULTY OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING

INSTITUTE OF POWER ENGINEERING AND TURBOMACHINERY

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH

Control valves

(A-5)

Zawory regulacyjne

Laboratory of Automatics

Laboratorium automatyki

Opracował/ Developed: dr hab. inż Leszek Remiorz,

mgr inż. Klaudia Dubiel-Jurgaś


1. Aim of the exercise //Cel ćwiczenia

The aim of the exercise is getting to know the basic issues of setting devices and control

valves.

//Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zagadnień dotyczących urządzeń

nastawczych i zaworów regulacyjnych

2. Setting devices //Urządzenia nastawcze

Setting devices are used to convert the signal from the object regulator to the signal of

the object's set value. The signal of the object regulator can be an electric, pneumatic,

magnetic or hydraulic signal and it is converted into, for example, valve opening stage,

throttle angle, speed change, etc. In the setting device two main components can be

distinguished: executive (actuator) and adjuster. The block diagram of the setting device

(adjuster) is shown in Fig. 1.

// Urządzenia nastawcze służą do zamiany sygnału z regulatora obiektu na sygnał

wielkości nastawczej obiektu. Sygnał regulatora obiektu może być sygnałem elektrycznym,

pneumatycznym, lub magnetycznym czy hydraulicznym i jest zamieniany na np. stopień

otwarcia zaworu, kąt obrotu przepustnicy, zmianę prędkości obrotowej itp. W urządzeniu

nastawczym można wyodrębnić dwa zasadnicze podzespoły: wykonawczy (siłownik) oraz

nastawiający (nastawnik). Schemat blokowy urządzenia nastawczego (nastawnika)

przedstawia Rys. 1.

Fig. 1. Scheme of adjustment device

// Rys.1. Schemat urządzenia nastawczego

The setting device can be additionally equipped with the following elements: positioner,

position referencing-unit, relay, limiter with limit switches, position indicator, actuator

amplifier.

// Urządzenie nastawcze może być wyposażone dodatkowo w następujące elementy:

ustawnik pozycyjny (pozycjoner), zadajnik położenia, przekaźnik, ogranicznik z wyłącznikami

krańcowymi, wskaźnik położenia, wzmacniacz siłownika.

Remote referencing-unit // Zadajnik zdalny

Actuator amplifier// Wzmacniacz

siłownika

Position indicator// Wskaźnik położenia

Regulator// Regulator

Positioner// Ustawnik pozycyjny

Actuator // Siłownik

Transmission// Przekładnia

Adjuster// Nastawnik

Valve// Zawór

Local referencing-unit // Zadajnik lokalny

Block transmitter// Przekaźnik

blokowy

Position limiter//Ogranicznik położenia

Power supply// zasilanie

z


The positioner is an auxiliary regulator of pin position with negative feedback. The

use of the positioner significantly reduces the controller's hysteresis and improves the linearity

of the system's characteristics. Position referencing-unit enables displacement of the

actuator in operating conditions without a regulator.

//Ustawnik pozycyjny stanowi pomocniczy regulator położenia trzpienia z ujemnym

sprzężeniem zwrotnym. Zastosowanie ustawnika zmniejsza znacznie histerezę nastawnika

oraz poprawia liniowość charakterystyki układu. Zadajnik położenia umożliwia

przemieszczenie siłownika w warunkach pracy bez regulatora.

The position transmitter is a device blocking the actuator when the set parameters

of the object or failure are exceeded. In pneumatic actuators, a cut-off the air supply in the

chamber, and in the electric, an inhibition and immobilisation of rotor are applied.

//Przekaźnik położenia jest urządzeniem blokującym siłownik w momencie

przekroczenia ustalonych parametrów obiektu czy też awarii. W siłownikach pneumatycznych

stosuje się odcięcie dopływu powietrza w komorze, a w elektrycznych zahamowanie i

unieruchomienie wirnika.

Position limiters are used in electric actuators to protect the electric motor against

damage. In the end positions, the switches disconnect and stop the electric motor. Limiters

can also be used in pneumatic and hydraulic actuators.

//Ograniczniki położenia stosowane są w siłownikach elektrycznych zabezpieczając

silnik elektryczny przed zniszczeniem. W krańcowych położeniach wyłączniki powodują

odłączenie i zatrzymanie silnika elektrycznego. Ograniczniki mogą również być stosowane w

siłownikach pneumatycznych i hydraulicznych.

The position indicator gives information about the degree of openness of the

positioner's gate. Depending on the type of supplied power, the pneumatic, hydraulic and

electric actuators are distinguished. The adjusters are part of the control system directly

influence the process which is regulated by changing the flow of matter or energy. The most

commonly used actuators are: throttling devices, that is: valves, gate valves, throttles, etc.

//Wskaźnik położenia podaje informacje o stopniu otwarcia stawidła nastawnika. W

zależności od rodzaju dostarczonej energii zasilającej rozróżnia się siłowniki pneumatyczne,

hydrauliczne oraz elektryczne. Nastawniki są częścią układu regulacji, która wpływa

bezpośrednio na przebieg procesu regulowanego przez zmianę dopływu strumienia materii

bądź energii. Najczęściej stosowanymi nastawnikami są urządzenia dławiące przepływ

czynnika, a więc: zawory, zasuwy, przepustnice itd.


3. Control valves // Zawory regulacyjne

A typical course of changes in fluid pressure along the fluid flow path is shown in Fig. 2.

// Typowy przebieg zmian ciśnienia płynu wzdłuż drogi przepływu płynu jest przedstawiony na

Rys. 2.

Fig. 2. Pressure distribution along the flow path

//Rys. 2. Rozkład ciśnienia wzdłuż drogi przepływu

Changes in the parameters of energy processes often require changes in fluid streams along

the flow path. Changes in the value of streams are carried out by changing the rotational speed

of the machines (pumps, fans) or by throttling the flow stream (by means of valves, flaps,

steering wheels). An illustration of these two methods is shown in Fig. 3.

// Zmiany parametrów procesów energetycznych często wymagają zmian strumieni płynów

wzdłuż drogi przepływu. Zmiany wartości strumieni odbywają się poprzez zmianę prędkości

obrotowej maszyn (pomp, wentylatorów) lub poprzez dławienie strumienia przepływu (za

pomocą zaworów, klap, kierownic). Ilustracja tych dwóch metod jest przedstawiona na Rys 3.

Fig. 3. The change of capacity by changing the characteristics of the pipeline and pump

//Rys. 3. Zmiana wydajności poprzez zmianę charakterystyki rurociągu i pompy


Throttling the stream requires the use of an adjusting device with a regulating valve. The

basic equations of liquid flow through control valves important for Re> 4000 have the

following form:

// Dławienie strumienia pociąga za sobą konieczność zastosowania urządzenia nastawczego z

zaworem regulacyjnym. Podstawowe równania przepływu cieczy przez zawory regulacyjne

ważne dla Re> 4000 ma następującą postać:

𝑉 = 𝐾𝑉 ∆𝑝𝑧𝜌𝑤

,

Where: V - fluid flow, KV - flow coefficient, Δpz - pressure drop on the valve, ρw - the relative

density of the flowing liquid in relation to the density of water.

//Gdzie: V – strumień płynu, Kv – współczynnik przepływu, Δpz – spadek ciśnienia na zaworze,

ρw – względna gęstość przepływającej cieczy w stosunku do gęstości wody.

Definition of the flow coefficient KV // Definicja współczynnika przepływu KV

The flow coefficient was defined as the water flow rate at 4°C occurring at a pressure

difference of 1kG / cm2.

// Współczynnik Kv zdefiniowany został jako natężenie przepływu wody o temperaturze 4°C

zachodzące przy różnicy ciśnień równej 1kG/cm2.

𝐾𝑉(100) = 𝑉100 𝜌𝑤∆𝑝100

,

Where: KV(100) - value of the coefficient at full valve opening, Δpz(100) – the pressure drop on

the valve for the maximum fluid flow

// Gdzie: KV(100) – wartość współczynnika przy całkowitym otwarciu zaworu, Δpz(100) –– wartość

spadku ciśnienia na zaworze dla maksymalnego przepływu płynu

Valve characteristics // Charakterystyki zaworów

The valves are usually described by three typical characteristics. These are characteristics:

openings, internal and working.

// Zawory opisywane są najczęściej trzema typowymi charakterystykami. Są to

charakterystyki: otwarcia, wewnętrzne i robocze.


Valve opening characteristics// Charakterystyka otwarcia zaworu

This is the relationship between the opening surface of the valve and the position of the plug.

Usually two types of opening characteristics are encountered: linear and equal percentage.

// Jest to zależność pomiędzy powierzchnią otwarcia zaworu a położeniem grzybka. Spotyka

się najczęściej dwa rodzaje charakterystyk otwarcia: liniową i stałoprocentową.

• Linear characteristics // Charakterystyka liniowa

The valve opening surface is directly proportional to the position of the valve

// Powierzchnia otwarcia zaworu jest wprost proporcjonalna do położenia grzybka

𝐴

𝐴𝑚𝑎𝑥=

ℎ

ℎ𝑚𝑎𝑥∙ 100%

• Equal-percentage (logarithmic) characteristic // Charakterystyka stałoprocentowa

(logarytmiczna)

Displacement of the valve plug by Δh causes a constant percentage change of the valve

opening surface

// Przesunięcie grzybka zaworu o Δh powoduje stałą procentową zmianę powierzchni

otwarcia zaworu

𝐴

𝐴𝑚𝑎𝑥=𝑒

(𝑛−ℎ

ℎ𝑚𝑎𝑥∙100%)

𝑒(𝑛∙100%),

where: A- opening surface, h – plug position, n – fixed factor.

//gdzie: A- powierzchnia otwarcia, h- położenie grzybka, n –stały współczynnik.

Internal characteristics // Charakterystyka wewnętrzna

This is the relationship between the flow of fluid and the degree of opening of the valve plug

in the range of 0-100% occurring at a constant pressure drop.

//Jest to zależność pomiędzy strumieniem płynącego płynu a stopniem otwarcia grzybka

zaworu w zakresie od 0-100% zachodząca przy stałym spadku ciśnienia.

Working characteristics // Charakterystyka robocza

This type of characteristic takes into account changes in pressure drop on the valve depending

on the fluid flow and the resistance of the installation in which the valve was mounted. The

control valves are made in two versions: as valves with linear or equal percentage

characteristics (Fig. 4).


// Ten typ charakterystyki uwzględnia zmiany spadku ciśnienia na zaworze w zależności od

strumienia płynu oraz oporów instalacji, w której zawór został zamontowany. Zawory

regulacyjne wykonane są w dwóch odmianach jako zawory posiadające charakterystykę

liniową lub stało procentową.

Fig. 4.Working characteristics of linear and equal percentage valve

//Rys. 4. Charakterystyki robocze zaworu liniowego i stałoprocentowego

4. Exercise //Przebieg ćwiczenia

As part of the exercise, the water flow and the pressure before and after the valve are

measured. The pump capacity and the degree of valve opening are the changed values. The

main task is to determine the flow coefficient and to create a graph of KV dependence on Δh

for individual pump capacities.

// W ramach ćwiczenia mierzone są: strumień wody oraz ciśnienie przed i za zaworem.

Wielkościami zmienianymi są wydajność pompy i stopień otwarcia zaworu. Głównym

zadaniem jest wyznaczenie współczynnika przepływu oraz sporządzenie wykresu zależności

KV od Δh dla poszczególnych wydajności pompy.

5. Report //Sprawozdanie

A complete report should include //Kompletne sprawozdanie powinno zawierać:

Title page //Stronę tytułową,

Aim of the exercise //Cel ćwiczenia,

Short theoretical introduction //Krótki wstęp teoretyczny,

Schemes of analyzed system //Schemat analizowanego układu,

Measurement card //Kartę pomiarowe,

Graphs // Wykresy

Conclusions //Wnioski.


Measurement card //Karta pomiarowa (A-5)

DATE // DATA …………………………..

GROUP // GRUPA ……………………...

SECTION // SEKCJA ……………………

Pump capacity //Wydajność pompy: ............. %

Δh

% V1

dm3/min

V2

dm3/min

p1

kPa p2

kPa Vśr

dm3/min

Δp

kPa KV

m3/h

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

…………………………………

Teacher’s signature //Podpis prowadzącego

Documents

Control valves (A-5) Zawory regulacyjne