Technické poradenství

Výpočet Cv, Kv

Výběr regulačního ventilu pro danou aplikaci závisí na více faktorech, které jsou:

• Průtok
• Tlak
• Teplota
• Korozivita nebo abrazivita média
• Požadavky na těsnost
• Aplikace specifických průmyslových norem (FDA, 3A, EPA…)

Kapacita ventilu je dána hodnotou průtočného koeficientu Cv či Kv a udává, jaké množství vody proteče ventilem za definovaných podmínek.

Cv – množství vody [U.S. Gallon/min] při tlakové ztráte 1 psi

Kv – množství vody [m3/h] při tlakové ztrátě 1 bar

Q … objemový průtok, pro výpočet Cv [U.S. Gallon/min], pro výpočet Kv [m3/h]

SG … specifická hmotnost (pro vodu je SG=1)

Δp … tlaková ztráta, pro výpočet Cv [psi], pro výpočet Kv [bar]

Zjednodušený vztah mezi součinitely Cv a Kv je:

Cv=1.15622 * Kv

Kv=0.86488 * Cv

Výpočet průtočného koeficientu pro plyny a páru

P1 [bar] tlak před ventilem

P2 [bar] tlak za ventilem

T1 [K] teplota před ventilem (°C +273.16)

Δp [bar] tlaková ztráta na ventilu (p1-p2)

Q [kg/h] hmotnostní průtok

Qn [m3/h] objemový průtok plynu při standardních podmínkách (T=0°C, P=1 bar)

ρn [kg/m3] hustota plynu při standardních podmínkách (T=0°C, P=1 bar)

v2 [m3/kg] měrný objem páry pro p2 a T1

v3 [m3/kg] měrný objem páry pro p1/2 a T1

Technické tabulky

Doporučené výstupní rychlosti ventilů a délky vstupních a výstupních potrubí

Flashing

Přítomnost flashingu nebo kavitace ve ventilu může mít zásadní vliv na jeho výpočet a výběr. Oba jevy mohou způsobit poškození ventilu nebo navazujícího potrubí, proto je správný výběr jeho velikosti, typu a vnitřní sestavy velmi důležitý. Můžeme tímto eliminovat nežádoucí následky, které oba jevy zpravidla provázejí.

Na následujícím obrázku vidíme distribuci tlaku ve ventilu. V případě, že se výstupní tlak p2 dostane pod hodnotu tlaku par pv dané kapaliny (vlivem zvýšené rychlosti v bodě škrcení), dochází ke vzniku bublin. Čím více výst. tlak p2 klesá pod úroveň tlaku par pv, tím je tvorba bublin rychlejší. Do tohoto bodu je průběh flashingu i kavitace shodný.

Distribuce tlaku ve ventilu

O flashingu mluvíme v případě, že hodnota výstupního tlaku p2 zůstává pod úrovní tlaku par pv a bubliny jsou přítomny na výstupu ventilu. Při flashingu může dojít k poškození ventilu vlivem eroze. Na následujícím obrázku vidíme typické hladké, lesklé poškození kuželky při výskytu flashingu.

Poškození vnitřní části ventilu (kuželky) vlivem flashingu – lesklý a hladký povrch

V případě výskytu flashingu můžeme vhodně zvolenou konstrukcí ventilu pouze zmírnit následky poškození a prodloužit jeho životnost. Rohový ventil s vystýlkou na výstupní straně je doporučenou konstrukcí při výskytu flashingu. Rovněž ventily s redukovaným trimem, vlivem větší dimenze tělesa, snižují výstupní rychlost a tím i následky poškození. Důležitým faktorem je správný výběr tvrzeného materiálu trimu ventilu a rovněž vhodná volba materiálu tělesa.

Kavitace

O kavitaci mluvíme v okamžiku, kdy výstupní tlak p2 klesá pod hodnotu tlaku par pv a poté se opět nad tuto hodnotu vrací. V momentě, kdy p2 stoupá nad hodnotu pv, dochází ke kolapsu (implozi) vzniklých bublin. Kolaps bublin uvolňuje energii a v blízkosti pevných povrchů má za následek jejich postupné opotřebení vlivem působení vzniklých mikrotrysek a rázových vln. Poškození vlivem kavitace se může přenášet do výstupního potrubí, kde může poškodit další zařízení. Kavitaci doprovází nadměrný hluk, vibrace a omezení kapacity ventilu.

1) Bublina pohybující se do oblasti vyššího tlaku

2) Kolaps bubliny v blízkosti pevného povrchu

3) Polokulovitá bublina přilnutá k pevnému povrchu

Mezi základní opatření, která zmírňují následky poškození ventilu vlivem kavitace je použití tvrzených materiálů v oblastech vysokých rychlostí (kuželka, sedlo). Co se týče metody výběru vhodné konstrukce ventilu, je mnohými výrobci preferovaná aplikace kavitačního indexu Kc založeného na standardní křivce obnovy tlaku na ventilu. Pomocí kavitačního indexu Kc se stanovuje tlaková ztráta (Δpc), u které se začíná kavitace na ventilu projevovat. Problém při užití kavitačního indexu Kc je, že reprezentuje kavitaci, která má vliv pouze na kapacitu ventilu, ale ne na místo, kde poškození, hluk a vibrace vznikají. S ohledem na to, že problematika kavitace zahrnuje široký rozsah proměnných (typ ventilu, druh provozu atd.), můžeme tvrdit, že univerzální kavitační index a něm založená výpočtová metoda nemůže pokrýt všechny typy armatur různých výrobců.

Proto v roce 1995 vydala společnost ISA seznam praktických doporučení (Recommended Practise), která obsahují metodu predikce poškození vlivem kavitace, a to pro jakýkoliv typ ventilu. Tato metoda používá parametr sigma (σ), který reflektuje sklon ventilu ke kavitaci a počátek možného poškození, založený na měření energie kolabujicích bublin.

P1 a p2 jsou tlaky před a za ventilem, pv je tlak par kapaliny při dané provozní teplotě. Obecně platí, že čím menší je hodnota σ, tím větší je sklon ke kavitaci pro danou aplikaci. Vypočítaná hodnota σ pro daný proces je porovnávána s hodnotou σ dovolenou pro daný ventil, dovolená hodnota σ je pro ventil stanovena při stejných procesních podmínkách. Dovolená hodnota σ pro daný typ ventilu je určena pomocí testů uvedených v příručce ISA.

Poškození vnitřní části ventilu (kuželky) vlivem kavitace – důlkovitý povrch

Nejlepší odolnost proti kavitačnímu poškození mají přímé (rohové) ventily vybavené speciální vícestupňovou klecí, kde je počet stupňů dán velikostí tlakové ztráty dp na ventilu.

Hluk tvořen rychlostí proudění nebo průtočným množstvím

Největší počet hlučných regulačních ventilů nalezneme na aplikacích redukce tlaku na plynech nebo páře. Ztráta tlaku na ventilu má za příčinu uvolnění energie, která se přemění na teplo a její zbytek na hluk. Pokud pomineme hluk jako faktor negativně ovlivňující životní prostředí, musíme brát ohled na jevy jako jsou vibrace. Hluk na ventilu tvoří vibrace, nebo naopak vibrace tvoří hluk. Vibrace mohou poškodit nejen samotný ventil, ale velmi často dochází k poškození zařízení řazených na výstupním potrubí.

Nejjednodušší cestou, jak snížit hluk na ventilu je zařazení vhodné restrikce do potrubí za ventil. Tímto zvýšíme protitlak ventilu, tj. snížíme tlakovou ztrátu a tím i hladinu hluku. Tato metoda však často funguje dobře pouze pro jeden provozní stav a pro jiné provozní stavy je neúčinná (hodnota průtočného koeficintu restrikce je konstantní).

Nejčastějším produktem, nabízeným pro snížení hluku na ventilu, je použití vrtaných klecí. V kleci dochází k rozdělení toku do mnoha proudů. Vhodný průměr a rozmístění děr redukují turbulenci a vzájemnou interakci proudů a tím dochází ke snížení hladiny hluku. Pro náročnější aplikace (vysoké tlakové ztráty), které vyžadující větší počet stupňů redukce tlaku, lze využít speciálních labyrintových konstrukcí. V tomto případě dochází k postupnému snižování tlaku v mnoha malých krocích a rychlost je kontrolována během celého průchodu média ventilem.

Příklad labyrintové klece