Wyznaczanie strat ciśnienia w nowoczesnych zaworach zasuwowych. Opór miejscowy

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa  zobacz pdfa 


Zgodnie z zaleceniami producentów zawory zasuwowe służą wyłącznie do odcinania przepływu w rurociągu. Wiadomo jednak, że podczas pracy (w stacjach uzdatniania wody, pompowniach i sieciach wodociągowych) zasuwy używane są często do regulacji (dławienia) przepływu. Konsekwencją takich działań są istotne trudności w uzyskaniu pożądanych parametrów przepływu, pojawienie się kawitacji oraz kawitacyjne niszczenia uszczelnień i metalowych elementów zasuw [1]. Uzasadniona jest zatem chęć poznania charakterystyk hydraulicznych zasuw, a w szczególności generowanych przez nie strat, co będzie pomocne w procesie projektowania odcinków sieci wodociągowych oraz ich eksploatacji.

W ostatnim stuleciu konstrukcja zasuwy przeszła ewolucję. Popularne w latach pięćdziesiątych XX w. zasuwy z tzw. twardym uszczelnieniem klina zostały zastąpione w technice wodociągowej przez zasuwy z klinem gumowanym (fot.).

Obecnie zasuwy z uszczelnieniem metal na metal spotyka się wyłącznie w zastosowaniach przemysłowych. Pracują one na mediach agresywnych, które mogłyby uszkodzić gumową powłokę klina.

straty ciśnienia w zaworach zasuwowych

W piśmiennictwie brak informacji o charakterystykach hydraulicznych nowoczesnych zasuw wodociągowych. O tym rodzaju zaworów wiedzy poszukiwać można w publikacjach sprzed kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu lat. Są to przede wszystkim prace wykonane w ośrodkach radzieckich i amerykańskich. Istnieje jednak szereg różnic konstrukcyjnych między zasuwami starego typu, dla których dostępne są wyniki badań, a zasuwami produkowanymi obecnie. Różnice te mogą mieć zasadniczy wpływ na właściwości hydrauliczne. Rozbieżności konstrukcyjne dotyczą między innymi:

* konstrukcji klina zasuwy (w szczególności jego grubość i geometria, rys. 1 pkt. 1),
* konstrukcji przelotu zasuwy (w szczególności dolna część rys. 1 pkt. 2 – zasuwa starego typu posiada gniazdo, natomiast w nowym typie dno przelotu jest gładkie),
* konstrukcji górnej części przelotu zasuwy, rys. 1 pkt. 3; zasuwy starego typu przy pełnym otwarciu posiadają szczelinę pomiędzy korpusem zasuwy a dolną częścią klina; w nowoczesnych zasuwach podniesiony klin ciasno przylega do korpusu zasuwy,
* zasuwy starego typu posiadają przelot o jednakowej średnicy, natomiast w zasuwach nowego typu zazwyczaj zmniejsza się średnicę przelotu w okolicy płaszczyzny, w której porusza się klin.

Dążenie do poznania pełnych charakterystyk hydraulicznych nowoczesnych zasuw wodociągowych wydaje się więc w pełni uzasadnione. Ze względu na złożoną konstrukcję podstawą do uzyskania wiarygodnych wyników mogą być tylko badania doświadczalne, wykonane dla urządzeń rzeczywistych. Na rynku dostępne są zasuwy wielu producentów, których zasada działania jest identyczna. Różnice w budowie polegają na modyfikacji poszczególnych elementów zaworu, takich jak korpus, pokrywa, klin, wrzeciono i dławica. Poddanie badaniom wszystkich możliwych typów współczesnych zasuw jest trudne do zrealizowania. W artykule przedstawiono więc wyniki badań zasuwy, która jest popularna na krajowym rynku, typu 4000E produkcji Hawle. Badania wykonano dla zakresu średnic od DN 40 do DN 100.

Stanowisko badawcze i metodyka badań
Instalacje do prowadzenia badań zbudowano zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 1267 [2]; jej schemat przedstawiono na rysunku 2. Instalację wyposażono w dwie pompy produkcji Grundfoss, typu CR 60-80 (22 kW, 2900 obr./min) oraz CR 2 (1,1 kW, 2900 obr./min), połączone ze sobą szeregowo i zasilane ze zbiornika o objętości około 4 m3. Pompy pracowały w obiegu zamkniętym.

Stanowisko badawcze wyposażone zostało w następujące urządzenia:

* przepływomierz magnetyczno-indukcyjny EWT, Aquaflux 410 K, o błędzie  podstawowym równym 0,3% i wskazaniu w [dm3/s],
* przetwornik różnicy ciśnień Aplisens typu ASDP wraz z wyświetlaczem programowalnym PMS 920; błąd podstawowy przetwornika wynosił 0,4%.straty ciśnienia w zaworach zasuwowych

Do pomiaru temperatury wody zastosowano termometr rtęciowy o podziałce co 1°C.
Do regulacji przepływu użyto przepustnice centryczne Tehaco.
Badania polegały na rejestracji dwóch parametrów: strat ciśnienia (Δp) oraz strumienia objętości (Q), przy różnych stopniach przymknięcia zasuw (Hx/H100).
Dla każdej średnicy zasuwy wykonano po dwie serie pomiarowe.
Położeniem klina sterowano za pomocą pokrętła stanowiącego wyposażenie zasuwy.
Każdy kolejny odczyt dokonywany był co jeden obrót pokrętła, zaś od przymknięcia około 85% co ¼ obrotu. Pomiary wykonywano do około 95% przymknięcia, następnie otwierano zasuwę. Pomiary wykonywano po 10 s od nastawy, dla zapewnienia ustabilizowania przepływu.
Pomiary strat ciśnienia dotyczyły zasuw wraz z odcinkami L2 i L3 (rys. 2).

Dla wyeliminowania strat liniowych demontowano zasuwę, po czym w jej miejsce wstawiano prosty odcinek rurociągu. Odejmując wartości oporów uzyskane dla prostego odcinka rury, uzyskano wartości dotyczące wyłącznie zasuwy. Wynikiem końcowym są średnie arytmetyczne z dwóch serii pomiarowych. Dla określenia wartości błędów skorzystano z danych przekazanych przez producentów urządzeń pomiarowych.

Uzyskane dane (Δp, Q) pozwoliły na obliczenie współczynnika oporu miejscowego dla poszczególnych stopni przymknięcia zasuwy. Posłużono się zależnością zaczerpniętą z normy [2]:

z = 2 * Dpz/(r * v12),

gdzie:
Δpz – strata ciśnienia w zasuwie [Pa],
v1 – średnia prędkość przepływu wody przed zasuwą [m/s],
ρ – gęstość wody [kg/m3].

W tabeli pokazano przykładowe wyniki obliczeń współczynnika oporu miejscowego dla zasuwy o średnicy nominalnej DN 80.

Wyniki obliczeń współczynnika oporu miejscowego były podstawą do wyznaczenia graficznej zależności współczynnika oporu od stopnia przymknięcia zasuwy (wykres).

straty ciśnienia w zaworach zasuwowych

Podsumowanie i wnioski
W artykule pokazano metodę wyznaczania współczynnika oporu miejscowego w zasuwach wodociągowych oraz sposób konstruowania podstawowych charakterystyk hydraulicznych. Wyniki badań pokazały, że możliwości regulacyjne zasuw są znacząco ograniczone. Charakterystyki hydrauliczne zasuw mają przebieg wykładniczy. Najbardziej efektywny zakres dławienia występuje przy stopniu przymknięcia zasuw większym niż 60%. Trudno jest jednak uzyskać pożądany stopień regulacji. Niewielki obrót pokrętła zasuwy może wywołać zbyt duży stopień dławienia. Zatem regulacja zasuwą jest nieprecyzyjna.

dr inż. Artur Dudziak

Literatura:
[1] A. Dudziak, „Warunki pojawienia się i rozwoju kawitacji w zasuwach wodociągowych”, rozprawa doktorska, Poznań 2010.
[2] Polska Norma PN-EN 1267 Armatura przemysłowa. Badanie oporu przepływu wodą.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij