1.7 robinete de reglare a debitului si elemnte componente ale lor

1.7 ROBINETE DE REGLARE A DEBITULUI ŞI ELEMENTE COMPONENTE ALE LOR

1.7 Robinete de reglare a debitului şi elemente componente ale lor

1.7.1 Noţiuni generale şi clasificare

Senzorii şi traductoarele, analizate în paragrafele precedente, constituie elementele de intrare ale sistemelor automatizate de comandă (reglare) a proceselor tehnologice, iar ventilele discrete de blocare automatizată a conductelor şi robinetele de reglare continuă a debitului – elementele lor principale de ieşire. Ventilele discrete utilizate, de regulă în sistemele de comandă în buclă deschisă, realizează o comandă logică, după un principiu “închis-deschis complet”, având în plus un scop de ermetizare perfectă a unor conducte. Posedând o construcţie şi o acţionare simplă, aceste ventile au căpătat o largă răspândire în practică, îndeosebi ca ventile electromagnetice (Solenoid Valves) şi ventile pneumatice de blocare (запорныe пневматическиe клапаны). În punctul 4.2 sunt descrise unele ventile electromagnetice ale companiei DANFOSS. Robinetele asigură o reglare continuă a debitului în tot diapazonul 0-100%, de aceea se mai numesc robinete de reglare liniară (Linear Valves) şi se utilizează în sisteme de reglare automată cu buclă închisă. Ele pot avea mai multe principii constructive ale supapelor (discurilor) de strangulare a conductelor, dintre care o utilizare mai largă au primit 2 variante: - cu deplasare liniară transversală (perpendiculară fluxului reglat) prin intermediul unei tije (шток);- cu deplasare unghiulară în jurul unui ax în limitele 0-90º. Ultimele robinete cauzează o cădere de presiune mai mică şi fără depuneri de impurităţi, de aceea sunt utilizate, mai cu seamă, pentru debite sau diametre mari, fiind numite în rusă Поворотные Заслонки, iar în engleză Butterfly Valves. Robinetele automatizate de reglare sunt alcătuite din 3 părţi principale: 1) supapa de strangulare nemijlocită a secţiunii conductei, numită în rusă organ de reglare (регулирующий орган);2) elementul de acţionare (Actuator) al acestui robinet, numit element de execuţie (исполнительный механизм), care reprezintă, de regulă, un servomotor electric, mecanism pneumatic sau manual;3) elemente suplimentare de comandă, reglare, semnalizare, de exemplu: contacte de limitare a curselor extreme, traductoare de poziţie, poziţioner electropneumatic (convertor-regulator-amplificator adăugător), care asigură o convertire de semnal curent/presiune i/p şi o amplificare a forţei de strangulare. Toate aceste robinete pot avea mai multe modificaţii, de aceea se clasifică după mai multe criterii. După destinaţie ele se împart în: - robinete standardizate, sau universale pentru: diametre interioare 15-250 mm (DN 15-250), presiuni 10-40 bari (PN10-40) şi temperaturi (-10...+220)ºC;- robinete speciale pentru: a) diametre mari (DN 400-1000mm) şi presiuni ridicate (PN 16-400 bari); b) temperaturi mari (până la 550ºC – pentru reglarea debitului aburului); c) temperaturi scăzute (-200...+220)ºC – pentru instalaţii frigorifice);

89


d) procese sterile (aseptice) în industria alimentară şi farmaceutică; e) lichide vâscoase, lipicioase şi agresive; f) diametre şi debite foarte mici. După modul de montare pe conducte robinetele pot avea o instalare pe filet (pentru diametre mai mici de 50 mm), sau cu flanşă (pentru diametre mai mari). După numărul de orificii (căi de reglare) robinetele pot fi cu 2, 3, sau 4 căi, numite şi porturi. Robinetele cu 2 căi pot fi instalate pe conducte pe porţiuni drepte (проходные), sau la coturi de 90º ( угловые) (fig. 1.116). Corpul acestor robinete poate fi turnat din fontă, oţel călit, oţel călit anticoroziv. Partea mobilă a lor o constituie tija verticală cu supapa de reglare în capăt şi cu conul de direcţionare a acestea la închidere. Orificiul de blocare a debitului este prevăzut cu o suprafaţă şlefuită, numită седло (scaun), pe care se lipeşte supapa la o închedere completă.

Fig. 1.116. Principii constructive ale robinetelor drpte şi unghiulare cu 2 căi

Robnetele cu 3 căi sunt prevăzute pentru a asigura o amestecare a 2 debite în unul singur (A+B=AB) (fig. 1.117, a), sau o distribuţie a unui debit în 2 canale (AB=A+B (fig. 1.117, b). În acest caz robinetul conţine deja 2 scaune şi 2 supape, care funcţionează îb opoziţie: când una micşorează secţiunea sa, cealaltă o măreşte.

a)

90


Fig. 1.117. Principii constructive ale robinetelor de reglare cu 3 căi În figura 1.118, a este arătat un exemplu de utilizare a unui robinet cu 3 căi, introdus în circuitul de retur al unui sistem de încălzire, cănd se amestecă debitul A, de la ieşirea schimbătorului de căldură, cu debitul B, care şuntează acest scimbător. Dacă robinetul este întrodus în circuitul direct al unui consumator, care consumă numai o parte din agentul termic (B), cealaltă parte (A) fiind reîntoarsă către furnizor, este necesară o schemă de distribuţie a robinetului (fig. 1.118, b).

a) b) Fig. 1.118. Exemple de utilizare a robinetelor cu 3 căi în regim de amestecare (a) şi

distribuţie (b) Una din funcţiile principale ale robinetelor de reglare constă în ermetizarea fiabilă şi sterilă a canalului de deplasare a tijei verticale de reglare. La presiuni ridicate ale lichidului sau gazului, prin acest canal pot apărea în exterior scurgeri. De aceea el se umple în condiţii normale cu o presătură specială din mătasă carbonizată sau din gumă în formă de V (fig. 1.116-1.117). În caz de reglare a aburului la temperaturi ridicate sau gazelor lichifiate la temperaturi scăzute, garnitura se execută din mareteriale speciale, iar pentru industria chimică sau tehnica vidului ermetizarea se dublează printr-un silfon metalic (fig. 1.119, a). Pentru robinete unghiulare din iundustria alimentară sau farmaceutică, garnitura are formă specială, care exclude pătrunderea microbilor din exterior (fig. 1.119, b). În cazuri lichidelor agresive, o membrană face o separare completă (fig.1.119, c).

91


a) Fig. 1.119. Variante de ermetizare specială a tijei de reglare Robinetele se aleg după parametrul lor constructiv principal , care reprezintă de fapt coeficientul de transfer al robinetului - raportul dintre mărimea nominală de ieşire (debitul nominal) şi mărimea nominală de intrare (cursa maximă de deplasare a tijei de reglare ) (fig. 1.120).

Fig. 1.120. Parametri măsuraţi pentru determinarea coeficientului constructiv

Coeficient este un parametru de catalog pentru fiecare tip de robinet, deoarece depinde de diametrul (suprafaţa) orificiului de strangulare şi de dimensiunile de măsurare ale debitului. Totuşi el poate fi calculat aproximativ după debitul volumic nominal Q, sau debitul masic nominal W, dacă este cunoscută diferenţa de presiune intrare-ieşire şi densitatea lichidului sau gazului, utilizând relaţiile tabelului 1.2. Tabelul 1.2

unde , , - presiunea până şi după robinet, bari; ; - debirul volunic, ; W – debitul masic, pentru 0ºC; , - densitatea lichidului şi gazului, ; - temperatura în ºC până la robinet, , K. Caracteristica statică principală a robinetelor o constiruie caracacteristica de reglare – dependenţa debitului Q (sau W) faţă de cursa tijei H, unghiul de înclinaţie al cărea este egal cu coeficientul . Dacă această caracteristică se reprezintă în unităţi relative, notându-se prin , atunci

.

92


Ca urmare, caracteristica statică relativă de reglare a robinetului poate fi înlocuită cu o caracteristică relativă interioară a lui , reprezentată în figura 1.121. Robinetele industriale se execută, de regulă, cu una din 2 variante ale acestei caracteristici - liniară 1 sau parabolică (равнопроцентная) 2 (fig. 1.121). În sistemele de reglare automată, evident, este mai preferabilă prima variantă.

Fig. 1.121. Caracteristici relative de reglare ale robinetelor inductriale

Catacteristica dinamică a robiletelor de reglare este necesară în sistemele de reglare automată în buclă închisă:

.

unde - constanta de timp a robinetului, egală cu 1/3 din timpul real de reacţie. În tabelul 1.3 sunt indicate valorile de catalog ale coeficientului pentru seria de robinete 240 ale companiei germane SAMSON şi pentru diametrele standardizate DN 15 - DN 250 mm. Tabelul 1.3

În figura 1.122 este arătată o supapă de tipul Butterfly Valve V5421B a companiei germane HONEYWELL, împreună cu blocul său de acţionare electrică,

93


care asigură o reglare a debitelor mari prin rotirea ungiulară a discului interior în limetele 0-90º, însă diapazonul real de reglare constituie 10º-70º, iar diferenţa de presiune este limitată (până la 6 bari). O altă particularitate a acestor robinete constă în faptul, că pentru debite mari, sunt necesare cupluri mari - 30-500 Nm.

Fig. 1.122. Supapă de reglare Butterfly V5421B a companiei HONEYWELL În figura 1.123, a este arătată caracteristica relativă de reglare a robinetelor Butterfly, care este deja o caracteristică neliniară, mai ales în diapazonul 0-20º. Unghiul de rotaţie al discului se măsoară din poziţia închisă (fig. 123, b).

a) b)Fig. 1.123. Caracteristica relativă de reglare a robinetelor de tipul Butterfly

1.7.2 Dispozitive de acţionare ale robinetelor industriale de reglare

94


Acţionarea indirectă a robinetelor poate fi: electromagnetică (discretă), cu servomotor electric (discret-liniară), pneumatică (continuă), electropneumatică, electrohidraulică şi mecanică manuală. Cea mai simplă, fiabilă şi ieftină este acţionarea pneumatică. Acţionarea electrică se utilizează în cazurile, când lipseşte aerul comprimat, sau când sunt necesare funcţii speciale, iar cea electrohidraulică - când sunt necesare forţe mari de acţionare şi gabarite mici. Acţionarea directă utilizează ca sursă de presiune de comandă însăşi presiunea conductei controlate. Cea mai simplă acţionare pneumatică liniară este cea cu o membrană în formă de farfurie 2, legată cu tija de reglare 6 a robinetului, asupra cărora acţionează din exterior prin orificiul 1 o anumită forţă reglabilă de presiune a aerului comprimat , unde este presiunea aerului, iar S –suprafaţa de contact a membranei (fig. 1.124, a). Această forţă este echilibrată de forţa resorturilor 4, amplasaţi circular. Reglând presiunea în anumite limite, se obţine o reglare corespunzătoare a tijei, iar ca urmare şi a debitului robinetului. Acest tip de acţionare se execută în una din 2 variante de deplasare a tijei şi de aplicare a presiunii supra atmosferice de comandă ;1) Presiunea de comandă se aplică prin orificiul superior 1 în partea de sus a membranei 2, ceea ce asigură o deplasare de sus în jos a tijei 6 (шток втягивается) FE şi un tip NORMAL-DESCHIS al robinetului, deoarece când presiunea dispare, resortul deschide robinetul (orificiul 3 verifică presiunea );2) Presiunea de comandă se aplică prin orificiul inferior 1 sub memrană, ceea ce asigură o deplasare de jos în sus a tijei 6 (шток выдвигается) FA şi un tip NORMAL-ÎNCHIS al robinetului, deoarece când =0, resortul îl închide.

a) b)Fig.1.124.Elemente de acţionare pneumatică a robinetelor din seria 241 SAMSON Presiunea necesară de comandă poate fi generată în mod direct de un regulator pneumatic (A) cu un diapazon 0,2-1,0 bar (fig. 1.125, a). Dacă sistemul

95


de automatizare conţine un regulator electronic (E) cu un semnal 4-20mA, robinetul pneumatic se reglează prin intermediul unui convertor adăugător curent / presiune i/p (fig. 1.125, b). Presiunea de comandă = 0,2-1,0 bar este suficientă însă pentru robinete cu 3 arcuri. Dacă tija robinetului trebuie să echilibreze forţe de frecare şi forţe de contrapresiune mai mari ale lichidului sau gazului, atunci este necesar un număr mai mare de resorturi – 6 sau 12. În aceste cazuri se cere un diapazon mai mare şi pentru presiunea de comandă – 0,4-2,0 bari, sau 0,6-3,0 bari. Astfel de presiuni se pot obţine în practică prin intermediul unui poziţioner pneumatic 7 (fig. 1.125, c), sau electropneumatic 9 (fig. 1.125, d). Notarea acţionării cu motor electric monofazat de 230V, comandat de un regulator tripoziţional 3, este reprezentată în figura 1.125, e, iar acţionarea electrohidraulică – în figura 1.125, f. Ultimele două tipuri de acţionare pot fi comandate, evident, şi de regulatoare electronice continue.

a) b)

c) d)

e) f)Fig. 1.125. Variante de acţionare ale robinetelor de reglare şi notarea lor în

schemele de automatizare Robinetele din seria 241-7 ale companiei SAMSON (fig. 1.126, a) sunt destinate pentru reglarea debitului gazului, petrolului, păcurei, uleiurilor, de aceea

96


prevăd un filtru adăugător, o ermetizare suplimentară a tijei prntr-un silfon metalic, precum şi o protecţie în caz de avarii (fig. 1.126, b), Dacă presiunea gazului depăşeşte valoarea maximă, sau dacă dispare alimentarea cu energie electrică, se deschide contactul 14 care deconectează electromagnetul 11 (fig. 1.126, c). Acesta din urmă blochează presiunea exterioară de comandă şi dă drumul în atmosferă aerul din camera diafragmei. Ca urmare, resorturile închid rapid conducta de gaz. Presiunea maximă de comandă a acestor robinete constituie 2,0-2,5 bari, de aceea este prevăzută şi varianta de utilizare a unui poziţioner (fig. 1.126, a, d).

a) b)

c) d) Fig. 1.126. Robinet din seria 241-7 a companiei SAMSON pentru reglarea gazului, petrolului, păcurei şi uleiurilor cu ventil electromagnetic de protecţie şi poziţioner

97


Dacă poziţionerul lipseşte, robinetul poate fi descris printr-o ecuaţie diferenţială

de gradul 2: ,

unde m – masa pieselor în mişcare; f – coeficientul de frecare vâscoasă; K – coeficientrul de elasticitate a resorturilor; H – poziţia tijei de reglare; S – suprafaţa membranei; - presiunea de comandă şi iniţială, corespunzătoare H=0. Dacă sunt neglijate pierderile de frecare şi presiunea iniţială, atunci se obţine o ecuaţie tipică de echilibru dinamic a forţelor, care acţionează asupra membranei:

,

unde - forţa de acţionare pneumatică; - forţa de reacţie a resorturilor. Când ,

, adică robinetul se află

în echilibru. Schema structurală a lui, corespunzătoare acestei ecuaţii, este reprezentată în figura 1.127, în care presiunea de acţionare este aplicată de un element de tip rampă. Fig. 1.127. Schema structurală a robinetului de reglare fără poziţioner

Poziţionerul pneumatic poate să realizeze mai multe funcţii, prima dintre care este amplificarea presiunii de comandă , ceea ce necesită o sursă exterioară adăugătoare de aer comprimat cu o anumită presiune. Dacă este utilizat un regulator electronic cu un curent 4-20mA, atunci se alege un poziţioner electropneumatic, care conţine adăugător un convertor curent/presiune i/p. O altă funcţie necesară în practică este cea de stablizare a poziţiei tijei principale la variaţia perturbatoare a contrapresiunilor lichidelor sau gazelor, care acţionează asupra supapei de reglare. Pentru realizarea acestei funcţii, poziţionerul , evident, trebuie să conţină o buclă închisă de reglare automată a poziţiei, precum şi o membrană de măsurare şi reglare a presiunii . Compania SAMSON a elaborat mai multe variante de astfel de poziţionere pneumatice şi electropneumatice, unul dintre care (3760) este reprezentat în figura 1.128, a, b. Sursa exterioară de presiune a acestuia este aplicată la intrarea releului de amplificare 14 şi convertorului i/p 2, fiind redusă de limitatorul 1 până la valorile standardizate de presiune = 0,2-1,0 bar. Această presiune acţionează asupra membranei de măsurare 3, legată cu tija de măsurare 4. Asupra acestei tije acţionează, pe de altă parte, forţa resortului de măsurare 7 a poziţiei tijei principale, legată cu prima prin tija auxiliară 8 şi axa de rotaţie 11. Acest sistem de tije este legat în plus şi cu releul de amplificare a presiunii (RAP) 14, iar mai exact cu conul lui dublu 13, care serveşte ca o supapă (сопло), care instalează la ieşire o

98

1Pozitie

1

m.s

Viteza ti jei

1s

TijaS

Suprafata

K

Resorturi

PstDiafragma


presiune , proporţională cu curentul de comandă de la intrare, însă mai mare decât valoarea presiunii . Limitatorul de presiune 15 se conectează numai în caz, dacă presiunea releului (sursei) este prea mare. Elementele de măsurare şi reglare ale poziţionerului sunt aceleaşi ca şi ale robinetului, de aceea schema structurală a robinetului de reglare cu poziţioner pneumatic este asemănătoare (fig. 1.128, c).

a)

b)

1

m.s

Viteza ti jeide masurare

1

m.s

Vitezatijei

S

Suprafata

-K-

Sm

K

Resorturi

-K-

Resort de masurare

Kp

RAP

1s

Pozitia tijelde masurare

1s

Pozitia tijeiprincipale

Pozitia

Pe Diafragnamasurare

Diafragma

c)Fig.1.128. Schema funcţională şi structurală a robinetului cu poziţioner pneumatic

99


Pentru industria alimentară şi farmaceutică compania SAMSON produce robinete aseptice cu acţionare pneumatică, cu diametre DN<125mm, cu supapă dreptunghiulară din oţel anticoroziv fără zonă “moartă” (unde se pot depune rămăşiţe de produse, favorabile pentru dezvoltarea bacteriilor), cu presătură dublă (5.1 şi 5.3) a tijei principale, cu controlul exterior (5.2) al ermetizării ei, şi cu poziţionere, ventile electromagnetice sau alte dipozitive adăugătoare (fig. 1.129). Pentru diametre şi presiuni mari sunt recomandate robinetele 250, 280 (fig. 1.130).

a) 3347-7 b) 3247-7 Fig. 1.129. Robinete dreptunghiulare aseptice 3347-1 şi 3249-7 ale companiei SAMSON pentru industria alimentară şi farmaceutică c)

Fig. 1.130. Robinete pneumatice de tip 250 şi 280 pentru diametre şi presiuni mari

100


Acţionarea electrică 5802 a robinetelor 241 ale companiei SAMSON (fig. 1.124, d) constă 3 părţi principale:- servomotor asincron monofazat 5W cu condensator de pornire şi cu comandă reversibilă (prin cele 2 contacte normal-închise din figura 1.131, a);- poziţioner electric cu inrare analogică 4-20mA (0-10V) şi ieşire discretă de tip releu pentru comanda servomotorului şi analogică 4-20mA (0-10V) pentru semnalizare (fig. 1.131, b);- elemente auxiliare: 1-2 traductoare rezistive de poziţie şi contacte de limitare a cursei în poziţii extreme “închis-deschis” (fig. 1.131, c).

a)

b) d)

Fig. 1.131. Robinetul din seria 241 a companiei SAMSON cu acţionare electrică 5802 şi blocurile lui componente de bază

Aceste robinete pot avea 2 sau 3 căi de reglare a cănductelor cu diametre DN15-DN150 mm, care se utilizează pe larg în sistemele de încălzire, ventilare şi condiţionare a aerului (HVAC – vezi capitolul 4).

101


În final este prezentată şi acţionarea electrohidraulică 3274 a robinetelor 241-4 SAMSON (fig. 1.132), care asigură forţe de închidere relativ mari (0,3-7,3 kN). Corpul ermatizat 1 al acestor robinete serveşte ca rezervor de ulei, în care este instalată acţionarea electrohidraulică: cilindrul 5.1 cu pistonul 5.2 de acţionare asupra tijei principale, pompa de ulei 6.2 cu servomotorul asincron monofazat 6.1, supapa de sens unic 6.3 şi ventilele electromagnetice de comandă exterioară 6.4. Deplasarea pistonului în jos sau în sus este asigurată de aceste ventile electromagnetice, care aplică presiunea ridicată a uleiului fie în partea de sus, fie în partea de jos a lui. Însă în caz de dispariţie a energiei electrice, tija poate reveni în poziţia iniţială sub acţiunea resorturilor 5.10-5.11, fiind creat un canal de avacuare a uleiului printr-un ventil electromagnetic adăugător. Cursa (poziţia) de deplasare a tijei depinde presiunea uleiului, care se reglează printr-o comandă discretă tripoziţională a motorului pompei de către un regulator electronic exterior corespunzător. În caz de utilizare a unui regulator electronic analogic cu semnal de ieşire 4-20mA, comanda motorului este asigurată de un poziţioner electrohidraulic adăugător, care se montează la fel ca şi la robinetele cu comandă pneumatică. Poziţiile extremale ale pistonului sunt semnalizate de limitatoarele de cursă 4.3-4.4. Conexiunile electrice exterioare sunt efectuate prin cutia de borne 3, protejată de capacul 3.1. Fig. 1.132. Robinet de reglare 241-4 SAMSON

cu acţionare electrohidraulică 3274

102

1.7 robinete de reglare a debitului si elemnte componente ale lor

Documents