Bejegyzések

,

Reduktor kiválasztása és méretezése: az alapok

Az ipar minden területén, ahol valamilyen túlnyomásos közeggel dolgozunk, jó eséllyel szükség lesz valamilyen nyomáscsökkentőre. Az elnevezés persze változhat: nyomásszabályzó, reduktor stb., de nevezzük is bárhogy, ezek a szelepek alapvető elemei a jól kézben tartott, szabályozott és biztonságos működésnek.

Ha Önnek is szüksége van ilyen elemre, és a legkiválóbb minőségű szelepeket szeretné a rendszerében tudni, rövid válaszidővel és teljeskörű technikai támogatással állunk rendelkezésére, ebben a bejegyzésben pedig összefoglaljuk, milyen adatokra van szükség egy nyomásszabályzó kiválasztásához, milyen kérdések merülhetnek fel a méretezés során.

Alapkérdés: nyomásszintek

A legalapvetőbb kérdés természetesen, hogy a reduktor milyen nyomásszinteken fog üzemelni, azaz: mekkora nyomásról mekkorára kell lépnünk. Ez a legritkább esetben egy-egy konkrét szám: a felvíz és/vagy alvíz oldali nyomás rendszerint változik a folyamat során, így inkább két intervallumról beszélhetünk.

A belépő oldali nyomás változása mögött leginkább a tároló – például egy gázpalack – kiürülése áll. Ezt angol szakkifejezéssel „decaying inlet” jelenségnek nevezik. Vannak persze esetek, mikor ezzel nem kell számolni, hiszen a betáplálási nyomás állandónak tekinthető: például, ha egy kompresszor folyamatosan fenntartja azt, vagy a rendszer akkora, hogy az elvétel nem okoz benne jelentős változást.

Ha azonban a felvíz oldali nyomás fluktuál, vagy folyamatosan csökken, az hatással lehet az alvíz oldali nyomásra is: az szintúgy csökkenni fog. Mivel ez a legtöbb technológiában nem megengedhető, kiegyensúlyozott szeleptesttel, esetleg kétlépcsős nyomáscsökkentéssel védekezünk ellene.

Utóbbira jó példa lehet egy hidrogén üzemanyagcella működése. A H2 gázt minél nagyobb nyomáson érdemes tárolni a helyhatékonyság és energiasűrűség optimalizálása miatt. A cellák azonban légköri- vagy enyhe (néhány bar-os) túlnyomáson működnek. Egy lépcsőben azonban a reduktor nem tud 700 bartól 40 barig (a betáplálás leürülésével) ugyanolyan nyomásszintet biztosítani: a pontos szabályzás két lépcsőben valósítható meg.

HF300 nagy átfolyási tényezőjű szelep
HF300 nagy átfolyási tényezőjű szelep

Reduktor térfogatárama

Mindegy, hogy Nm3/h, kg/h, m3/h, vagy más mértékegységben áll rendelkezésre, de ismernünk kell a szelepen átfolyó áramlás nagyságát. Ez szorosan összefügg a nyomásszintekkel, hiszen ha a betáplálási nyomás csökken, a szelepünk hiába nyit tovább, elképzelhető, hogy nem fogja tudni biztosítani a kellő mennyiségű közeget az alvíz oldalnak.

A könnyebb összehasonlíthatóság érdekében a szelepek egy dimenziótlan mennyiséggel, az átfolyási tényezővel jellemezhetőek (bár persze ez sem mindig triviális). A megfelelő Cv érték kiválasztása az optimális szabályzó megtalálásának kulcsa.

Az alulméretezett szelepen fojtott áramlás következik be, mely az élettartam csökkenése és a meghibásodási kockázat mellett ráadásul korlátozza is az átáramló tömegáramot. Egy túlméretezett szelep esetén viszont a „droop” jelenség okoz kiszámíthatatlan működést és pontatlan szabályzást.

Áramlás típusai a reduktor térfogatáramának függvényében
Reduktor áramlási görbéje (Pressure Tech)

A szabályozni kívánt közeg

Ha a fenti mennyiségekkel tisztában vagyunk, nagyon fontos, hogy a reduktor – illetve annak tömítései – kompatibilisek legyenek a szabályozni kívánt közeggel. Minél több információnk van az átfolyó anyagról, annál jobb.

Partnercégeink, a Pressure Tech és a Seetru számos egyedi megoldással, anyagválasztással és kialakítással teszik termékeiket konfigurálhatóvá, így minden alkalmazáshoz tudunk optimális megoldást ajánlani portfóliójukból.

Egyéb követelmények

A fentiek után is marad még számos testreszabható paraméter, kialakítási kérdés. Lehet, hogy a szabályzó beállítási pontját gyakran kell változtatni, ekkor könnyen – szerszámmentesen – és pontosan kezelhető megoldást kell választanunk.

Lehetséges, hogy éppen hozzáférésgátolt szabályzóra van szükségünk, vagy hogy elsődleges szempont a könnyű javíthatóság és szervizelehetőség (például a járműipar, vagy olajipar esetében).

Vannak olyan alkalmazások is, ahol maga az átfolyó közeg nem különleges, korrozív, vagy veszélyes, azonban maga a környezet az. Jó példa erre az olajipar: a reduktor egyszer glikolos vizet áramoltat keresztül magán, ám mindezt tengeri, sós, párás környezetben kell tennie, több ezer órányi szabályzás során, mindvégig olyan pontosan, mint mikor a rendszerbe beszerelték.

,

Esettanulmány: a szelep Cv értékének szerepe méretezésnél

Seetru biztonsági szelepek

Az alábbiakban egy rövid, de érdekes esetet szeretnénk ismertetni, mely rávilágít, milyen fontos az u.n. átömlési tényező egy szabályozóelem kiválasztásakor és méretezésekor. Egy partnerünk biztonsági nyomáshatároló szelepet kívánt vásárolni tőlünk.

A nagyobb nem mindig jobb

A megadott közegre, nyomás -és hőmérsékleti viszonyokra a Seetru gyártó két modellje is megfelelő volt, a 33110-es széria, illetve a B4605 kód alatt futó szelep. Mivel változatos csatlakozási lehetőségekkel konfigurálhatóak, a megrendelő rendszerébe mindkettőt könnyen lehetett integrálni.

A hőmérsékleti -és nyomástartomány szintén mindkét szabályzó esetében az elvárt intervallumon belül volt, így műszakilag mindkét termék megfelelőnek tűnt a feladatra. És valóban: a megadott paraméterek mellett mindkét szabályzó biztosította volna a rendszer védelmét túlnyomás ellen. 

Az első termék furata 3,66 mm, míg a második 4,6 mm-es kilépési átmérővel rendelkezik. A vevő ennek alapján a B4605-öt tartotta favorintank, abból kiindulva, hogy 16,6 mm2-es áramlási keresztmetszete nagyobb biztonsági tényezőt hagy majd neki, mint a 33110-es 10,52 mm2-es kiáramlási portja. 

A szelep Cv hatása

Mikor azonban a méretezési számításokat megkapta, meglepődve tapasztalta, hogy az általa biztonságosabbnak feltételezett szelep közel sem hozza az áramlási keresztmetszet alapján elvárható, mintegy másfélszeres térfogatáramot: mindössze annak 1,2-szeresére képes. 

Magyarázatot kért tőlünk a mérnöki intuíciónak látszólag ellentmondó eredményre, mi pedig végigvezettük a számítás lépésein, melynek fontos pontja volt, hogy a kélt szelep Cv értéke komoly eltérést mutat (0,73 vs. 0,402), mely magyarázza, hogy a megnövelt keresztmetszet miért nem eredményez ugyanakkora növekményt a kapacitásban.

A geometira hatása a szelep Cv értékére

Egy szelep átfolyási tényezőjét az áramlás tulajdonságai, a közeg anyagjellemzői és a készülék geometriája befolyásolja (erről bővebben korábbi írásunkban olvashat).

Ha a két metszeti ábrát összehasonlítjuk:

A Seetru B4605 és 33110 szelep metszeti ábrái

Látható, hogy az áramlás igen más utat jár be a két szelep esetében. Különböznek a zárótes és ülék kialakításában, illetve az áramlás jellemző mérete, a nedvesített hossz sem azonos. Bőven találunk tehát okot rá, amiért a két szelep Cv értéke s ezzel a lefúvatott térfogatáram mennyisége is eltérhet, azonos alkalmazási körülmények esetén. 

Ha Önnek is segíthetünk kiválasztani a projektjéhez megfelelő szabályzót, lépjen kapcsolatba velünk!

,

A legfontosabb ismeretlen: átfolyási tényező a méretezésben

Legyen szó akár nyomáshatárolókról, akár biztonsági, lefúvató szelepekről, vagy egyéb szabályzókról, a méretezés és kiválasztás fontos eleme az úgynevezett átfolyási tényező ismerete. Bár nap mint nap találkozunk vele és használjuk számításainkhoz, a hátteréről általában annyit tudunk, hogy “az áramlási viszonyokból következik”, vagy a “geometria határozza meg”. Ezek az állítások valóban igazak, de ebben az írásban ennél kicsit bővebben szeretnénk betekintést nyújtani a tényezőt befolyásoló tényezőkbe. 

Szelep CFD szimulációja
A kép forrása: https://www.simscale.com/docs/simwiki/cfd-computational-fluid-dynamics/valve-flow-coefficient/

Az átfolyási tényező definíciója

Az IEC-60534-1:2023-as szabvány foglalkozik a leírásával, mérésével, számításával. Rögtön az első kérdést a megnevezése jelenti: angol nyelvterületen általában Cv, míg a német nyelvű ipari környezetben a Kv megjelölést használják, ráadásul ezen értékek egy adott szelepre és áramlásra nem is egyeznek meg. A magyarázat láthatóvá válik, ha megnézzük, hogyan definiálja őket a szabvány:

A Cv azt mutatja meg, hány, 40 és 100 °F közötti hőmérsékletű U.S. gallon víz folyik át a szelepen egy perc alatt, egy psi nyomáskülönbség hatására. A Kv érték nem más, mint ugyanez a mennyiség SI mértékegységekben (tehát m3/h, Pa és K)  kifejezve, a váltószám közöttük: Kv = 8,65*10-1 *Cv. A szabvány használja még az Av jelölést is, ez határozható meg a legközvetlenebbül méréssel. 

Már ebből a leírásából is látszik, hogy a közismert magyarázaton, tehát a szelep geometriáján és az áramlás milyenségén kívül a szabályozni kívánt közeg is befolyásolja a tényező értékét, hiszen az egyfajta “víz-egyenértéket” jelent, mely logikusan más lesz egy könnyű gáz, például hidrogén, vagy egy nehéz folyadék, például nyersolaj esetében. 

És valóban, ha nem a szabványban meghatározott vízre akarjuk tudni a Cv értékét, a következő képletet kell használnunk:

Képlet az átömlési tényező átszámolásáshoz más anyagra

Az átfolyási tényező számítása:

Egy szelep Cv (vagy Kv) értékének meghatározása elágazásokat tartalmazó, iteratív számítást igényel. A szabvány folyamatábrákkal és példaszámítással igyekszik segítséget nyújtani benne, ezekben azonban számos tapasztalati konstans is szerepet kap. Alább azokat a fő tényezőket vesszük sorra, melyek hatással vannak a szelep kapacitására.

A szabályzó geometriája

Az általunk méretezni kívánt szabályzó méretén kívül a típusára is szükségünk van a számítás megkezdéséhez. Milyen alakú a zárótest? Milyen az áramlás jellege? Nyitott térbe távozik a közeg, esetleg csőbe? Hány port található a szelepen? 

Ezeket a hatásokat a vonatkozó szabvány az úgynevezett “liquid pressure recovery factor” és “valve style modifier” konstansokban igyekszik összefoglalni és számításba venni, illetve függelékekben és táblázatokban ad tapasztalati konstansokat a meghatározásukhoz. 

A teljesség igénye nélkül, íme néhány jellemző, ami a szelep kialakításától függ, és korrigálni kell vele az úgynevezett “valve style modifier”-t:

  • Az áramlás legszűkebb keresztmetszete
  • Az ülék átmérője
  • A független áramlási utak száma
  • Az áramlás egyenértékű kör keresztmetszete
  • A nedvesített hossz, az áramlás jellemző mérete
  • A megközelítési faktor sebessége (“velocity of approach factor”)
  • A kilépési veszteségi tényező

Látható tehát, hogy ezen a konstanson belül is több olyan mennyiséget kell használni, melyek egzakt módon nem számíthatóak ki, csak méréssel, vagy pontos CFD szimulációval lehet meghatározni az értéküket.

Ráadásul ha a cső és a szabályzóelem átmérője nem egyezik meg, további számítások, illetve iteráció szükséges ennek figyelembevételére. 

LF311: alacsony átömlésű tényezőre tervezett szelep
HF300: magas átömlési tényezőre tervezett szabályzó
A Pressure Tech LF311 (alacsony átömlésű) és HF300 (magas átömlésű szelepei). Hasonló nyomásviszony, elétrő design.

Az áramlás jellege

Az átömlési tényezőt döntően befolyásolja, hogy milyen áramlás alakul ki a szabályzóban a megadott körülmények mellett. Két fő tulajdonságot kell figyelembe venni: fojtott-e az áramlás (az ipari gyakorlatban ezt a méretezés során igyekeznek elkerülni, de természetesen adódhat olyan alkalmazás, mikor erre nincs lehetőség), illetve turbulens-e az áramlás.

Attól függően, hogy fojtott áramlással van-e dolgunk (és ha ebben az esetben nem akarunk azonnal új szabályzó után nézni), más képlettel határozható meg a Reynolds-szám, mely az áramlás dimenziótlan leírására szolgál. A szabvány a 10 000-es Re feletti áramlást tekinti turbulensnek. Azt, hogy ebből a szempontból mi jellemzi az áramlásunkat, egy kritikus nyomásviszony kiszámításával határozhatjuk meg. Ha az általunk előírt nyomáskülönbség ezt eléri, az áramlás jó eséllyel fojtott.

Amennyiben az áramlás átmeneti, vagy lamináris, az átfolyási tényező meghatározásához iterációra lesz szükség, azaz választani kell egy tetszőleges értéket, elvégezni vele a számítást, és a kapott eredményből egy másik képlettel visszaszámolni a Re számot, majd a Cv-t. Ha az első lépésben választott érték, és a visszaellenőrzés egy bizonyos határon belül van (a szabvány pontosan definiálja), akkor a számolás kész, ha nem, akkor az iterációt egy 30%-kal megemelt értékkel újra el kell végezni.

Anyagjellemzők szerepe az átömlési tényező számításában

Azon felül, hogy a már ismert értéket át kell számolnunk más anyagra, hacsak nem éppen a szabványban megadott minőségű vízzel dolgozunk, a közeg számos tulajdonsága megjelenik a számítás során:

  • Moláris tömeg
  • Fajlagos hőkapacitások viszonya
  • Abszolút gőznyomás 
  • Kritikus hőmérséklet

A fentiekből látható, hogy a számítás nem csak összetett, de számos közelítést is tartalmaz. Mi a teendő, ha a szelepünk kialakítás nem egyezik teljesen a szabványban megadottakkal? Hogyan lehetünk benne biztosak, hogy a felhasznált konstansok valóban illenek a mi berendezésünkre? Hogyan kezeljük, ha az általunk használt közeg valamilyen keverék, esetleg nem tiszta gáz/folyadék, melynek pontos anyagjellemzőit esetleg még mi sem ismerjük?

A méretezés során éppen ezért jelentős (gyártónként változó, de mintegy 30%-os) biztonsági tényezőt használnak, mikor egy alkalmazásra átfolyási tényezőt számolnak. A gyártók azonban a saját szelepeikre természetesen nem számítással, hanem közvetlenül, méréssel határozzák meg a Cv értékét.

Az átfolyási tényező mérése

A vonatkozó szabvány 2015-ben frisített 2-3 része éppen ezért a mérési környezet kialakításával foglalkozik. Jól kontrollált körülmények biztosítják, hogy az eredményül kapott Cv/Kv számok a legkülönbözőbb szabályzók összehasonlítását is lehetővé teszik. 

A gyakorlott tervezőmérnökök persze átlátják és tapasztalatból ismerik azokat a faktorokat, amelyek befolyásolhatják a szelep kapacitását, így ha a mérések eredményei nem felelnek meg a várakozásaiknak/elvárásaiknak, tudják, milyen konstrukciós változtatásokkal javíthatják az általuk tervezett elemet.

A fentiekből látszik az is, hogy akár kisebb változtatások, egy másik ülék, egy kicsit átdolgozott szeleptest, vagy a csatlakozók kiosztásának módosítása is komoly hatással lehet az átfolyás mértékére, ezért szükséges azt újra hitelesíteni. Ugyanígy egy szelep viselkedése változhat attól függően, hogy csőhálózatba kötve, vagy szabad térbe lefúvatóként üzemel.

Az átfolyási tényező komplex, de elengedhetetlenül fontos dimenziótlan száma a nyomásszabályzók világának. Partnereink több évtizedes tapasztalata segíthet Önnek eligazodni benne, és az ön alkalmazásának legmegfelelőbb szelepet kiválasztani. Ne habozzon kapcsolatba lépni velünk, ha kérdése van!

A borítókép forrása: https://www.simscale.com/docs/simwiki/cfd-computational-fluid-dynamics/valve-flow-coefficient/

,

Hangsebesség a szelepben: fojtott áramlás

Lemar Wright videósorozata a nyomáshatárolókról: 6. rész

Fojtott áramlás egy szelepben: CFD szimuláció segítségével modellezve és megjelenítve.

A Pressure Tech mérnöke, Lemar Wright (angol nyelvű) videósorozatban magyarázza el a nyomásszabályzók működését, tisztán és közérthetően, az egyszerű megértésért.

Bár volt már szó a méretezésről, Lemar ezalkalommal egy újabb szempontot hoz be, melyet mindenképp ajánlott figyelembe venni, különösen nagy nyomáslépcső esetén.

A sorozat hatodik részében a fojtott áramlás témakörét mutatja be, kifejezetten a nyomásszabályzók méretezésének szempontjából. „Chocked flow”-nak azt nevezzük, mikor a közeg az expanzió, vagy áramlás során a legszűkebb keresztmetszetben eléri a lokális hangsebességet. Noha a jelenség olykor kifejezetten kívánatos, vagy a hasznunkra fordítható, egy szelep esetébenm méretezési problémára utal, és nem jelent sok jót az üzembiztonság tekintetében.

Mi az a fojtott áramlás, és hogyan kerülhető el?

Mi az a fojtott áramlás, és hogyan kerülhető el?

Ha nyomásszabályzót választunk, vagy méretezünk, mindenképpen el kell kerülnünk, hogy fojtott áramlás alakuljon ki benne. Ekkor ugyanis a szabályzó teljesen nyitott állapotban van, és elveszítjük a további kontrollt az áramlási paraméterek felett hiszen ha a szabályzó fojtott üzemállapotban van, a nyomáskülönbség további növekedése nem eredményez magasabb térfogatáramot. Ezért is nagyon fontos, hogy a méretezésnél pontosan ismerjük mind a felvíz-, mind az alvíz-oldali jellemzőket, és azok potenciális változásait.

Ha biztos akar benne lenni, hogy a méretezési, kiválasztási folyamat helyes eredményre vezet, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk!

A kép forrása: Computational study of compressible flow through choke valve

,

Nyomásszabályzó méretezése és kiválasztása

Lemar Wright videósorozata a nyomáshatárolókról: 4. rész

Pressure Tech termékek partnercégünk profspektusából.

A Pressure Tech mérnöke, Lemar Wright (angol nyelvű) videósorozatban magyarázza el a nyomásszabályzók működését, tisztán és közérthetően, az egyszerű megértésért. Az eddigi részekben bemutattuk az alapfogalmakat, az érzékelőelemeket és a szeleptest kiegyensúlyozásának fontosságát. Ennek a résznek a témája a méretezés, és hogy mi alapján válasszunk nyomáshatárolót.

Nyomásszabályozó: méretezés és kiválasztás

  • A nyomásszabályzók méretezéséhez az áramlási tényezőt (Cv, vagy Kv értéket) használjuk. Ez lényegében az adott szabályzó áramlási kapacitását jellemző érték.
  • Négy fő kiindulási adatot kell szem előtt tartanunk:
  1. Belépő, vagy felvíz oldali nyomás
  2. Kilépő, vagy alvíz oldali nyomás
  3. A szabályozni kívánt közeg
  4. Térfogatáram
  • Ezen értékek ismeretében felírhatunk egy egyenletet a szelep Cv értékére. Ezzel kiszámítható a szükséges átömlési- vagy szelepülék méret. Fontos, hogy ezen értékek teljes tartományát ismerjük, hiszen csak így biztosítható, hogy a választott szabályzó megfelel az alkalmazásunkhoz.
  • Az elméletileg szükséges Cv értéket összevetjük a szóba jövő szabályzók áramlási görbéivel. Íme egy példa egy ilyen görbére, és annak három tartományára:
    • Az első a kezdeti nyitási fázis, mely a kapacitás 0 és 10% százaléka között jellemzi a szabályzót. A jelenség hátterében az áll, hogy a rendszerünk statikus állapotból dinamikusba vált.
    • A második tartományt relatíve stabil kilépő nyomás jellemzi, a térfogatáram jelentős növekedése mellett, nagyjából a kapacitás 10 és 80%-os kihasználtsága között. Célunk, hogy a szabályzó ebben a tartományban működjön.
    • Végül elérjük a fojtott áramlás tartományát, 80 és 100%-os kapacitás között.
  • Célunk, hogy olyan szabályzót segítsünk választani, mely az alkalmazás változatos körülményei között a leghatékonyabban tölti be a kívánt funkciót. Ebben segítenek minket a különböző terhelési mechanizmusok, kiegyensúlyozás, anyagválasztás, érzékelő elemek, melyekkel termékeinket az Ön egyedi elvárásaihoz alakíthatjuk.
Példa egy diagramra, mely a méretezést segíti elő.
Diagram forrása: Pressure Tech

Ha többet szeretne megtudni a szabályozók méretezéséről, kiválasztásáról, és hogy milyen egyedi megoldásokkal segíthetünk Önnek, ne habozzon felvenni velünk a kapcsolatot!

Kép forrása: Pressure Tech