Berechnung und Auswahl des Dreiwegeventils
BEISPIEL
Es wird angenommen, dass die Auswahl eines Dreiwegeventils keine vorherigen Berechnungen erfordert. Diese Annahme basiert darauf, dass der gesamte Wasserfluss durch den Anschluss AB nicht von der Position des Schiebers abhängt und immer konstant bleibt. In Wirklichkeit ändert sich der Durchfluss durch den gemeinsamen Anschluss AB jedoch in Abhängigkeit von der Position des Schiebers, und das Ausmaß der Änderungen hängt von der Autorität des Dreiwegeventils und seiner Regelcharakteristik ab.
Methode zur Berechnung von Dreiwegeventilen
Die Berechnung eines Dreiwegeventils erfolgt in folgender Reihenfolge:
- 1. Auswahl der optimalen Regelcharakteristik.
- 2. Bestimmung der Regelkapazität (Autorität des Ventils).
- 3. Bestimmung der Durchflusskapazität und des Nenndurchmessers.
- 4. Auswahl des elektrischen Antriebs für das Regelventil.
- 5. Überprüfung auf Geräusche und Kavitation.
Auswahl der Regelcharakteristik
Die Abhängigkeit des Wasserflusses durch das Ventil von der Schieberposition wird als Regelcharakteristik bezeichnet. Der Typ der Regelcharakteristik bestimmt die Form des Ventiltellers und des Sitzes. Da ein Dreiwegeventil zwei Ventilteller und zwei Sitze hat, hat es auch zwei Regelcharakteristiken. Die erste wird durch die Charakteristik für den direkten Durchgang - (A-AB) - und die zweite für den seitlichen Durchgang - (B-AB) - angegeben.
Linear/linear. Der gesamte Wasserfluss durch den Anschluss AB ist nur dann konstant, wenn die Autorität des Ventils gleich 1 ist, was praktisch unmöglich zu erreichen ist. Der Betrieb eines Dreiwegeventils mit einer Autorität von 0,1 führt zu Schwankungen des gesamten Durchflusses bei der Bewegung des Schiebers, im Bereich von 100 % bis 180 %. Daher werden Ventile mit einer linear/linearen Charakteristik in Systemen verwendet, die unempfindlich gegenüber Schwankungen des Wasserflusses sind, oder in Systemen mit einer Ventilautorität von mindestens 0,8.
Logarithmisch/logarithmisch. Minimale Schwankungen des gesamten Wasserflusses durch den Anschluss AB in Dreiwegeventilen mit einer logarithmisch/logarithmischen Regelcharakteristik werden bei einer Ventilautorität von 0,2 beobachtet. Eine Verringerung der Autorität im Vergleich zu diesem Wert erhöht den gesamten Durchfluss durch den Anschluss AB, während eine Erhöhung den gesamten Durchfluss verringert. Die Flussschwankungen im Bereich der Autoritäten von 0,1 bis 1 reichen von +15 % bis -55 %.
Logarithmisch/linear. Dreiwegeventile mit einer logarithmisch/linearen Charakteristik werden verwendet, wenn in den Umlaufkreisen, die durch die Anschlüsse A-AB und B-AB verlaufen, unterschiedliche Regelgesetze erforderlich sind. Die Stabilisierung des Durchflusses während der Ventilbewegung erfolgt bei einer Autorität von 0,4. Die Schwankungen des gesamten Durchflusses durch den Anschluss AB im Bereich der Autoritäten von 0,1 bis 1 reichen von +50 % bis -30 %. Regelventile mit einer logarithmisch/linearen Charakteristik haben breite Anwendung in den Steuerknoten von Heizsystemen und Wärmetauschern gefunden.
Berechnung der Autorität
Die Autorität eines Dreiwegeventils ist das Verhältnis des Druckverlusts am Ventil zu der Summe der Druckverluste am Ventil und im geregelten Abschnitt. Der Autoritätswert für Dreiwegeventile bestimmt den Bereich der Schwankungen des gesamten Durchflusses durch den Anschluss AB.
Eine Abweichung von 10 % des Wasserflusses durch den Anschluss AB während der Bewegung des Schiebers wird bei den folgenden Autoritätswerten sichergestellt:
- A+ = (0,8-1,0) - für Ventile mit linear/linearer Charakteristik.
- A+ = (0,3-0,5) - für Ventile mit logarithmisch/linearer Charakteristik.
- A+ = (0,1-0,2) - für Ventile mit logarithmisch/logarithmischer Charakteristik.
Die Autorität für Dreiwegeventile wird für jeden der beiden Umlaufkreise bestimmt, die durch die Anschlüsse A-AB und B-AB verlaufen.
Nachdem der optimale Bereich der Autoritäten und Regelcharakteristiken bestimmt wurde, wird der zulässige Bereich der Druckverluste am Dreiwegeventil ermittelt und anschließend seine Durchflusskapazität bestimmt.
Berechnung der Durchflusskapazität
Die Abhängigkeit des Druckverlusts am Ventil vom Wasserfluss durch das Ventil wird durch den Durchflusskoeffizienten Kvs charakterisiert. Der Kvs-Wert entspricht der Wassermenge in m³/h, die durch ein vollständig geöffnetes Ventil fließt, wobei der Druckverlust am Ventil 1 bar beträgt. Normalerweise sind die Kvs-Werte eines Dreiwegeventils für die Anschlüsse A-AB und B-AB gleich, es gibt jedoch Ventile mit unterschiedlichen Durchflusskapazitätswerten für jeden Anschluss.
Da der Druckverlust am Ventil bei einer Änderung des Wasserflusses um den Faktor n um den Faktor n² variiert, ist es einfach, den erforderlichen Kvs-Wert des Regelventils zu bestimmen, indem der berechnete Durchfluss und der Druckverlust in die Gleichung eingesetzt werden. Aus dem Katalog wird ein Dreiwegeventil mit dem nächsten Wert des Durchflusskoeffizienten zum berechneten Wert ausgewählt.
Auswahl des elektrischen Antriebs
Der elektrische Antrieb wird für das zuvor ausgewählte Dreiwegeventil ausgewählt. Es wird empfohlen, elektrische Antriebe aus der Liste der kompatiblen Geräte auszuwählen, die in den Ventilcharakteristiken angegeben sind, und Folgendes zu beachten:
- Die Verbindungspunkte des Antriebs und des Ventils müssen kompatibel sein.
- Der Hub des elektrischen Antriebs muss mindestens so groß sein wie der Hub des Ventilschiebers.
- Je nach Trägheit des geregelten Systems sollten Antriebe mit unterschiedlichen Betriebszeiten verwendet werden.
- Der maximale Druckverlust am Ventil, bei dem der Antrieb das Ventil schließen kann, hängt von der Schließkraft des Antriebs ab.
- Der gleiche elektrische Antrieb sorgt für das Schließen des Dreiwegeventils, das den Durchfluss mischt und trennt, bei unterschiedlichen Druckverlusten.
- Die Betriebsspannung und das Steuersignal des Antriebs müssen der Betriebsspannung und dem Steuersignal des Controllers entsprechen.
- Die Drehventile dürfen nur mit elektrischen Drehantrieben betrieben werden.
Berechnung der Kavitationswahrscheinlichkeit
Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen in einem Wasserstrom, die auftritt, wenn der Druck im Wasserstrom unter den Sättigungsdruck des Wasserdampfs fällt. Der Effekt der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und der Druckabnahme im Strom, der bei einer Verengung des Durchflussquerschnitts auftritt, wird durch die Bernoulli-Gleichung beschrieben. Der Durchflussquerschnitt zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz des Dreiwegeventils ist eine solche Verengung, bei der der Druck bis zum Sättigungsdruck absinken kann, und es ist der wahrscheinlichste Ort für das Auftreten von Kavitation. Dampfblasen sind instabil, sie erscheinen plötzlich und kollabieren ebenso plötzlich, was zur Erosion von Metallpartikeln an den Ventilkomponenten führt, was unweigerlich zu vorzeitigem Verschleiß führt. Neben dem Verschleiß führt Kavitation zu einer Erhöhung des Geräuschpegels während des Ventilbetriebs.
Die wichtigsten Faktoren, die die Kavitation beeinflussen:
- Wassertemperatur - je höher sie ist, desto wahrscheinlicher tritt Kavitation auf.
- Wasserdruck - vor dem Regelventil, je höher er ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Kavitation auftritt.
- Erlaubter Druckverlust - je höher dieser ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit von Kavitation.
- Die Kavitationscharakteristik des Dreiwegeventils wird durch die Eigenschaften des Drosselelements des Ventils bestimmt. Der Kavitationskoeffizient ist für verschiedene Regelventiltypen unterschiedlich und sollte in ihren technischen Spezifikationen angegeben sein. Da jedoch die meisten Hersteller diesen Wert nicht angeben, umfasst der Berechnungsalgorithmus einen Bereich der wahrscheinlichsten Kavitationskoeffizienten.
Als Ergebnis der Überprüfung auf Kavitation können folgende Ergebnisse erzielt werden:
- 'Keine' - Kavitation wird definitiv nicht auftreten.
- 'Möglich' - Kavitation kann bei Ventilen bestimmter Bauarten auftreten, es wird empfohlen, einen der oben genannten Einflussfaktoren zu ändern.
- 'Ja' - Kavitation wird definitiv auftreten, ändern Sie einen der Faktoren, die die Kavitation beeinflussen.
Berechnung der Geräuschentwicklung
Die hohe Strömungsgeschwindigkeit am Einlass eines Dreiwegeventils kann zu hohen Geräuschpegeln führen. Für die meisten Räume, in denen Regelventile installiert sind, beträgt der zulässige Geräuschpegel 35-40 dB (A), was einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 3 m/s am Einlass des Ventils entspricht. Daher wird bei der Auswahl eines Dreiwegeventils nicht empfohlen, die oben genannte Strömungsgeschwindigkeit zu überschreiten.
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