Ventilenes Verden 3:5

Karakteristikk og trykk-klasse

Denne utgaven av  Automatiserings ”Ventilenes Verden” dekker ventilkarakteristikker, trykk-klasser samt kjemiske og mekaniske egenskaper.

Karakteristikk og trykk-klasse
(Bilde: Gassco)

Denne utgaven av  Automatiserings ”Ventilenes Verden” dekker ventilkarakteristikker, trykk-klasser samt kjemiske og mekaniske egenskaper.

Ventilens Verden

Automatiserings ”Ventilenes Verden” er utviklet i samarbeid med Arne Møen ved Skogmo vgs.

Møen er en tungvekter innen ventiler. Han har flere år i industrien bak seg, og arbeidet med ventiler hos Matek Samson Regulering fra 1994-2007. Han har også vært engasjert i Profibus Norge og NK 65, en normkomité for blant annet automatisering og industrielle feltbusser.

Med ventilkarakteristikk menes forholdet mellom inngangen på ventilen (vandringen til spindel) og utgangen på ventilen (gjennomstrømningsmengden til ventilen). Det er altså gjennomstrømningen mellom sete og pluggen som bestemmer karakteristikken.

 

I laboratoriet…

 

Vi tenker oss en plugg som vandrer opp og ned i et sete. Denne vil da variere kontinuerlig mellom helt stengt, og helt åpen. Det er utformingen (karakteristikken) på pluggen som avgjør hvor god regulering vi oppnår. Dette er den største forskjellen på en reguleringsventil og en AV/PÅ ventil. En reguleringsventil har enten en likeprosentlig (logaritmisk) karakteristikk, eller lineær karakteristikk

 

Generelt kan vi si at gjennomstrømningen, i en ventil, er en funksjon av trykkfall og slaglengde. Når en ventil blir testet under laboratorieforhold, blir trykkfallet holdt konstant slik at gjennomstrømningen bare blir en funksjon av ventilløft. Denne sammenhengen kaller vi ventilens egenkarakteristikk.

 

I virkeligheten…

 

I virkeligheten arbeider ventilen under forhold hvor trykket endres i forhold til ventilåpning. Sammenhengen, vi ser mellom ventilens åpning og gjennomstrømning, kalles installert karakteristikk. Installert karakteristikk er altså avhengig av ventilens karakteristikk og systemets karakteristikk.

 

For å forstå hvorfor vi opererer med to typer karakteristikker, må vi kjenne til følgende:

  1. For det første, desto større trykkfall over ventilen, jo større gjennomstrømning.
  2. Når ventilen er tilnærmet stengt, kan vi tenke oss at tilnærmet hele trykkfallet, i prosessen, ligger over ventilen.
  3. Når ventilen derimot er åpen, er trykkfallet over den tilnærmet lik null. Dette gjelder først og fremst ved lave trykkfall over ventilen.

Dersom vi tenker oss den samme, lille endringen i ventilens vandring ved tilnærmet stengt ventil, som ved tilnærmet åpen ventil, fås en mye mindre endring i gjennomstrømningen ved åpen ventil enn ved stengt ventil. Om vi lar inngangssignalet til ventilen gå fra 0 til 100 %, vil gjennomstrømningen endre seg mest i starten, deretter mindre etter hvert sett i forhold til endring i inngangssignalet.

 

Ved logaritmisk karakteristikk får vi en relativt liten endring i ventilåpningen i forhold til ”vandring” ved nesten stengt ventil, mens vi får en relativ stor endring i ventilåpningen i forhold til samme ”vandring” ved nesten åpen ventil. Dersom vi lar inngangssignalet til ventilen gå fra 0 til 100 %:

  • vil gjennomstrømningen endre seg lite mye i starten, fordi endringen i ventilåpningen er begrenset ved endring i innsignal, fra for eksempel 0 – 10 %.
  • gjennomstrømningen kan endre seg ganske mye, fra for eksempel 90 – 100 %, for her er det stor endring i åpningen.

Målet er selvsagt å få en endring i gjennomstrømningen som er lineær med endringen i styresignalet.

 

Velg ventilkarakteristikk

 

Ved lineær karakteristikk vil endringen i vandringen stå i forhold til endringen i ventilåpningen. Det vil si at for eksempel 10 % endring i vandringen vil gi 10 % endring i ventilåpningen enten ventilen er nesten stengt eller nesten åpen. Hva så med lineær karakteristikk, når benyttes denne? Den benytter vi ved store trykkfall over ventilen.

 

En tommelfingerregel, i valg av karakteristikk, er at dersom mer enn halve trykkfallet i prosessen ligger over ventilen, bør lineær karakteristikk benyttes. Da vil nemlig ikke forskjellen i trykkfallet, over ventilen, ved nesten stengt, kontra nesten åpen posisjon, ha noen praktisk betydning slik den har ved lave trykkfall.

 

Trykk-klasser

 

Når vi skal beregne, og velge en reguleringsventil, må vi ha klart for oss at det er prosessen som stiller krav til hvilken type reguleringsventil som skal benyttes, og hvordan denne må utføres med hensyn på funksjon, materialvalg, aktuator etc.

 

Vi ser nærmere på de forhold og prosesskrav ventilen bør tåle. Disse kan listes opp som følger:

  • Trykkforhold
  • Temperaturforhold
  • Kjemiske / korrosive forhold
  • Mekaniske forhold
  • Kapasitet på ventilen
  • Trykkfallet over ventilen
  • Fail-safe” virkning
  • Aktuator krefter

 

Det er viktig å ta hensyn til alle disse punktene, da feil her vil få konsekvenser både for ventilens levetid og dens reguleringsevne.

 

Trykkforholdene er normalt tatt hensyn til ved dimensjonering av rørledningene. Trykk-klassen, på ventilen, bør være minst like stor som den trykklassen røret er dimensjonert for. Husk også at trykk-klassen virker inn på flensstørrelsen når denne velges, slik at flensen på ventilen passer sammen med flensen på røret.

 

Standarden DIN 2401 definerer trykk-klasse (Nominal Pressure PN) på følgende måte:

  • Nominelt trykk PN er en betegnelse som beskriver et spesifikt trykk – temperaturforhold som benyttes til å standardisere ulike komponenter. Nominelt trykk er angitt uten måleverdienhet. Den numeriske verdien, for trykk-klassen til et standardisert produkt utført i et materiale spesifisert i standarden, indikerer maksimalt tillatt prosesstrykk ved en temperatur på 20°C. Hver nominell trykklasse er tilegnet et spesifikt nummer. Alle komponenter, med lik verdi for nominell trykklasse PN, og lik nominell størrelse DN, har like anslutningsdimensjoner.

Temperaturforholdene er derfor svært viktige fordi disse virker direkte inn på valg av trykklasse. Ved økende temperatur vil trykket som ventilen kan utsettes for avta. Dette forholdet er gitt i trykk / temperaturkurver for de enkelte materialtyper.

 

Det er også viktig å passe på at pakkboks og pakninger tåler de temperaturer som ventilen kan utsettes for, samt at deres egenskaper også kan endre seg ved stigende temperatur.

 

Dersom prosesstemperaturen kommer over det som pakkboksen tåler, kan en løsning være å benytte et mellomstykke som øker avstanden til ventilhus (prosesstemperatur). En standardventil (Samson) tåler typisk 220 grader C. Ved bruk av mellomstykke kan dette økes til 450 grader C.

 

Kjemiske og mekaniske egenskaper

 

Vi må også kjenne til hvilke kjemiske egenskaper prosessmediet har, og sammenligne dette med hva de ulike materialsammensetningene i ventilen vil tåle. Dersom vi går inn i materialtabeller finner vi de ulike bestanddeler i de enkelte materialer. Kanskje må vi velge et annet materiale enn det som er standard i enkelte deler. Det finnes en rekke forskjellige standarder for materialspesifikasjoner.

 

Det samme gjelder mekanisk motstandsdyktighet. Her må vi undersøke om det kan forekomme partikler i prosessen vår. Hvordan kan vi i så fall beskytte ventilen mot dette? Det finnes flere løsninger avhengig av ventiltype og hvilke deler av ventilen som er mest utsatt. For å beskytte plugg og sete, kan vi benytte stelitt eller herdet stål. I de mer ekstreme tilfeller kan vi velge en løsning med keramikk i trimmen, eller en blanding av metall og keramikk, for eksempel tungsten karbid.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå