Ventilenes Verden 4:5

Korrekt kapasitet, lavere leven

Ventilens kapasitet, støy, kavitasjon og flashing er på dagsorden i denne utgaven av Automatiserings ”Ventilenes Verden”

Korrekt kapasitet, lavere leven
(Bilde: Istockphoto)

Ventilens kapasitet, støy, kavitasjon og flashing er på dagsorden i denne utgaven av Automatiserings ”Ventilenes Verden”

Stø

Støy eller lyd er bølgebevegelse som forplanter seg i væsker, gasser og faste legemer. Vi har tre hovedkilder til støy fra reguleringsventiler:

  1. Mekanisk støy som vibrasjon. Dette kan for eksempel være prosesstrømmen som får innvendige deler / trimmen i ventilen til å vibrere. Denne støyen lyder som skranglig, og har vanligvis en frekvens på under 1500 Hz. En annen årsak kan være at gjennomstrømningen treffer komponentens egenfrekvens, dvs. resonansfrekvens. Denne støyen vil låte som en fin tone, og vil ligge i et høyere frekvensområde, typisk 3 – 7 KHz.
  2. Hydrodynamisk støy er den største kilden til støy. Den kommer av imploderende bobler under kavitasjon.
  3. Aerodynamisk støy skyldes turbulens i gasser. Dette opptrer i et stort frekvensområde, fra 1 kHz – 8 kHz.

Ventilenes 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.

Etter å ha gjennomgått forholdene rundt trykk, temperatur og slitestyrke begynner vi å få en ide om hvordan ventilen vår vil se ut.

 

Normalt ¾ åpen

 

Men det gjenstår enda noen momenter før den ”perfekte” reguleringsventil står klar. Neste steg er å finne hvilken kapasitet ventilen må ha for å slippe gjennom ønsket mengde. Vi kunne sette inn en kjempeventil og tro at problemet var løst, men da vil vi fort komme i en situasjon der vi i realiteten hadde satt inn en AV/PÅ ventil. Dessuten vil den være dyr i innkjøp, og kreve betydelig mer vedlikehold enn en riktig dimensjonert ventil.

 

Det er derfor viktig at vi finner en ventil med en kapasitet som er ca. 70 – 80% åpen ved normal gjennomstrømning, men som selvfølgelig også takler maksimum og minimum gjennomstrømning. Men det er altså rundt ¾ åpning at ventilene har sin beste reguleringsevne.

 

Referansemedie

 

Vi har i hovedsak tre typer medier:

  • Væsker
  • Gasser
  • Damp

Innenfor disse hovedtypene finnes det mange kombinasjoner, for eksempel væske/damp-blandinger, damp i forskjellige tilstander, væsker med forskjellig egenvekt og viskositet osv. Alt dette er forhold vi må ta hensyn til, da det vil ha stor innvirkning på ventilens dimensjon og type. Når vi skal beregne ventilens kapasitet, benyttes ofte et referansemedium der de ulike parametrene er kjente. Referansemediet for væsker er vann, for gasser luft, og for damp er mettet vanndamp referansen.

 

Indekser

 

Kapasiteten til en ventil oppgis i Kv eller Cv (for ANSI ventiler). Disse indeksene er akseptert over hele verden. I tillegg er det noen ventilprodusenter som opererer med egne kapasitetsindekser for gass Cg og for damp Cs.

 

Definisjonen på Kv er gitt ved Kv = 1, dvs. 1 m3 vann pr. time ved 1 bar trykkfall over ventilen. Ved å snu litt på denne definisjonen ser vi hvorfor vi får større mengde gjennom ventilen ved økende trykkfall. Den fysiske forklaringen ligger i følgende: Roten av væskens hastighet er direkte proporsjonal med trykkdifferansen over en strupning, og omvent proporsjonal med væskens spesifikke vekt. Derfor blir væskehastigheten større når trykkdifferansen øker. Og jo større egenvekten er, desto lavere blir strømningshastigheten.

 

Beregning av ventilens Kv-verdi kan gjøres for væsker ved Kv=QxÖr/(1000*DP). For vann kan dette forenkles til Kv = Qx1/dP, der Q = mengden oppgitt i m3/t, Kv = kapasiteten til ventilen, r = mediets egenvekt og dP = trykkfallet over ventilen.

 

I det daglige benyttes ventilberegningsprogrammer til denne oppgaven. Et slikt beregningsprogram gir dessuten en rekke andre opplysninger om ventilen i tillegg til Kvs-verdien. (Kvs er Kv med fabrikantens sikkerhetsfaktor). Her gis også forslag til ventilhusets størrelse, basert på beregninger av hastigheten til mediet.

 

Etter en teoretisk beregning av Kv-verdien, går vi i databladet for ventilen og velger den nærmest tilgjengelige Kvs-verdien.

 

Støyberegning

Gassboblene dannes under kavitasjon når de har passert Vena Contrakta, og kommer inn i et område der betingelsene ikke lenger er tilstede for gassfase. Gassboblene imploderer, og jetstrøm oppstår.
Gassboblene dannes under kavitasjon når de har passert Vena Contrakta, og kommer inn i et område der betingelsene ikke lenger er tilstede for gassfase. Gassboblene imploderer, og jetstrøm oppstår.
 

Støy har alltid vært tilstede i reguleringsventiler. Det er en bieffekt av turbulens og energiabsorpsjon knyttet til reguleringsventiler. Men først i seinere tid har det blitt satt fokus på å eliminere skadelig støy fra arbeidsplasser. Det er svært viktig å kunne beregne støy i reguleringsventiler, da dette gir muligheter for å designe anlegget slik at skader på mennesker unngås. Se egen boks om hvilke støytyper som er forbundet med reguleringsventiler.

 

Beregning av støy er satt opp i internasjonale standarder, men de ulike ventilprodusentene har også sine egne bergningsmodeller. Her kan det være tildels store avvik. Det kan derfor være fornuftig å undersøke hvilken beregningsmodell som er lagt til grunn, før valg av ventil, der støy er et problem.

 

Støy måles i desibel. Desibel følger en logaritmisk skala, hvilket betyr at dersom vi endrer lydstyrken fra 10 til 20 dB vil denne bli 100 ganger sterkere. Endrer vi fra 20 til 30 dB blir derimot lydstyrken 1000 ganger sterkere. Dersom vi for eksempel greier å redusere lyden i en ventil fra 90 til 80 desibel har vi fått til en markant forbedring for omgivelsene. Vi får økende støy som en funksjon av differansetrykkforholdet (DP/(P1 – Pv)). Når dette forholdet stiger, vil støyen i ventilen stige.

 

Ved svært lave differansetrykk, vil ventilstøyen hovedsaklig komme fra turbulens som følge av strømningen. Støyen vil deretter øke moderat inntil et visst punkt, hvor det oppstår flashing i ventilen. Over ventilsetet, der restriksjonen i ventilen er størst, får vi det største trykkfallet og den største gjennomstrømningshastigheten. Dette punktet heter ”Vena Contracta”.

 

Kavitasjon

 

Begrepet Kavitasjon kommer av det Latinske verbet Cavitare som betyr å hule ut. Kavitasjon og flashing er fenomener som man begynte å gjenkjenne som problemer på begynnelsen av 1900-tallet. Opprinnelig ble det oppfattet som et problem rundt propeller innen shipping. Det førte til redusert effektivitet og skader på materiellet ved en ”fordampning” rundt propellen.

 

Kavitasjon oppstår også ved reguleringsventiler. Fenomenet fører til redusert kapasitet, i tilegg til støy, vibrasjoner og tilslutt materielle skader. Kavitasjon oppstår i ventiler som fører væsker med stort trykkfall.

 

NB! Kavitasjon oppstår ikke når mediet er gass eller damp. For å forstå fenomenet, kan vi tenke oss ventiltrimmen som en strupning i et rør. Når væskestrømmen passerer strupningen, vil hastigheten øke. Samtidig som hastigheten øker, vil trykket falle.

 

Dette fenomenet er beskrevet i fysikkens lover. Det punktet der hastigheten er størst og trykket lavest, kalles for Vena Contracta. Dette punktet finnes litt etter stedet der den frie gjennomstrømningen er minst. Avstanden mellom dette punktet og Vena Contracta varierer, avhengig av trykkforholdene og type restriksjon. Dersom trykket faller tilstrekkelig, vil det etter hvert bli lavere enn væskens fordampningstrykk.

 

Når tykket over setet blir lavere enn fordampningstrykket, vil noe av væsken fordampe og bli til gassbobler. På grunn av trykkgjenvinningen, som alltid vil finne sted i en reguleringsventil, vil gassboblene komme inn i et område med lavere hastighet og høyere trykk. Her vil gassboblene implodere dvs. gå tilbake til væske fase, og kavitasjon oppstår. Under denne prosessen skapes det jetstrømmer ”gjennom” gassboblen.

 

Det er denne jetstrømmen som i hovedsak utgjør problemet med kavitasjon. Dette fenomenet skaper ikke bare støy, men vil også bidra til økt slitasje i ventilen.

 

Flashing

 

Et annet forhold som skaper støy, er flashing. Dette er nesten det samme fenomenet som kavitasjon, men her vil trykket etter ventilen forbli lavere enn fordampningstrykket slik at dampboblene forblir i dampform. Denne tilstanden er ikke like farlig for ventilen.

 

Det finnes imidlertid flere måter å bekjempe ventilstøy på, uansett årsak. Den enkleste måten er å isolere ventilen. Dette må ofte gjøres uansett på grunn av temperaturtap i mediet. Dette vil i mange tilfeller redusere støyen nok til at den kommer under det nivået som er fastsatt som yrkeshygienisk grense. Andre metoder kan være å benytte støyfilter inne i ventilen. Her bør man være klar over at disse filtrene ikke har like god effekt på alle typer medier. De gir dessuten en mye dyrere løsning enn isolasjon av ventilen.

 

Dersom støyen kommer av kavitasjon eller flashing, vil en endring i prosessforholdene være løsningen. Det vil i praksis si å fordele trykkfallet over ventilen i flere trinn.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå