Charakterystyki przepływowe zasuw wodociągowych

Podstawowe wiadomości o zasuwach, takie jak: ciśnienie robocze, średnica nominalna, zakres temperatur roboczych, współczynnik oporów miejscowych ζ, współczynnik przepływu K v powinny być podawane przez producenta w kartach katalogowych wyrobu lub w innych materiałach technicznych. Nie znajdziemy tam jednak charakterystyk przepływowych, ponieważ producenci zastrzegają, że ich wyroby przeznaczone są wyłącznie do pracy w pozycji całkowicie otwartej lub zamkniętej.

Aby sprawdzić działanie zasuwy w ekstremalnych warunkach, takich jak np. dławienie, należy przeprowadzić badania hydrauliczne, niezależnie od deklaracji producentów.

W artykule przedstawiono wyniki badań hydraulicznych zasuw wodociągowych, w szczególności charakterystyk przepływowych:

• względnego przepływu od względnego otwarcia Q _x /Q₁₀₀ = f(H_x/H₁₀₀),

• współczynnika oporu od względnego otwarcia ζ = f(H_x/H₁₀₀).

Badaniom poddano zasuwy wodociągowe produkcji Hawle, klinowe w zakresie średnic DN 25÷100 (fot. 1.). Podczas badań wyznaczano natężenie przepływu oraz spadek ciśnienia przy różnych stopniach przymknięcia.

Stanowisko badawcze 

Dla celów badawczych zaadoptowano istniejącą instalację służącą do prezentacji działania armatury. Pozwoliło to na znaczne obniżenie kosztów. Na stanowisko badawcze wybrano odpowiednio długi odcinek instalacji, który pozwalał na budowę stanowiska zgodnie z PN-EN 1267 [1].

Instalację wyposażono w dwie pompy produkcji Grundfoss typu CR 60-80 (22 kW, 2900 obr/min) i CR2 (1,1 kW, 2900 obr/min) połączone ze sobą szeregowo i zasilane ze zbiornika o objętości ok. 4 m³. Pompy pracowały w obiegu zamkniętym. Wspomniana norma [1] określa sposób wykonywania badań i precyzuje szczegóły budowy stanowiska. Minimalne odległości podane w normie [1] to:

• L1 ≥ 10D,

• L2 ≥ 2D,

• L3 ≥ 10D,

• L4 ≥ 2D,

gdzie:
D – średnica wewnętrzna badanej armatury.

Zasadnicze urządzenia na stanowisku badawczym to:

• przepływomierz magnetyczno-indukcyjny firmy EWT, Aquaflux 410K, o błędzie podstawowym równym 0,3% i wskazaniu w [l/s],

• przetwornik różnicy ciśnień firmy Aplisens typu ASDP wraz z wyświetlaczem programowalnym PMS 920; błąd podstawowy wynosi 0,4%.

Do pomiaru temperatury wody zastosowano termometr rtęciowy o podziałce co 1°C. Jako zaworów regulacyjnych użyto przepustnic produkcji Tehaco. Badania polegały na rejestracji dwóch parametrów: spadku ciśnienia oraz natężenia przepływu przez zasuwę, przy różnych stopniach jej przymknięcia H_x/H₁₀₀. Dla każdej średnicy wykonano po dwie serie pomiarowe.

W każdej serii rejestrowano ww. wielkości. Położeniem klina sterowano za pomocą kółka ręcznego stanowiącego wyposażenie zasuwy. Każdy kolejny odczyt dokonywany był co jeden obrót kółka, a od przymknięcia ok. 85% co 1 obrotu. Pomiary przeprowadzano po 10 s od nastawy, dla zapewnienia stabilizacji przepływu. Pomiary strat ciśnienia dotyczyły zasuw wraz z odcinkami L2 i L3.

Dla wyeliminowania strat liniowych demontowano zasuwę ze stanowiska, po czym w jej miejsce wstawiano prosty odcinek rury. Odejmując od wyników badań wartości uzyskane dla prostego odcinka rury, uzyskano wyniki dotyczące wyłącznie zasuwy. 

Wyniki pomiarów, błędy pomiarowe 

Efektem wykonanych badań są zbiory wartości natężeń przepływu [m³/s] oraz strat ciśnienia [Pa] dla poszczególnych stopni otwarcia badanych zasuw. Jako końcowe podano średnie arytmetyczne wartości z dwóch serii.

Dla określenia wartości błędów skorzystano z danych przekazanych przez producentów urządzeń pomiarowych. W kartach katalogowych podana jest wielkość błędu w procentach. Producent przetwornika różnicy ciśnień podaje wartość błędu na poziomie 0,4%, natomiast deklarowana wartość błędu przepływomierza wynosi 0,3%.

Obie wartości są prawdziwe, kiedy założymy, że urządzenia dotarły z fabryki prawidłowo skalibrowane (co wykonano). Na podstawie danych producenta obliczono wartości błędów dla każdego pomiaru (wyniki zestawiono w tabelach). W tabeli 1. pokazano przykładowo wyniki pomiarów wraz z błędami, dla zasuwy DN 1 1/2.

Interpretacja wyników badań 

Norma [1] poza metodyką badań określa także sposób wyznaczania podstawowych współczynników charakteryzujących armaturę pod względem hydraulicznym. Jednym z nich jest współczynnik oporu miejscowego ζ określany zależnością:

gdzie: 
Δ_pz – strata ciśnienia w zasuwie [Pa],
v – średnia prędkość przepływu wody [m/s], 
ρ – gęstość wody [kg/m³].  
Obliczone wartości współczynników ζ umożliwiają zbudowanie podstawowej charakterystyki przepływowej zasuwy, czyli zależności ζ = f(H_x/H₁₀₀). Zbudowano zatem takie charakterystyki dla każdej z badanych zasuw. Zbiorcze charakterystyki przedstawia rys. 2. (zamykanie zasuwy) oraz rys. 3. (otwieranie zasuwy).

Opracowano też zależność względnego natężenia przepływu Q x /Q₁₀₀ od stopnia przymknięcia zasuwy H_x/H₁₀₀. Wykresy dla zasuw DN 25÷100 przedstawia rys. 4. (zamykanie zasuwy) oraz rys. 5. (otwieranie zasuwy).

Wnioski 

Wykonane badania, umożliwiły opracowanie podstawowych charakterystyk hydraulicznych zasuw wodociągowych w zakresie średnic DN 25÷100. Pozwoliło to na sformułowanie następujących wniosków:

• efektywność dławienia zasuwami jest ograniczona, gdyż ich przymknięcie do poziomu ok. 60÷80% (zależnie od średnicy) nie powoduje znaczących zmian parametrów przepływu,

• ustawienie wymaganych parametrów dławienia nie jest precyzyjne; przy stosunkowo niewielkim obrocie pokrętłem zasuwy (czyli niewielkiej zmianie położenia klina) można uzyskać zbyt duży stopień dławienia.

Uzyskane charakterystyki mogą być przydatne przy projektowaniu dla określenia strat ciśnienia podczas przepływu wody przez przydławioną zasuwę. Można je także wykorzystać w eksploatacji dla poznania efektów zadanego dławienia przepływu.  Należy przypuszczać, że zasuwy innych producentów (tak jak badana firmy Hawle) będą miały podobne charakterystyki hydrauliczne.

Literatura 

1. Polska Norma PN-EN 1267 Armatura przemysłowa. Badanie oporu przepływu wodą.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!