kavitation i styrventiler Rapport I 2009:45

Transkript

1 Rapport I 9:45

2

3 laboratorieundersökning per-olof johansson janusz wollerstrand ISBN Svensk Fjärrvärme AB

4 förord Projektet har i laboratorium testat tre olika typer av styrventiler med två olika k vs -värden med avseende på oljud och kavitation. Ventilerna är mycket vanliga som styrventiler i svenska fjärrvärmenät. Målet är att framkalla och identifiera kavitation vid olika driftsparametrar motsvarande olika driftsfall och olika ventilplaceringar i FC. Resultat ska ge den kunskap som behövs för utformning av Svensk Fjärrvärmes tekniska bestämmelser gällande krav på komponenter i Svenska Fjärrvärmesystem. Samtliga testade ventiler kaviterade under försöken. Lunds tekniska högskola har konstaterat att då ventilen har större öppningsgrad uppstår kavitation vid ett lägre differenstryck än då ventilen hade mindre öppningsgrad, även temperaturberoende har detekteras. Kavitation i styrventiler - laboratorieundersökning ingår i forskningsprogrammet Fjärrsyn som finansieras av Svensk Fjärrvärme och Energimyndigheten. Fjärrsyn är ett tvär- och mångvetenskapligt forskningsprogram som stärker konkurrenskraften för fjärrvärme och fjärrkyla genom att öka kunskapen om fjärrvärmens roll i klimatarbetet och för ett hållbart samhälle - till exempel genom att bana väg för affärsmässiga lösningar och framtida teknik. Studien har utförts av Per-Olof Johansson och Janusz Wollerstrand vid Lunds Tekniska Högskola. En referensgrupp bestående av Holger Feurstein, Ringsjö Energi, Kjell Andersson, Mälarenergi och Gunnar Nilsson, Göteborg Energi har hjälpt till vid utformning av experimenten. Författarna vill särskilt tacka Holger och Ringsjö Energi som ställt de nödvändiga styrventilerna till förfogande. Eva-Katrin Lindman Ordförande i Svnsk Fjärrvärmes Teknikråd Rapporten redovisar projektets resultat och slutsatser. Publicering innebär inte att Svensk Fjärrvärme eller Fjärrsyns styrelse har tagit ställning till innehållet. 4

5 sammanfattning Projektet avser att i laboratorium testa tre olika typer av styrventiler med två olika k vs - värden med avseende på oljud och kavitation. Ventilerna är av en typ som är mycket vanliga som styrventiler i svenska fjärrvärmenät. Målet är att framkalla och identifiera kavitation vid olika driftsparametrar motsvarande olika driftsfall och olika ventilplaceringar i FC. Resultat ska ge kunskaper relevanta vid utformning av Svenska Fjärrvärmens tekniska bestämmelser. Samtliga testade ventiler har kaviterat under försöken. Vi har konstaterat att då ventilen har större öppningsgrad uppstår kavitation vid ett lägre differenstryck än då ventilen hade mindre öppningsgrad. Även temperaturberoende kunde detekteras men det var inte lika stort som inverkan av differenstryck och öppningsgrad. Vid utvärdering har vi redovisat differenstryck som ursakar utvecklad kavitation i respektive ventil vid två olika vattentemperaturer, 5 och 1 ºC. Det ska påpekas att hur pass skadlig utvecklad kavitation kan bli för en ventil beror på dess konstruktion och storlek. De testade ventilerna har en s k hängande kägla vilken är mindre känslig för erosion, eftersom gasbubblorna imploderar utanför ventilsätet, nedströms. Vi har inte, i någon av de testade ventilerna, kunnat upptäcka någon strypning av flödet genom ventilen som kan inträffa då implosionerna inträffar nära väggmaterialet i ventilhuset och på så vis minskar genomströmningsarean. Detta tyder på att dessa ventiler har goda förutsättningar för att motstå erosion inom hela dess arbetsområde. Den här slutsatsen gäller de provade ventiltyper och storlekar. Samma typ av ventil där ventilhuset är oförändrat men där k vs -värdet är större kan bli mer känsligt för kavitation i och med att den fria vattenvolymen i ventilhuset minskar då. Vid alla våra tester kunde vi se att kavitationsbenägenheten ökar vid ökande öppningsgrad. Mest känsliga i det fallet var ventilerna typ V41, där det kritiska differenstrycket blir c:a 4-6 bar vid 1% öppningsgrad. Å andra sidan, det önskade kritiska trycket, 6 bar, uppnås vid 7-9% öppningsgard och ökar sedan starkt vid mindre öppningsgrader, vilket är en positiv egenskap. Ventiltypen VVF5 har ganska olika kavitationsegenskaper beroende på storlek. I den mindre ventilen kunde vi endast detektera enstaka fall av utvecklad kavitation, och då vid de största differenstrycken och öppningsgrader, vilket är ett mycket bra resultat. Den större ventilen, varierade det kritiska trycket mellan 5 bar vid 1% öppningsgrad och 6 bar vid 1% öppningsgrad. Utfallet för ventiltypen VVG549 mindre bra då det önskade kritiska trycket, 6 bar, uppnås där redan vid 4-6% av öppningsgrad och ligger på 3-4 bar vid full öppning. Detta var på sätt och vis förväntat eftersom VVG549 är har en enklare konstruktion än de övriga två ventiltyperna. 5

6 innehåll sammanfattning 5 inledning och bakgrund 7 kavitation ljud och erosion 9 Skador från kavitation 1 Strategier för att minska kavitationsbenägenheten 1 utförande och laborationsuppställning 1 Tryckhållning 13 Ventiluppsättning 15 resultat 17 Kavitation i ventil med tryckande kägla diskussion 1 referensförteckning bilaga 1 3 bilaga 8 6

7 inledning och bakgrund Styrventiler för reglering av primärvattenflöde i fjärrvärmecentral (FC) är en mycket viktig komponent i fjärrvärmesystem. I Svenska fjärrvärmenät utsätts styrventiler för differenstryck som är väsentligt högre än i t ex Tyskland och s k differenstryckreglering undviks. Enligt tillverkarnas data borde kavitation uppstå på många håll i svenska FC. Detta skiljer sig dock från fjärrvärmebranschens uppfattning och erfarenhet. Frågan är om kavitationen ändå uppstår i vissa driftsfall och leder till att ventilerna slits och börjar läcka fortare än man tror, vilket leder till förhöjda returtemperaturer i fjärrvärmenäten. Styrventiler ställer in rätt flöde av primärvatten då värmetillförseln regleras i FC. Styrventilens storlek beror på den aktuella kretsens flödesbehov men även på nätets driftsparametrar (främst differenstryck). Driftsparametrarna varierar under året beroende på nätets effektbehov. Stora differenstryck och höga framledningstemperaturer uppstår vintertid, i synnerhet i närheten av produktionsanläggningar. Driftpunkten kring framledningstemperaturkurvans s k brytpunkt kan dock också vara kritisk ur differenstrycksynvinkeln. För att stabilisera styrventilernas funktion kan differenstryckregulatorer i FC användas, vilket är mycket utbrett i t ex Tyskland. I svenska fjärrvärmenät är dock detta inte brukligt trots att differenstryck tidvis kan överskrida 6-8 bar (.6-.8 MPa). Vid högt differenstryck blir tryckfall över centralernas styrventiler höga om inte fasta förstrypningar används. Svensk praxis stämmer inte riktigt med tillverkarnas rekommendationer gällande möjliga kavitations- och ljudproblem i styrventiler. Man har valt att fokusera på att rätt ventildimension väljs i möjligaste mån. Anledningen till kavitation är att då en reglerventil stryper flödet, så sjunker det strömmande mediets tryck, varvid det trycket som uppstår i ventilens trängsta passage blir signifikant lägre än det tryck som erhålls strax efter ventilen, se figur 1. Hur pass mycket lägre trycket inuti ventilen kan bli beror på ventilens typ och utförande och är omöjligt att mäta direkt i praktiken. Kavitation uppstår då mediets (här: vattnets) absoluttryck sjunker under det mättnadstryck som gäller vid rådande temperatur, t ex 11 kpa abs vid 1 ºC, eller kpa abs vid 6 ºC, och vattnet börjar koka. Förloppet börjar med att enstaka ångbubblor uppstår inuti ventilen, och driver vidare med det strömmande vattnet. Så fort trycket har återhämtat sig så kollapsar bubblorna, vilket resulterar i små, lokala jetstrålar som kan orsaka slitage på ventilkäglan och/eller ventilhuset om dessa nås. Den primära olägenheten med kavitation i fjärrvärmesammanhang är oljud som uppstår i ventilen och som fortplantar sig i installationen. Kavitation kan även minska ventilens kapacitet och, beroende på intensiteten, kan väsentligt minska ventilens livslängd på grund av erosion. Man kan misstänka att det finns ventiler som läcker i stängt läge p g a att dess säte eller spindel blivit utsatt för kavitation. Detta är svårt att upptäcka i den inledande fasen men orsakar rundgångar och förhöjda returtemperaturer i fjärrvärmenäten under den varma delen av året. I processindustrin är det vanligt att man vid behov använder reglerventiler som är specialtrimmade mot kavitation. Sådana ventiler är dock mer komplicerade och därmed dyrare och används normalt inte i fjärrvärmenät. Det förvånansvärt att man i fjärrvärmebranschen inte upplever några tydliga problem med ventilförslitning och oljud relaterade till alltför höga differenstyck, 7

8 speciellt vintertid och vid den tidigare nämnda brytpunkten. Det sistnämnda gäller i synnerhet ifall det statiska trycket sänks vid lägre framledningstemperaturer i nätet. Man kan fråga sig om problemet är underskattat, eller om styrventiler som används i svenska fjärrvärmenät har ovanligt goda egenskaper vad gäller motstånd mot kavitation, eller om det möjligen finns en annan förklaring. Om det är så att ventilslitaget p g a kavitation underskattas, så innebär det att man inte byter styrventiler tillräckligt ofta, vilket i så fall leder till onödiga driftsstörningar och framförallt förhöjda returtemperaturer i fjärrvärmenätet. Som ett exempel på enstaka, dokumenterade problem med kavitation i svenska fjärrvärmenät kan ett fall från Oskarshamns fjärrvärmenät tas där styrventil för värmesystemet började kavitera i december 6. Kavitationen berodde sannolikt på att fjärrvärmecentralen dels är belägen 3 meter högre än produktionsanläggningen och dels att ventilens arbetstemperatur var hög (ventilen placerad före värmeväxlaren). Det är även möjligt att lågt tryckfall i radiatorvärmeväxlaren bidrog till att tryckfallet över styrventilen blev för högt. En annan viktig faktor är att det statiska trycket i det aktuella fjärrvärmenätet konstanthålls i framledningen. Därför sjunker returtrycket med ökande flöde/last i nätet mer än i andra nät vilket också ökar kavitationsrisken. I det beskrivna fallet var installation av en differenstryckregulator en nödvändighet. Sammantaget kan man konstatera att många styrventiler i fjärrvärmecentraler i Sverige kan ligga nära gränsen då de börjar kavitera. För att bringa klarhet i frågan har detta projekt genomförts. 8

9 kavitation ljud och erosion Kavitation är ett fysikaliskt fenomen som uppstår när trycknivån i en strömmande vätska lokalt understiger dess förångningstryck (p v ) och ångbubblor därmed bildas. I en reglerventil i en fjärrvärmecentral sker ett tryckfall från trycket i framledningen (minus tryckfallet i armaturen) till trycknivån i returledningen. Lokalt i ventilens strypanordning kan då trycknivån sjunka under mediets rådande förångningstryck, se Figur 1. Detta sker på grund av höga strömningshastigheter i en smal passage som bildas. Ångbubblorna bildas strax efter den smalaste passagen och, beroende på mängd och strömningshastighet, kan följa med strömmen ut ur ventilen. De kan även bilda ett skikt vid rörväggarna. Bubblorna löses upp imploderar då vätskans tryck ökar igen. Minskat flödestvärsnitt till följd av kavitation p p 1 p min p p 1 p p v Kavitation uppstår Figur 1 Principskiss av tryckfallet över en reglerventil, här med tryckande kägla Förångningstrycket är en funktion av temperaturen, och påverkas inte av trycknivåerna före eller efter ventilen. I Figur finns temperaturberoendet av p v illustrerat ) r a b ( p v C Figur Förångningstryck (p v) som funktion av vattentemperaturen. [] 9

10 Som synes i Figur ökar p v kraftigt vid ökad temperatur, varför det är en fördel att reglerventilen är placerad där temperaturen är som lägst (i returledningen). Vid förekomst av kraftig kavitation kommer den effektiva tvärsnittsarean efter ventilen att påverkas, se förträngningen i ventilutloppet i Figur 1. Detta, tillsammans medvattnets ökande volymitet, medför att flödet genom ventilen inte längre är proportionellt mot kvadratroten ur differenstrycket över ventilen utan sjunker [1], [3]. Påverkan visar sig dock vara olika, beroende på ventilens konstruktion vilket kommer att diskuteras längre fram. Kavitation brukar i praktiska sammanhang detekteras genom oljud från ventilen. Det ljud som hörs framkallas av att ångbubblor uppstår och imploderar inuti ventilen och eventuellt i dess närhet nedströms. Första tecknet på kavitation är svåra att höra men kan detekteras genom mätningar av vibrationer som uppstår i ventilen. Ljudet som kan uppfattas av mänskligt öra uppkommer när kavitationen är något mera utvecklad, men kan genom mikrofonupptagning och frekvensanalys detekteras något tidigare. Typiska frekvensområden för kavitationsljud är från 8 khz och uppåt även om även lägre frekvenser påverkas vid massiv kavitation. [1] Skador från kavitation Mekaniska skador orsakade av kavitation beror på hur pass nära väggar och inre delar av ventilen implosionerna sker och hur pass intensiv själva kavitationen är. Undersökning av eventuella kavitationskador har inte ingått i denna uppgift. Strategier för att minska kavitationsbenägenheten Ventilens geometri är tillsammans med tryck och temperaturförhållanden avgörande för om och när kavitation uppstår. Man kan konstruera ventilerna så att dess kavitationsbenägenhet är mindre, oftast genom att det önskade tryckfallet delas upp i två eller fler steg. Konstruktionsaspekter har dock inte undersökts inom ramen för detta arbete. Ur systemperspektiv finns det tre saker som kan minska kavitationen hos reglerventiler: a) sänka temperaturnivån i fjärrvärmesystemet / förbättra avkylning av primärvatten b) öka trycknivån (tryckhållning, oftast i returledning) i fjärrvärmesystemet c) införa differenstrycksregulatorer eller förstrypning för att minska nödvändigt tryckfall över reglerventilen Se Figur 3 för resulterande trycknivåer över styrventilen. 1

11 p 1 p min p p p 1,b p 1 Differenstrycksreglering i framledningen, alt c p,c1 P 1, c Differenstrycksreglering i returen, alt c 1 p p v p v,a Höjning av systemtryck, alt b Temperatursänkning, alt a Figur 3 Olika systemalternativ för att minska kavitationsbenägenheten Genom att sänka systemtemperaturen kommer förångningstrycket pv att sjunka och därmed minskar benägenheten för kavitation, se alternativ a i Figur 3. Då systemtrycket höjs kommer marginalerna till förångningstrycket att öka, se alternativ b. Dock finns det nackdelar med ett ökat systemtryck som naturligtvis måste beaktas, bland annat kan risken för läckage i packboxar med mera öka. Genom installation av differenstrycksregulatorer minskar tryckfallet över själva ventilen, se alternativ c1 och c i Figur 3. Differenstrycksregulatorer kan antingen placeras före eller efter styrventilen, och antingen lokalt eller med fördel för ett delområde av fjärrvärmesystemet. Det finns olika aspekter av differensreglering, bl a anser man att grupper av differensregulatorer kan råka ut för självsvängning, eller så kan kavitation uppstå i differenstryckregulatorn istället. Detta berörs inte i vårt projekt 11

12 utförande och laborationsuppställning De undersökta ventilerna har monterats i en rigg där differenstrycket mäts med två tryckgivare. Kavitationen uppmäts både med en accelerometer och med en mikrofon monterad på ventilen, se Figur 4. Ventilens öppningsgrad varieras stegvis, och för varje steg regleras differenstrycket över ventilen från 1 bar till 1 bar i steg om,5 bar, se Figur 5. Varje trycknivå hålls konstant i sekunder. p (=P1-P) Accelerometer P1 P Mikrofon Foto: P -O Johansson Figur 4. Ventilrigg Figur 5. Testprogram 1

13 Differenstrycket regleras genom PLC programmering av en Delphinlogger, som styr två stycken seriekopplade pumpars varvtal. Parametrar som mäts och loggas är spänningen från accelerometern, tryck före och efter ventilen, temperatur innan ventilen samt flöde genom ventilen. Under försöken spelas även en ljudfil in över kavitationsljud. Detta sker med en standardmikrofon för att kontrollera att resultatet från mätningarna med accelerometern stämmer överens med ljudfilerna. Ljudet analyseras visuellt efter det att ett filter lagts på filen där frekvenser under 6kHz dämpas och frekvenser över 7kHz förstärks. I vissa fall där det varit nödvändigt för analysen har även en brusreducering utförts. Från accelerometern är det spänningen som analyserats och loggats. Spänningen från accelerometern är ett mått på amplituden (storleken) på vibrationer som finns efter ventilen. Frekvensen från signalen från accelerometern är i detta sammanhang ointressant då RMS värdet på spänningen motsvarar storleksordningen på vibrationen. Den huvudsakliga analysen av kavitation har utförts med mätvärden från accelerometern, och ljudfilen är använd som kontroll av resultatet samt vid tveksamheter. Varje ventil är undersökt vid två olika temperaturnivåer: 53±6,5 C samt 98±9 C, i rapporten vidare benämnda som 5 C respektive 1 C. Att temperaturerna varierar som ovan kan påverka de erhållna resultaten med högst ±,1 bar. Tryckhållning På grund av placering av flödesmätare i systemet som vi inte kunde ändra utan ombyggnad har vi haft problem med tryckfall i returledning mellan mätobjekt och tryckhållning. Tryckhållningen var inställd på 1,7 bar (17 kpa) men översteg bar vid flöden större än,5 l/s (1,8 m 3 /h) för att uppgå till 3-4 bar vid 1, l/s (4,3 m 3 /h), beroende på temperaturen. Av denna anledning är kavitationsbenägenheten vid stora öppningsgarder något underskattade. Genom att använda Bernoullis ekvation kan kompensation för när kavitation uppstår utföras. Omräkning av kavitationsbenägenheten För att göra en omräkning av tryckförhållanden då kavitationen uppstår samt då den är utvecklad kan Bernoullis ekvation (1) användas. Omräkningen sker för varje ventil och varje öppningsgrad. 13

14 p 1 p min p p p 1 p 1,x p,x p p v Figur 6. Omräkning av returtryck, P ρw1 p1 + = (ekv 1) där index 1 innebär tillstånd före ventilen och index v innebär tillstånd i ventilsätet. Eftersom kavitationen precis har börjat så är trycket i ventilsätet lika med mättnadstrycket (p v, ) vid rådande temperatur. Ekvation (1) kan skrivas om: och p v ρw + v ρ ( wv w1 ) = p1 p v, (ekv ) w ( p1 pv,) v = + ρ w 1 (ekv 3) Då flödet genom ventilen är känt kan hastigheten genom vid p 1 beräknas då tvärsnittsarean där är känd (ekv ). Strömningshastigheten genom ventilsätet kan sedan beräknas genom ekv 3. Med den beräknade strömningshastigheten i ventilsätet och med flödet genom ventilen, V v, kan genomströmningsarean i ventilsätet, A v, beräknas (ekv 4): Vv V v = wv Av Av = (ekv 4) w v För att beräkna strömningshastigheten för ett godtyckligt differenstryck (Δp x ) måste flödet genom ventilen, V x, vara känd för detta differenstryck. Genom flödesmätningar 14

15 för varierande differenstryck (1-1 bar) kan flödet genom ventilen bestämmas inom detta intervall. Detta kan göras eftersom flödet under testperioden har varit proportionellt mot kvadratroten av differenstrycket över ventil. Genom ekv 5 kan sedan strömningshastigheten bestämmas. Vx w v, x = där V A x är experimentellt bestämd (ekv 5) v Trycket innan ventilen, p1x, bestäms genom att systemtrycket p x väljs, och p 1x kan därefter beräknas enigt: p 1, x = p x + Δpx (ekv 6) Samt vilket tryck i ventilsätet detta motsvarar (ekv 7) p v, x ρ ( w ) v, x w1 x = p1 x (ekv 7) Kavitation uppstår då p v,x =p v, för aktuell temperaturnivå (trycket i ventilsätet är det samma som mättnadstrycket). Då det gäller kompensation för förändrat systemtryck vid utvecklad kavitation sker beräkningarna på liknade sätt. Genomströmningsarean genom ventilsätet bestäms för den begynnande kavitationen, sedan utnyttjas denna för att vid fullt utvecklad kavitation bestämma trycket i ventilsätet (p v ). Genom beräkningar av ekv 5, 6 och 7 kan sedan det differenstryck Δp x som vid systemtrycket p x ger upphov till samma tryck i ventilsätet bestämmas. Ventiluppsättning De undersökta ventilerna är (se Figur 7a för foto av ventilerna och Figur 7b för principskiss): t.a.c V41, PN 16, DN 15, k vs 1, t.a.c V41, PN 16, DN 15, k vs 1,6 Siemens VVG549.15, PN5, k vs 1. Siemens VVG549.15, PN5, k vs 1.6 Siemens VVF 5.15, PN 5, DN 15, k vs 1. Siemens VVF 5.15, PN 5, DN 15, k vs

16 Figur 7a Ventiluppsättning, från vänster: Siemens VVF 5.15, PN 5, DN 15, k vs 1. och k vs 1.6, t.a.c V41, PN 16, DN 15, k vs 1, och k vs 1,6, Siemens VVF 5.15, PN 5, DN 15, k vs 1. och k vs 1.6. Siemens VVF t.a.c V41 Siemens VVG Figur 7b Genomskärning av de olika ventilerna. Utdrag ur datablad för respektive ventil. Observera att för Siemens VVF finns två typer av ventilkäglor beroende på ventilens storlek. För k vs =1,6 är ventilkäglan av korgtyp, precis som i Figur 7b. För k vs =1, är ventilkäglan däremot av typen parabolkägla. 16

17 resultat Mellan de undersökta ventilerna finns stora skillnader i benägenhet att kavitera. Kriterierna för utvecklad kavitation är satta till ett tydligt inspelat kavitationsljud och kraftigt utslag från accelerometern. Då det gäller antydan till kavitation är gränsen satt till då det syns att accelerometern börjar ge ett utslag som med stöd av ljudfilen kan styrkas bero på begynnande kavitation. I Figur 8 finns ett exempel på kavitationsförsök med inritade gränser för begynnande och utvecklad kavitation. För att tydligt se förändringar på utslaget från accelerometern har spänningen logaritmerats. Då kavitationen påbörjas förändras riktningskoefficienten på den logaritmerade spänningen kraftigt, för att sedan minska då kavitationen är utvecklad. Se streckad orange heldragen linje i Figur 8 för logaritmerad spänning från accelerometern och streckad svart linje för förändring av riktningskoefficient. Utvecklad kavitation Vågform,3,,1, -,1 -, -,3 Begynnande kavitation Figur 8 Exempel på kavitationsförsök med accelerometerutslag samt sammanhörande ljudfil med illustration över begynnande och utvecklad kavitation. Ventil: t.a.c, k v 1., temperatur: 5 C, öppningsgrad: z=,5 Huruvida denna begynnande kavitation är skadlig för ventilerna eller ej är inte undersökt. Ej heller om den utvecklade kavitationen ger permanenta skador på installationen (förutom störande driftsljud) är undersökt inom ramen för detta arbete. För komplett grafisk resultatsammanställning av ett försöksexempel se bilaga 1. I tabellen nedan (Tabell 1) finns det angivet vid vilken öppningsgrad utvecklad kavitation uppstår vid ett differenstryck på 6 bar över ventilen. 17

18 Tabell 1. Öppningsgrad då utvecklad kavitaion förekommer vid ett differenstryck på 6 bar. V41 k vs 1, V41 k vs 1,6 VVG549 k vs 1, VVG549 k vs 1,6 VVF 5 k vs 1, VVF 5 k vs 1,6 C C % 55% 35-4% - 1% 85% 7-75% 65% 45-5% - <1% För att åskådliggöra den utvecklade kavitationens variation vid olika öppningsgrader på ventilerna samt temperaturinverkan har det för varje ventil gjorts en graf där öppningsgraden är plottad mot differenstrycket för utvecklad kavitation, se Figur 9. Även flödesvariationen vid ett differenstryck på 1 bar är inritad som funktion av öppningsgraden. Kompletta tabellvärden över då kavitation uppstår för de olika ventilerna finns i bilaga. 18

19 ) r a b ( Δ p (bar) p Δ VVF k vs = 1. P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3/ a b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f ) r a b ( Δ p (bar) p Δ VVF k vs = 1.6 P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3 a / b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f z z ) r a b ( Δ p (bar) p Δ VVG k vs = 1. P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3/ a b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f ) r a b ( Δ p (bar) p Δ VVG k vs = 1.6 P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3/ a b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f z z ) r a b ( Δ p (bar) p Δ tac k vs = 1. P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3/ a b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f ) r a b ( Δ p (bar) p Δ tac k vs = 1.6 P= bar 5 C utvecklad 1 C utvecklad 5 C begynnande 1 C begynnande m ( ) 1.5 rh 3/ a b d1 i= 1 vp flöde vid Δ P=1bar (m 3 /h) eδ d ö.5 l f z z Figur 9. Begynnande och utvecklad kavitation för de olika ventilerna vid vattentemperatur på 1(röd) och 5 C (blå). + indikerar begynnande kavitation och * utvecklad kavitation. I diagrammen finns även flöde som funktion av öppningsgrad inritad vid ett differenstryck på 1 bar. P =1bar 19

20 Som synes sker kavitationen vid lägre differenstryck då temperaturen är 1 C än vid 5 C. Kavitation i ventil med tryckande kägla Då samtliga undersökta ventiler är av hängande typ finns det inte, i flödets riktning, en kraftigt reducerad tvärsnittsarea efter strypningen. Då förträngning av tvärsnittsarea saknas uppstår inte fenomenet med ett minskat flöde till följd av minskad genomströmningsarea vid kraftig kavitation. Detta stämmer väl överens med resultaten av de utförda experimentella försök då flödet är proportionellt mot kvadratroten av differenstrycket över ventilen även då kraftig kavitation uppstår. För att bekräfta att detta beror på att samtliga ventiler hade hängande kägla valdes en ventil ut för att monteras med omvänd flödesriktning. Då försök med ventilen monterad mot flödesriktningen bröts det linjära sambandet mellan flöde och kvadratroten av differenstrycket då ventilen kaviterade kraftigt. Se Figur 1. ) s / l ( l e d ö l f flödel (l/s) Siemens VVF 5.15, kv 1., fullt öppen, 5C, korrekt flödesriktning ) s / l ( l e d ö l f flödel (l/s) Siemens VVF 5.15, kv 1., fullt öppen, 5C, omvänd flödesriktning sqrt(dp) sqrt(dp) Figur 1. Påverkan av flödesrikting. Figuren till vänster med korrekt flödesriktning, omvänd flödesriktning till höger. Streckad linje är linjär anpassning av flödet mot kvadratroten ur differenstrycket över ventilen.

21 diskussion Samtliga ventiler har kaviterat under försöken. Kavitationsintensiteten ökar med ökat differenstryck, vilket stämmer väl med teorin kring kavitation. Då ventilen har större öppningsgrad uppstår kavitation vid ett lägre differenstryck än då ventilen hade mindre öppningsgrad. Även temperaturberoende kunde detekteras, vilket även det stämmer överens med teoretiska studier av kavitation eftersom vattnets mättnadstryck är temperaturberoende. Temperaturberoendet är dock inte lika stort som inverkan av differenstryck och öppningsgrad. Beroende på ventiltyp kunde det uppgå till,-, bar per 1 K temperaturvariation. Vi har redovisat två olika värden för det kritiska differenstrycket för varje kombination av ventiltyp och vattentemperatur, begynnande kavitation och utvecklad kavitation. Det förstnämnda ger bara indikation på när de första gasbubblor börjar uppstå i ventilen och saknar betydelse i praktisk drift. Först då kavitationen blivit utvecklad kan den leda till erosion, men hur pass skadlig den är beror på andra omständigheter såsom ventilens konstruktion. Det har redan nämnts att ventiler med s k hängande kägla, som vi har att göra med här, är mindre känsliga för erosion, eftersom gasbubblorna imploderar utanför ventilsätet, nedströms. Vi har dock inte, i någon av de testade ventilerna, kunnat upptäcka strypning av flöde som uppstår då implosionerna inträffar nära väggmaterialet i ventilhuset, vilket tyder på att dessa ventiler har goda förutsättningar för att motstå erosion inom hela dess arbetsområde. Det måste påpekas här att slutsatsen ovan gäller de provade ventiltyper och storlekar. Samma typ av ventil där ventilhuset är oförändrat men där k vs -värdet är större kan bli mer känsligt för kavitation i och med att den fria vattenvolymen i ventilhuset minskar då. Samtliga ventiler uppvisar ett linjärt samband mellan flöde och kvadratroten av differenstrycket över ventilen under försöken. För att få det bekräftat att kavitation kan leda till onormal strypning av flöde har vi testat en av ventilerna monterad mot flödesriktning vilket motsvarar att ventilen har en tryckande kägla. Vi fick ett samband mellan flöde och differenstryck som avvek från vad som sagts ovan vid kavitation vilket bevisar att omständigheter vid våra ordinarie tester har varit korrekta. Vid alla våra tester kunde vi se att kavitationsbenägenheten ökar vid ökande öppningsgrad. Mest känsliga i det fallet var ventilerna typ V41, där det kritiska differenstrycket blir c:a 4-6 bar vid 1% öppningsgrad. Å andra sidan, det önskade kritiska trycket, 6 bar, uppnås vid 7-9% öppningsgard och ökar sedan starkt vid mindre öppningsgrader, vilket är en positiv egenskap. Ventiltypen VVF5 har ganska olika kavitationsegenskaper beroende på storlek eftersom den mindre ventilen, k vs =1 har en annan, ganska konventionell, typ av kägla än den större ventilen. I den mindre ventilen kunde vi detektera enstaka fall av utvecklad kavitation bara, och då vid de största differenstrycken och öppningsgrader, vilket är ett mycket bra resultat. Den större ventilen, med ventilkägla utformad som en korg, varierade det kritiska trycket mellan 5 bar vid 1% öppningsgrad och 6 bar vid 1% öppningsgrad. Utfallet för ventiltypen VVG549 mindre bra då det önskade kritiska trycket, 6 bar, uppnås där redan vid 4-6% av öppningsgrad och ligger på 3-4 bar vid full öppning. Detta var på sätt och vis förväntat eftersom VVG549 är har en enklare konstruktion än de övriga två ventiltyperna. 1

22 referensförteckning [1] Koivula, T m.f.l, On cavitation in fluid power, Proceedings of 1st FPNI-Phd Symposium, Hamburg [] çengel, Y., Boles, M., Thermodynamics: an engineering approach, second edition, 1994 [3] Samson AG, Cavitation in Control Valves, Technical information, Samson AG, Frankfurt

23 bilaga 1 Exempel på mätresultat från test av en ventil (t.a.c V41, PN 16, DN 15, k vs 1, vid vattentemperatur, t=1 C). z=,1,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 9:4:44C1 9:4:44 6,51 m 9:49:37bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 5, 5,5,4-1, 9:44 9:46 9:48 4, 3,, 1,, 4 3 1,4,3-1,5,3,,,1 -,,1, -,5 z=,,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 9:49:44C1 9:53:33,84 m 9:56:37bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 9:5 9:5 9:54 9:56 5, 4, 3,, 1,, ,5,4-1,,4,3-1,5,3,, -,,1,1, -,5 3

24 bilaga 1 z=,3,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 9:56:33C1 1::6 1,1 m 1:3:6bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 9:58 1: 1: 5, 4, 3,, 1,, ,5,4-1,,4,3-1,5,3,, -,,1,1, -,5 z=,4,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:3:8C1 1:8:44 1,3 m 1:1:1bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:4 1:6 1:8 1:1 5, 4, 3,, 1,, ,5,4-1,,4,3-1,5,3,, -,,1,1, -,5 4

25 bilaga 1 z=,5,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:1:C1 1:14:,3 m 1:17:15bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:1 1:14 1:16 5, 4, 3,, 1,, ,5,4,3,,1,4,3,,1, -1, -1,5 -, -,5 z=,6,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:17:9C1 1::37 1,95 m 1:4:bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:18 1: 1: 1:4 5, 4, 3,, 1,, ,5,4-1,,4,3-1,5,3,, -,,1,1, -,5 5

26 bilaga 1 z=,7,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:4:18C1 1:7:3 1,69 m 1:31:11bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 5, 5,5,4-1, 1:6 1:8 1:3 4, 3,, 1,, 4 3 1,4,3,,1,3,,1, -1,5 -, -,5 z=,8,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:31:11C1 1:34:48 1,1 m 1:38:4bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:3 1:34 1:36 5, 4, 3,, 1,, 1: ,5,4,3,,1,4,3,,1, -1, -1,5 -, -,5 6

27 bilaga 1 z=,9,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:38:7C1 1:4:4 1,7 m 1:45:bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:4 1:4 1:44 5, 4, 3,, 1,, ,5,4,3,,1,4,3,,1, -1, -1,5 -, -,5 z=1,4,, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6,4,, V tac_1_rensat_1c+ INTAB Interface-Teknik AB 1:45:4C1 1:46:59 1,99 m 1:51:57bar C z l/s db 1,,8,5 1,9 9, 9,7,8, 8, 8,6,7 7, 7 -,5 6,,6,5 6 1:46 1:48 1:5 5, 4, 3,, 1,, ,5,4,3,,1,4,3,,1, -1, -1,5 -, -,5 7

28 bilaga Tabellsammanställning av ventilernas begynnande och utvecklad kavitation omräknade till ett konstant returtryck, P = bar. t.a.c V41, PN 16, DN 15 kvs=1, kvs=1,6 5 C 1 C 5 C 1 C Kvaitation Kvaitation Kvaitation Kvaitation antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad z (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar), ,6 -- 9,15 --, ,1 --, , ,35 8,7, ,9 8, ,4 7,65, , ,45 7,65 5,75 7,55,6 7,75 9,85 5,5 8,5 5,8 7,1 5,95 7, ,8 8, 9,7 5,5 6,15 3,7 6,35 3,55 5,5,9 5, 7,9 3,85 5,85,9 4,1,3 3,85 1,9 5,4, 4 3,7 -- ingen kavitation Siemens VVG549.15, PN5 kvs=1, kvs=1,6 5 C 1 C 5 C 1 C Kvaitation Kvaitation Kvaitation Kvaitation antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad z (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar), , , ,7 9,45, , ,35 --, ,45 9, ,3 --, , ,9,55 6, ,15 6, ,35 7,5,64 4,65 5,55 4,5 4,85 1,75,45,6 4,5,73 4 5,4 3,95 4,85 3, 5,8 1 1,15,8 3,45 4,45,55 4,4 3,5 5,65,5 4,15,91 3,7 5,5 1,45 3,35 3,5 4,85 1,9 3,7 1 4,65 6,5,95 4, ingen kavitation 8

29 bilaga Siemens VVF 5.15, PN 5 kvs=1, kvs=1,6 5 C 1 C 5 C 1 C Kvaitation Kvaitation Kvaitation Kvaitation antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad antydan Utvecklad z (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar) (bar), , ,8 --,5 6,5, ,3 6,,95 6,7, ,4 5,15 1,75 5,5, ,1 5 1,4 5,75, , ,45 5,5,7 5,45, ,5 -- 1,9 --,8 5,95 6,6 7,7 -- 1,4 5,95 1,35 5,65, ,8 8,55 1,4 6,1 1,5 5,3 1 1,8 -- 1, ingen kavitation 9

30 Fjärrsyn forskning som stärker konkurrenskraften för fjärrvärme och fjärrkyla genom ökad kunskap om fjärrvärmens roll i klimatarbetet och för ett hållbart samhälle, till exempel genom att bana väg för affärsmässiga lösningar och framtida teknik. Programmet drivs av Svensk Fjärrvärme med stöd av Energimyndigheten. Mer information finns på kavitation i styrventiler Styrventiler för reglering av primärvattenflöde i en fjärrvärmecentral är en mycket viktig komponent i fjärrvärmesystemet. Styrventiler ställer in rätt flöde av primärvatten då värmetillförseln regleras i fjärrvärmecentralen. Målet har här varit att framkalla och identifiera kavitation vid olika driftsparametrar motsvarande olika driftsfall och varierande ventilplaceringar i fjärrvärmecentralen. Resultaten, som visar att samtliga testade ventiler kaviterade under försöken, ska ge den kunskap som behövs för att utforma nya tekniska bestämmelser. Svensk Fjärrvärme Stockholm Telefon Fax Besöksadress: Olof Palmes gata 31, 6 tr. E-post fjarrsyn@svenskfjarrvarme.se